{:de}Energie{:}{:en}Power{:}

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Diese Subsection beschäftigt sich mit der Gewinnung, Speicherung und Verteilung der Energie für den Satelliten. Um die Funktionalität der anderen Subsysteme zu gewährleisten, ist eine zuverlässige Energieversorgung unerlässlich. Die Energiegewinnung findet durch Solarzellen auf der Seitenflächen des Satelliten statt. Eingesetzt wird eine “Power Control und Distribution Unit” (PCDU), welche einerseits Batterien mit dem Strom der Solarzellen auflädt und andererseits den dort gespeicherten Strom auf die anderen Subsysteme verteilt.

Akkumulatoren

Zur Speicherung der Energie sind Lithium-Ionen-Akkus geplant. Dabei muss besonderer Wert auf gute Bauteileigenschaften, wie z.B. die Lebensdauer, Möglichkeiten zur Temperaturregelung und Schutz vor Überladung und Tiefentladung gelegt werden. Nur wenn diese Voraussetzungen gegeben sind, kann der Energiehaushalt des Satelliten wie geplant funktionieren.
Es gibt kommerziell erhältliche Akkus, die speziell für die Raumfahrt getestet sind und die Anforderungen unserer Mission erfüllen. Da diese allerdings sehr teuer sind und auch gewöhnliche Akkus eine ausreichende Qualität aufweisen können, ist es eine Option, eine große Anzahl dieser zu bestellen und durch eigene Tests die geeigneten auszuwählen.
Um die Funktionstüchtigkeit der entwickelten PCDU und der Akkumulatoren in unserem Rahmen auf der Erde testen zu können, soll außerdem ein Dummy gebauet werden, welcher die Eigenschaften der später verwendeten Solarzellen im Orbit möglichst gut imitiert.

Sensorik

Neben der Auswahl und Entwicklung der Komponenten ist auch die Beobachtung der Spannungen, Ströme und Temperaturen eine zentrale Aufgabe der Energie-Subsection. Dazu werden entsprechende Sensoren an verschiedenen Positionen in den Schaltkreisen verbaut, um die Arbeitsweise der einzelnen Komponenten nachzuverfolgen, deren Funktionstüchtigkeit zu überprüfen und Probleme frühzeitig erkennen zu können. Ein Beispiel dafür ist die Temperatur der Akkus, welche trotz großer Temperaturschwankungen im Orbit konstant gehalten werden muss, um die Akkus nicht zu beschädigen. Die Aufnahme von Rohdaten bietet aber auch gute Möglichkeiten, eventuelle Fehlfunktionen zu rekonstruieren oder neue Fragestellungen zu untersuchen, nachdem der Satellit gestartet ist.

Solarzellen

Zur Energiegewinnung sollen mehrere Solarzellen verwendet werden, welche an den Seitenflächen des Satelliten befestigt sind. Verschiedene Zellenarchitekturen und Geometrien liefern unterschiedliche Vorteile bezüglich Effizienz, Leistung und Preis. Hierzu erstellen wir uns einen Überblick über die gängigen Modelle auf dem Markt, sammeln die Parameter und kontaktieren die Firmen.

PCDU

Die “Power Control and Distribution Unit” (PCDU) regelt einerseits die Spannung, welche durch die Solarzellen erzeugt wird auf eine Spannung, welche zur Ladung der Batterien geeignet ist, und transformiert andererseits die von den Akkus erzeugte Spannung auf die den anderen Subsystemen geforderten Systemspannung. Die hierzu erforderliche Schaltung entwickeln wir in Kooperation mit LibreCube, einem Team am ESOC, welches eine open-source Cubesat Plattform entwickelt. Die ersten Tests der PCDU sind für Anfang 2020 geplant.

Simulation

Die Simulation dient dazu das Verhalten des Power Systems Vorherzusagen. Dabei gilt es verschiedenste Einflüsse auf das System zu beachten. Simuliert werden soll die Ausrichtung des Satelliten relativ zur Sonne, die Durchquerung des Erdschattens, die Energieproduktion durch die Solarzellen, sowie die Effizienzen der elektronischen Bauteile der PCDU um schlussendlich ein akkurates und flexibles Modell des Energiehaushaltes auf dem Satelliten möglich zu machen. Um möglichst flexibel auf zukünftige Design-Iterationen und sich ändernde Komponenten reagieren zu können, soll so viele Teile der Simulation wie möglich parametrisch aufgebaut sein.
Für bestmögliche Zusammenarbeit mit anderen Subsections wie der Thermal-Subsection, wird die Modellierungsumgebung OpenModelica verwendet.

Interesse geweckt?

Dann schau doch einfach mal unverbindlich bei einem unserer Treffen vorbei. Da unser wöchentliches Teamtreffen in wechselnden Räumen stattfindet schreibe bitte eine Mail an Pascal Sauer.{:}{:en}This subsection deals with the generation, storage and distribution of energy for the satellite. To ensure the functionality of the other subsystems, a reliable energy supply is essential. The energy is generated by solar cells on the lateral surfaces of the satellite. A “Power Control and Distribution Unit” (PCDU) is used, which on the one hand charges batteries with the power from the solar cells and on the other hand distributes the power stored there to the other subsystems.

Accumulators

Lithium-ion batteries are planned for storing the energy. Special emphasis must be placed on good component properties, such as service life, possibilities for temperature control and protection against overcharging and deep discharge. Only if these conditions are given, the energy balance of the satellite can function as planned.
There are commercially available batteries that have been tested especially for space travel and meet the requirements of our mission. However, since these are very expensive and even ordinary batteries can be of sufficient quality, it is an option to order a large number of these and select the most suitable ones through our own tests.
In order to be able to test the functionality of the developed PCDU and the accumulators in our framework on Earth, a dummy is also to be built, which imitates the properties of the solar cells used later in orbit as well as possible.

Sensor technology

In addition to the selection and development of the components, the observation of voltages, currents and temperatures is a central task of the Energy Subsection. For this purpose, appropriate sensors are installed at various positions in the circuits to track the operation of the individual components, check their functionality and detect problems at an early stage. An example of this is the temperature of the batteries, which must be kept constant despite large temperature fluctuations in orbit in order not to damage the batteries. However, the acquisition of raw data also offers good opportunities to reconstruct possible malfunctions or to investigate new issues after the satellite has been launched.

Solar cells

Several solar cells attached to the sides of the satellite will be used to generate energy. Different cell architectures and geometries provide different advantages in terms of efficiency, performance and price. For this purpose, we will create an overview of the common models on the market, collect the parameters and contact the companies.

PCDU

The “Power Control and Distribution Unit” (PCDU) on the one hand regulates the voltage generated by the solar cells to a voltage suitable for charging the batteries and on the other hand transforms the voltage generated by the batteries to the system voltage required by the other subsystems. We are developing the necessary circuitry in cooperation with LibreCube, a team at ESOC, which is developing an open-source Cubesat platform. The first tests of the PCDU are planned for early 2020.

Simulation

The simulation serves to predict the behavior of the power system. In doing so, various influences on the system must be taken into account. The orientation of the satellite relative to the sun, the crossing of the Earth’s shadow, the energy production by the solar cells, as well as the efficiency of the electronic components of the PCDU are to be simulated in order to finally enable an accurate and flexible model of the energy balance on the satellite. In order to be able to react as flexibly as possible to future design iterations and changing components, as many parts of the simulation as possible should be parametric.
For best possible cooperation with other subsections like the thermal subsection, the modeling environment OpenModelica is used.

Curious?

Then simply drop by one of our meetings without obligation. Since our weekly team meeting takes place in different rooms, please write an email to Pascal Sauer.{:}