ระบบพลังงานไฟฟ้าของดาวเทียม (Satellite Power System)

รายละเอียด
หมวดหลัก: กองลาดตระเวนและเฝ้าตรวจทางอวกาศ
หมวด: บทความเทคโนโลยีอวกาศ
ฮิต: 12337
1. ส่วนประกอบของระบบของดาวเทียม
 ระบบของดาวเทียมโดยทั่วไปนั้นจะประกอบด้วย 2 ส่วนหลัก ได้แก่
            1. โครงสร้างดาวเทียม (Platform) ซึ่งส่วนนี้จะประกอบด้วยส่วนของเครื่องกล, อุณหภูมิ ระบบขับเคลื่อน, ระบบกลไก, ระบบพิกัด, ระบบส่งคำสั่ง, ชุดเซ็นเซอร์, ระบบการสื่อสาร, ระบบพลังงาน เป็นต้น
          2. ส่วนของอุปกรณ์หรือระบบต่อพ่วงสำหรับปฏิบัติภารกิจ (Payload) เช่น ช่องสัญญาณ (Transponders), กล้อง, เรดาร์ เป็นต้น
ระบบพลังงานไฟฟ้าจะเป็นส่วนที่ให้พลังงานไฟฟ้าให้กับทุกระบบในดาวเทียม (รวมถึงระบบตัวเอง)ระหว่างการปฏิบัติภารกิจ
 
2. ความหลากหลายของการใช้พลังงานไฟฟ้าในดาวเทียม
ระบบดาวเทียมมีการใช้งานพลังงานไฟฟ้าไม่เหมือนกัน จึงเกิดเป็นความหลากหลายของของการใช้พลังงานไฟฟ้า เช่น ระบบให้ความร้อน (Heater) จะใช้รูปแบบของพลังงานไฟฟ้าแบบใดก็ได้, ระบบสร้างลอจิคที่จะใช้รูปแบบแรงดันไฟฟ้าที่มีระดับของแรงดันไฟฟ้าตามกำหนด (1.8, 3.3, 5 โวลต์) และระบบ Electric Thuster ที่จะใช้แรงดันไฟฟ้าขนาด 300 โวลต์ เป็นต้น
 
3. โครงสร้างระบบพลังงานไฟฟ้าของดาวเทียม
โครงสร้างระบบพลังงานไฟฟ้าของดาวเทียมประกอบด้วย 3 ส่วนหลักคือ
          1. Power Generator
          2. Energy Storage
          3. Power Electronics
 
20210202 3
รูปแสดงระบบพลังงานไฟฟ้าโดยทั่วไปของดาวเทียม
 
          โดย Power Generator จะเป็นส่วนที่รับพลังงานจากภายนอกและเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า เพื่อจำหน่ายต่อไปยังส่วน Power Electronics ซึ่งจะเป็นส่วนของการจัดการระบบพลังงานไฟฟ้า และส่วนของ Energy Storage ที่จะเป็นส่วนของการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าในรูปแบบของแบตเตอรี่อีกทั้งจะจำหน่ายไปยังส่วน Power Electronics เมื่อไม่มีแหล่งพลังงานภายนอกที่จะสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้
 
4. ปัจจัยสำหรับการออกแบบระบบพลังงานไฟฟ้าของดาวเทียม
         1. วงโคจร (Orbit) LEO/GEO/MEO, Interplanetary เป็นต้น ซึ่งวงโคจรแต่ละแบบจะมีการช่วงของเงามืดและความสว่างดวงอาทิตย์แตกต่างกัน
        2. Mission Life จำนวนปีและเดือนสำหรับการปฏิบัติภารกิจ
        3. ความต้องการพลังงานไฟฟ้า (Power Requirement) รูปแบบการใช้พลังงานไฟฟ้าของอุปกรณ์ต่อพ่วง เป็นต้น
        4. โหมดของการปฏิบัติภารกิจ ท่าทางของดาวเทียมช่วงเวลาเจอแสงของดวงอาทิตย์ เป็นต้น
        ซึ่งเมื่อทราบปัจจัยทั้งหมดแล้วก็สามารถระบุระบบพลังงานไฟฟ้าในทุก ๆ ส่วนได้ ซึ่งจะทำให้ออกแบบและเห็นภาพของขนาดและนำหนั้ก จุดสูงสุดของพลังงานไฟฟ้า รอบของการเปิด/ปิด ระบบ รวมถึงรอบของการเก็บหรือคายพลังงาน เป็นต้น
 
5. เทคโนโลยี Solar Array
Solar Arrays จะประกอบไปด้วย Solar Modules ซึ่งใน Solar Modules จะประกอบเซลล์แสงอาทิตย์ (Solar Cells) โดย เซลล์แสงอาทิตย์จะผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแสง (อาทิตย์) ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า Photovoltaics โดยจะเรียนรู้การกระบวนการของ Photovoltaics ที่ใช้ซิลิกอนที่นิยมใช้โดยแพร่หลาย
        5.1 กระบวนการ Photovoltaics ของ Si (ซิลิกอน)
        5.1.1 รูปแบบของพันธะของธาตุเคมี ซิลิกอนบริสุทธิ์ จะเป็นแบบ Tetravalent หรือเกิดพันธะได้ 4 พันธะ (มี4แขน) สถานะเป็นสารกึ่งตัวนำ
 
20210202 4
 
          5.1.2 เมื่อมีองค์ประกอบของสารแบบ Pentavalent โดย Phosphorus ได้ถูกใส่เข้าไป (Dope) ทำให้เกิดเป็น N-Type Silicon ในขั้นตอนนี้จะเกิดอิเล็กตรอนว่าง
 
20210202 5
 
          5.1.3 ในทางกลับกันเมื่อองค์ประกอบของสารแบบ Trivalent โดย Boron ได้ถูกใส่เข้าไป (Dope) ทำให้เกิดเป็น N-Type Silicon ในขั้นตอนนี้จะทำให้เกิดหลุมว่าง
 
20210202 6
 
          5.1.4 เมื่อ N และ P-Type นำมาชิดกันจะเกิดโซนที่เรียกว่า “Junction”
 
20210202 7
 
          5.1.5 ในตอนนี้อิเล็กตรอนอิสระจาก N-Type จะพยายามเข้าไปแทนที่หลุมว่างของ P-Type
 
20210202 8
 
5.1.6 N-Type จะสูญเสียอิเล็กตรอนบริวณใกล้โซนของ Junction เพราะฉะนั้นส่วนนี้จะเกิดสภาวะเป็นศักย์ไฟฟ้าบวก และในทางกลับกัน P-Type เมื่อได้รับอิเล็กตรอนส่วนนี้จะเกิดสภาวะเป็นศักย์ไฟฟ้าลบ
 
20210202 9
 
          5.1.7 เกิดความต่างศักย์ ทำให้เกิดสนามไฟฟ้า
 
20210202 10
 
          5.1.8 Photovoltaics จะเกิดเมื่อแสงตกกระทบโครงสร้าง พลังงานที่โปรตรอนได้รับจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนหลุดออกกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ
 
20210202 11
 
          5.1.9 สนามไฟฟ้าที่บริเวณ Junction จะผลักให้อิเล็กตรอนอิสระที่ N-Type และหลุมอิสระที่ P-Type เคลื่อนที่ไปชิดด้านข้าง
 
20210202 12
 
          5.1.10 หากมีเส้นทางที่ให้อิเล็กตรอนอิสระสามารถเข้าไปแทนที่หลุมได้ จะเป็นกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น
 
20210202 13
 
          5.1.11 เส้นทางที่กระแสไหลเข้าอุปกรณ์ (Load). (ทิศทางของของกระแสจะมีทิศทางตรงกันข้ามของเส้นทางเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน)
 
20210202 14
 
          5.2 วงจรสมมูลย์ (Equivalent Circuit) ของโซล่าร์เซลล์ช่วงสถานะคงตัว (Steady State)
 
20210202 15
 
                Dsh: Shunt diode
                Rs: Series resistance
                Rsh: Shunt Resistance (Leakage)
                โดยเซลล์ในอุดมคติจะมีค่า Rs =0 , Rsh = ∞
 
          5.3 คุณลักษณะของกราฟ VI
 
20210202 16
 

          กราฟ VI แสดงคุณลักษณะของเส้นความสัมพันธ์ระหว่าง  V และ I วงจรสมมูลย์ของโซล่าร์เซลล์ โดยเมื่อ V ตกคร่อมอุปกรณ์หรือโหลด มีค่าเท่ากับ V= 0  กระแสของ IL จะมีค่าเท่ากับ ISC ในทางกลับกันเมื่อ V = VOC  .จะทำให้ IL= 0
 
          5.4 คุณลักษณะจุด Maximum Power Point (MPP)
        จากกราฟ VI จะมีค่าของกระแสและแรงดัน ในช่วงเฉพาะค่าหนึ่งที่ทำให้เกิดจุดที่กำลังไฟฟ้าสูงสุด โดยจุดที่ทำให้เกิดกำลังไฟฟ้าสูงสุดเรียกว่า จุด Maximum Power Point (MPP) โดย P(V) = I(V) x V (เส้นโค้งสีเขียว) ดังรูป
 
20210202 17
 

          บริเวณด้านซ้ายของจุด MPP โซล่าร์จะแสดงคุณลักษณะที่เป็นแหล่งจ่ายกระแสที่มีคงที่ ดูได้จากความชันคงที่ ในทางกลับกันทางขวาของจุด MPP จะแสดงคุณลักษณะที่เป็นแหล่งจ่ายแรงดันคงที่ด้วย Ri


        การเลือกใช้จุดสำรับการใช้งานคือ ช่วงด้านซ้ายและใกล้จุด MPP ช่วงที่วงจรการจ่ายกระแสคงที่
        5.4 ค่าประสิทธิภาพ (Efficiency)
        พลังจากแสงจะสามารถเปลี่ยนเป็นพลังไฟฟ้าได้ แต่ไม่ใช่ทั้งหมด โดยค่าเปอร์เซนต์ของพลังงานในฝั่งขาเข้า (Pi) เทียบกับ พลังงานไฟฟ้าขา (Po) จะนิยามว่าค่า ประสิทธิภาพ
 
ติดตามตอนต่อ...
 
เรียบเรียงโดย : ร.ท.สุทธิพงษ์ โตสงวน