CubeSat – Meet the Electrical Power Subsystem

Τι είναι η Ενέργεια;
Είναι ένα τόσο απλό και ταυτόχρονα πολύπλοκο ερώτημα.
Γιατί λοιπόν να μην γυρίσουμε πίσω στον χρόνο και να ζητήσουμε άποψη από έναν άνθρωπο του οποίου το έργο αναγνωρίζεται από κάθε επιστήμονα στον κόσμο.
Όταν μίλησε για τη διατήρηση της ενέργειας στη δεκαετία του 1960, ο Richard Feynman παρατήρησε:
«Είναι σημαντικό να συνειδητοποιήσουμε ότι στη φυσική σήμερα, δεν έχουμε καμία γνώση της ενέργειας. Δεν έχουμε μια εικόνα ότι η ενέργεια έρχεται σε μικρά σταγονίδια ορισμένου ποσού. Δεν είναι έτσι. Ωστόσο, υπάρχουν τύποι για τον υπολογισμό κάποιας αριθμητικής ποσότητας, και όταν τα προσθέτουμε όλοι μαζί, δίνει “28” – πάντα τον ίδιο αριθμό. Είναι αφηρημένο καθότι δεν μας λέει τον μηχανισμό ή την λογική για τους διάφορους τύπους »
Επίσης, σήμερα, όταν κάποιος ανοίγει ένα εγχειρίδιο για τη φυσική, θα σας πει ότι η ενέργεια είναι “η ικανότητα εργασίας”. Στη συνέχεια, συνήθως εξηγείται ότι η “εργασία” είναι η κίνηση ενός πράγματος ενάντια σε μια δύναμη. Αλλά αυτός ο ορισμός δεν είναι ικανοποιητικός; Είναι λίγο σαν τον ορισμό του Πλάτωνα για τον άνθρωπο ως “δίποδο χωρίς φτερά” – είναι δύσκολο να δείξεις το σφάλμα στη συλλογιστική, αλλά αισθάνεστε ότι κάτι λείπει.
Αν λοιπόν θα θέλαμε να απαντήσουμε σε αυτή την ερώτηση με μια πρόταση, θα ήταν πιθανόν ότι:
“Η ενέργεια είναι σε όλα – συχνά περιγράφεται ως «η ικανότητα παραγωγής έργου»”
Δεν υπάρχει φυσική “ουσία” ενέργειας, και τίποτα δεν είναι “καθαρή ενέργεια”. Η ενέργεια μεταφέρεται πάντα με κάτι, συνήθως υπό τη μορφή κίνησης.
Έτσι, μετά από όλη αυτή την εισαγωγή, ο καθένας θα ρωτούσε, ποια είναι η σχέση μεταξύ ενέργειας και δορυφόρου;
Έτσι είναι καιρός να επιστρέψουμε στο υποσύστημα μας και να σας παρουσιάσουμε το E.P.S.
Ο ρόλος του είναι ο εξής: πρέπει να διασφαλίσει πως ανά πάσα στιγμή ο δορυφόρος θα έχει επάρκεια ενέργειας και πως τα διάφορα υποσυστήματα λειτουργούν στις σωστές τάσεις ανά στοιχείο και με ρεύματα εντός συγκεκριμένων ορίων. Πώς επιτυγχάνεται αυτό; Συλλέγοντας ηλιακή ενέργεια μέσω φωτοβολταϊκών στοιχείων, αποθηκεύοντάς την σε μια συστοιχία μπαταριών και διανέμοντάς την μέσω ειδικών κυκλωμάτων.
Κάθε ένα από αυτά τα τρία σημεία κρύβει δεκάδες επιμέρους σημεία και κατά συνέπεια προκλήσεις και εν δυνάμει προβλήματα προς επίλυση.
Για παράδειγμα, η ‘συλλογή’ ενέργειας ακούγεται πολύ απλή αλλά δεν είναι ακριβώς έτσι. Αρχίζοντας με τα πιο βασικά, με ποιά κριτήρια θα επιλεγούν ηλιακοί συλλέκτες; Αυτό που κοιτάμε είναι ο βαθμός απόδοσης. Βαθμός απόδοσης είναι το ποσοστό της ενέργειας υπό τη μορφή ηλιακού φωτός που μπορεί να μετατραπεί μέσω φωτοβολταϊκών σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα συμβατικά (“μονοκρυσταλλικά”) panels έχουν απόδοση της τάξης του 15% (!) Μάλιστα, ακόμη και η μέγιστη δυνατή τους απόδοση περιορίζεται στο 33,16% που αποκαλείται ‘απόλυτη απόδοση’ ή αλλιώς ‘όριο Shockley-Queisser’. Εκτός αυτού, τα συμβατικά panels χάνουν απόδοση συγκριτικά γρήγορα. Χρειαζόμαστε μια εναλλακτική που επιτρέπει μεγαλύτερη απόδοση, χωρίς να αυξάνεται η επιφάνεια των συλλεκτών. Την λύση δίνουν τα panels τριπλής επαφής (triple junction solar cells). Υπάρχουν πολλοί τύποι τέτοιων συλλεκτών με τον καθένα να έχει διαφορετικές ιδιότητες. Στην αεροδιαστημική χρησιμοποιούνται ευρέως οι συλλέκτες GaAs διότι έχουν σχετικά χαμηλό λόγο κόστους/απόδοσης.
Όλα καλά, αλλά τι συμβαίνει όταν ο δορυφόρος σκιάζεται από την γη; Πρέπει σε αυτήν την περίπτωση το EPS να φροντίσει ώστε η παροχή ενέργειας να είναι αδιάλειπτη. Εδώ κάπου έρχεται και δένει η αποθήκευση ενέργειας. Γίνεται κατανοητό πως όσο βρισκόμαστε στον ήλιο (~60 λεπτά) πρέπει εκτός από την τροφοδοσία των εσωτερικών συστημάτων να προβλεφθεί ενέργεια  και για την φόρτιση της μπαταρίας ώστε για όση ώρα έχουμε σκίαση (~30 λεπτά) να μην υπολειτουργεί τίποτα. Ο καταμερισμός της ενέργειας σε τροφοδοσία και φόρτιση είναι από μόνος του αρκετά πολύπλοκος

Είτε ο δορυφόρος τροφοδοτείται απ’ ευθείας από τους συλλέκτες είτε από τις μπαταρίες, πρέπει να διανείμουμε την ενέργεια και να παρέχουμε τις σωστές τάσεις για την λειτουργία κάθε υποσυστήματος. Αρχικά πρέπει να ρυθμίσουμε την τάση που μας δίνεται στα επιθυμητά επίπεδα. Για παράδειγμα ένα εξάρτημα μπορεί να χρειάζεται 3.3V για να λειτουργήσει, ενώ ένα άλλο στοιχείο 2.4V ή 5V. Πρέπει με κάποιον τρόπο να ρυθμίσουμε την τάση στις εξόδους ώστε να δίνει σταθερά και αμετάβλητα τις ζητούμενες τιμές.
Ακόμη, καθώς οι έξοδοι τέτοιων κυκλωμάτων δίνουν ρεύμα πολύ χαμηλής έντασης, αυτό πρέπει να αυξηθεί, προσέχοντας όμως να μην υπερθερμανθεί κάποιο εξάρτημα. Μια ακόμη ενδεικτική λειτουργία του κυκλώματος διανομής είναι η παρακολούθηση  του παρεχόμενου ρεύματος ανά κανάλι ή «γραμμή», όπως και η προστασία του από υπερεντάσεις (όπως λειτουργούν και οι ασφάλειες του σπιτιού).
Κάτι σημαντικό για το EPS επίσης είναι πως καταβάλλεται προσπάθεια να γίνουν τα κυκλώματα κατά το δυνατόν αναλογικά και όχι ψηφιακά, αποφεύγοντας πιο «ριψοκίνδυνες» καταστάσεις.
Φυσικά όλα τα παραπάνω πρέπει να γίνουν στον άκρως περιορισμένο χώρο του CubeSat. Κάθε κυβικό και τετραγωνικό εκατοστό παίζει σημαντικότατο ρόλο και η ανάγκη ορθής εκμετάλευσης του διαθέσιμου χώρου είναι επιτακτικότατη.

Το υποσύστημα EPS αποτελείται από 4 προπτυχιακούς φοιτητές του τμήματος Ηλεκτρονικών Μηχανικών του ΤΕΙ Θεσσαλονίκης.
Αυτή τη στιγμή ο Αμπόνης Γιώργος και ο Τερζάκης Χρήστος ασχολούνται με την τελειοποίηση του κυκλώματος διανομέα και την πλακέτα του, ενώ ο Γεωργάκας Γιώργος και ο Λίτσος Γιώργος ασχολούνται με το κύκλωμα φόρτισης και την παραμετροποίησή του ώστε να είναι λειτουργικό και για τα δικά μας δεδομένα.