Avaliação da colheita de energia termoelétrica para microssatélites

Abstract

A disponibilidade de energia e o método de captação é diretamente relacionada ao ambiente ao qual os sistemas estão expostos. Para microssatélites, a única fonte disponível é a energia solar. A forma utilizada para obtenção desta energia é o uso de células fotovoltaicas. A energia armazenada é utilizada para manter o funcionamento do microssatélite mas também é utilizada para aquecer a bateria nos períodos onde a temperatura da órbita atinge valores negativos. Juntamente com o calor operacional, gerado pelo componentes eletrônicos, esta energia é dissipada para o espaço. Este calor gera um gradiente de temperatura juntamente com a radiação solar (ou a falta dela) nas faces do cubesat. Esta energia pode ser aproveitada pelo gerador termoelétrico (TEG) obtendo uma fonte adicional para o microssatélite. Neste trabalho foi desenvolvido um módulo de aproveitamento de energia termoelétrica que age como uma carga útil para microssatélites a fim de avaliar a geração de energia elétrica por gradientes térmicos entre faces de um cubesat 1U. Este módulo é responsável por converter, gerenciar e armazenar parte da energia para uso do microssatélite. São utilizados três modelos de conversores comerciais neste experimento (LTC3108, LTC3109 e BQ25570). Para avaliar o tempo de carga e energia disponível, três capacitores com diferentes características também são testados. Os experimentos foram aplicados em uma bancada de testes capaz de simular fisicamente a geração de energia térmica das faces do microssatélite. Como resultado principal, o Payload foi capaz de gerar e armazenar 12,3 Joules em menos de um ciclo de órbita (aprox. 66 min.). A máxima energia armazenada foi obtida durante os testes realizados com gradientes fixos de temperatura. Esta energia foi de 31,25 Joules e o módulo demorou 8 horas para atingir este valor. Os experimentos mostraram também que a escolha do TEG influencia diretamente na qualidade e na capacidade de geração para os mesmos gradientes de temperatura e mesmas dimensões. Uma solução hibrida entre os modelos LTC3109 e BQ25570 é sugerida ao final do trabalho. Esta solução busca um equilíbrio entre conversões realizadas com gradientes de temperatura extremamente baixos (mínimo aprox. 2 oC) e alta eficiência em gradientes mais elevados (aprox. 90% de eficiência). O presente trabalho obteve êxito em seu objetivo proporcionando uma boa base para futuros estudos voltados ao aproveitamento de energia termoelétrica para microssatélites. O trabalho resultou em um protótipo de carga útil (Payload) completo que pode ser aplicado em missões reais de microssatélites.<br>

The availability of energy and the harvesting method is relate to the environment to which the systems are exposed. For microsatellites, the only source available is solar energy. The most conventional way of obtaining this energy is the use of photovoltaic cells. The stored energy is use to maintain microsatellite operation but is also used to heat the battery itself during periods when the orbit temperature reaches negative values. This energy along with the operating heat generated by the electronics is dissipate and lost to space. This heat generates a temperature gradient along with solar radiation (or lack thereof) on the cubesat faces. This energy can be harnessed by the thermoelectric generator (TEG) obtaining an additional source for microsatellite. Power capture on remote devices is essential for their functionality. Obtaining additional energy can reduce the time between radio transmissions between microsatellite and base station, for example. In this work, a thermoelectric harvesting module was develop as a payload for microsatellites in order to evaluate the electric energy generation by thermal gradients between faces of a 1U cubesat. This module is responsible for converting, managing and storing part of the energy for microsatellite use. Three models of commercial converters are use in this experiment (LTC3108, LTC3109 and BQ25570). In order to evaluate the available charge time and energy, three capacitors with different characteristics are also tested. The experiments were apply to a test bench capable of physically simulating the thermal energy generation of microsatellite faces. Payload is design to monitor thermal harvesting, manage choice and variation of topologies, and communicate with the onboard computer (OBC). Payload was able to generate and store 12,3 Joules (max. load ? supercapacitor 1 F) in less than one orbit cycle (approx. 65 min.). The maximum stored energy was obtain during the tests performed with fixed temperature gradients. This energy was 31,25 Joules and the module took 8 hours to reach this value. Experiments show that the choice of TEG directly influences the quality and generating capacity for the same temperature gradients, same dimensions and with different temperature offset. A hybrid solution between model LTC3109 and BQ25570 is suggest at the end of the paper. This solution strikes a balance between conversions performed with extremely low temperature gradients (minimum approx. 2 °C) and high efficiency at higher gradients (approx. 90% efficiency). The present work was successful in its objective providing a good basis for future studies aimed at the collection of thermoelectric energy for microsatellites. In addition, the work resulted in a complete Payload prototype that can be apply to real microsatellite missions