Solar array to High Voltage bus: Resonant power conversion techniques for space applications
La evolución del cambio climático durante las últimas décadas ha llevado a la exploración de nuevos métodos de generación eléctrica sin emisiones de CO₂. Una posible solución es desplegar plataformas de energía solar espacial, que supondría utilizar grandes estructuras de paneles solares en órbita c...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de documento: | tese |
| Data de publicação: | 2026 |
| País: | España |
| Recursos: | Universidad Miguel Hernández de Elche |
| Repositório: | REDIUMH. Depósito Digital de la UMH |
| OAI Identifier: | oai:dnet:rediumh_____::07a06203b48f8b5e54e9f2ca935d5d26 |
| Acesso em linha: | https://hdl.handle.net/11000/39945 |
| Access Level: | Acceso aberto |
| Palavra-chave: | regulators voltage control zero current switching switches satellites zero voltage switching high-voltage techniques DCX serialization power semiconductor paschen law vacuum environment CDU::6 - Ciencias aplicadas::62 - Ingeniería. Tecnología::621 - Ingeniería mecánica en general. Tecnología nuclear. Electrotecnia. Maquinaria::621.3 - Ingeniería eléctrica. Electrotecnia. Telecomunicaciones |
| Resumo: | La evolución del cambio climático durante las últimas décadas ha llevado a la exploración de nuevos métodos de generación eléctrica sin emisiones de CO₂. Una posible solución es desplegar plataformas de energía solar espacial, que supondría utilizar grandes estructuras de paneles solares en órbita capaces de generar electricidad en el orden de GW y transmitirla a estaciones terrenas conectadas a la red eléctrica. Durante los últimos años, diferentes naciones alrededor del mundo, incluyendo los Estados Unidos de América, China y Japón, han iniciado programas para investigar y desarrollar plataformas comerciales de Energía Solar Basada en el Espacio (SBSP). En Europa, la Agencia Espacial Europea (ESA) ha promovido la iniciativa SOLARIS, que busca establecer la viabilidad, el conocimiento fundamental y las tecnologías necesarias para el desarrollo de un demostrador orbital. Para poder procesar y distribuir la potencia de forma efectiva y viable desde las secciones de paneles solares hacia el resto de la plataforma, es necesario disponer de un bus de distribución de alta tensión capaz de alcanzar hasta 20 kV. Las topologías convencionales basadas en la transferencia directa de energía mantienen las secciones de paneles solares a la misma tensión que el bus de distribución. Sin embargo, este tipo de métodos no resulta apropiado para la gestión directa de la potencia en el orden de GW. En la actualidad, la tensión máxima de las secciones de los paneles solares alcanza 120 V, debido a la aparición de efectos de alta tensión a mayores voltajes en entornos espaciales, que degradan de forma significativa las celdas solares. Por lo tanto, es necesario disponer de un sistema de potencia capaz de convertir la baja tensión de los paneles fotovoltaicos en buses de distribución de alta tensión. Dado el contexto y la necesidad de soluciones respecto a la gestión y distribución de potencia en plataformas de alta tensión, el objetivo de esta tesis doctoral es proponer y desarrollar una arquitectura novel para la conversión y regulación de la tensión para las secciones de paneles solares, basado en dos reconocidas técnicas en el sector espacial: el Regulador Shunt de Conmutación Secuencial (S3R) y el convertidor resonante en tensión y corriente (ZVZC) de ganancia fija (DCX). El primer capítulo corresponde a los aspectos académicos respecto al Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales y de Telecomunicación (TECNIT) de la Universidad Miguel Hernández de Elche. En el segundo capítulo se presenta el contexto del sistema eléctrico de potencia de los satélites, los efectos de alta tensión en entornos espaciales, y el estado del arte de las plataformas SBSP y sus requisitos eléctricos. El tercer y cuarto capítulo se corresponden a los dos artículos de revistas que conforman el compendio de artículos de la tesis doctoral. Además de los artículos, los resultados han sido desarrollados y analizados en profundidad, siendo los principales temas tratados mostrados a continuación: • Se valida una nueva técnica de regulación de paneles solares para satélites de alta tensión, denominado Regulador Shunt de Conmutación Secuencial DCX (S3DCX). Se analiza el principio de funcionamiento y se modela el sistema. A continuación, se describe una metodología de diseño y se construye un prototipo de 2 kW destinado a secciones de paneles solares de 100 V y tensión de salida de 300 V. El sistema se desarrolla en base a los requerimientos establecidos por European Cooperation for Space Standardization (ECSS) de la ESA para buses de distribución regulados. • Se realiza un análisis exhaustivo de los semiconductores de potencia disponibles y compatibles para aplicaciones de alta tensión en entornos de radiación espacial. Se desarrolla un análisis experimental para incrementar las capacidades de potencia del S3DCX basado en semiconductores de banda ancha prohibida. Se valida y estudia la modularidad de las celdas de potencia para alcanzar tensiones de bus regulado a 600 V y 900 V. También se estudia el aislamiento eléctrico de los transformadores y de la celda de potencia en condiciones de vacío. El último capítulo de la tesis se presentan sus conclusiones, se resumen las principales contribuciones y se proponen futuras líneas de investigación. Por último, la tesis se cierra con cinco anexos que proporcionan detalles respecto al software desarrollado, los esquemáticos de los prototipos y una descripción de los bancos de trabajo. |
|---|