Optimización del sistema de acondicionamiento de potencia para el uso de células fotovoltaicas multiunión en aplicaciones espaciales

Laburpena

En los últimos años ha aumentado el interés de la Agencia Espacial Europea por optimizar los sistemas espaciales para satélites de gran capacidad en órbita geoestacionaría. Una de las preocupaciones actuales es la adaptación de los reguladores de paneles solares al progreso de las células solares. Algunos ejemplos de este interés son los siguientes proyectos promovidos por la ESA: "Improved Control Strategy for GEO Power Busses", "Study of mppt applications for GEO" y "Alphabus". En todos estos proyectos se busca la optimización de sistema de potencia del satélite, logrando extraer una mayor potencia de los paneles solares con un menor peso del acondicionador. En este contexto, surgen los objetivos de esta Tesis Doctoral, resolver tres de los problemas planteados en los proyectos mencionados: ¿Como adaptar los reguladores de paneles solares a las nuevas células solares con alta capacidad parásita? ¿Como implementar la técnica MPPT en las plataformas GEO existentes? ¿Como adaptar los EPCs a las nuevas plataformas? Siguiendo el orden de los capítulos de la memoria, a continuación se enumeran las aportaciones realizadas: Capítulo primero Se realiza una introducción de las arquitecturas eléctricas de los satélites, prestando especial atención a las usadas por satélites de telecomunicaciones en órbita geoestacionaria. En este capítulo también se presenta la nueva arquitectura S3MPPR, de la cual no se dispone hasta la fecha de datos experimentales, que unifica las ventajas de las arquitecturas de transferencia directa y de los sistemas con máxima extracción de potencia. Capítulo segundo En este capítulo se estudian los problemas surgidos en los reguladores tipo shunt, con las nuevas células solares con alta capacidad parásita. Se ha estudiado el efecto sobre las pérdidas de conmutación y se ha presentado un modelado matemático que define el comportamiento dinámico del sistema en pequeña señal, incluyendo el retraso de la conmutación a encendido. Para minimizar los efectos producidos por el incremento de la capacidad parásita, se ha presentado la técnica de procesado paralelo de potencia aplicada al regulador S3R y se ha propuesto un nuevo lazo de control. Todo el diseño se ha realizado de forma analógica, manteniendo la misma respuesta dinámica que en el regulador original. Durante el desarrollo del capítulo se han realizado varias simulaciones y el montaje de un prototipo experimental de 1kW que corroboran los desarrollos teóricos planteados. Capítulo tercero En este capítulo se han estudiado las diferentes técnicas de búsqueda del punto de máxima potencia descritas en la literatura. Teniendo en cuenta las exigencias de diseño impuestas en los sistemas espaciales, se ha identificado la técnica mas adecuada para el uso en una arquitectura S3MPPR y se ha estudiado la forma de integrarla en el sistema de forma que se cumplan todos los requisitos impuestos por la ESA. Se ha diseñado, desarrollado, simulado e implementado un prototipo de 1.5kW de un satélite de telecomunicaciones, con un regulador de paneles solares de tipo S3MPPR, demostrando el correcto funcionamiento del sistema bajo cualquier condición de trabajo. Capítulo cuarto En el desarrollo del capítulo, se ha estudiado el diseño actual de los EPCs, basados en el convertidor ZVZCPS con un regulador en serie. El problema del diseño actual es que al adaptarlos a una entrada no regulada, como es el MPP Bus, puede haber una perdida de eficiencia comprendida entre el 5 y 10%. Para mejorar el diseño actual, se ha estudiado las opciones descritas en la literatura de regular el convertidor ZVZCPS a través de la regulación paralela, llegando a la conclusión que la mejor opción es usar el regulador de espiras variables como post-regulador. Se ha estudiado en detalle esta técnica, desarrollando el modelo de pequeña señal del convertidor para poder diseñar los lazos de realimentación del sistema utilizando la regulación por voltaje clásica. Se ha desarrollado un modelo de simulación y el montaje de un prototipo experimental de 250W que corroboran todos los desarrollos teóricos desarrollados. Los resultados demuestran que se producen mejoras en la eficiencia de aproximadamente el 5% con respecto a los esquemas de regulación convencionales de los EPCs. Esta mejora es de gran importancia en los grandes satélites de telecomunicaciones, donde gran parte de la carga está alimentada por EPCs y donde es posible el ahorro de una gran cantidad de potencia. Capítulo quinto El objeto de este capítulo ha sido cuantificar las ventajas de la arquitectura S3MPPR con EPCs con regulación paralela para su uso en la misión de la Agencia Espacial Europea Small-GEO. Para ello se ha diseñado el regulador de paneles solares usando una arquitectura S3MPPR con procesamiento paralelo de potencia. A partir de este diseño se ha realizado un análisis cuantitativo basado en la comparación de los márgenes de potencia y masa con respecto a la arquitectura S3R clásica. Los resultados obtenidos muestran que ambas arquitecturas tienen unas masas muy similares, siendo un poco más ligera la nueva arquitectura, a pesar de tener más secciones de paneles solares. La gran ventaja de la arquitectura S3MPPR es la cualidad de extraer en todo momento la máxima potencia del panel solar. Esto permite que durante los primeros años de vida del satélite la potencia que se puede extraer del panel solar sea mayor que en la arquitectura clásica. Este exceso de potencia puede ser usado para activar más transpondedores durante los primeros años de vida del satélite, haciendo la misión económicamente más rentable.