Brevet FR2479568A1 — publié le 19811002

L'invention a pour objet un procédé de ré- glage de la puissance délivrée par un système de cap- teurs de rayonnement et plus particulièrement pour un satellite à panneaux solaires. Les satellites sont principalement alimentés par des cellules solaires transformant l'énergie lu- mineuse en énergie électrique. La puissance fournie par ces cellules dépend de leur température, de leur efficacité intrinsèque qui varie dans le temps et de l'éclairement déterminé par le flux et la section du flux coupée par les panneaux. Pour les satellites terrestres#, le flux mineur est essentiellement le flux venant du soleil et est donc fonction de la distance satellite soleil. Les satellites sont stabilisés soit par rotation (les cellules couvrent leur surface et seules celles tournées vers le soleil produisent de l'energie), soit selon trois axes (les cellules sont montées sur des panneaux plans dirigés en permanence vers le so- leil). Cette orientation est obtenue par rotation des panneaux autour d'un axe ou d'un point de manière à conserver le coefficient d'aspect maximum par rapport au soleil0 Ce coefficient d'aspect maximum est obtenu lorsque la direction du soleil est normale au plan du panneau. Toutes les réalisations actuelles cherchent à obtenir que les panneaux produisent à tout instant le maximum d'énergie (coefficient d'aspect maximum au soleil) sans tenir compte de la puissance consommée ins tantanément. L'efficacité efficacité des cellules solaires décroît au cours du temps sous l'influence de divers facteurs rayonnement ultraviolet, bombardement électronique, etc... C'est ainsi que pour des positions identiques des panneaux par rapport au soleil, en début de vie et en fin de vie du satellite, la puissance électrique déli vrée décro#t considérablement. On admet par exemple une diminution de 30 % sur 7 ans. Pour assurer une puissance suffisante en fin de vie, il est donc nécessaire de dimensionner les panneaux solaires en tenant compte de cette diminution.Cette sujétion conduit à des types d'alimentation utilisant un ou plusieurs shunts, dissipant thermiquement le surplus de puissance, ou à une alimentation dite à barres non régulées, c'est-à-dire variable ou autre système (à découpage...) Ces solutions présentent des inconvénients. Dans le cas des shunts, par exemple, ceux-ci produisent une élévation de température du satellite qui agit défavorablement sur son efficacité. Par exemple, une diminution de température de 100 sur un satellite géostationnaire conduirait à économiser 30 kg sur sa masse totale z 15 kg de batteries et le reste reporté sur le poids du moteur d'apogée et d'bydrazine. L'invention a pour but d'obtenir que la puissance produite par le ou les panneaux de capteurs soit adaptée aux besoins et non pas maximée. Les explications et figures données ci-après à titre d'exemple permettront de faire comprendre comment l'invention peut titre réalisée. Les figures 1A et 1B représentent schématique ment un satellite à panneaux solaires orientables, vu en projection sur son plan dtorbite et vu perpendiculairement au plan de l'orbite. La figure 2 représente dans 1' espace les orientations possibles d'un panneau selon les figures 1A, 1B. La figure 3 montre schématiquement et non à l'échelle un satellite 8panneaux plans en diverses positions de son orbite. La figure 4 représente schématiquement un satellite à panneaux repliables en accordéon. Les figures 1A et 13 représentent schématiquement un satellite 1 muni de deux panneaux plans 2 et 3 de capteurs solaires0 Les panneaux sont reliés au corps du satellite par des moyens assurant le déplacement en rotation du panneaux Ces moyens, en soi con- nus, ne sont pas représentés et ne seront pas décrits0 D'une manière générale, le plan P des panneaux est maintenu aussi perpendiculaire que possible par rapport à la direction du soleil S. La figure 1A représente le satellite et ses panneaux vus en projection sur le plan de l'orbite (correspondant au plan de la figure) qu'il décrit autour de la terre.La figure 113 montre le même satellite vu perpendiculairement au plan de son orbite. Le mécanisme d'entrainement a pour but, lorsque le satellite parcourt son orbite , de maintenir les panneaux toujours perpendiculaires à la direction du soleil, de manière que la puissance électrique délivrée par les capteurs soit maximale. Le coefficient d'aspect est alors maximal. Lorsque le plan des capteurs et, par conséquent, des panneaux sur lesquels ils sont fixés, fait un angle avec la direction du so- leil, le coefficient d'aspect diminue Par suite du vieillissement des capteurs, la puissance électrique installée sur le satellite est toujours supérieure à la puissance nécessaire, en début de vie. La puissance installée doit donc tenir compte de la chute d'efficacité due au vieillissement des capteurs et de la durée de vie prévue du satellite0 Le procédé de réglage, selon l'invention, de la puissance électrique délivrée par le système de capteurs de rayonnement, dont la puissance maximale susceptible d'8tre délivrée est supérieure à la puissance effectivement utilisée, consiste à optimiser le coefficient d'aspect du système de capteurs, de manière à minimiser la différence entre la puissance délivrée et la puissance utilisée, Les modifications du coefficient d'aspect s'obtiennent par variation de l'angle que fait le plan des capteurs avec la direction du soleil. Cette optimisation permet, soit de supprimer complètement les shunts dissipatifs utilisés dans les réalisations précédentes et de régler avec une approximation déterminée la paissance délivrée à la puissance utilisée, soit d'utiliser un shunt dissipatif de plus faible valeur. Dans le cas des systèmes sans shunt (barre non régulée, à découpage...), l'avantage sera situé sur le dimensionnement d'un autre équipement ou paramètre (amplitude de variation de la tension...). La modification du coefficient d'aspect est obtenue par dépointage des panneaux par rapport à la direction du soleil pour laquelle ils reçoivent le flux niaximal. Les figures 1A, 1B et 2 montrent les différentes manières d'obtenir ce dépointage. ss on admet que les panneaux du satellite sont rectangulaires, on posera qu'un petit c8té détermine un axe x xt, l'axe du panneau parallèle aux grands c8tés, un axe y y' et le demi-axe OS, la direction du soleil. Le coefficient d'aspect maximal est obtenu pour le plan P défini par les axes x et y perpendiculaires à la direction OS. Le dépointage ou modification du coefficient d'aspect s'obtient - en faisant tourner le panneau P d'un angle cR autour de l'axe y yt, le plan P vient alors en P1, - en faisant tourner le panneau P d'un angle autour de l'axe x x', le plan P vient alors en P2, - en faisant tourner le panneau P à la fois d1un angle l autour de y y' et d'un angle. autour de x x' (position non représentée). L'optimisation obtenue par dépointage peut etre effectuée de manière continue dans le temps ou de manière discontinue. Ainsi, en prenant pour exemple un satellite géostationnaire, stabilisé trois axes avec panneaux orientables, se déplaçant sur son orbite en conservant les antennes pointées vers la terre, il effectue donc sur lui-m8me un tour par orbite (environ 24 h).Les panneaux solaires , pendant cette révolution, conser- veront une direction fixe faisant un angle déterminé ( ouglss 1) avec la direction du soleil. Tou- tefois, cet angle variera dans le temps au cours de la vie du satellite, de manière à compenser la diminution de l'efficacité des capteurs ou le besoin d'énergie à bord.Le mouvement est obtenu par le mo- teur prévu pour l'orientation des panneaux agissant de manière "continue" (ou pas à pas) sur le mécanisme d' entraînement. Dans le cas d'un satellite de télévision directe par exemples n'émettant pas la nuit, lsorienta- tion des panneaux peut âtse modifiée au cours de l'or- bite pour réduire la puissance produite. La variation désirée de puissance peut ttre obtenue rapidement. Le fonctionnement du moteur né cessite une certaine puissance qui cependant est disponible chaque fois que le panneau n'est pas pointé au mieux sur le soleil (si le panneau est dépointé, en le repointant on augmente la puissance produite..)0 La puissance demandée par le moteur dépend de la vites se de variation désirée. Pour obtenir une optimisation "discontinue" dans le temps, pour un satellite semblable à celui de l'exemple précédent, on fait tourner le ou les panneaux d'un angle ff égal à celui que le satellite vient de parcourir sur son orbite (figure 5). Pendant que le satellite avance sur son orbite de l'angle Y , le panneau est maintenu fixe. On obtiendra donc une variation de la section du flux solaire coupée par le panneau et, par suite, une variation de la puissance produite par ce panneau. Les variations de puissance sont de signes op posés suivant qu'elles interviennent lorsque le satellite va vers le soleil (figure 3 cas 1) ou stéloi- gne du soleil (figure 3 cas 2). Le procédé 'discontinu", ci-dessus décrit, utilise des mouvements lents des panneaux qui auront une faible influence sur la stabilité du satellite. Il ne permet cependant que des variations lentes de puissance fournie, ce qui convient particulièrement bien aux changements durables de puissance consommée comme, par exemple je mise hors service de tout ou partie de la charge utile (par exemple à la suite d'une panne) ou le vieillissement lent des capteurs solaires. Selon un exemple de réalisation mettant en oeuvre le procédé de l'invention, un satellite à panneaux solaires plans stabilisé trois axes, comporte d'une manière classique des moyens permettant le trans fert d'énergie entre panneaux et satellite, mobiles l'un par rapport à l'autre, et le mouvement de rotation des panneaux sur eux-mêmes par l'intermEdiaire d'un mécanisme d'entratnement. Bloptimisation ou adaptation de la puissance produite à la puissance nécessaire est obtenue par les moyens suivants - un dispositif délivrant un signal variation de puissance à obtenir", ce signal pouvant représenter la différence entre la puissance produite et la puissance consommée, ou plus simp#lement la puissance produite, - un système d'interface contenant les références, par exemple, les seuils au-dessus desquels on intervient ; calculant le mouvement du panneau à obtenir en utilisant, par exemple, une information position du soleil, ou position du satellite sur l'orbite ; et donnant les ordres au mécanisme d'entraînement, ces ordres ayant pour but d'arroser le mouvement du panneau par rapport au corps du satellite dans le procédé d'optimisation #di scontinu1. Les ordres donnés au mécanisme d'entraînement des panneaux peuvent également titre transmis ou modifiés par télécommande à partir du-sol sur la base d'informations télémesurées au lieu d'8tre donnés de manière automatique à bord du satellite. Par la modification de l'angle du panneau avec le plan de l'orbite, cZest-à-dire sa rotation dtun angle ss par rapport à la perpendiculaire yty au plan de l'orbite, on atténue la variation du coefficient d'aspect des panneaux par rapport au soleil due au mouvement apparent du soleil par rapport à l'orbite du satellite entre le solstice d1été et le solstice De plus, la modification du coefficient dlas- pect,donc le dépointage des panneaux par rapport au soleil, diminue la température des oa teurs4 Comme leur rendement varie en sens inverse de leur tempéra- ture, leur efficacité sera donc améliorée. Il faudra donc dépointer plus. Selon un autre exemple d'application du pro cédé, objet de l'invention, le satellite est muni de panneaux déployables en accordéon (figure 4). Le ou les panneaux sont formés de surfaces planes (4, 5, 10) portant les capteurs solaires, articulées les unes aux autres et susceptibles de former, dans la position dé ployée, un panneau plan. Le coefficient d'aspect d'un tel panneau peut être modifié de la m3se manière que pour des panneaux plans, mais peut également être modifié par déploie- ment partiel, les surfaces constituant le panneau faisant avec la direction du soleil un angle correspondant au coefficient d'aspect désire. REVEN# ICAT IONS 1. Procédé de réglage de la puissance délivrée par un système de capteurs de rayonnement dont la puissance maximale délivrée est supérieure à la puissance effectivement utilisée, caractérisé en ce que l'on optimise le coefficient d'aspect du système de capteurs de manière à minimiser la différence entre la puissance délivrée et la puissance utilisée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optimisation est effectuée de manière continue dans le temps. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optimisation est effectuée de manitre discontinue dans le temps. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, le satellite portant au moins un panneau mobile sur lequel sont fixés des capteurs, caractérisé en ce qu'on fait tourner le ou les panneaux, l'angle entre la direction de la source de rayonnement et la perpen diculaire à la surface réceptrice des capteurs étant variable. 5. Procédé selon la revendication 3, le satellite portant au moins un panneau mobile sur lequel sont fixés des capteurs, caractérisé en ce que l'on fait tourner par rapport à la direction du rayonnement le ou les panneaux dtun angle égal à celui que le satellite vient de parcourir sur son orbite, le ou les panneaux étant maintenus fixes (par rapport au satellite) pendant que le satellite avance dudit angle. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, ledit dispositif comportant au moins un panneau de capteurs de rayonnement, un mécanisme d'entraînement des panneaux, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens délivrant un signal de variation de puissance à obtenir, un système d'interface contenant les références des seuils dtintervention, déterminant le mouvement du panneau à obtenir et donnant les ordres au mécanisme d'entraînement des panneaux0 7 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un panneau de capteurs est formé de surfaces planes (4, articulées les unes aux autres en accordéon et susceptibles autre déployées plus ou moins.