La génération de l'énergie
électrique : le générateur solaire
Le stockage de l'énergie : les batteries
Le
contrôle et la régulation de l'énergie électrique : le RSJ
La distribution de
l'énergie : le BD
Les fonctions annexes
Le système d'alimentation a pour rôle de produire, stocker, contrôler, réguler et distribuer l'énergie électrique à bord du satellite.
Afin d'éviter d'embarquer un générateur thermonucléaire, trop dangereux et contraignant, ou bien une pile à combustible nécessitant l'emport d'une quantité de réactif incompatible avec la durée de vie de 5 ans souhaitée, le choix s'est naturellement porté sur une source renouvelable, disponible et écologique : le soleil.
La définition du générateur solaire prend en compte les variations du flux solaire, les flux de radiation de particules électrons et protons, les bombardements de micrométéorites, les ultraviolets qui créent une dégradation de performance estimée à moins de 2 % par an.
Le générateur solaire du satellite SPOT 4 est constituée d'une voile solaire composé de 5 panneaux recouverts de cellules.
Les panneaux présentent une structure mécanique rigide en nid d'abeille sur une peau en fibre de carbone ; le bras reliant la voile au corps du satellite est formé de tubes de carbone. Ils sont développés par l'Aérospatiale. Une fois la voile déployée, la surface totale est de 25 m2. 8 640 cellules photovoltaïques au silicium de 24 cm2 chacune, fabriquées par ASE en Allemagne, sont collées sur une face et totalisent une puissance supérieure à 2 200 W.
Un mécanisme appelé MEGS (Mécanisme d'Entraînement du Générateur Solaire)
développé par la SEP permet, par l'intermédiaire du bras, une orientation optimale des panneaux vers le soleil tout au long de l'orbite.
Le transport de l'énergie électrique du générateur solaire vers le satellite est
réalisé par 10 paires de câbles (associées à 10 sections) qui cheminent le long du
bras. La liaison électrique entre la voile solaire et le satellite est réalisée par des
contacts de type bagues sur balais collecteurs.
Compte tenu de l'orbite choisie, le générateur solaire se trouve à l'ombre de la
terre à chaque orbite durant une période d'éclipse d'environ 35 min et éclairé
pendant 65 min. Le courant n'est généré par les cellules que pendant les périodes
éclairées. Il faut donc un élément capable de stocker de l'énergie pendant le jour et
de la restituer en éclipse pour alimenter de façon permanente le satellite.
De même, pendant les phases de lancement, avant que le générateur solaire ne soit
déployé, l'alimentation du satellite doit être assurée.
Pour
cela, 4 batteries de 40 ampères-heures, pesant près de 45 kg chacune, sont
embarquées sur SPOT 4 pour répondre à la consommation du satellite qui est de
1 kW en moyenne. Elles sont fabriquées par SAFT et composées chacune de 24
accumulateurs Nickel-Cadmium.
Elles sont rechargées au sol avant le lancement et autorisent ainsi une autonomie
d'énergie de l'ordre de 3 orbites pour attendre que le satellite dispose de courant tant
que le générateur solaire n'est pas opérant.
A chaque orbite, les batteries effectuent un cycle complet décharge - recharge. Pour
tenir les cinq années de durée de vie souhaitée, ce qui représente plus de 25 000
cycles, une gestion très fine des batteries s'impose ; des lois de contrôle ont
été mises au point après de longues expérimentations en collaboration entre la
société SAFT, le CNES et l'Agence Spatiale Européenne :
Enfin, il est impératif de contrôler la température des batteries. Elle est nominalement maintenue entre - 5° C et 0° C.
Comment remplir toutes les fonctions nécessaires à la gestion des batteries et limiter le surplus de puissance disponible du générateur solaire par rapport à la puissance réellement utilisée par le satellite ?
Un gros boîtier électronique de puissance qui pèse près de 30 kg, appelé RSJ
(Régulateur Shunt Jonction), fabriqué par la société ETCA en Belgique, assure comme
son nom l'indique la jonction entre le générateur solaire, les batteries et les bus
d'alimentation du satellite. Les quatre batteries sont directement connectées en
parallèle sur le bus de puissance.
Ce concept a pour avantage de garantir une impédance du bus équivalente à celle des
batteries, de l'ordre de 25 mohms en continu.
La fonction de régulation de puissance est basée sur le shunt ou non de sections du générateur solaire. Ainsi, dès qu'il est nécessaire de diminuer la puissance, le RSJ va "shunter" une section de générateur solaire, c'est-à-dire la mettre en court-circuit. Au contraire, pour augmenter la puissance, il la connectera directement sur le bus de puissance. Ce type de régulation, dit digital car il s'effectue par pas égal au dixième de la puissance totale du générateur solaire (10 sections), est grossier et ne concerne que 7 sections. Les trois sections restantes, permettent un contrôle linéaire et très précis du réglage de la puissance ; ce processus est assuré par un régulateur shunt de même type mais dont la fréquence de commutation est de l'ordre de 40 kHz. Ainsi, chaque fois qu'une section digitale commute, les sections linéaires sont automatiquement réajustées de façon à ce que globalement la fonction de transfert du régulateur soit linéaire.
Le fonctionnement, en mode nominal du satellite, se fait selon le processus suivant :
La tension d'alimentation varie en fonction des cycles charge/décharge entre 27 Volts et 37 Volts nominalement.
Le RSJ fournit de plus la puissance électrique pour le chauffage des batteries. Piloté par les ordres du calculateur de bord, il contrôle la température par commutation des lignes d'alimentation des réchauffeurs.
En mode survie, alors que les ressources du calculateur de bord ne sont plus disponibles, le RSJ continue d'assurer la gestion des batteries et le contrôle de la puissance du générateur solaire, mais de façon autonome. Les principes de fonctionnement sont identiques au mode nominal, mais les fonctions assurées par le calculateur sont réalisées maintenant par des circuits électroniques particuliers. Certaines valeurs de paramètres de gestion sont différentes, par exemple, la tension limite des batteries est diminuée de 1 Volt, le courant maximum de charge est de 36 Ampères.
Il faut maintenant distribuer l'énergie issue du RSJ aux différents sous-ensembles du satellite. C'est le Boîtier de Distribution (BD), fabriqué aussi par la société ETCA, qui assure cette tâche. Il va alimenter à partir du bus principal, différents bus spécifiques pour la plate-forme, la charge utile, les passagers, les systèmes de réchauffage de la plate-forme et de la charge utile. Il va également générer un bus de puissance de 50 Volts régulé pour alimenter le calculateur central et d'autres équipements dit sensibles de la plate-forme. Il commande aussi un bus d'alimentation dit "barre de coupure générale" capable de provoquer le passage en survie du satellite
Le système d'alimentation du satellite que nous venons de parcourir rapidement,
comprend d'autres fonctions annexes.
Des protections et des surveillances sont implantées, soit directement dans le RSJ et le
BD grâce à des fonctions électroniques, soit utilisent les ressources du calculateur de
bord. Les surveillances ne nécessitant pas une intervention immédiate sont effectuées
par le sol. Elles permettent d'effectuer des analyses régulières ou de mettre en
évidence une dégradation des performances due à un vieillissement (en particulier pour
les batteries et le générateur solaire).
Les acquisitions de tension, courant, températures, état de relais etc. sont transmises au calculateur de bord. Ce dernier envoie des commandes au RSJ et au BD. Ces acquisitions et ces commandes passent par une interface implantée dans le RSJ appelée coupleur de bus et développée par SEXTANT ; elle permet le dialogue via le bus de communication avec le calculateur.
page mise à jour le 06 June 2000