Subsistema de potencia para un nanosatélite TubeSat utilizando arreglos de celdas espaciales tipo TrisolX

Abstract

La estandarización en la construcción de nanosatélites, específicamente en la forma y tamaño de éstos tal como el estándar CubeSat, ha permitido a más instituciones el acceso a este tipo de tecnología. Sin embargo, las restricciones de dimensiones representan un reto para la captación de energía, dado que el Sol es la única fuente de energía disponible y el área de las celdas solares para captar dicha energía es limitada. Este trabajo se enfoca en el sistema de potencia de KuauhtliSat, un nanosatélite que sigue un nuevo estándar introducido por Interorbital Systems llamado “TubeSat”. Los objetivos son determinar los alcances de la configuración TubeSat para capturar la luz solar de manera eficiente y diseñar un circuito que maximice la potencia extraída de los paneles solares hasta la batería incluida en el satélite. El TubeSat es una configuración en forma hexadecagonal que propone utilizar 8 de las 16 caras como paneles solares, y el diseño del presente TubeSat propone utilizar celdas solares de calidad espacial TrisolX cuya eficiencia es del 28%. El nanosatélite fue modelado para simular su funcionamiento en órbita y obtener una estimación del área efectiva y potencia capturada de los paneles solares para esta configuración en particular. Las simulaciones mostraron un área efectiva total de 40.2 cm2, lo cual es correspondiente con aproximadamente 2.72 paneles solares y una potencia de 0.74 W para una órbita baja terrestre (LEO). Se diseñó un circuito para el sistema eléctrico de potencia (EPS) utilizando una topología de seguimiento de máximo punto de potencia (MPPT) y seleccionando una batería Li-ion de 2500 mAh de capacidad. El circuito incluye un convertidor reductor para regular el voltaje entre los paneles solares y la batería. Para el algoritmo de control se implementó un método Perturb&Observe utilizando un microcontrolador. Los paneles solares y el circuito MPPT fueron manufacturados. Los resultados mostraron que el proceso de manufactura de los paneles solares terminaba con estos funcionando a un 99% de eficiencia. El circuito MPPT puede alcanzar eficiencias de regulación de energía de hasta 90%. El sistema sería capaz de cargar la batería en un 2% durante una órbita cuando el satélite se encuentre en su modo de operación normal. Si el satélite se encuentra de manera estable orbitando, entonces se podría cargar la batería hasta un 6% de su capacidad.