1.7. Дополнительные данные о конструкции сэс

К необходимым дополнительным данным следует отнести информацию о способе ориентации КА и БФ. По способу ориентации БФ могут быть:

- неориентирумыми;

- одноосноориентируемыми (наиболее распространены в настоящее время);

- двухосноориентируемыми.

Для упрощенных расчетов можно полагать, что неориентируемые БФ используют 20% падающего на их поверхность солнечного излучения, а односноориентируемые 85...90%. Для более точных расчетов на основе имеющийся информации о параметрах орбиты и характере ориентации КА необходимо расcчитывать изменение освещенности на витке для каждой панели БФ. Методика такого расчета приведена в [1].

При этом, в некоторых случаях, для неориентируемых БФ, которые устанавливаются на КА, которые постоянно ориентированы на Солнце (как, например, некоторые КА серии "Молния") – следует принимать что они используют 100% падающего на их поверхность солнечного излучения.

Также при проведении энергобалансного расчета необходимо знать

- выходное напряжение СЭС (или диапазон выходного напряжения);

- характер напряжения на главной шине СЭС (стабилизированное, нестабилихированное);

- логику автономной работы СЭС в части:

- способа ограничения (и снятия ограничения) генерируемой мощности;

- способа ограничения (и снятия ограничения) потребляемой мощности;

- способов идентификации заряженности БХ.

Также могут оказаться необходимыми дополнительные сведения о конструкции СЭС, например, наличие концентратора солнечного излучения и т.п.

2. Статический энергобалансный расчет

Исходные данные для статического энергобалансного расчета:

- циклограмма нагрузки;.

- параметры расчетного витка (длительность витка, длительность тени).

Если циклограмма нагрузки не задана, а заданы лишь уровни средней и максимальной мощности, длительности сеансов пиковой нагрузки – то в этом случае необходимо сконструировать соответствующую циклограмму. Простейшие циклограммы нагрузки – двухступечатая и трехступенчатая. В некоторых случаях целесообразно приводить сложную циклограмму к двух или трехступенчатому виду.

Для того, чтобы привести произвольную циклограмму к простейшему виду, для начала необходимо рассчитать среднюю мощность нагрузки:

;

(2.1а)

или в дискретной форме

,

(2.1а)

гдк n – количество участков.

Где W_{н ср} – средняя потребляемая мощность нагрузки на интервале осреднения Т (как правило, для энергобалансных расчетов в качестве Т расчетов берется длительность витка).

Основной принцип большинства методик для упрощения циклограмм – вычисление среднего значения и последующая группировка и объединение участков циклограммы с мощностью больше/меньше средней.

Для этого расчитывается суммарная площадь участков циклограммы где мощность нагрузки больше/меньше средней:

,

(2.2)

Далее методики отличаются способом распределения расчитанных значений энергий. Для получения двухуровневой циклограммы нагрузки: площадь отрицательных участков распределяют на интервале освещенного участка циклограммы, а площадь отрицательных – на интервале теневого участка..

Рис. 2.1 – Приведение произвольной циклограммы к двухуровневому графику

Таким образом, на приведенной циклограмме

(2.3)

и

(2.4)

Для определения необходимой мощности БФ, в первоначальном приближении пренебрегая потерями при передачи энергии от генератора к нагрузке, можно записать, что

,

(2.5)

Где W_{БФ ср} – средняя мощность генератора на интервале Т.

Проще говоря, средняя мощность генератора равна средней мощности нагрузки, а энергия, переданная от генератора за время Т равна энергии потребленной за это же время нагрузкой.

С учетом того, что БФ не работает на протяжении всего витка, для случаев одноосной и двухосной ориентации БФ необходимую минимальную установленную мощность БХ W_{БФ уст} можно оценить из соотношения:

(2.6)

Поток мощности через накопитель равен разности мощностей генератора и нагрузки:

(2.7)

Пололжительному значению W_БХ – соответствует состояние заряда накопителя. Отрицательному значению W_БХ – соответствует состояние разряда.

Проинтегрировав по времени поток мощности через накопитель, можно получить зависимость от времени текущей заряженности накопителя.

.

(2.8)

Проводя аналогию между накопителем и "баком с водой", в который одновременно по одной трубе вода вливается (энергия от генератора) и по другой из него выливается (энергия, потребляемая нагрузкой), колебания значения E_БХ() соответствуют колебаниям уровня воды в баке. При этом максимальная амплитуда колебаний E_БХ() ("уровня воды в баке") соответствует минимальной необходимой емкости накопителя (необходимая вместимость бака). Таким образом, минимальное необходимое значение установленной емкости:

.

(2.9)

Здесь E_БХ измеряется в единицах энергии: Дж, Вт·ч. Для характеристики накопителей на основе батарей электрохимических аккумуляторов чаще используют ­электрохимическую емкость БХ – Q_БХ. Размерность Q_БХ – Кл, А·ч.

Рис. 2.2 – К предварительному энергобалансному расчету: Пример циклограмм потоков мощности через генератор, нагрузку и накопитель. Расчетная циклограмма уровня запасенной энергии в накопителе.

Вследствие неизбежных потерь на поляризацию среднее зарядное напряжение (это справедливо для, практически, всех накопителей) всегда больше среднего разрядного напряжения. По законам электрохимии для того, чтобы осуществить ту или иную реакцию, необходимо сообщить электроду некий потенциал, отличающийся от равновесного.При равновесном потенциале токи прямой и обратной реакции равны. Разность между равновесным потенциалом и потенциалом под которым находится электрод называется напряжением поляризации. Поэтому КПД аккумуляторов, как правило не выше 75-80%. И величина энергии, сообщенная аккумуляторам, (E_{БХ зар}) существенно отличается от величины энергии, отданной аккумулятором (E_{БХ разр}).

Для аккумуляторов, космического применения, в которых реализованы замкнутые циклы, в нормальных условиях работы величины зарядной Q_{БХ зар} и разрядной Q_{БХ разр} емкости отличаются незначительно. В соответствии с законом сохранения заряда разрядная емкость должна быть равна зарядной за вычетом потерь на неосновные (нетокообразующие, паразитные) реакции.

Значения коэффициента эффективности по току (или просто коэффициента эффективности) за один цикл для аккумуляторов космического применения:

(2.10)

находится в пределах 0.9...0.99 и зависит от температуры, среднего уровня заряженности, степени деградации. Поэтому текущее значение Q_БХ (как аналог "уровня воды в баке") используют для управления накопителем.

Необходимую установленную электрохимическую емкость БХ можно определить по формуле:

,

(2.11)

где U_{БХ раб} – рабочее напряжение аккумуляторной батареи.

Для СЭС со стабилизированной шиной­ при расчетах в качестве U_{БХ раб} принимается стабилизиованное выходное напряжение СЭС. Для СЭС с нестабилизированной шиной, у которых напряжение на главной шине меняется вместе с напряжением на БХ,­ при расчетах в качестве U_БХ раб принимается минимальное рабочее напряжение СЭС.