УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
DEVICE TO RECORD SOLAR BATTERY PERFORMANCES

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может найти преимущественное применение в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА) для сбора статистической информации по ресурсной деградации энергетических вольт амперных характеристик (ВАХ) опытных образцов (модулей) солнечных батарей (СБ), а также их динамических характеристик в условиях околоземного космического пространства.
Известно устройство аналогичного назначения, описанное в техническом отчете о НИР «Исследование статических характеристик фотопреобразователей», УДК 621.7.058.52:621.311 № гос. регистрации 01.83.0004550, Инв. № 02840041482. 1984, с.43 [1].
Приведенный аналог имеет тот недостаток, что позволяет регистрировать только статические (энергетические) характеристики, в то время как для количественного обоснования ряда параметров энергопреобразовательного оборудования системы электроснабжения современного КА, в частности с шунтовым стабилизатором безбалластного типа (ШСБТ), нужно иметь также и динамическую модель СБ.
Наиболее близким к заявленному по технической сущности является устройство, описанное в патенте РФ №2357264 С1 [2], принятое за прототип. Это устройство содержит управляемую нагрузку, выполненную в виде усилителя мощности, сумматор, задающий блок с тремя выходами, два масштабирующих усилителя-напряжения и тока соответственно, два звена скоростных отрицательных связей, а также введенные: интегрирующее звено, управляемый стабилизатор тока, дроссель коррекции, высокочастотный широкополосный трансформатор, усилитель мощности гармонических колебаний, два аналого-цифровых преобразователя, интерфейс и нормально замкнутый ключ.
К недостаткам прототипа следует отнести значительные массу и служебное энергопотребление, как следствие, схемотехнического решения, когда управляемая нагрузка, выполненная в виде усилителя мощности, предназначена для регистрации статических характеристик, а управляемый стабилизатор тока, дроссель коррекции, высокочастотный широкополосный трансформатор и усилитель мощности гармонических колебаний введен для регистрации динамических характеристик. Такое решение, допустимое в лабораторных исследованиях, не обеспечивает высокой надежности и минимального служебного энергопотребления, что становится определяющим для бортового регистратора характеристик СБ.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - создание бортового регистратора, имеющего высокую надежность, малую массу и минимальное служебное энергопотребление.
Техническая осуществимость достигается цифровым управлением от встроенного микропроцессора блоком управляемой нагрузки, представляющим собой, по сути, силовой цифроаналоговый преобразователь код-сопротивление, изменяющееся скачком, пошагово и циклически. При этом текущая n-я точка на ВАХ переходит в n+2-ю а затем возвращается в n+1-ю. Таким образом, в отличие от прототипа, динамические характеристики регистрируются не как частотные (при гармоническом возмущении), а как временные, что позволяет по переходным процессам рассчитать значения реактивных компонентов эквивалентной схемы замещения СБ.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее управляемую нагрузку, измеритель тока, два масштабирующих усилителя, два аналого-цифровых преобразователя и микропроцессор, причем выход управляемой нагрузки присоединен ко входу масштабирующего усилителя напряжения, а выход измерителя тока - ко входу масштабирующего усилителя тока, введены два устройства выборки-хранения, два коммутатора и датчик угловой координаты Солнца, выходы масштабирующих усилителей присоединены ко входам устройств выборки-хранения и к первым входам коммутаторов, ко вторым входам которых присоединены выходы масштабирующих усилителей, выходы коммутаторов присоединены ко входам аналого-цифровых преобразователей, выходы которых присоединены к шине данных микропроцессора, к которой присоединены также шина данных угловой координаты Солнца, коммутаторов, устройств выборки-хранения и вход управляемой нагрузки, выполненной в виде резистивной безиндукционной матрицы, являющейся по сути силовым цифроаналоговым преобразователем код-сопротивление.
На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого устройства.
На фиг.2 - статическая ВАХ СБ и траектория текущей рабочей точки в переходных процессах.
На фиг.3 - переходные процессы, соответствующие траектории текущей точки.
Устройство содержит (см. фиг.1) управляемую нагрузку (УН) 1, выход которой присоединен к клемме для подключения потенциальной шины (СБ) 2, измеритель тока (шунт) (ИТ) 3, включенный последовательно в цепь СБ 2 и присоединенный к другой шине СБ, выход ИТ 3 присоединен ко входу масштабирующего усилителя (МУ) тока 4, выход управляемой нагрузки (УН) 1 присоединен ко входу МУ напряжения 5. Выходы МУ 4 и МУ5 присоединены ко входам устройств выборки-хранения (УВХ) 6 и 7 и к первыми входами коммутаторов (КОМ) 8 и 9, ко вторым входам КОМ 8 и 9 присоединены соответственно выходы МУ 4 и МУ 5, выходы коммутаторов 8 и 9 присоединены ко входам аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 10 и 11, а их выходы присоединены к шине данных микропроцессора (МП) 12, к которой присоединены также шины датчика угловой координаты (ДУК) Солнца 13, коммутаторов 8 и 9, УВХ 6 и 7 и вход управляемой нагрузки УН 1, выполненной в виде резистивной безиндукционной матрицы, являющейся цифроаналоговым преобразователем код-сопротивление.
4
4
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии устройство находится в «дежурном» режиме - работает только датчик угловой координаты (ДУК) Солнца. Когда угол между нормалью к плоскости исследуемого образца СБ2 и вектором солнечного излучения S становится меньше 35° ДУК переводит МП в рабочий режим. На вход УН от МП поступает код, закрывающий все ключи УН, являющейся по сущности цифроаналоговым преобразователем код-сопротивление. Развертка ВАХ начинается с точки холостого хода, что соответствует точке 0 на фиг.2. Далее МП переводит УН в точку 2. По окончании переходного процесса, переключением соответствующих ключей УН, его сопротивление увеличивается и соответствует точке 1. В любом случае переключение УН, соответствующее фронту импульса, приведет к скачкообразному перемещению текущей точки по прямой с наклоном -ΔURП/ΔI, где ΔUrп падение напряжения на последовательном сопротивлении Rп схемы замещения (см. [3] стр.23, рис.1.6), поскольку внутреннее сопротивление СБ имеет активно емкостной характер. Точки 1-3 на фиг.2 дают не наглядную картину динамического режима. Интерес представляют точки от 4 до 8. В этом диапазоне напряжений работает шунтовой стабилизатор безбалластного типа (как в системе электропитания реального КА), поэтому начнем с точки 4, что соответствует сопротивлению УН=Rн4. МП уменьшает сопротивление УН до величины, соответствующей Rн6, а текущая точка при этом скачкообразно переходит из 4 в 4' но наклон сохраняется таким же - ΔURП/ΔI. При этом будет иметь место выброс по току, существенно превосходящий ток короткого замыкания в точке 8-I', а напряжение этой точке соответствует U' Эти значения фиксируется устройствами выборки-хранения 6 и 7 и через коммутаторы 8 и 9 поступают на входы АЦП 10 и 11. В продолжении открытого состояния ключей УН идет переходной процесс, при котором точка движется из положения 4' в 6 (см. фиг.3), после чего сопротивление УН увеличивается скачком, текущая точка из 6 переходит в 6', ток скачкообразно уменьшается, а затем начинает нарастать, пока не примет значение, соответствующее точке 5 на фиг.2; 3. Далее процесс повторяется так, что при развертке из любой n-ой точки она переходит в n+2-ю, а затем возвращается в n+1-ю.
По сравнению с прототипом заявленное устройство обладает следующим преимуществом: имеет высокую надежность, малую массу и минимальное служебное энергопотребление и при этом регистрирует как энергетические, так и динамические характеристики СБ, что определяет область его целесообразного применения в качестве бортового устройства.
Источники информации
1. Технический отчет по НИР «Исследование статических характеристик фото-преобразователей». УДК 621.7.058.52: 621.311. № гос. регистрации 01.83.0004550'. Инв. №02840041482 ДСП. 1984, с.43.
2. Устройство для регистрации характеристик солнечных батарей. Патент RU №2357264 А.Н.Амельченко, А.Б.Базилевский, Т.Г.Вейсвер. Заявл. 09.01.2008, опубл. 27.05.2009. Бюл. № 15.
3. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей М.: Энергоатомиздат, 1983. 360 с.