CN103414235A - 一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统 - Google Patents
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Abstract
一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，该蓄电系统采用小容量用于频繁充放电的缓冲蓄电单元与大容量用于较长时间间隔充放电的主蓄电单元构成双蓄电模块，并依据一定原则对缓冲蓄电单元和主蓄电单元的容量进行设定，且主蓄电单元采用阶梯缓冲渐变式设计。采用本发明的蓄电系统可以将人造卫星的蓄电系统使用寿命超长提高，是目前人造卫星蓄电系统使用寿命的3-10倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种低成本、超长寿命需要面对高频次充放电的蓄电系统，特别是应用在对蓄能密度、可靠性、寿命要求超长的人造卫星蓄电系统设计领域。
背景技术
目前绝大多数人造卫星均使用太阳能作为一次能源输入，太阳能光伏应用属于间歇能源利用，很多情况下需要与之配套的蓄电系统。因此人造卫星也不例外，需要设置蓄电系统，满足有太阳辐照时光伏板发电、储电以及放电需求。
蓄电系统是人造卫星核心部件之一，人造卫星所有部件的电力需求均要由蓄电系统满足。人造卫星相关技术基本都属于高精尖技术，而蓄电系统也不例外，在人造卫星中应用的基本都是当时年代最先进的蓄电装置。如1958年探险者四号-Exploer-IV，应用镉镍（Ni-Cd）蓄电池系统。1970年中国发射的东方红一号卫星，应用银锌蓄电池。1977年，美国NST-2卫星，首次应用镍氢蓄电池。80年代，美国空军飞行器使用钠硫（NaS2）蓄电池。截止到目前美国深空一号探测器，已经开始使用锂蓄电池（包括聚合物电池Li-Polymer和理离子电池Li-Ion），目前锂离子蓄电池成为第三代储能系统。
目前相关专家学者在提高人造卫星蓄电系统寿命方面，均从单一化的蓄电池类别选择和从提高某种特定蓄电池自身寿命这两个方面入手，而没有根据太阳能这类独特间歇性能源自身特性考虑，从蓄电系统整体架构角度来解决问题。
因此本发明将突破传统的人造卫星蓄电系统设计理念，采用全新的设计方法与技术，实现低成本、超长寿命人造卫星蓄电系统设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有人造卫星蓄电系统设计普遍面临的短寿命问题，提供一种全新理念、低价、超长寿命的以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，在较低成本前提下，实现人造卫星蓄电系统的超长使用寿命，与传统蓄电设计方法比较，蓄电系统寿命提高3-10倍。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的方案是：一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，与太阳能光伏板及卫星用能设备连接，满足电能存储与释放需求，其特点是，所述蓄电系统采用小容量用于频繁充放电的缓冲蓄电单元与大容量用于较长时间间隔充放电的主蓄电单元构成双蓄电模块；且主蓄电单元采用阶梯缓冲渐变式设计。
根据不同种类蓄电池充放循环次数差异性，将无记忆性、高循环寿命（指充放电循环次数为3-10万次）的超级电容器作为小容量的缓冲蓄电单元。而将有记忆效应、低循环寿命的锂离子（充放电循环次数为1-2千次）或镍氢或镍镉（镍氢和镍镉蓄电池的循环次数为数500-700次）蓄电池组作为大容量主蓄电单元。
如此，当有太阳辐照时，太阳能光伏板发电，向超级电容器构成的缓冲蓄电单元充电。缓冲蓄电单元向主蓄电单元（锂离子或氢镉或氢镍蓄电池组构成）进行充电，与此同时缓冲蓄电单元向卫星各部件的用能设备进行供电。无太阳辐照时，则由缓冲蓄电单元继续向卫星各部件用能设备进行供电，同时缓冲蓄电继续向主蓄电单元充电。当遇到宇宙离子风暴、姿态调整、角度转换等情况，致使较长一段时间无太阳辐照，无法进行发电时，缓冲蓄电单元电力即将枯竭时，此时主蓄电单元迅速向缓冲蓄电单元进行充电。从而通过借助无记忆效应、循环次数寿命高的缓冲蓄电单元完成了高频的充放电过程，而主蓄电单元则大大提高了充放电的周期间隔，降低了充放频率，从而大幅提高了蓄电系统整体使用寿命。
上述缓冲蓄电单元的容量是以卫星无太阳辐照时卫星的用电量来计算（一般情况下有辐照与无辐照时间大致等同），一般为卫星用电量的2-2.5倍。主蓄电单元的容量按同步卫星和非同步卫星来分，同步卫星的主蓄电单元容量为缓冲蓄电单元容量的2-3倍，非同步卫星的主蓄电单元容量与缓冲蓄电单元容量的比值=（卫星无太阳能辐照最长时间/一般间隔时间）×安全系数1.2。如无太阳辐照最长时间：一般间隔时间=3，则主蓄电单元容量：缓冲蓄电单元容量的比值为：1.2×3=3.6。
上述主蓄电单元采用阶梯缓冲渐变式设计是指：当缓冲蓄电单元寿命终结或发生故障无法正常工作时，则从主蓄电单元中划出部分蓄电区域作为新的缓冲区即新的缓冲蓄电单元，主蓄电单元剩余部分作为新的主蓄电单元，此时，新的缓冲蓄电单元不再向新的主蓄电单元充电，有太阳辐照时则由所述太阳能光伏板的发电装置直接向新的缓冲蓄电单元和新的主蓄电单元充电，无太阳辐照时则由新的缓冲蓄电单元进行放电驱动人造卫星用能设备，当新的缓冲蓄电单元电量枯竭时，则由新的主蓄电单元向新的缓冲蓄电单元充电，新的缓冲蓄电单元满足负载用电需求，或是新的主蓄电单元直接满足负载用电需求，新缓冲蓄电单元等待太阳能光伏板充电。缓冲区的设置数量不超过2个，即当新的缓冲区寿命终结后，还可再从新的主蓄电单元中继续切割新的缓冲区作为新的缓冲蓄电单元。如此，可最大限度的提高人造卫星整体蓄电系统的使用寿命。
因此，本发明将突破传统的人造卫星蓄电系统设计理念，采用全新的设计方法与技术，实现低成本、超长寿命人造卫星蓄电系统设计。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的蓄电系统通过设计超级电容器构成的缓冲蓄电单元和由锂离子或镍镉或镍氢蓄电池组构成的主蓄电单元以构成双蓄电模块的架构方式，大大降低了主蓄电单元的固定时间内充放次数，拉长了主蓄电单元充放电周期间隔，从而提高了整体蓄电系统的使用寿命，提高3-10倍。
2、本发明的缓冲蓄电单元采用无记忆性、充放电循环次数高的超级电容器，成功了解决了太阳能高频次充放电带来的寿命降低问题。
3、本发明的缓冲蓄电单元的容量设计不大，最大仅为人造卫星无太阳辐照时用电量的2-2.5倍，初投资增加成本不高，具备较优经济性，具备低成本的特点。
4、本发明采用锂离子或镍氢或镍镉普通蓄电池组构成主蓄电单元，价格低廉，成本低。
5、本发明的缓冲蓄电单元与主蓄电单元容量可以任意配比，满足多种人造卫星需求。
6、本发明的主蓄电系统采用阶梯缓冲渐变式设计，即使在缓冲蓄电单元失效情况下（寿命终止或发生故障），也可以提高主蓄电单元的使用寿命。在不设计缓冲蓄电单元情况下，单一的蓄电系统采用阶梯缓冲渐变式进行设计，仅仅设立一级缓冲区使用寿命是原寿命的1.6倍，如果设立两级缓冲区则使用寿命是原寿命的2倍以上。
附图说明
图1是本发明蓄电系统的整体框架原理图；
图2是本发明的蓄电系统有太阳辐照时的工作原理图；
图3是本发明的蓄电系统无太阳能辐射时的工作原理图；
图4是本发明的蓄电系统的缓冲蓄电单元电量枯竭时的工作原理图；
图5是本发明的蓄电系统的缓冲蓄电单元寿命终止、开启缓冲区1，有太阳辐照时的工作原理图；
图6是本发明的蓄电系统的缓冲蓄电单元寿命终止、开启缓冲区1，无太阳辐射时的工作原理图；
图7是本发明的蓄电系统的缓冲区1电量枯竭时的工作原理图；
图8是本发明的蓄电系统的缓冲区1电量枯竭时的另一工作原理图；
图9是本发明的蓄电系统的缓冲区1寿命终止时的工作原理图。
具体实施方式
由于不太可能以某个卫星为案例进行分析，为分析本发明的蓄电系统，卫星用电设备负载以灯具替代，选择白天-晚上模拟同步卫星（有太能辐照以及无太阳辐照），因空间中太阳辐照强度较地面，强度高出两倍，而且空间也不会有阴雨、多云等天气情况。因此以地面测试条件比空间恶劣，而如果测试结果优异，则在空间使用中效果会更好。
下面将根据此设计方法，设计一个太阳能草坪灯，验证该蓄电系统的性能。
结合参见图1所示，太阳能草坪灯样机包含四个部分：太阳能光伏板（采用多晶硅）、蓄电系统（包括缓冲蓄电单元与主蓄电单元，缓冲蓄电单元采用超级电容构成，主蓄电单元于本实施例中采用锂离子电池组构成）、照明灯具（LED单灯功率3W、工作电压12V）、控制系统（图中未示，为现有技术）。该蓄电系统与照明灯具负载连接，太阳能光伏板在白天有太阳能辐照时进行发电。
选择使用地区为长沙市，为太阳能资源四、五类地区。每日照明时常为4小时，则每晚需电量1Ah。缓冲蓄电单元容量按照晚间用电量2.5倍设计，则超级电容缓冲蓄电单元容量设计为2.5Ah。选择主蓄电单元容量与缓冲蓄电容量配比为3.2倍，则锂离子主蓄电单元容量设计为8Ah。太阳能光伏板发电量设计为6W，每日光电转换时间为4小时。
当缓冲蓄电单元正常工作时，如图2所示，白天有太阳能辐照时（且太阳能辐照强度能够产生光电效应），太阳能光伏板（PV板）发电对缓冲蓄电单元进行充电，缓冲蓄电单元对主蓄电单元进行充电，与此同时缓冲蓄电单元驱动灯具（实为卫星用能设备，在此用灯具来进行说明，下同）。晚上（模拟无太阳能辐照情景），如图3所示，则由缓冲蓄电单元继续驱动负载，同时继续对主蓄电单元进行放电，主蓄电单元依旧保持充电状态。
一旦遇到连续阴雨天数（模拟较长无太阳辐照情景）（超过2.5天），即缓冲蓄电单元电量耗尽，如图4所示，则主蓄电单元迅速向缓冲蓄电单元充电，直至充满。则继续按照前面叙述模式工作，如果继续2.5天阴雨天，则主蓄电单元继续向缓冲蓄电单元进行充电，直至充满。此设计机型，可以在最极端的恶劣条件下（全部为阴雨天），可以满足10天正常照明，是普通同等设计参数下工作时长的3倍。
一旦超级电容构成的缓冲蓄电单元寿命终止（或者出现故障，无法正常工作），如图5所示，则依据主蓄电系统的阶梯缓冲渐变式设计方法，将主蓄电单元切割出部分蓄电区域构成缓冲区1作为新的缓冲蓄电单元，如在此样机中，切割出2.5Ah的蓄电区域，原主蓄电单元剩余部分即图中的主蓄电区作为新的主蓄电单元。有太阳辐照时，缓冲区1进行充电，同时主蓄电区也进行充电（是太阳能光伏板直接对主蓄电区充电），与此同时，由缓冲区1驱动灯具。如图6所示，无太阳辐照工作模式时，缓冲区1进行放电，驱动照明灯具，请注意，这时候缓冲区1不再对主蓄电区进行充电。
一旦连续阴雨天（超过2.5天），缓冲区1电量枯竭，则可如图7所示，则主蓄电区向缓冲区1进行充电，直至充满，继续恢复至正常工作状态。该种模式，在缓冲单元寿命终止情况下，此种机型在最极端的恶劣条件下（全部为阴雨天），可以满足7天正常照明，是普通同等设计参数下工作时长的2.5倍。
一旦连续阴雨天（超过2.5天），缓冲区1电量枯竭，还可如图8所示，主蓄电区不向缓冲区1进行充电，而是直接驱动负载工作，缓冲区1等待光伏板充电。该种模式，在缓冲单元寿命终止情况下，此种机型在最极端的恶劣条件下（全部为阴雨天），可以满足7天正常照明，是普通同等设计参数下工作时长的2倍。
如图9所示，在缓冲蓄电单元寿命终止或发生故障的情况下，一旦缓冲区1寿命也终止的时候，则可在原主蓄电单元切割出缓冲区1后剩下的部分中再开辟出缓冲区2作为新的缓冲蓄电单元，最后剩下的主蓄电区作为新的主蓄电单元，则继续重复上述工作过程。缓冲区最多设置2次，此种机型就设计了2个缓冲区。
整体计算下来，该设计可以提高蓄电系统使用寿命约6-7倍。初投资，约增加30%。
Claims (8)
1. 一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，与太阳能光伏板及卫星用能设备连接，满足电能存储与释放需求，其特征在于，所述蓄电系统采用小容量用于频繁充放电的缓冲蓄电单元与大容量用于较长时间间隔充放电的主蓄电单元构成双蓄电模块；且主蓄电单元采用阶梯缓冲渐变式设计。
2.如权利要求1所述的一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，其特征在于，所述缓冲蓄电单元采用无记忆效应、高循环寿命的超级电容器构成。
3.如如权利要求2所述的一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，其特征在于，所述超级电容器的高循环寿命是指充放电循环次数为3-10万次。
4.如权利要求1所述的一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，其特征在于，所述主蓄电单元采用有记忆效应、低循环寿命的锂离子或镍氢或镍镉蓄电池构成。
5.如权利要求4所述的一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，其特征在于，所述低循环寿命是指锂离子蓄电池组的充放电循环次数为1-2千次、镍氢蓄电池组或镍镉蓄电池组的充放电循环次数为500-700次。
6.如权利要求1所述的一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，其特征在于，所述缓冲蓄电单元的容量为无太阳辐照时卫星用电量的2-2.5倍；主蓄电单元的容量按同步卫星和非同步卫星来分，同步卫星的主蓄电单元容量是缓冲蓄电单元容量2-3倍，非同步卫星的主蓄电单元容量与缓冲蓄电单元容量的比值等于卫星无太阳能辐照最长时间与一般间隔时间的比值乘以安全系数1.2。
7.如权利要求1所述的一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，其特征在于，所述主蓄电单元采用阶梯缓冲渐变式设计是指：当缓冲蓄电单元寿命终结或发生故障无法正常工作时，则从主蓄电单元中划出部分蓄电区域作为新的缓冲区即新的缓冲蓄电单元，主蓄电单元剩余部分作为新的主蓄电单元；当新的缓冲区寿命终结后，再从新的主蓄电单元中继续切割新的缓冲区作为新的缓冲蓄电单元，缓冲区的设置数量为1-2个。
8.如权利要求7所述的一种低成本、超长寿命以太阳能为一次能源的人造卫星蓄电系统，其特征在于，所述的当缓冲蓄电单元寿命终结或发生故障无法正常工作时，从主蓄电单元中划出部分蓄电区域作为新的缓冲蓄电单元时，新的缓冲蓄电单元不再向新的主蓄电单元充电，有太阳辐照时则由所述太阳能光伏板的发电装置直接向新的缓冲蓄电单元和新的主蓄电单元充电，由新的缓冲蓄电单元进行放电驱动卫星用能设备；当新的缓冲蓄电单元电量枯竭时，则由新的主蓄电单元向新的缓冲蓄电单元充电，新的缓冲蓄电单元满足放电需求，或是新的主蓄电单元直接满足放电需求，新缓冲蓄电单元等待太阳能光伏板充电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: HUNAN SCI-TECH UNIV. Free format text: FORMER OWNER: LI HONGQIANG Effective date: 20140212 |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Lifang Inventor after: Ma Cong Inventor after: Wang Bo Inventor after: Wang Yan Inventor after: Wang Yuan Inventor after: Wang Zhiqiang Inventor after: Su Tongyi Inventor before: Li Hongqiang |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: TANG HUIMIN TO: FAN FEIJUN TANG HUIMING FAN FEIJUN CHEN TING ZHANG XIAOSONG NIU WEINA CHEN RUIDONG Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 410082 CHANGSHA, HUNAN PROVINCE TO: 411201 XIANGTAN, HUNAN PROVINCE |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20140212 Address after: Yuhu District Hunan province Xiangtan city 411201 stone horse Applicant after: HUNAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Address before: 410082 School of civil engineering, Hunan University, Hunan, Changsha Applicant before: Li Hongqiang |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160413 Termination date: 20210904 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |