Napájecí podsystém

Napájecí subsystém zajišťuje energetický management v pikosatelitu. Co nejefektivnějším způsobem získává energii ze solárních článků, která je dále využívána pro napájení ostatních jednotek a při přebytku je ukládána do akumulátoru a superkapacitoru. V případě letu pikosatelitu na straně odvrácené od slunce se využívá energie z akumulátoru (nebo superkapacitoru) a tím je zajištěné trvalé napájení jednotek. Výstupem napájecího zdroje jsou potřebná provozní napětí, jenž jsou chráněna proti nadproudu nebo zkratu z důvodu celkové spolehlivosti napájení ostatních jednotek. Napájecí subsystém je tvořen šesti pevnými solárními stěnami, čtyřmi oboustrannými výklopnými solárními stěnami, několika spínanými měniči pracujícími v režimu MPPT pro optimální odběr energie ze solárních článků, a dále pak zásobníky elektrické energie (akumulátory a superkapacitory). Elektrická energie je jednotlivým subsystémům distribuována po 5 V a 3,3 V napěťové sběrnici, oboje sběrnice jsou zdvojeny. Klíčové subsystémy pikosatelitu mohou využívat redundantní napájení z obou sběrnicí.

Solární články a solární stěny

V projektu pikosatelitu PilsenCUBE používáme moderní vícevrstvé solární články GaInP2/GaAs/Ge firmy Spectrolab. Tyto solární články nabízí účinnost cca 27 % oproti konvenčním křemíkovým s účinností kolem 12 %. Jejich nevýhodou je enormní maloobchodní i velkoobchodní cena (pro koncového uživatele cca 1500 liber za 64 cm2), takže se v pozemních podmínkách téměř nevyužívají (s vyjímkou experimentálních slunečních elektráren s optickými koncentrátory). Tyto články se obvykle vyrábí v unifikovaných velikostech řezů, kdy na jednu stěnu pikosatelitu CubeSat se vejdou maximálně dva tyto řezy. Vzhledem k napětí těchto solárních článků (2.2V až 2.5V) se zpravidla používá sériové řazení dvou těchto článků. Konvenční řešení solární stěny s dvojicí do série zapojených článků může být nespolehlivé z důvodů možného poškození článků (popraskání vibracemi při startu rakety, popraskání teplotní roztažností materiálů při činnosti na orbitě, poškození vlivem mikrometeoritů a vysokoenergetických částic). V tomto případě může dojít i k úplnému výpadku dodávky energie z jedné solární stěny. V projektu PilsenCUBE používáme nestandardní malé řezy solárních článků (tzv. TASC), kterých se na jednu stěnu může vejít až 32. Malé solární články umožňují paralelizaci základních sériových dvojic článků přes oddělovací diody pro zvýšení spolehlivosti dodávky elektrické energie ze solární stěny při poruše některého ze solárních článků.

Standardní řezy vícevrstvých solárních článků o velikosti 26 až 32 cm2 (vlevo), malé řezy TASC o velikosti 2.3 cm2 (vpravo).

Pikosatelit PilsenCUBE řeší celkový nedostatek elektrické energie u pikosatelitů CubeSat přidáním čtyř výklopných solárních stěn s šesti základním pevným stěnám. Základní pevné solární stěny mají výřezy pro optická čidla stabilizačního subsystému, dále výřezy pro systémové konektory a jsou na nich umístěny rovněž planární antény pro radiokomunikační systém. Výklopné solární stěny jsou před vypuštěním pikosatelitu z pouzdra P-POD uchyceny lankem, které se po uvolnění pikosatelitu a po uplynutí bezpečné doby pro vzdálení od ostatních pikosatelitů přepálí redundantně řešeným odporovým přepalovačem. Vyklopení stěn je zajištěno silou stlačených pružinek v závěsných pantech.

Přední pevná a výklopná solární stěna pikosatelitu PilsenCUBE se solárními články TASC.

U výklopných solárních stěn, kde není z prostorových i radiačních důvodů možné umístit senzor pro měření teploty, je teplota těchto stěn snímána pomocí odporového měděného meandru ve vnitřních vrstvách desek plošných spojů, ze kterých jsou stěny vyrobeny. Bude tak možné dlouhodobě sledovat, nakolik jsou výklopné stěny více namáhány teplotními cykly oproti stěnám pevným, kde dochází k odvodu tepla do nosné konstrukce pikosatelitu.

Spínané měniče v režimu MPPT

Solární články vykazují proměnou volt-ampérovou charakteristiku při změně jejich teploty i při změně v jejich osvětlení (změna úhlu dopadu Slunečního svitu). Pokud chceme ze solárního článku v daný okamžik odebírat maximum možného elektrického výkonu, musí se zátěž (spínaný měnič) připojená k solárnímu článku přizpůsobit jeho okamžité hodnotě vnitřní impedance pro odběr maxima výkonu. Z tohoto důvodu musí mít inteligentní měniče aplikován režim MPPT (maximum power point tracker) tak, aby solární článek byl vždy zatěžován v optimální oblasti volt-ampérové charakteristiky.

Zásobníky elektrické energie

Největším problémem uchovávání elektrické energie v akumulátorech pikosatelitu je velký počet nabíjecích a vybíjecích cyklů za jeden rok činosti na nízké orbitální dráze Země. Typická oběžná doba je kolem 90 až 95 minut, tj. zhruba 16 cyklů letu za den, přes 5000 za rok. Na velkých satelitech se často používají NiCd akumulátory vzhledem k vysoké odolnosti a životnosti, na pikosatelitech se však pro vysokou hmotnost téměř nepoužívají. Používají se podstatně lehčí Li-Ion nebo Li-Pol akumulátory, které ovšem za takovýchto podmínek cyklování nabíjení a vybíjení na orbitě rychle stárnou, ztrácí svoji kapacitu a zvětšují vnitřní impedanci. Jako hlavní zásobníky elektrické energie v pikosatelitu PilsenCUBE jsou použity dva Li-FePO4 akumulátory, které mají delší životnost (větší počet cyklů nabití/vybití) než konvenční Li-Ion nebo Li-Pol akumulátory a menší závislost parametrů na teplotě. Jako jejich doplněk budou fungovat dva superkapacitory s uhlíkovými nanočásticemi, jejichž podstatnou výhodou je řádově delší životnost oproti akumulátorům. Delší životnost je ovšem vykoupena vyšší hmotností, takže není možné akumulátory zcela nahradit superkapacitory. Superkapacitory budou po zestárnutí akumulátorů a po zvýšení jejich vnitřní impedance pokrývat krátkodobé požadavky na špičkové proudové odběry a zabrání výpadkům napájecího systému z důvodu poklesu napětí úbytkem na vysoké vnitřní impedanci akumulátoru.