خلاصه مقاله:
زیرسامانه تامین توان ماهواره یکی از مهمترین بخش‌های ماهواره است. اصلی‌ترین منبع انرژی در فضای اطراف زمین، انرژی تابشی خورشید است که ماهواره‌ها آن را جذب کرده و صرف شارژ مجدد باتری‌های خود می‌کنند تا همیشه انرژی ذخیره برای زیرسامانه‌ها داشته باشند. البته روش‌های دیگری نیز برای تولید توان وجود دارد که در مورد ماهواره‌ها کمتر به کار می‌آیند. فناوری تامین توان ماهواره، از آغاز عصر فضا تاکنون، چه در زمینه بهبود کیفیت آرایه‌های خورشیدی و چه در حوزه باتری‌ها، همواره در حال پیشرفت بوده است. هر اندازه این فناوری پیشرفت بیشتری داشته باشد، نتیجه آن در بهبود و گسترش عملکرد ماموریت‌های فضایی مشاهده خواهد شد
گروه های موضوعی مربوط به این مقاله:
زیرسامانه های ماهواره
تاریخچه و معرفی
ماهواره یا هرگونه فضاپیمای دیگری، به‌صورت ماهیتی یک وسیله الکترونیکی است و مانند هر وسیله الکترونیکی دیگر برای کار کردن به توان الکتریکی نیاز دارد. در ابتدای عصر فضا، ماهواره‌های ابتدایی مانند [اسپوتنیک-1] و [اکسپلورر-1] برای تامین توان مورد نیاز خود باتری‌های یک‌بار مصرفی را با خود حمل می‌کردند. در آن هنگام، مساله تولید و تامین توان در فضا یک معضل بسیار بزرگ به‌نظر می‌رسید. اسپوتنیک-1 حتی اگر تا ابد در مدار می‌ماند، به زودی باتری‌هایش خالی می‌شد و عملاً از کار می‌افتاد. اما طراحان و مهندسان به زودی راه غلبه بر این مشکل را پیدا کردند.
فناوری تبدیل انرژی تابشی خورشید به جریان الکتریسیته به نیمه اول قرن نوزدهم بازمی‌گردد. در دهه‌های 40 و 50 میلادی هم دانشمندان توانسته بودند این روش را تا حد زیادی توسعه دهند، اما به دلیل هزینه بسیار بالا و سهل‌الوصول بودن انرژی‌های دیگر، این فناوری از نمونه‌های آزمایشگاهی فراتر نرفته بود. در واقع می‌توان گفت به هیچ‌وجه توجیح نداشت [1]. اما با آغاز عصر فضا فناوری [فتوولتائیک] نیز از گوشه آزمایشگاه خارج شد. سلول‌های خورشیدی می‌توانستند منبع انرژی خوبی برای ماهواره‌ها باشند. هزینه بالای آنها هم با توجه به حجم وسیع سرمایه‌گذاری در فعالیت‌های فضایی و جنبه‌های راهبردی آن کاملاً قابل توجیه بود [2].
این سلول‌ها قادر بودند تا انرژی تابشی خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. در اطراف سیاره زمین، فوتون‌های متصاعد شده از خورشید، به ازای هر مترمربعِ عمود بر جهت تابش نور، حدود 1370 وات انرژی را در اختیار می‌گذارند. سلول‌های خورشیدی اولیه بازدهی کمتر از 6 درصد داشتند. یعنی کمتر از 6 درصد از این 1350 وات را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و صرف شارژ کردن باتری‌های ماهواره می‌کردند [1].
در 15 مه 1958، ماهواره اسپوتنیک-3 (تصویر1) که توسط شوروی سابق به فضا پرتاب شد، برای اولین بار از سلول‌های خورشیدی که به‌صورت آرایه‌ای تنظیم شده بودند، استفاده می‌کرد. آمریکایی‌ها نیز در اولین ماهواره‌های خود به همین نتیجه رسیدند. به‌زودی سرمایه‌گذاری‌های عظیم و بین‌المللی روی گسترش فناوری فتوولتائیک انجام شد و این فناوری روز به‌روز پیشرفت بیشتری کرد [2]. امروزه بازده سلول‌های خورشیدی که در فضا به کار گرفته می‌شوند، به حدود 40 درصد و بالاتر نیز رسیده است [1].
برای تولید انرژی الکتریکی در فضاپیماها و ماهواره‌ها روش‌های دیگری نیز وجود دارد که در ادامه توضیح داده خواهند شد. البته عملیاتی‌ترین و به‌صرفه‌ترین روش برای ماهواره‌ها، همان سامانه فتوولتائیک است (باید توجه داشت که فناوری فتوولتائیک در آزمایشگاه ها همیشه جلوتر از عرصه عملیاتی است. در واقع، آنچه که باعث میشود تا انواع جدید این فناوری در سامانه‌های فضایی به کار گرفته شود قیمت و قابلیت اطمینان است.) [3].
فناوری باتری نیز بخش دیگر سامانه تامین انرژی ماهواره است. درصد بالایی از وزن یک ماهواره را (حداکثر کمی بیش از 10 درصد) باتری‌های آن تشکیل می‌دهد [3]. هر اندازه فناوری در جهت کم کردن وزن و بالابردن بازدهی و ماندگاری باتری‌ها پیشرفت کند، کل فناوری فضایی متحول خواهد شد. امروزه به‌خصوص با پیشرفت در حوزه ریزماهواره‌ها، میکروماهواره‌ها و ... نقش باتری‌ها پررنگ‌تر شده است [4].
باتری اصولاً وسیله سنگینی است. طراحان ماهواره همواره باید تعادلی بین وزن زیرسامانه تامین توان (که بیشتر وزن آن را باتری‌ها تشکیل می‌دهند) و نیازمندی‌های عملیاتی سایر زیرسامانه‌ها و محموله پیدا کنند. اگر طراح بتواند از باتری‌های سبک‌تر و کوچک‌تر و با کارآیی بالاتری استفاده کند، قطعا قادر خواهد بود تا کیفیت و کمیت عملکردی محموله خود را افزایش دهد [4].
پایان عمر عملیاتی یک ماهواره نیز تا حد زیادی به پایان عمر سامانه تامین توان آن بستگی دارد. باتری‌های ماهواره معمولاً بعد از چند سال قابلیت پر و خالی شدن خود را از دست داده و از کار می‌افتند. آرایه‌های خورشیدی نیز که در معرض انواع صدمات محیط فضا قرار دارند، به تدریج مقداری از بازده خود را از دست می‌دهند [3].
معمولاً سهم سامانه تامین توان در ماهواره‌ها و فضاپیماهای کوچک، حدود 20 تا 30 درصد و در ماهواره‌ها و فضاپیماهای بزرگ، حدود 10 تا 15 درصد از کل هزینه است [5].
بدیهی است که یک سامانه هوشمند الکتریکیِ مدیریت توان، باید ارتباط بین منبع تامین و ذخیره انرژی و همچنین زیرسامانه‌های مصرف‌کننده را برقرار نماید. این سامانه نیز در طول زمان به لحاظ سخت‌افزاری و نرم‌افزاری پیشرفت بسیار زیادی داشته است.
اجزا و عملکرد زیرسامانه تامین توان ماهواره
زیرسامانه تامین توان ماهواره، وظیفه تامین انرژی تمامی قسمت‌های ماهواره را از هنگام تغذیه آن توسط باتری‌ها تا قرار گرفتن بر روی مدار و در کل طول ماموریت بر عهده دارد. در مجموع، وظایف این زیرسامانه عبارتند از:
تامین دائمی توان الکتریکی کل سامانه فضایی در تمامی فازهای ماموریت
کنترل، تنظیم و توزیع مناسب توان الکتریکی بین تمامی زیرسامانه‌ها
امکان کنترل وضعیت و عملکرد سامانه تامین توان از روی زمین
تبدیل جریان الکتریکی مستقیم به متناوب در صورت نیاز
به طور کلی، سامانه تامین توان در یک ماهواره یا فضاپیما از چهار بخش ذیل تشکیل شده است:
بخش تولید توان
بخش ذخیره توان
بخش کنترل و تنظیم ذخیره توان (در برخی از مراجع، موارد 3 و 4 تحت عنوان یک بخش با عنوان مدیریت و تنظیم توان ذکر می‌شوند.)
بخش مدیریت توزیع توان
بخش تولید توان الکتریکی
همان‌طور که در ابتدا بیان شد، سامانه تولید توان الکتریکی در ماهواره‌ها بیشتر بر اساس فناوری فتوولتائیک است. البته در ادامه، دو نوع منبع تولید انرژی الکترواستاتیکی و الکترودینامیکی نیز مورد اشاره قرار خواهند گرفت. از این دو نوع تأمین نیرو بیشتر در کاوشگرهای فضایی که به سیارات دوردست (دورتر از زمین نسبت به خورشید) یا اعماق فضا پرتاب می‌شوند، استفاده میشود. در مجموع، کاربرد آنها در ماهواره‌ها بسیار محدود است [5] (در برخی مراجع، باتری‌های اولیه (باتری‌هایی که قابلیت پر کردن ندارند) را نیز جزء منابع انرژی ماهواره های معرفی می‌کنند که به نظر چندان صحیح نمی‌رسد.).