Bir 1P PocketQube’ün güç bütçesi

Sorun

Bir 1P PocketQube’ün 150 cm² dış yüzeyi vardır ve bunun bir kısmı antene, ayrılma anahtarlarına ve arka plakaya gider. Literatür, gövdeye monte 1P tasarımlarının yörünge ortalaması gücünü birkaç yüz miliwatt olarak verir[1][2]. Bu notta o sayıyı temel ilkelerden türetiyor, enerji dengesini bir başvuru yük listesiyle kapatıyor ve dengeyi bozan etkileri niceliyoruz.

Üretim

Güneşte bir hücre, Güneş sabitiyle, verimiyle ve Güneş doğrultusuna izdüşen alanıyla orantılı güç üretir. $S=1361$ W/m² kullanıyoruz[3]. Çok eklemli III-V hücrelerin anma verimi %30 civarındadır, en iyi ürünlerde %34’e çıkar[4]; PocketQube derlemesini izleyerek ömür başı için ihtiyatlı bir değer olan $\eta =0,28$’i ve yüzeyin etkin hücre alanı taşıyan kesri için $p=0,6$ doluluk oranını alıyoruz[1].

Yönelim kontrol edilmiyorsa her yönelim eşit olasılıklıdır. Dışbükey bir cisim için tüm yönelimler üzerinden ortalama izdüşüm alanı toplam yüzeyin dörtte biridir (Cauchy teoremi); dolayısıyla güneşteki ortalama güç ve yörünge ortalaması

olur; burada $f_{\mathrm{e}}$ tutulma oranıdır. Bir 1P için $A_{\mathrm{tot}}=150$ cm², ortalama izdüşüm alanı 37,5 cm²’dir:

1P, güneşte ortalama 857 mW toplar. Modelin içermediği şeye dikkat edin: “hücreli yüz” hesabı yoktur. Doluluk oranı, arka plakanın arkasındaki yüz ve hücreler arasındaki boşluklar dâhil, etkin hücre alanı olmayan her şeyi temsil eder.

Tutulma

Dairesel bir yörüngede her turun Dünya’nın silindirik gölgesinde geçen kesri, irtifaya ve Güneş vektörü ile yörünge düzlemi arasındaki beta açısına bağlıdır:

525 km’de ve $\beta =0°$’de tutulma, 95,1 dakikalık bir yörüngenin 35,7 dakikasını sürer, $f_{\mathrm{e}}=0,375$; derleme karşılaştırmalarında 525 km SSO’nun en uzun tutulmasını $f_{\mathrm{e}}=0,36$’ya yuvarlar. Yaklaşık 67,5°’lik beta açısının üstünde gölge kaybolur ve şafak–alacakaranlık yörüngesi yıl boyunca Güneş’i görür.

Yük listesi

Yük listesi her tüketicinin açıkken gücünü ve görev çevrimini verir. Vericinin payı baskındır: %40 verimli bir yükselteçle 0,5 W RF yaymak 1,25 W DC çeker, ama bu yalnızca işaret yayınları ve geçişler sırasında, zamanın yaklaşık %4’ünde olur.11Görev çevrimi, işaret yayını aralığından, paket uzunluğundan ve günlük geçiş sayısından çıkar. Her 60 saniyede bir yapılan 1 saniyelik bir işaret yayını tek başına %1,7’dir.

Enerjiyi yörünge başına dengelemek, bataryanın tutulmada verdiğinin güneşte şarj kayıplarıyla birlikte geri konması gerektiğini açıkça gösterir. Yörünge başına gereken enerji, güneşteki doğrudan tüketim ile tutulma enerjisinin bataryanın gidiş-dönüş verimine bölünmüşünün toplamıdır[5]:

Bu örnekte hücreler yörünge başına gereken 221 mWh değerine karşı 850 mWh sağlar; pay %284 olur ve tutulma 1,85 Wh’lik bir bataryanın yalnızca %4,3 kadarını çeker.

Deşarj derinliği ve batarya ömrü

525 km’deki bir uydu yılda yaklaşık 5500 şarj ve deşarj çevriminden geçer. Li-iyon çevrim ömrü deşarj derinliğine güçlü biçimde bağlıdır ve çok yıllı görevler bu değeri genellikle %20–30’un altında tutar[5]. 1P ölçeğinde tutulma enerjisi küçüktür; bu yüzden tasarım sorusu bataryanın boyutu değil sıcaklığıdır: soğukken şarj edilmemeli ve sistem tutulmadan düşük gerilimle çıkarken çökmemelidir.

Dengeyi bozanlar

Rahat görünen pay, yer yer iyimser varsayımlara dayanır. Gerçek bir tasarım bu etkilerin her birini ayrı ayrı nicelemelidir:

• Ömür sonu bozulması. Radyasyon ve ısıl çevrimler kısa bir 1P görevinde hücre verimini yüzde birkaç düşürür; 600 km’nin üstünde daha fazla.
• Sıcaklık. GaAs hücrelerin verimi ısındıkça düşer ve ısı kapasitesi küçük bir 1P güneşte çabuk ısınır.
• Verici görev çevrimi. Bunu %4’ten %10’a çıkarmak ortalama yüke 75 mW ekler; bu, başvuru tüketiminin yarısından fazladır.
• Tepeler. Ortalama dengede olsa bile verici, manyetik tork çubukları ya da faydalı yükten gelen kısa tepeler bataryanın iç direnci ve dönüştürücülerin akım sınırları içinde kalmalıdır.
• Yönelim kontrolü. Bir yüzü Güneş’e yöneltmek bir küpe yardımcı olmaz; bir sonraki bölüm bunu gösteriyor.

Serbest dönme yönlendirmeyi yener

Kontrollü yönlendirmenin gücü artıracağı sezgisi, gövdeye monte hücreli bir küp için yanlıştır. Güneş’e dik tutulan 25 cm²’lik tek bir yüz 25 cm² gösterir, oysa serbest dönme ortalaması 37,5 cm²’dir: güneşteki güç 0,86 W’tan 0,57 W’a düşer. En iyi yönelim olan cisim köşegeni doğrultusu bile yalnızca $\sqrt{3}{a}^2=43,3$ cm² gösterir; bu, serbest dönmeden %15 fazladır. Yönlendirme ancak açılır panellerle işe yarar; bir 3P bunlarla 10 W’ı aşabilir[2].

Uçmuş bir örnek

Grizu-263A, frekans koordinasyonu için ortalama 0,75 W üretim ve ortalama 1,5 W etkin tüketim bildirdi. Üretim değeri, beş ile altı dolu yüz için modelin güneşteki ortalamasına, 0,71–0,86 W’a uyar; buna karşılık gelen yörünge ortalaması 0,46–0,55 W’tır. Etkin kipinde talep arzın iki katı olduğundan uydu bu kipi zorunlu olarak görev çevrimiyle çalıştırdı ve tutulmalarla yayınları bataryaya köprületti[1].

Mimari

flowchart LR
  SA["Gövdeye monte hücreler"] --> MPPT["MPPT dönüştürücü"]
  MPPT --> BCR["Şarj denetimi"]
  BCR --> BAT["LiPo, 1,85 Wh"]
  BCR --> BUS["Batarya hattı"]
  BUS --> REG["3,3 V regülatör"]
  REG --> LS["Akım sınırlı yük anahtarları"]
  LS --> OBC["OBC"]
  LS --> COM["UHF alıcı-verici"]
  LS --> ADCS["Manyetik tork çubukları"]
  LS --> PL["Faydalı yük"]

Akım sınırlı yük anahtarları, bir alt sistemdeki tek olay kilitlenmesinin (latch-up) tüm uyduyu kapatmasını önler ve EPS’nin alt sistemleri tek tek yeniden başlatmasına olanak tanır.

Sonuç

Gövdeye monte hücreli bir 1P, verici görev çevrimi dikkatle planlanırsa birkaç yüz miliwattlık sürekli bir bütçe taşıyabilir. Sınır toplam enerji değil; verici ve faydalı yük tepelerinin zamanlaması ile bataryanın sıcaklığıdır. Daha fazla güce ihtiyaç duyan görevler, gücü yüzeyle ölçekleyen 2P ya da 3P’ye veya yönlendirmeli açılır panellere geçmelidir.