Kisműholdak napelemes energiaellátó rendszerének mérése az oktatásban
(Rovat: Hazai kutatóhelyek és űripar - 2008.07.07 10:00.)

Hogyan működik a napelem? Milyen problémákkal kell szembenézni a használata során? A Műegyetem villamosmérnöki hallgatói testközelből ismerkedhettek meg vele. A BME HVT Űrkutató Csoport szakmai beszámolója a mérésről.

Űrkutató csoportunk az 1970-es évektől foglalkozik műhold fedélzeti energiaellátó rendszerek fejlesztésével és építésével egyetemi környezetben. A kutatómunka mellett a csoport a kezdetektől részt vállalt oktatási feladatok ellátásában is. A hallgatók elsődlegesen az önálló illetve a témalaboratórium című tárgyak keretén belül fakultatívan választhatnak a kiírt űrkutatási témák közül. Ezekből a témákból több diplomaterv és tudományos diákköri konferencia dolgozat is született.

Az űrkutatás oktatásba történő bevonása nem csupán a téma korszerűsége és kiemelt szerepe miatt fontos, de a jövő szakembergárdájának kinevelése érdekében is elengedhetetlen feladat. Az oktatási struktúra átalakulásával egyre nagyobb igény mutatkozik az űrkutatást népszerűsítő további, a fentiektől eltérő jellegű oktatási tevékenységre. Erre, egy több mérésből álló laboratóriumi tárgy kínálkozott jó lehetőségnek, mivel a hallgatók a tárgy keretén belül több egymástól eltérő tématerületről kapnak átfogó képet. Az egyik mérési feladatként kisműholdak napelemes energiaellátó rendszerének mérését vezettük be a Budapesti Műszaki és Gazdasági Egyetem harmadéves BSc villamosmérnök hallgatók részére, a Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszékkel együttműködve, a "Nagyfrekvenciás rendszerek és alkalmazások" című laboratóriumi tárgy mérései között. A téma teljesen újszerű egy ilyen típusú tárgy keretein belül.

A hallgatók egy kisméretű modellen végzett áramköri méréseken túl megismerkedhetnek a tápellátó és más egyéb alrendszerek feladataival, a mechanikai struktúra kialakításának főbb irányelveivel, a speciális környezeti körülményekkel valamint a használt eszközökkel és anyagokkal szemben támasztott különleges követelményekkel is.

A tervezett mérési összeállítás egy műhold modellből, egy bemérő egységből és a megvilágítást biztosító műnap részből áll. A mérés rendszertervét az 1. ábra mutatja.

1. ábra A mérési rendszerterv

A modell egy valós napelemtáblát, egy napelem illesztő áramkört valamint egy akkumulátor szimulátort tartalmaz, és a kisműholdakra jellemző szabályozatlan fedélzeti energiasínnel rendelkezik. Ebben az esetben a hold energiatárolója közvetlenül a fedélzeti energiasínre kapcsolódik.

A modell egyik külső oldalán található a napelemtábla, amely 12 db sorba kötött monokristályos Si cellából áll. A belső térben a méréshez kapcsolódó áramköri egységek, egy napelem illesztő áramkör, és egy akkumulátor szimulátor helyezkedik el. A modellben nincs valós akkumulátor, mert a rendszert nem lehetne különböző akkumulátor feszültségeken tesztelni. Ezért egy állítható feszültségű sönt stabilizátort alkalmaztunk, ami egy töltés alatti akkumulátor szimulációjára alkalmas, és így három különböző töltöttségű, egycellás Li akkumulátornak megfelelő feszültségszinten lehet a méréseket elvégezni.

A napelem illesztő vagy más néven MPPT (Maximal Power Point Tracker) áramkör feladata a napelem optimális munkapontjának stabilizálása. Az optimális munkapont általában a napelemből kivehető legnagyobb teljesítménynél található. Néha ettől eltérő napelem munkapont választása szükséges, ha a bejövő energia meghaladja a pillanatnyi igényeket, és a többlet valamely okból kifolyólag már nem tölthető a fedélzeti energiatárolóba.
A modell napelemtáblájának és akkumulátorának feszültségarányából adódóan az MPPT energiaátviteli része egy kapcsolóüzemű feszültség csökkentő konverterre épül.
A felépített MPPT nem rendelkezik automatikus maximumkereső áramkörrel. A mérés során egy 10 fordulatú helikális potenciométerből kialakított osztó segítségével lehet a munkaponti referenciafeszültséget állítva a napelem munkapontját tetszőleges értéken stabilizálni, illetve manuálisan megkeresni a napelem táblából kivehető legnagyobb teljesítményhez tartozó munkapontot.

A napelem tábla megvilágítása mesterséges fénnyel, műnappal történt.
A műnap megépítése során a fő szempont a biztonságosság, az egyszerű kialakítás, a fényerő szabályozási lehetőség és a stabil működés volt. Ezek figyelembevételével fényforrásul kisnyomású, 12V/50W-os, 4˚-os nyílásszögű, 111mm-es alumínium reflektoros halogén izzót választottunk.
A kisugárzott spektrum szempontjából léteznek a Napéhoz közelebb eső, más fényforrások is, de a többi lényeges szempontnak nem feleltek meg.
A műnapban 3db izzó helyezkedik el párhuzamosan kötve. Az izzók irányítottsága egyedileg állítható. A műnap táplálására egy DC labortápegység szolgál, melynek kimenő feszültségével a megvilágítás intenzitása széles tartományokon belül egyszerűen beállítható.

A modellhez egy csatlakozón keresztül szalagkábellel kapcsolódik a bemérő egység, ami lényegében egy kirendező doboz. A műhold belsejéből kivezetett mérendő pontok a bemérő doboz tetején lettek elrendezve. Itt lehet csatlakoztatni a mérőműszereket a kirendező tetején látható sematikus rendszer-blokkvázlat segítségével.
A bemérő egység másik feladata, a modell külső vezérlőjeleinek előállítása. Innen lehet kiválasztani az akkumulátor szimulátor szerepét betöltő söntstabilizátor feszültségét, valamint beállítani az illesztő konverter munkaponti referenciafeszültségét.
Így a műszerek csatlakoztatása egyszerűbb, a mérés áttekinthetőbb és a munka a megvilágított modelltől megfelelően távol végezhető el.

A hallgatóknak a mérés során több feladatot kellett megoldani. Felvették a napelem karakterisztikáját az MPPT áramkör segítségével, lemérték a rendszer energiaátviteli hatásfokát a megvilágítás intenzitásának és az akkumulátor feszültségének függvényében, megvizsgálták az MPPT kimenő áramához tartozó telemetria vonal pontosságát a jelszint függvényében, vizsgálták a napelemtábla hőmérsékletének változását, valamint egy közvetlenül nem mérhető áramköri eszköz egyik elektromos paraméterét határozták meg összetett mérést és számítást igénylő módon. A mért adatokat számítógépen rögzítették, feldolgozták, kiértékelték és egyes esetben az eredményeket grafikusan ábrázolták.

A kialakított mérőhely a 2. ábrán látható.

2. ábra A mérőhely használat közben

Az elmúlt félév során 11 mérőcsoportban 21 hallgató vett részt a közel 4 órás időtartamra tervezett mérésen, ahol a mérési feladatok végzése közben számos érdekes adalékot és információt kaptak a műholdak tervezését és építését érintő témákból.

A mérés a Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium magyar űrkutatás fejlesztésének támogatására közzétett 2007. évi pályázata segítségével, a 303/2007 témaszám alatt valósult meg.

Szimler András
témavezető
BME HVT Űrkutató Csoport