|
تاريخچه و معرفي
ماهواره يا هرگونه فضاپيماي ديگري، به‌صورت ماهيتي يك وسيله الكترونيكي است و مانند هر وسيله الكترونيكي ديگر براي كار كردن به توان الكتريكي نياز دارد. در ابتداي عصر فضا، ماهواره‌هاي ابتدايي مانند [اسپوتنيك-1] و [اكسپلورر-1] براي تامين توان مورد نياز خود باتري‌هاي يك‌بار مصرفي را با خود حمل مي‌كردند. در آن هنگام، مساله توليد و تامين توان در فضا يك معضل بسيار بزرگ به‌نظر مي‌رسيد. اسپوتنيك-1 حتي اگر تا ابد در مدار مي‌ماند، به زودي باتري‌هايش خالي مي‌شد و عملاً از كار مي‌افتاد. اما طراحان و مهندسان به زودي راه غلبه بر اين مشكل را پيدا كردند.
فناوري تبديل انرژي تابشي خورشيد به جريان الكتريسيته به نيمه اول قرن نوزدهم بازمي‌گردد. در دهه‌هاي 40 و 50 ميلادي هم دانشمندان توانسته بودند اين روش را تا حد زيادي توسعه دهند، اما به دليل هزينه بسيار بالا و سهل‌الوصول بودن انرژي‌هاي ديگر، اين فناوري از نمونه‌هاي آزمايشگاهي فراتر نرفته بود. در واقع مي‌توان گفت به هيچ‌وجه توجيح نداشت [1]. اما با آغاز عصر فضا فناوري [فتوولتائيك] نيز از گوشه آزمايشگاه خارج شد. سلول‌هاي خورشيدي مي‌توانستند منبع انرژي خوبي براي ماهواره‌ها باشند. هزينه بالاي آنها هم با توجه به حجم وسيع سرمايه‌گذاري در فعاليت‌هاي فضايي و جنبه‌هاي راهبردي آن كاملاً قابل توجيه بود [2].
اين سلول‌ها قادر بودند تا انرژي تابشي خورشيد را به انرژي الكتريكي تبديل كنند. در اطراف سياره زمين، فوتون‌هاي متصاعد شده از خورشيد، به ازاي هر مترمربعِ عمود بر جهت تابش نور، حدود 1370 وات انرژي را در اختيار مي‌گذارند. سلول‌هاي خورشيدي اوليه بازدهي كمتر از 6 درصد داشتند. يعني كمتر از 6 درصد از اين 1350 وات را به انرژي الكتريكي تبديل كرده و صرف شارژ كردن باتري‌هاي ماهواره مي‌كردند [1].
در 15 مه 1958، ماهواره اسپوتنيك-3 (تصوير1) كه توسط شوروي سابق به فضا پرتاب شد، براي اولين بار از سلول‌هاي خورشيدي كه به‌صورت آرايه‌اي تنظيم شده بودند، استفاده مي‌كرد. آمريكايي‌ها نيز در اولين ماهواره‌هاي خود به همين نتيجه رسيدند. به‌زودي سرمايه‌گذاري‌هاي عظيم و بين‌المللي روي گسترش فناوري فتوولتائيك انجام شد و اين فناوري روز به‌روز پيشرفت بيشتري كرد [2]. امروزه بازده سلول‌هاي خورشيدي كه در فضا به كار گرفته مي‌شوند، به حدود 40 درصد و بالاتر نيز رسيده است [1].
 |
| تصوير 1- ماهواره اسپوتنيك-3 |
براي توليد انرژي الكتريكي در فضاپيماها و ماهواره‌ها روش‌هاي ديگري نيز وجود دارد كه در ادامه توضيح داده خواهند شد. البته عملياتي‌ترين و به‌صرفه‌ترين روش براي ماهواره‌ها، همان سامانه فتوولتائيك است (بايد توجه داشت كه فناوري فتوولتائيك در آزمايشگاه ها هميشه جلوتر از عرصه عملياتي است. در واقع، آنچه كه باعث مي‌شود تا انواع جديد اين فناوري در سامانه‌هاي فضايي به كار گرفته شود قيمت و قابليت اطمينان است.) [3].
فناوري باتري نيز بخش ديگر سامانه تامين انرژي ماهواره است. درصد بالايي از وزن يك ماهواره را (حداكثر كمي بيش از 10 درصد) باتري‌هاي آن تشكيل مي‌دهد [3]. هر اندازه فناوري در جهت كم كردن وزن و بالابردن بازدهي و ماندگاري باتري‌ها پيشرفت كند، كل فناوري فضايي متحول خواهد شد. امروزه به‌خصوص با پيشرفت در حوزه ريزماهواره‌ها، ميكروماهواره‌ها و ... نقش باتري‌ها پررنگ‌تر شده است [4].
باتري اصولاً وسيله سنگيني است. طراحان ماهواره همواره بايد تعادلي بين وزن زيرسامانه تامين توان (كه بيشتر وزن آن را باتري‌ها تشكيل مي‌دهند) و نيازمندي‌هاي عملياتي ساير زيرسامانه‌ها و محموله پيدا كنند. اگر طراح بتواند از باتري‌هاي سبك‌تر و كوچك‌تر و با كارآيي بالاتري استفاده كند، قطعا قادر خواهد بود تا كيفيت و كميت عملكردي محموله خود را افزايش دهد [4].
پايان عمر عملياتي يك ماهواره نيز تا حد زيادي به پايان عمر سامانه تامين توان آن بستگي دارد. باتري‌هاي ماهواره معمولاً بعد از چند سال قابليت پر و خالي شدن خود را از دست داده و از كار مي‌افتند. آرايه‌هاي خورشيدي نيز كه در معرض انواع صدمات محيط فضا قرار دارند، به تدريج مقداري از بازده خود را از دست مي‌دهند [3].
معمولاً سهم سامانه تامين توان در ماهواره‌ها و فضاپيماهاي كوچك، حدود 20 تا 30 درصد و در ماهواره‌ها و فضاپيماهاي بزرگ، حدود 10 تا 15 درصد از كل هزينه است [5].
بديهي است كه يك سامانه هوشمند الكتريكيِ مديريت توان، بايد ارتباط بين منبع تامين و ذخيره انرژي و همچنين زيرسامانه‌هاي مصرف‌كننده را برقرار نمايد. اين سامانه نيز در طول زمان به لحاظ سخت‌افزاري و نرم‌افزاري پيشرفت بسيار زيادي داشته است.
|
