Sistemi di Potenza e Termici

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1 Sistemi di Potenza e Termici Trieste, 16 Giugno

2 SOTTO-SISTEMI SISTEMI Trieste, 16 Giugno

3 Sistemi di Potenza il sistema dev essere in grado di generare potenza, conservarla, distribuirla, regolarla e controllarla Sistemi di Conversione di Energia o sorgente di potenza (celle solari, ) Sistemi di Condizionamento e Controllo della Potenza Elettrica o regolatori, convertitori, circuiti di controllo, Sistema di Utilizzazione della Potenza o i vari carichi Trieste, 16 Giugno

4 Potenze tipiche Lavatrici: ~2000 W LCD/plasma TV: W Telefonini: 3.6 W Satelliti: W o Planck 1630 W o AtmoCube 1 W Trieste, 16 Giugno

5 Sorgenti / Sistemi di Potenza 1/2 Celle Solari Fotovoltaiche o radiazione solare Sorgenti Statiche o sorgenti di calore (decadimento radioattivo / reazioni nucleari) + conversione termoelettrica diretta/processo termo-ionico: ε ~ 5 20% Sorgenti Dinamiche o sorgenti di calore (decadimento radioattivo / reazioni nucleari / energia solare) + macchina termodinamica ciclica (Rankine / Brayton): ε ~ 15 35% Celle Chimiche o reazioni di ossidazione (batterie) Trieste, 16 Giugno

6 Sorgenti / Sistemi di Potenza 2/2 Celle Solari Fotovoltaiche Convertono la radiazione solare incidente direttamente in energia elettrica durante il Giorno Batterie Accumulano l energia elettrica prodotta dalle Celle e la rilasciano durante la Notte 400 km T = 93 min / 56 min giorno 1000 km T = 105 min / 70 min giorno km T = 1440 min / stagionale + circuiti + carichi Trieste, 16 Giugno

7 Orbita di un Satellite Trieste, 16 Giugno

8 Pannelli Solari: componenti Celle solari o connessioni elettriche fra le celle o componenti elettroniche (diodi/resistenze) o sub-strato meccanico per le celle o meccanismi di spiegamento o sistemi di puntamento al Sole Sistema di controllo della potenza elettrica o regolatori, convertitori, circuiti controllo, batterie Sistema di utilizzazione della potenza (carichi) Trieste, 16 Giugno

9 Silicio (Si) Tecnologie o esperienza spaziale e terrestre, ISS, vasta produzione commerciale, efficienza bassa (15%) Arsenurio di Gallio (GaAs) o esperienza spaziale (limitata), efficienza elevata (20%) Fosfato di Indio (InP) o nuove, tolleranti alle radiazioni, produzione non commerciale Tripla/Quadrupla Giunzione Trieste, 16 Giugno

10 Dimensionamento Pannelli Solari 1/2 Potenza richiesta: P sa o P sa T d = P e T e /X e + P d T d /X d Tipo di cella solare: η, p o o p o = η G S Capacità reale di produzione all inizio della missione: p bol, I d o p bol = p o I d cosθ % (Si) / 18.5% (GaAs) (disegno, temperatura, ombra) Trieste, 16 Giugno

11 Dimensionamento Pannelli Solari 2/2 Performance alla fine della missione: p eol, L d o p eol = p bol L d = p bol (1-degradamento/anno) vita Superficie necessaria: A sa o A sa = P sa / p eol (Si) / (GaAs) Dipendenza temperatura Trieste, 16 Giugno

12 Procedura di Valutazione Step 1 o Durata missione, invecchiamento celle Step 2 o Stima durata giorno e notte (altezza orbita) Step 3 o Scelta tipo di cella (Silicio, Arsenurio di Gallio ) o Efficienza = potenza in uscita / potenza in ingresso Step 4 15% 20% Si: 205 W/m 2 GaAs: 273 W/m 2 Sole: 1367 W/m 2 o Misura realistica delle proprietà delle celle Trieste, 16 Giugno

13 Giunzione P-N P Si: 4 e - valenza Strato P: contiene buchi di elettroni B (3 e - v.) Strato N: contiene eccesso di elettroni P (5 e - v.) Barriera di potenziale: 0.6 V Corrente (I) Corrente (I) Tensione Tensione (V) (V) Trieste, 16 Giugno

14 Circuito Elettrico n p e - load Pannello solare: o Celle solari in serie o parallelo Band gap Si: 1.12 ev λ < 1107 nm serie: I 1, nv 1 o AC: stessa faccia parallelo: ni 1, V 1 o AC: facce diverse Trieste, 16 Giugno

15 Misura della Potenza Disponibile 1.50 Peak Power Point 1.25 I SC EOL BOL AREA: potenza disponibile Current (I) V OC Voltage (V) EOL = End of Life BOL = Beginning of Life V OC = Open Circuit Voltage (R ) I SC = Short Circuit Current (R 0) Trieste, 16 Giugno

16 Calcoli Misurate la curva con gli strumenti Calcolate l Area al di sotto della Curva (come fosse un trapezio) Misurate l Area della cella Sapete l efficienza della cella (10%) Valutate la Potenza Generata dal Sole sulla Superficie Terrestre Trieste, 16 Giugno

17 Immagazzinamento di Energia: Batterie Per alimentare lo strumento durante l eclisse Elementi chiave per definire il sistema: o fisici (dimensioni, peso, posizione, ambiente ) o elettrici (voltaggio, carico, cicli di lavoro, tempi di attivazione e di accumulazione ) o sistematici (costo, affidabilità, produzione ) Caratteristiche tipiche: o Densità specifica di energia (W-ora/kg) Tipo Densità specifica energia Stato Nichel-Cadmio Qualificato spazio Nichel-Idrogeno Qualificato spazio Litio-Ione In fase di sviluppo Sodio-Zolfo In fase di sviluppo Trieste, 16 Giugno

18 Dimensionamento batterie Determinare i requisiti di energia o cicli carica/scarica, durata dell eclisse, carico dell eclisse Selezionare il tipo di batteria Determinare la capacità della batteria: C batt o C batt = P e T e / DOD / n Determinare la massa della batteria: m bat o m bat ~ C batt / e batt ~ C batt / 35 (NiCd) densità specifica di energia ~0.9 ~20-70% (NiCd) / ~30-90% (Ni-H) Trieste, 16 Giugno

19 Depth of Discharge 100 DoD NiCa DoD NiH Depth of Discharge (%) E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 Cycle Life (cycles) Trieste, 16 Giugno

20 ESERCIZIO (potenza.xls) Power Budget (W) Payload Structure 0.0 Thermal 20.6 Power Communications 26.8 OBDH 26.8 ADCS 51.6 Propulsion 8.3 Margin % DoD(100 cicli) = 88% DoD(10000 cicli) = 34% Calcolate le dimensioni dei pannelli solari e la capacità (e massa) del sistema di batterie (h= 600 km, i = 60 o, vita del satellite = 5 anni) Solar Cell Gallium Arsenide Efficiency Degradation/year Daylight eff 0.85 Eclips eff 0.65 Inherent degradation 0.77 Sun angle 23.5 deg Battery Nickel Cadmium Depth of Discharge Transmission eff 0.9 Specific energy density 30 W.hr/kg Trieste, 16 Giugno

21 ESERCIZIO Mission Lifetime 5 years Orbit Altitude 500 km Continuous Power Required 1000 W Power eff. Daylight 80% Power eff. Eclipse 65% Solar Cell eff 17% Inherent degradation 80% Degradation/year 5% Battery transmission eff 85% MARS: Gravitational parameter 4.305E+04 km3/s2 Mars Radius: 3397 km Distance Sun Mars 2.273E+08 km Distance Sun Earth 1.496E+08 km Angle Mars / ecliptic plane 26 deg Calcolate le dimensioni dei pannelli solari e la capacità (e massa) del sistema di batterie (h= 500 km, i = 60 o, vita del satellite = 5 anni) Trieste, 16 Giugno

22 Sistema Termico: equilibrio Sole Satellite radiazione emessa flusso solare diretto G s calore interno flusso solare indiretto a radiazione IR Terra q i Terra Trieste, 16 Giugno

23 Principi Trasferimento Calore 1/3 Convezione o Q = h A T (h=coeff. trasmissione calore) Conduzione o Q = -k A T/ x (k = conducibilita termica) Irragiamento o Q = ε σ A T 4 (Legge Stefan-Boltzmann) Trieste, 16 Giugno

24 Principi Trasferimento Calore 2/3 Ogni materiale irradiato da un onda e.m.: o trasmette parte dell onda τ o assorbe parte dell onda α o riflette parte dell onda ρ τ + α + ρ = 1 Ogni materiale ad una data temperatura irradia secondo la legge di Stefan-Boltzmann: o Q = ε σ A T 4 Q Q ρ Q τ Q α Trieste, 16 Giugno

25 Principi Trasferimento Calore 3/3 Per un corpo nero: ο α = 1, ε = 1 (ρ = 0, τ = 0) Corpo reale: ο α = α(λ) = α λ ο ε = ε(λ) = ε λ Legge di Kirchoff: ο α λ = ε λ Superficie bianca, isolata dietro ο α WP (V) = α S = α 0.4 ο ε WP (IR) = ε IR = ε 0.8 ε λ α λ 0.6 Solar IR White Paint λ (µm) Trieste, 16 Giugno

26 Sistema Termico: equilibrio Sole flusso solare diretto G s 1367 W/m 2 Satellite radiazione emessa calore interno flusso solare indiretto a 34% radiazione IR Terra q i 237 W/m 2 Terra Trieste, 16 Giugno

27 Equilibrio Q assorbito + Q int = Q emessa Q sole + Q albedo + Q IR terra + Q int = Q emessa Q emessa = ε σ T 4 A T (radiazione: Stefan-Boltzmann) Q sole = α G s A Q IR terra = ε b Q i A = ε b q i 4πR 2 T /4π(RT +h) 2 A = ε b A q i sin 2 ρ Q albedo = α G s A a K a sin 2 ρ Q int = K a = ρ ρ 2 ( ) A T / A = 4 π r 2 / π r 2 = 4 (sfera) T = ( αg s /4εσ + αg s ak a sin 2 ρ/4εσ + ε b q i sin 2 ρ/4εσ + Q int /4πr 2 εσ ) 1/4 Trieste, 16 Giugno

28 Temperature max/min min sui pannelli Q sole + Q albedo + Q IR terra = Q emessa(t,b) + Q conv ½ A T / A = ½ 2L 2 / L 2 = 1 (flat panel) Q conv = η G s A T = ( (α t G s + α b G s ak a sin 2 ρ + q i ε b sin 2 ρ - ηg s ) / (ε t +ε b )σ ) 1/4 Caso peggiore: temperatura massima T max = T Caso peggiore: temperatura minima T min = ( q i ε b sin 2 ρ / (ε t +ε b )σ ) 1/4 Trieste, 16 Giugno

29 Esercizio 1 (Temp ( Temp. Temp. Equilibrio max&min) Considerare: Sfera di raggio 0.97 m Potenza dissipata 250 ± 25 W Black Paint α = 0.975, ε = White Paint α = 0.252, ε = Altitudine 700 km Calcolare T max e T min all equilibrio nei due casi (G s = 1367±51 W/m 2, a = (34±5)%, q i = 237±21 W/m 2 ) Trieste, 16 Giugno

30 Esercizio 2 (Temp ( Temp. max&min + pannelli) Considerare: Sfera di raggio 0.97 m Potenza minima dissipata 80 W Potenza massima dissipata 170 W α e ε valori medi fra WP e BP Altitudine 700 km Efficienza celle η 20 % ε t = 0.825, α t = ε b = 0.800, α b = Calcolare T max e T min all equilibrio e sui pannelli solari (G s = 1367±51 W/m 2, a = (34±5) %, q i = 237±21 W/m 2 ) Trieste, 16 Giugno

31 La cella solare: concetti fondamentali Tensione (Volt), Corrente (Ampere) Potenza (Watt): prodotto P I, energia rilasciata per unità di tempo SEMICONDUTTORE non vale la legge di Ohm V = RI Trieste, 16 Giugno