DE3146701C2

DE3146701C2 -

Info

Publication number: DE3146701C2
Application number: DE3146701A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing.(Grad.) 2081 Haseldorf De Koenneke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1981-11-25
Filing date: 1981-11-25
Publication date: 1989-10-05
Also published as: DE3146701A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Regelung der Spannung eines Stromversorgungssystems für ein Raumfahrzeug, das aus einem Solargenerator gespeist wird.The invention relates to an arrangement for regulating the Voltage of a power supply system for a spacecraft, that is fed by a solar generator.

Bei Stromversorgungssystemen für im Weltraum operierende Satelliten ist neben einem Solargenerator, der aus einer Vielzahl von Solarzellen besteht und in der Sonnenphase des Satelliten Strom erzeugt, auch eine Batterie vorge sehen, die im Falle eines Leistungsüberangebotes des Solargenerators geladen und im Falle eines Leistungsüber bedarfes, insbesondere in Schattenphasen des Satelliten, entladen wird. Um die Spannung des Hauptleiters des Satel litenstromversorgungssystems immer in gleicher Höhe zu halten, ist der Batterie ein Entladeregler und dem als Stromquelle wirkenden Solargenerator ein sogenannter Shunt regler, der die Spannung am Solargenerator begrenzt, zuge ordnet. Solargenerator und Shuntregler wirken gemeinsam als Spannungsquelle. Der Shuntregler besteht aus dem Shunt und der sogenannten Shuntsteuerung.Power supply systems for those operating in space Satellite is next to a solar generator that consists of one Variety of solar cells exists and in the sun phase the satellite's electricity generated, also featured a battery see that in the event of an oversupply of the Solar generator charged and in the event of a power over needs, especially in the shadow phases of the satellite, is discharged. To the tension of the main conductor of the satellite lite power supply system always at the same level hold, the battery is a discharge controller and the as Power source acting solar generator a so-called shunt regulator that limits the voltage at the solar generator arranges. Solar generator and shunt regulator work together as Voltage source. The shunt regulator consists of the shunt and the so-called shunt control.

Da der Solargenerator auch noch gegen Ende seiner Mission die von den Verbrauchern benötigte Energie abgeben soll, ist seine Leistung mit Rücksicht auf die im Laufe der Mission zu erwar tenden Einbußen durch Degradation und Alterung seiner Solar zellen größer als die Verbraucher-Nennleistung bemessen. Das dadurch gerade bei Beginn der Mission in der Sonnenphase vor handene Leistungsüberangebot des Solargenerators wird dann beispielsweise in mehreren Shuntstufen in Wärme umgesetzt, die von einer entsprechenden Regeleinrichtung in der Weise beeinflußt werden, daß eine konstante Spannung im Haupt leiter gehalten wird.Since the solar generator still runs towards the end of its mission to deliver the energy needed by consumers is his Performance with respect to that expected in the course of the mission declining losses due to degradation and aging of its solar cells larger than the nominal power of the consumer. The This means that the mission begins in the sun phase Existing performance of the solar generator will then for example converted into heat in several shunt stages, by a corresponding control device in the way be influenced by a constant tension in the main head is held.

Die im Satelliten erzeugte elektrische Energie wird je nach dem Leistungsbedarf der nachgeschalteten Verbraucher zu einem Teil der Spannungswandler und -reglern auf die er forderliche Spannung gebracht, zum Teil im Shunt in Wärme um gesetzt. Der Shunt, der einen gesteuerten Verbraucher darstellt, ist demnach nur zu dem Zweck vorgesehen, über schüssige elektrische Energie in Verlustwärme umzusetzen. The electrical energy generated in the satellite depends on the power requirements of the downstream consumers part of the voltage converters and regulators to which he required tension, partly converted into heat in the shunt set. The shunt that is a controlled consumer is therefore intended only for the purpose of converting electrical energy into waste heat.

Weiterhin trägt die Shuntregelung mit den aktiven Bauelemen ten zur Volumen- und Gewichtserhöhung des Stromverbrauchs systems erheblich bei.The shunt control also carries the active components to increase the volume and weight of electricity consumption systems significantly.

Weiterhin ist ein Stromversorgungssystem für ein umlaufendes Raumschiff oder einen Satelliten unter Verwendung einer aus mehreren Abschnitten bestehenden Sonnenzellen-Anordnung be kannt (DE 24 38 919 A1). Die Abschnitte dieser Anordnung sind durch Schalter und eine digitale Steuerlogik eines Spannungs- Reglers je nach Leistungsbedarf auf eine Sammelschiene auf schaltbar. Es ist ein weiterer, nicht umschaltbarer Sonnen zellen-Abschnitt vorgesehen, der mit der Sammelschiene über einen Feinregel-Abschnitt des Reglers verbunden ist. Ferner sind eine Batterie und ein Ladungsregler zur Ladung der Bat terie von der Sammelschiene oder dem nicht umschaltbaren Son nenzellen-Abschnitt vorgesehen. Der Feinregel-Abschnitt bildet einen Spannungsregler für die Sammelschiene, der die Zufüh rung von Leistung aus der Batterie zur Sammelschiene regelt, wenn der Ausgang der Sonnenzellen-Anordnung für den Lastbe darf nicht ausreicht. Die Verwendung der obengenannten Schalter hat den Nachteil, daß bei Schalterdefekten alle Sonnenzellen der zugeordneten Abschnitte zur Energieversor gung ausfallen können. Um dieses zu vermeiden, ist es aus Sicherheitsgründen erforderlich, die Schalter redundant aus zuführen.Furthermore, a power supply system for a circulating Spaceship or a satellite using one out several sections existing solar cell arrangement be knows (DE 24 38 919 A1). The sections of this arrangement are through switches and digital control logic of a voltage Controller depending on the power requirement on a busbar switchable. It is another, not switchable sun Cell section provided with the busbar over a fine control section of the controller is connected. Further are a battery and a charge regulator for charging the bat series from the busbar or the non-switchable Son cell section provided. The fine control section forms a voltage regulator for the busbar, the feed regulation of power from the battery to the busbar, if the output of the solar cell arrangement for the Lastbe may not be enough. The use of the above Switch has the disadvantage that all switch defects Solar cells of the assigned sections for energy supply can fail. To avoid this, it's over Required for safety reasons, the switches redundant respectively.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der über die Dauer der Mission eines Raumfahrzeuges ein möglichst gleichmäßiges Spannungsangebot aus dem Solarzellengenerator gewährleistet wird, ohne daß Solarzellenanordnungen mittels Schaltelementen kurzgeschlossen oder abgeschaltet werden müssen.The invention has for its object an arrangement of to create the kind mentioned at the beginning, with the duration the mission of a spacecraft as uniform as possible Voltage supply from the solar cell generator guaranteed without solar cell arrangements using switching elements must be short-circuited or switched off.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Mittel gelöst. Weiterbil dungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich net. This object is achieved by the in the license plate of the main claim specified means solved. Continuing Applications of the invention are characterized in the subclaims net.

Der wesentliche Vorteil der Anordnung nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß Gewicht und Volumen eingespart werden kann. Weiterhin ist eine Kostenreduzierung feststellbar durch Wegfall von Shuntelementen. Mit der Anordnung ist ferner eine Anpassung des Solargenerators an den jeweiligen Leistungsbe darf, insbesondere am Beginn einer Mission durch den Einsatz eins sehr niedrigen Steuerstromes zu erzielen. Schließ lich soll erwähnt werden, daß keine zusätzlichen Arbeitsgänge während der Herstellung von Solarzellen mit Deckgläsern notwendig sind. Ein Solargenerator besteht aus in Reihe geschalteten Solarzellen, um die geforderte Spannung zu realisieren und aus parallelgeschalteten Zellen, um die Leistung zu erbringen. Da beide Solarzellenfunktionen durch die Erfindung beeinflußt werden können, ist eine Regelung des Hauptleiters bei gleichzeitiger Anpassung an den Leistungsbedarf der Verbraucher möglich.The main advantage of the arrangement according to the invention is to see that weight and volume are saved can. A reduction in costs can also be determined by Elimination of shunt elements. With the arrangement is also a Adaptation of the solar generator to the respective performance may, especially at the beginning of a mission to achieve the use of a very low control current. Close Lich should be mentioned that no additional operations during the production of solar cells with cover glasses are necessary. A Solar generator consists of solar cells connected in series to the to realize the required voltage and from parallel connected Cells to perform. Because both solar cell functions can be influenced by the invention is a regulation of Executive while adapting to the power requirements of the Consumers possible.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dar gestellt. Es zeigtIn the drawing, an embodiment according to the invention is shown posed. It shows

Fig. 1 die Kennlinie einer Solarzelle, Fig. 1 shows the characteristic curve of a solar cell,

Fig. 2 ein Diagramm der erzeugten Leistung über der Zeit und Fig. 2 is a diagram of the power generated over time and

Fig. 3 eine Solarzelle mit der neuen Abdeckung. Fig. 3 shows a solar cell with the new cover.

In Fig. 1 ist über der Spannung U der Strom I aufgetragen. Der Schnitt punkt der maximalen Spannung U _Pmax und des maximalen Stromes I _Pmax er gibt den Punkt maximaler Leistung P _max, die Leistung also, die am Ende einer Mission zur Verfügung stehen muß, um die Stromversorgung aller Verbraucher des Raumfahrzeuges zu gewährleisten. Am Anfang einer Mission liegt die erzeugte Energie über der von den Verbrauchern ange forderten Leistung, so daß der Überschuß als Verlustwärme abgeführt werden muß.In Fig. 1, the current I is plotted against the voltage U. The intersection of the maximum voltage U _Pmax and the maximum current I _Pmax gives the point of maximum power P _max , the power that must be available at the end of a mission to ensure the power supply to all consumers of the spacecraft. At the beginning of a mission, the energy generated lies above the power demanded by consumers, so that the excess must be dissipated as heat loss.

Wenn im Diagramm nach Fig. 2 die Abszisse in gleichmäßige Abschnitte entsprechend der Dauer einer Mission, beispielsweise 10 Jahre, einge teilt wird, so zeigt die schraffierte Fläche P _V denjenigen Leistungs anteil, der vom Solargenerator erzeugt jedoch von den Verbrauchern nicht benötigt wird. Am Anfang der Mission ist dieser Teil groß und nimmt im Laufe der Jahre in Folge der Degradation und der Alterung der Solarzellen etwa linear ab. Bei den bisher bekannten Stromerzeu gungssystemen dieser Art wird die Leistung P _V mit Hilfe eines Shunts ausgeregelt, um die Spannung des Hauptleiters zu den Verbrauchern möglichst konstant zu halten.If the abscissa is divided into uniform sections corresponding to the duration of a mission, for example 10 years, in the diagram according to FIG. 2, the hatched area P _{V shows} that portion of the power which is generated by the solar generator but is not required by the consumers. At the beginning of the mission, this part is large and has decreased linearly over the years due to the degradation and aging of the solar cells. In the previously known power generation systems of this type, the power P _{V is} corrected with the aid of a shunt in order to keep the voltage of the main conductor to the consumers as constant as possible.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Solarzelle nach der Erfindung. Hier wird zwischen zwei Deckgläsern 1 und 2 eine Flüs sigkristallschicht 3 (LCD-Schicht) eingefügt und mit Elektroden 4 und 5 versehen. Die zwischen den Deckgläsern 1 und 2 eingefügte Schicht 3 wird wie üblich mittels Klebung auf die lichtempfinldiche Fläche 6 mit dem Kontaktsystem 7 einer Solarzelle 8 aufgebracht. Fig. 3 shows a preferred embodiment of a solar cell according to the invention. Here, a liquid crystal layer 3 (LCD layer) is inserted between two cover glasses 1 and 2 and provided with electrodes 4 and 5 . The layer 3 inserted between the cover glasses 1 and 2 is applied as usual by means of adhesive to the light-sensitive surface 6 with the contact system 7 of a solar cell 8 .

Die LCD-Schicht 3 ist etwa mit einem Kondensator vergleichbar, dessen Dielektrikum aus Flüssigkristallen besteht. Liegt keine Spannung an den Elektroden 4 und 5 dieser Schicht, so ist die Flüssigkeitssubstanz lichtdurchlässig. Wird dagegen Spannung angelegt, so wird die Flüssig substanz turbulent, streut das einfallende Licht und erscheint licht undurchlässig.The LCD layer 3 is comparable to a capacitor, the dielectric of which consists of liquid crystals. If there is no voltage at electrodes 4 and 5 of this layer, the liquid substance is translucent. If, on the other hand, voltage is applied, the liquid substance becomes turbulent, scatters the incident light and appears opaque to light.

Wird nun ein Teil eines Solargenerators mit Solarzellen dieser Art bestückt, wobei der Anteil der jeweiligen Verlustleistung entspricht, so kann vom Anfang der Mission bis zum Ende die jeweils benötigte Leistung vom Solargenerator annähernd erzeugt werden.Now becomes part of a solar generator with solar cells of this type equipped, whereby the share corresponds to the respective power loss, so from the beginning of the mission to the end, the required one Power generated by the solar generator approximately.

Zur Erzielung einer großen Lebensdauer der Flüssigkristallzellen wird zur Ansteuerung eine sinus- oder rechteckförmige Wechselspannung mit einer Frequenz von 20 bis 200 Hz verwendet. Die Betriebsspannung ist außerordentlich niedrig wie auch der Leistungsverbrauch mit etwa 20 µW. Um die Steuerspannung nicht dauernd aufbringen zu müssen, können Flüssigkristallzellen mit Speichereigenschaft verwendet werden.To achieve a long lifespan for the liquid crystal cells a sinusoidal or rectangular AC voltage is used for control used with a frequency of 20 to 200 Hz. The operating voltage is extremely low as well as the power consumption with about 20 µW. In order not to have to constantly apply the control voltage, For example, liquid crystal cells with memory properties can be used.

Die Flüssigkristallzellen können so zwischen den Deckgläsern ange ordnet sein, daß sie entweder die ganze Fläche der Solarzelle ab decken oder nur ein Gitter- oder Balkenmuster (Taster) auf ihr er zeugen. Ferner ist es denkbar, einzelne Solarzellen mit solchen Deck gläsern anzusteuern oder Gruppen von Solarzellen mit einem Steuervor gang zu erfassen.The liquid crystal cells can between the cover glasses be ordered that they either cover the entire area of the solar cell cover or just a grid or bar pattern (button) on it he testify. It is also conceivable to have individual solar cells with such a deck control glasses or groups of solar cells with a control device gear to capture.

Von der Fertigung her gesehen, bedeutet das Aufbringen des neuen Deck glases mit der Flüssigkristallschicht keinen zusätzlichen Arbeitsvor gang. Die LCD-Displays verursachen kaum Mehrkosten, so daß ein derart ausgestatteter Solargenerator konkurrenzfähig bleibt.From the manufacturing point of view, the application of the new deck means glass with the liquid crystal layer no additional work corridor. The LCD displays hardly cause additional costs, so that one equipped solar generator remains competitive.

Eine weitere Möglichkeit, nur die jeweils von den Verbrauchern ge forderte Leistung aus dem Solargenerator zu erzeugen, kann in der Verwendung eines mechanischen Systems zur Abdeckung einzelner oder Gruppen von Solarzellen gesehen werden. So können Rollos oder Schie ber am Anfang einer Mission über einen Teil des Solargenerators ge zogen werden und nach und nach zurückgenommen werden, um zusätzliche Solarzellen zur Energieerzeugung heranzuziehen. Schließlich besteht die Möglichkeit, den Solargenerator zu Beginn der Mission nur so weit auszuklappen oder auszurollen, wie zur Erzeugung der erforderlichen Leistung notwendig ist. Im Laufe der Jahre können dann weitere Teile des Generators freigegeben werden, bis am Ende der Mission die ge samte Generatorfläche zur Energiegewinnung zur Verfügung steht.Another way, only the ge from each of the consumers can generate required power from the solar generator in the Use of a mechanical system to cover individual or Groups of solar cells can be seen. So can blinds or shooting About the beginning of a mission on part of the solar generator be drawn and gradually withdrawn for additional Use solar cells to generate energy. Finally there is the ability to run the solar generator at the beginning of the mission only so far unfold or roll out as needed to generate the Performance is necessary. Over the years, more parts can be made of the generator are released until at the end of the mission the ge entire generator area is available for energy generation.

Claims

1. Arrangement for regulating the voltage of a power supply system for a spacecraft, which is fed from a solar generator, characterized in that only the corresponding number of solar cells and solar cell partial areas required to generate the power required by the consumers are unshaded in terms of energy generation by solar radiation involved.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that part of the Solar cells are covered with an LCD layer.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the LCD layer arranged between coverslips and glued to the solar cells is connected.

4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the LCD layer changes its translucency via an electronic control.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the control a bar or grid pattern (grid) on the photosensitive Surface of the solar cell generated or covers the entire area.

6. Arrangement according to claim 1, characterized by the cover of Divide the solar generator by a mechanical system.

7. Arrangement according to claim 1, characterized by folding or rolling in generator parts.