Prof. Luigi Puccinelli IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI VEICOLI SPAZIALI

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1 Prof. Luigi Puccinelli IMPIANTI E SISTEMI AEROSPAZIALI VEICOLI SPAZIALI IMPIANTO ELETTRICO

2 Potenza elettrica 2 La potenza installata varia con la complessità del veicolo Primi satelliti 1W Satellite per telecomunicazioni 1 kw Grandi sistemi i MW

3 Richiesta di potenza 3

4 Scelta del generatore principale 4

5 Potenza elettrica 5 Missioni brevi <1g Batterie <1kW Turbine chimiche >1kW Missioni medie <1mese Celle a combustibile <1kW Motori criogenici (O 2 /H 2 ) >1kW Missioni lunghe Sistemi fotovoltaici <1kW Radioisotopi <1kW Sistemi nucleari >1kW

6 Impianto elettrico 6 Sistema Primario Batterie Celle solari Celle a combustibile Generatori a radioisotopi Generatori nucleari Sistema secondario Accumulatori Celle a combustibile rigenerative Rete di controllo e distribuzione

7 Tipico impianto elettrico 7

8 Impianto elettrico 8 Impianti in corrente continua 28V±.3V 50V ±1V 150V Raramente impianti in corrente alternata Ad onda quadra, utilizzata quando occorrono diversi valori di tensione in corrente continua Shuttle corrente alternata trifase a V 400Hz

9 Celle solari 9 L energia solare trasformata direttamente in energia elettrica Rendimento 10-20% Ad 1 U.A. potenza della radiazione i solare di 1371 W/m 2 Decadimento prestazioni sia per le radiazioni che per micrometeoriti Fragili Necessità di grandi superfici Problema di dispiegamento dopo il lancio Problemi di eclisse nelle orbite

10 Celle solari 10 Quelle comunemente utilizzate in campo spaziale sono derivate da cristalli di Silicio puro nei quali vengono introdotte impurità con atomi di altri elementi La struttura atomica che deriva è tale che determinati livelli di energia provocano spostamenti di elettroni e quindi generazione di corrente elettrica se questi vengono raccolti da opportune giunzioni

11 Fotocellula 11

12 Celle solari 12 L energia incidente viene in parte riflessa, in parte trasmessa attraverso il corpo della cella, in parte convertita in calore e energia elettrica L energia elettrica a sua volta viene in parte utilizzata nel circuito esterno ed in parte convertita in calore per effetto Joule Si può definire i un efficienza: i W = W + W + W + W sole riflessa trasmessa calore utile η = W utile W sole

13 Celle solari 13 Energia media di radiazioni emesse dal Sole abbastanza costante Costante solare Q 0 circa 1371 W/m 2 Variazioni per l eccentricità dell orbita terrestre A livello Mercurio 6.5 Q 0 Venere 1.9 Q 0 Marte 0.4 Q 0 Le particelle ad alta energia emesse dal Sole hanno effetti negativi perché possono danneggiare la superficie delle celle

14 Caratteristica tipica fotocellula 14

15 Celle solari Effetto dell atmosfera 15 L atmosfera assorbe parte dell energia solare L energia assorbita dipende dalla massa d aria attraversata e dall assorbimento dell atmosfera per le varie lunghezze d onda Per la massa d aria attraversata conta la quota e l angolo fra la direzione del sole e la verticale

16 Celle solari Effetto dell atmosfera 16 L assorbimento da parte dell atmosfera varia con la composizione dell atmosfera e in particolare il livello di umidità attraversato L energia a livello del suolo anche nelle migliori condizioni è inferiore a.5q 0 In tali condizioni con un rendimento del 20% sono necessari circa 10 m 2 di celle solari per ottenere 1 KW

17 Effetto irraggiamentoi 17

18 Celle solari 18 Variazioni di temperatura provocano variazioni della tensione, ma abbastanza moderate, e nell efficienza Le radiazioni ad alta energia e alta frequenza possono provocare danneggiamenti a livello atomico con diminuzione della tensione fornita e della corrente massima

19 Effetto temperaturat 19

20 Effetto temperatura su fotocellule 20

21 21 Effetto danneggiamento

22 Pannelli solari 22 Le celle solari devono essere collegate in serie per raggiungere la tensione dell impianto Le stringhe così costruite dovranno essere collegate in parallelo l per fornire la corrente richiesta

23 Pannelli solari 23 Se il sistema utilizza batterie per fornire l energia durante i periodi di eclisse il dimensionamento dei pannelli solari deve tenere conto dell energia richiesta dagli impianti di bordo e dell energia necessaria per la ricarica delle batterie. Intervengono del calcolo i tempi di illuminazione t i e di eclisse t e ed i rendimenti del sistema di batterie Il rapporto t e /t i può andare da per un orbita geostazionaria fino a per un orbita bassa

24 Pannelli solari 24 L energia raccolta da un pannello solare di area A dipende d fortemente dall angolo di incidenza della radiazione r Se r è la direzione di provenienza della radiazione e n la normale all elemento di area da, la potenza fornita è W = ηg r r r nda A Se il pannello è piano e α è l angolo fra la direzione di provenienza della radiazione e la normale al piano n r W = η GA cosα

25 Pannelli solari 25 Cambiano quindi molto le prestazioni per pannelli piani orientabili o disposizioni delle celle sulla superficie di un satellite cilindrico Sono rilevanti anche gli effetti di ombre indotte da antenne, appendici varie o dalla configurazione del veicolo

26 Celle a combustibile 26 Richiedono alimentazione possono essere utilizzate in funzione della disponibilità di reagenti: H 2 e O 2 H 2 e H 2 O 2 CO,CH 4,C 2 H 4, e O 2,Cl CH 3 OH e H 2 O 3 C e O 2

27 Celle a combustibile 27 Tipo più diffuso usa idrogeno e ossigeno Idrogeno e ossigeno si combinano generando acqua e corrente elettrica Per le migliori prestazioni occorro idrogeno e ossigeno puri (presenti in molti veicoli spaziali come propellenti)

28 Cella combustibile 28

29 Celle a combustibile Idrogeno-Ossigeno 29 Tensione di 1.2V per ogni elemento Una mole di idrogeno e mezza mole di ossigeno forniscono 54 Ah La tensione diminuisce all aumentare della corrente La reazione produce calore, per non abbassare il rendimento occorre raffreddare la cella

30 Caratteristica cella combustibile 30

31 Cella combustibile 31

32 Cella combustibile 32

33 Cella combustibile 33

34 Prestazioni celle a combustibile 34

35 Radioisotopi 35 Il decadimento di materiale radioattivo crea un calore che una termocoppia trasforma in corrente Efficienza bassa per dispersione del calore

36 Generatore a radioisotopi 36

37 Prestazione radioisotopi 37

38 Prestazione radioisotopi 38

39 Reattori nucleari 39 Basati su fissione nucleare e conversione del calore in corrente elettrica Efficienza 100 W/kg

40 Batterie primarie 40 Per missioni i i di breve durata si possono impiegare i batterie Sono caratterizzate da elevata densità di potenza con un buon rapporto peso/energia fornita L impiego principale è a bordo dei vettori o dei missili

41 Batterie primarie 41 Sono state usate anche in sonde planetarie dove l energia viene utilizzata per il solo periodo di vicinanza col pianeta Se la batteria viene utilizzata t dopo lunghi periodi dalla sua installazione occorre introdurre l elettrolito poco prima dell utilizzo utilizzo, questo può essere reso automatico con un segnale elettrico

42 Batterie primarie 42 Per missioni i i di lunga durata le batterie vengono utilizzate t di norma solo per l attivazione di sistemi pirotecnici o di sistemi dispiegabili Tali eventi sono all inizio della missione e il sistema viene utilizzato quando non si vuole richiedere potenza al sistema principale per utenze di impiego singolo

43 Batterie secondarie - Accumulatori 43 Sono batterie ricaricabili Hanno una densità di energia minore delle batterie L esigenza principale deriva dalla necessità di fornire energia durante la fase di eclisse per satelliti di lunga durata dove la generazione principale avviene con pannelli solari Devono sopportare un numero elevato di cicli di carica e scarica mantenendo efficienza elevata Un satellite in orbita con periodo di 90min e piccola inclinazione ha 16 eclissi al giorno, in 2 anni di vita la batteria deve sopportare circa cicli

44 Accumulatori 44 L accumulatore deve essere affidabile per lunghi periodi (anni) sopportare i carichi di lancio sopportare l ambiente spaziale Contenitori a tenuta per non disperdere l elettrolito Si deve tener conto della mancanza di gravità Il calore generato deve essere eliminato

45 Accumulatori 45 In un elemento della batteria avvengono reazioni chimiche con trasferimento di elettroni da un reagente all altro Quando i reagenti sono posti sugli elettrodi immersi in una soluzione ionica e connessi da un circuito esterno la reazione avviene ad una velocità controllabile dalla resistenza del circuito esterno cioè dalla richiesta di corrente.

46 Accumulatori 46 La tensione ottenibile in un elemento è governata dai fenomeni elettrochimici ed attorno ad un valore che dipende dalla corrente assorbita e dalle concentrazioni dei reagenti Per raggiungere le tensioni volute occorre porre in serie un certo numero di elementi L affidabilità dipende molto dall elemento con caratteristiche peggiori Il decadimento di uno degli elementi provoca un deterioramento delle prestazioni di tutto l accumulatore

47 Curva di scarica dell accumulatore 47 A corrente costante l accumulatore presenta prima un calo di tensione transitorio dovuto a vari motivi legati a concentrazioni chimiche successivamente un periodo a tensione costante infine un calo di tensione in prossimità dell esaurirsi della carica

48 Scarica accumulatore 48

49 Carica accumulatore 49

50 Prestazione accumulatori 50

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