Resumen

Los CubeSat son objetos que orbitan alrededor de la tierra constan de varios subsistemas energizados a través de celdas solares espaciales, sin embargo, la cantidad de energía captada por las celdas solares es dependiente de la irradiancia y la temperatura del sol, por lo que a bajas intensidades solares provocadas por efectos del movimiento de rotación y sombreado parcial, la conversión de energía dentro del sistema eléctrico puede provocar pérdidas en el ciclo de vida, causando desequilibrios energéticos y agotando eventualmente la energía de operación hasta convertirse en basura espacial.

Por ello se desarrollado un diseño de convertidor de DC-DC de tipo SEPIC caracterizado por su capacidad para ofrecer un voltaje de salida no invertido, permitiendo una salida de mayor tensión e igual o menor que la entrada.

Durante el desarrollo del proyecto se analizaron los requisitos del CubeSat para recopilar información sobre los parámetros generales de recuperación de energía y las condiciones de carga, desarrollando simulaciones de dos etapas conocidas como etapa de control y de potencia, además de las características del convertidor y del módulo solar para su posterior implementación física determinando su funcionamiento en dos modos de operación elevador y reductor.

Los resultados alcanzados hasta el momento son la interconexión de celdas solares y el convertidor SEPIC bajo condiciones de sombreado parcial en tierra. Este trabajo puede sentar las bases para futuros temas de investigación relacionados con la eficiencia de los convertidores DC-DC, los efectos del sombreado parcial y la recuperación de energía en el espacio, etc.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

A lo largo de los años, los s los satélites han ido evolucionando, mejorando sus funciones, dimensiones y otras características, y están presentes indirectamente en la vida humana. En este proceso de cambio se diseñaron pequeños satélites, que según su tamaño se clasifican en un tipo específico llamado Cubesat. Además de funcionalidades, estos satélites también permitirán la recepción y transmisión de información a escala global, además de contar con funcionalidades como disipación de calor, corrección de posición y movimiento, y regulación de temperatura, entre otras.
Todos los CubeSats están equipados con un sistema fotovoltaico incorporado que permite capturar energía solar en el espacio. Sin embargo, debido a las condiciones ambientales más duras que enfrentan en comparación con la superficie terrestre, cuentan con un Sistema de Energía de Potencia (EPS). Este sistema convierte la energía de corriente continua a corriente continua (DC-DC), teniendo en cuenta aspectos como el consumo energético, la misión y el ciclo de vida del CubeSat. La cantidad de energía disponible para las células solares del CubeSat está influenciada por la irradiancia y la temperatura del sol, en condiciones de baja intensidad solar, la conversión de energía en el sistema eléctrico puede ocasionar pérdidas a lo largo del ciclo de vida. Además, la energía recuperada no es constante y se ve afectada por factores como el movimiento de rotación y el sombreado parcial, estos factores pueden generar desequilibrios energéticos en el satélite, lo que en última instancia puede llevar al agotamiento de la energía necesaria para su funcionamiento, convirtiéndolo en desecho espacial.

Antecedentes

González [3] llevó a cabo una investigación para calcular la potencia máxima alcanzable a partir de las celdas solares de un Cubesat. Esta investigación incluyó experimentos que se realizaron bajo diversas condiciones ambientales, tales como temperaturas variadas, niveles de irradiación solar, así como análisis de voltaje y potencia.

Tamasi [6] se enfocó en una investigación centrada en el diseño, manufactura, evaluación y pruebas de paneles solares específicamente diseñados para aplicaciones espaciales. Asimismo, se examinó el impacto de la radiación en distintos materiales, lo que permitió identificar varios tipos de paneles solares utilizados en satélites CubeSat. Además, se llevó a cabo una comparativa de las celdas solares con el fin de determinar cuáles son las más adecuadas para su implementación en un convertidor.

Álvarez [1] llevó a cabo un análisis detallado, diseño e instalación de un módulo operativo de potencia destinado a alimentar un Nanosatélite, su función principal consiste en proporcionar energía a una cámara de resolución media, permitiendo así el estudio óptico de la cobertura de nubes en la región de Cusco.

Objetivo

Diseñar un sistema de recuperación de energía solar utilizando un convertidor SEPIC para posible aplicación en satélites CubeSat.

Justificación

En línea con el avance tecnológico y la mejora de los sistemas de recuperación de energía en los CubeSat, es vital tener presente que las condiciones ambientales en el espacio son mucho más exigentes que en la superficie terrestre. Además, es esencial considerar que el proceso de transmisión de información y los componentes que integran el CubeSat conllevan un consumo considerable de energía. La disponibilidad de energía para las células solares de los CubeSat está intrínsecamente ligada a la irradiancia y la temperatura del sol, en situaciones de baja intensidad solar, la conversión de energía dentro del sistema eléctrico puede ocasionar disminuciones en el ciclo de vida. Además, la energía recuperada no mantiene una constancia y se ve influenciada por factores como el movimiento de rotación y la presencia de sombreado parcial, estos elementos pueden ocasionar desequilibrios energéticos en los CubeSats, los cuales en última instancia podrían agotar la energía necesaria para su funcionamiento, contribuyendo así a la proliferación de residuos espaciales.

En consecuencia, se ha ideado un sistema de recuperación de energía utilizando un convertidor de tipo SEPIC, conocido por su habilidad para generar un voltaje de salida no invertido y mantener una mínima fluctuación en las entradas y salidas. Este diseño posibilita obtener una salida con mayor tensión que la entrada, o igual o menor según sea necesario [7], para su posible implementación en satélites CubeSat.

Hipótesis

Se podrá diseñar un sistema de recuperación de energía solar utilizando un convertidor SEPIC para posible aplicación en satélites CubeSat.

Método (materiales y procedimiento)

Fase 1: Se realizó una evaluación y un estudio de los requerimientos de satélites CubeSat, recopilando información de los parámetros generales para la recuperación de energía.

Fase 2: Examinamos los requerimientos de carga, las causas y efectos de la recuperación de energía del satélite CubeSat, el movimiento de rotación y estructura interna del satélite, asi como los efectos negativos que afectan al CubeSat incluyendo: perturbaciones, sombras parciales, etc.

Fase 3: Utilizando PSIM, un software para la simulación de circuitos de electrónica de potencia, se realizaron simulaciones de los módulos solares utilizados en CubeSat para evaluar diferentes tipos de cargas, módulos en serie y paralelo, encontrando el punto de máxima potencia (MPP).

Fase 5: Diseñamos y simulamos el convertidor tipo SEPIC analizando el control y potencia que puede generar la energía suministrada en los satélites CubeSat.

Fase 4: Se realizó un banco de pruebas en el que el convertidor SEPIC emuló su funcionamiento a partir de datos espaciales, recopilando así información sobre la potencia suministrada al satélite CubeSat.

Fase 6: Implementamos y construimos el diseño del convertidor SEPIC de manera física, para posteriormente realizar experimentaciones durante diversos días, recopilando información de los resultados obtenidos.

Fase 7: Realizamos las pruebas de funcionamiento del convertidor SEPIC, monitoreando y testeando bajo las diferentes condiciones de operación del satélite CubeSat, posteriormente se realizaron experimentaciones y se registraron los resultados obtenidos.

Galería Método

Resultados

Durante la fase de investigación, se recopilaron datos sobre el satélite CubeSat, las celdas solares y los sistemas de energía (EPS) aplicados en los CubeSat. Se realizó un análisis minucioso de los requisitos de carga de cada subsistema, incluyendo la fuente de alimentación del CubeSat, de acuerdo con los requisitos establecidos en el formato de especificaciones físicas y eléctricas CDS_REV_13 creado por la California Polytechnic State University. Asimismo, se identificaron las celdas solares SM141K04LV adecuadas para alimentar el convertidor SEPIC, y se llevaron a cabo simulaciones para evaluar el funcionamiento de las celdas solares, la etapa de control, la etapa de potencia del Convertidor SEPIC y su integración conjunta, como se detalla en la Tabla 1.

Galería Resultados

Discusión

Se realizó un análisis de las características físicas y eléctricas de las celdas solares SM141K10LV y de los componentes que forman parte de la etapa de control y potencia, en relación con los requisitos establecidos para un CubeSat según las especificaciones del CDS_REV_13. Posteriormente, se llevaron a cabo simulaciones utilizando dos programas para evaluar el rendimiento de cada etapa de manera individual y conjunta, considerando el convertidor SEPIC y el arreglo de celdas solares. Finalmente, se implementó físicamente el convertidor, teniendo en cuenta las dimensiones típicas de un CubeSat al concluir la evaluación.

Se llevó a cabo un análisis de la ubicación geográfica con el fin de realizar pruebas estáticas de funcionamiento del convertidor SEPIC en condiciones terrestres. Se definieron las coordenadas latitudinales en relación con la estación del año en que se realizaron las pruebas, y los valores de irradiancia, voltaje de salida y voltaje de entrada variaron según las condiciones diarias. Además, esta investigación establece las bases para futuros estudios sobre la eficiencia de los convertidores DC-DC, los efectos del sombreado parcial y la recuperación de energía en el espacio, entre otros temas.

Conclusiones

La implementación de un sistema de recuperación de energía mediante un convertidor SEPIC para posibles aplicaciones en CubeSat requiere una serie de etapas que implican un análisis detallado de los componentes de construcción y la selección apropiada de las celdas solares destinadas a uso espacial. Las etapas evaluadas en la investigación de forma individual proporcionan condiciones operativas ideales, no obstante, en la implementación física se consideran condiciones espaciales, tales como las características de inclinación relacionadas con la latitud de la ubicación de las pruebas.

Los casos contemplados para este estudio incluyen modos operativos tanto reductores como elevadores. Durante las mediciones, se observó que la irradiancia superó los valores estimados por las simulaciones, donde la irradiación simulada fue de , mientras que los valores medidos por el instrumento Fluke alcanzaron hasta 1018 , además, se registró una temperatura máxima entre y  grados Celsius en los dos escenarios previstos, superando las previsiones de la simulación.

Es importante destacar que, durante el transcurso de un día, pueden surgir variaciones debido a diversos factores, como sombras parciales causadas por nubes, objetos u otros elementos, lo que implica que las celdas solares no recibirán una intensidad de luz constante. Asimismo, el voltaje de entrada no siempre será el máximo de las celdas solares, y tanto la cantidad de radiación solar como la temperatura no se mantendrán constantes.

Bibliografía

[1] Álvarez, A. (2016). Análisis, diseño e implementación de un prototipo del módulo de sistema de potencia para el nano-satélite de la Universidad Nacional de San Antonio ABAD del Cusco.

[2] Espacial, M. A. (2020). Ingeniería de Sistemas Espaciales. AEM, 46.

[3] González, L. (2014). Estimación de la cantidad de potencia suministrada por las celdas fotovoltaicas de un Cubesat.

[4] Montero, J. A. (2013). Modelado, diseño y simulación del convertidor CC-CC SEPIC para la utilización en sistemas portátiles (PDAs). 50-127.

[5] Saucedo, J. (2016). Caracterización estructural y eléctrica de celdas fotovoltaicas de doble y triple capa. Centro de investigación en materiales avanzados.

[6] Tamasi, M. J. (2003). Celdas Solares para Uso Espacial: Optimización de Procesos y Caracterización. Universidad nacional de general san martín, 188.

[7] Valderrama, F. F. (2011). Análisis, simulación y control de un Convertidor de potencia de DC-DC. ingenium, 12.

Summary

CubeSats are objects that orbit the Earth with several subsystems energized through space solar cells, however, the amount of energy captured by the solar cells is dependent on the irradiance and temperature of the sun, so at low solar intensities caused by the effects of rotational movement and partial shading, energy conversion within the electrical system can cause losses in the life cycle, causing energy imbalances and eventually depleting operating energy until it becomes space debris.
For this reason, a SEPIC type DC-DC converter design was developed, characterized by its ability to
offer a non-inverted output voltage, allowing a higher voltage output equal to or lower than the input.
During the development of the project, the CubeSat requirements were analyzed to collect information on the
general energy recovery parameters and load conditions, developing simulations of two stages known as the control and power stages, in addition to the characteristics of the converter and the solar module for its subsequent physical implementation, determining its operation in two elevator operating modes. and reducer.
The results achieved so far are the interconnection of solar cells and the SEPIC converter under partial shading conditions on land. This work can lay the foundation for future research topics related to the efficiency of DC-DC converters, the effects of partial shading and energy recovery in space, etc.

Research Question

Problem approach

Over the years, satellites have evolved, improving their functions, dimensions and other characteristics, and are indirectly present in human life. In this process of change, small satellites were designed, which depending on their size are classified into a specific type called Cubesat. In addition to functionalities, these satellites will also allow the reception and transmission of information on a global scale, in addition to having functionalities such as heat dissipation, position and movement correction, and temperature regulation, among others.
All CubeSats are equipped with a built-in photovoltaic system that allows solar energy to be captured in space. However, due to the harsher environmental conditions they face compared to the Earth’s surface, they have an Energy Power System (EPS). This system converts energy from direct current to direct current (DC-DC), taking into account aspects such as energy consumption, the mission and the life cycle of the CubeSat. The amount of energy available to the CubeSat solar cells is influenced by the irradiance and temperature of the sun; in conditions of low solar intensity, energy conversion in the electrical system can cause losses throughout the life cycle. Furthermore, the energy recovered is not constant and is affected by factors such as rotational motion and partial shading, these factors can generate energy imbalances in the satellite, which can ultimately lead to the depletion of the energy necessary for its operation. , turning it into space debris.

Background

González [3] carried out research to calculate the maximum power achievable from the solar cells of a Cubesat. This research included experiments that were performed under various environmental conditions, such as varied temperatures, solar irradiation levels, as well as voltage and power analysis.

Tamasi [6] focused on research focused on the design, manufacturing, evaluation and testing of solar panels specifically designed for space applications. Likewise, the impact of radiation on different materials was examined, which allowed the identification of several types of solar panels used in CubeSat satellites. In addition, a comparison of solar cells was carried out in order to determine which ones are most suitable for implementation in a converter.

Álvarez [1] carried out a detailed analysis, design and installation of an operational power module intended to power a Nanosatellite, its main function is to provide energy to a medium resolution camera, thus allowing the optical study of cloud cover in the Cusco region.

Objective

Design a solar energy recovery system using a SEPIC converter for possible application on CubeSat satellites.

Justification

In line with technological advancement and the improvement of energy recovery systems in CubeSats, it is vital to keep in mind that the environmental conditions in space are much more demanding than on the Earth’s surface. Furthermore, it is essential to consider that the information transmission process and the components that make up the CubeSat entail considerable energy consumption. The availability of energy for the CubeSat solar cells is intrinsically linked to the irradiance and temperature of the sun; in situations of low solar intensity, the conversion of energy within the electrical system can cause decreases in the life cycle. Furthermore, the recovered energy does not maintain a constancy and is influenced by factors such as rotational movement and the presence of partial shading; these elements can cause energy imbalances in CubeSats, which could ultimately deplete the energy necessary for their operation. , thus contributing to the proliferation of space debris.
Consequently, an energy recovery system has been devised using a SEPIC type converter, known for its ability to generate a non-inverted output voltage and maintain minimal fluctuation in the inputs and outputs. This design makes it possible to obtain an output with a higher voltage than the input, or equal or lower as necessary [7], for possible implementation in CubeSat satellites.

Hypothesis

A solar energy recovery system can be designed using a SEPIC converter for possible application on CubeSat satellites.

Method (materials and procedure)

Phase 1: An evaluation and study of the requirements of CubeSat satellites was carried out, collecting information on the general parameters for energy recovery.
Phase 2: We examine the load requirements, the causes and effects of energy recovery of the CubeSat satellite, the rotational movement and internal structure of the satellite, as well as the negative effects that affect the CubeSat including: disturbances, partial shadows, etc.
Phase 3: Using PSIM, a software for simulating power electronics circuits, simulations of the solar modules used in CubeSat were carried out to evaluate different types of loads, modules in series and parallel, finding the maximum power point (MPP). .
Phase 5: We design and simulate the SEPIC type converter analyzing the control and power that the energy supplied to the CubeSat satellites can generate.
Phase 4: A test bench was carried out in which the SEPIC converter emulated its operation based on space data, thus collecting information on the power supplied to the CubeSat satellite.
Phase 6: We implement and build the design of the SEPIC converter physically, and then carry out experiments for several days, collecting information on the results obtained.
Phase 7: We carried out functional tests of the SEPIC converter, monitoring and testing under the different operating conditions of the CubeSat satellite, subsequently experiments were carried out and the results obtained were recorded.

Method Gallery

Results

During the research phase, data on the CubeSat satellite, the solar cells and the energy systems (EPS) applied on the CubeSats were collected. A thorough analysis of the load requirements of each subsystem, including the CubeSat power supply, was performed in accordance with the requirements established in the physical and electrical specifications format CDS_REV_13 created by California Polytechnic State University. Likewise, the SM141K04LV solar cells suitable to power the SEPIC converter were identified, and simulations were carried out to evaluate the operation of the solar cells, the control stage, the power stage of the SEPIC Converter and their joint integration, as detailed in Table 1.

Results Gallery

Discussion

An analysis of the physical and electrical characteristics of the SM141K10LV solar cells and the components that are part of the control and power stage was carried out, in relation to the requirements established for a CubeSat according to the specifications of CDS_REV_13. Subsequently, simulations were carried out using two programs to evaluate the performance of each stage individually and jointly, considering the SEPIC converter and the solar cell array. Finally, the converter was physically implemented, taking into account the typical dimensions of a CubeSat at the conclusion of the evaluation.
A geographical location analysis was carried out in order to perform static operational tests of the SEPIC converter under terrestrial conditions. Latitudinal coordinates were defined in relation to the season of the year in which the tests were carried out, and the values of irradiance, output voltage and input voltage varied according to daily conditions. Additionally, this research lays the foundation for future studies on the efficiency of DC-DC converters, the effects of partial shading, and energy recovery in space, among other topics.

Conclusions

The implementation of an energy recovery system using a SEPIC converter for possible applications in CubeSat requires a series of stages that involve a detailed analysis of the construction components and the appropriate selection of solar cells intended for space use. The stages evaluated in the research individually provide ideal operating conditions, however, in the physical implementation, spatial conditions are considered, such as inclination characteristics related to the latitude of the test location.
The cases considered for this study include both step-down and step-up operating modes. During the measurements, it was observed that the irradiance exceeded the values estimated by the simulations, where the simulated irradiation was 1000 W/m^2, while the values measured by the Fluke instrument reached up to 1018 W/m^2, in addition, A maximum temperature between 30 and 48 degrees Celsius was recorded in the two planned scenarios, exceeding the simulation forecasts.
It is important to note that, during the course of a day, variations may arise due to various factors, such as partial shadows caused by clouds, objects or other elements, which means that the solar cells will not receive a constant light intensity. Likewise, the input voltage will not always be the maximum of the solar cells, and both the amount of solar radiation and the temperature will not remain constant.

Bibliography

[1] Álvarez, A. (2016). Analysis, design and implementation of a prototype of the power system module for the nano-satellite of the National University of San Antonio ABAD of Cusco.
[2] Espacial, M. A. (2020). Space Systems Engineering. AEM, 46.
[3] González, L. (2014). Estimation of the amount of power supplied by the photovoltaic cells of a Cubesat.
[4] Montero, J. A. (2013). Modeling, design and simulation of the SEPIC DC-DC converter for use in portable systems (PDAs). 50-127.
[5] Saucedo, J. (2016). Structural and electrical characterization of double and triple layer photovoltaic cells. Research center in advanced materials.
[6] Tamasi, M. J. (2003). Solar Cells for Space Use: Process Optimization and Characterization. National University of General San Martín, 188.
[7] Valderrama, F. F. (2011). Analysis, simulation and control of a DC-DC power converter. ingenium, 12.