薛 梅 程保義

(天津電源研究所,天津 300381)

1 引言

隨著微電子、微機(jī)械和高新材料等新技術(shù)的迅速發(fā)展,小衛(wèi)星在航天領(lǐng)域愈發(fā)顯示出其旺盛的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。以重量輕、體積小和“更快、更好、更省”為主要目標(biāo)的小衛(wèi)星,既可以單顆廉價(jià)快速地完成專項(xiàng)任務(wù),又可以組成分布式星座完成某些大衛(wèi)星的任務(wù)。小衛(wèi)星由于采用新設(shè)計(jì)思路、新技術(shù)、新管理模式以及流水線化的制造和生產(chǎn)方式,已成為最活躍、最富于挑戰(zhàn)性和具有廣闊商業(yè)前景的空間技術(shù)領(lǐng)域,也是21 世紀(jì)初衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)[1]。

在小衛(wèi)星研制中,電源的重量一般占整個(gè)衛(wèi)星重量的15%～20%。與小衛(wèi)星的用途和特點(diǎn)相適應(yīng),星上電源也朝著高效化、輕型化、小型化和模塊化的方向發(fā)展,從而使衛(wèi)星的體積大幅度減小,重量大大減輕。目前,應(yīng)用最多的是太陽電池陣與蓄電池組的聯(lián)合電源,在全世界已發(fā)射的航天器中,90%以上都采用太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)[1-2]。太陽電池陣是航天器電源系統(tǒng)的重要組成部分,通過光生伏特效應(yīng)將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能,滿足衛(wèi)星平臺(tái)及有效載荷功率需求,同時(shí)為蓄電池充電,滿足陰影期衛(wèi)星功率需求。

一般地說,基于小衛(wèi)星平臺(tái)的太陽電池陣應(yīng)具有如下特點(diǎn):重量輕、體積小;研制成本低;集成化和模塊化程度高;研制周期短;太陽電池陣的設(shè)計(jì)上應(yīng)自主性強(qiáng)[2]。

本文就基于小衛(wèi)星平臺(tái)的太陽電池陣設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況進(jìn)行闡述。

2 基于小衛(wèi)星平臺(tái)的太陽電池陣設(shè)計(jì)要求分析

2.1 功能要求

衛(wèi)星在軌運(yùn)行的光照期間,利用太陽電池陣發(fā)電,太陽電池陣輸出功率不僅要滿足整星負(fù)載的功率需求,而且還要對(duì)蓄電池組充電,以滿足地影期的用電需求。

2.2 結(jié)構(gòu)要求

為了滿足不斷增長(zhǎng)的功率需求,要求太陽電池陣的面積不斷擴(kuò)大,致使越來越多的小衛(wèi)星開始采用可展開式太陽翼構(gòu)型的方式,即由若干塊剛性鋁蜂窩太陽電池基板和連接架構(gòu)成的太陽翼連接在星體側(cè)壁板上。太陽翼多為兩翼,對(duì)稱配置在星體兩側(cè)。太陽翼結(jié)構(gòu)有剛性、半剛性和柔性三大類,如圖1所示,柔性太陽電池陣對(duì)功率需求普遍在2 500W以下的小衛(wèi)星是不適宜的。

圖1 典型太陽電池陣質(zhì)量比功率趨勢(shì)圖[3]Fig.1 Typical solar array mass efficiency trend

目前,我國基于小衛(wèi)星平臺(tái)的太陽電池基板已形成統(tǒng)一規(guī)格,尺寸為1 110mm ×850mm ,每塊太陽基板留有4個(gè)壓緊點(diǎn)位置和4個(gè)鉸鏈安裝點(diǎn)位置,尺寸分別為25mm ×25mm 和20mm×40mm。

太陽電池基板由碳纖維鋁蜂窩夾層板構(gòu)成,粘貼太陽電池的一側(cè),其表面粘貼一層聚酰亞胺薄膜,除太陽基板的壓緊點(diǎn)位置和鉸鏈安裝點(diǎn)位置外,均可布置太陽電池片。

2.3 性能要求

太陽電池陣的性能要求如下:

1)母線電壓,目前小衛(wèi)星普遍采用28.5V 母線電壓,由太陽電池陣的輸出電壓提供;

2)輸出功率,能夠滿足小衛(wèi)星平臺(tái)系列產(chǎn)品整星負(fù)載功率需求;

3)剩磁,兩個(gè)太陽翼剩磁總和≤0.2A·m2。

2.4 空間環(huán)境適應(yīng)性要求

由于太陽電池陣直接暴露在空間環(huán)境中,因此太陽電池陣必須滿足如下設(shè)計(jì)要求:

1)耐空間帶電粒子輻照;

2)耐紫外輻照;

3)耐空間軌道運(yùn)行期間的溫度沖擊,主要來自衛(wèi)星進(jìn)出地影時(shí)的溫度交變應(yīng)力;

4)具有靜電放電(ESD)防護(hù)措施;

5)能夠適應(yīng)由于星體或天線等對(duì)太陽電池陣產(chǎn)生的陰影遮擋情況;

6)耐原子氧環(huán)境。

3 基于小衛(wèi)星平臺(tái)的太陽電池陣設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

首先,基于小衛(wèi)星平臺(tái)的太陽電池陣的設(shè)計(jì)必須全面滿足衛(wèi)星總體和一次電源分系統(tǒng)提出的各項(xiàng)功能和性能技術(shù)指標(biāo)要求;

其次,整個(gè)太陽電池陣的設(shè)計(jì)采用成熟且先進(jìn)的技術(shù),盡量選用已通過地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)的原材料、元器件和工藝,發(fā)電單元采用高效太陽電池,以減少太陽電池陣的面積,減輕重量,實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星太陽電池陣的小型化和輕型化;

同時(shí),依據(jù)小衛(wèi)星的特點(diǎn),力求做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用,使太陽電池陣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化、電路模塊化、接口通用化。

3.2 設(shè)計(jì)方案

3.2.1 模塊化設(shè)計(jì)

太陽電池陣采取大并聯(lián)結(jié)構(gòu),即將整個(gè)太陽電池陣劃分為若干個(gè)子模塊,每個(gè)子模塊并聯(lián)一個(gè)分流電路。各分流電路設(shè)置在電源控制裝置(PCU)內(nèi),每個(gè)太陽電池陣子模塊對(duì)應(yīng)PCU 的一個(gè)分流級(jí)。太陽電池陣子模塊的大并聯(lián)結(jié)構(gòu),使太陽電池陣可以和全開關(guān)分流調(diào)節(jié)器配合,使調(diào)節(jié)的靈活性更高,滿足不同負(fù)載功率需求;使太陽電池陣可以采用一種規(guī)格的太陽電池,有利于太陽電池電路的優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)太陽電池陣的模塊化設(shè)計(jì);同時(shí),還可以提高太陽電池陣的布片系數(shù),減小剩磁等。

以我國的環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星星座——環(huán)境減災(zāi)-1A、1B(HJ-1A/1B)衛(wèi)星太陽電池陣為例,其采用模塊化設(shè)計(jì)的太陽電池陣子模塊的接線圖如圖2所示。

圖2 環(huán)境減災(zāi)-1A、1B 衛(wèi)星太陽電池陣電路接線圖Fig.2 Solar array circuit wiring diagram of HJ-1A/1B satellites

3.2.2 高效化設(shè)計(jì)

在小衛(wèi)星應(yīng)用的太陽電池陣中,單晶硅太陽電池仍占有相當(dāng)大的比例。如今,高效硅太陽電池的效率已從10%提高到14.5%以上,其低廉的價(jià)格和性價(jià)比的優(yōu)勢(shì),恰恰符合小衛(wèi)星低研制成本的特點(diǎn)。高效硅太陽電池更能顯著降低太陽電池陣的整體重量,符合小衛(wèi)星電源輕型化的需要。

另一種在小衛(wèi)星中廣泛投入使用的太陽電池是效率為19%的單結(jié)砷化鎵太陽電池。如今,單結(jié)砷化鎵太陽電池在光伏產(chǎn)品中的應(yīng)用已超過50%。

近年來,在單結(jié)砷化鎵太陽電池的基礎(chǔ)上,發(fā)展出了一種新型的三結(jié)砷化鎵太陽電池,其光電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到26.8%以上。隨著現(xiàn)代小衛(wèi)星任務(wù)功率需求的不斷增長(zhǎng),而又不允許增加太陽電池陣的重量和體積,要求重量和體積保持以往較低功率時(shí)的水平,這必然促使三結(jié)砷化鎵太陽電池陣在大功率需求小衛(wèi)星上的廣泛應(yīng)用。3.2.3 輕型化、小型化設(shè)計(jì)

針對(duì)不同任務(wù)的小衛(wèi)星平臺(tái)系列產(chǎn)品,依據(jù)衛(wèi)星平臺(tái)和負(fù)載的功率需求,采用相應(yīng)的更高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽電池作為發(fā)電單元,實(shí)現(xiàn)整個(gè)太陽電池陣的輕型化和小型化?；谛⌒l(wèi)星平臺(tái)應(yīng)用的不同效率太陽電池陣情況對(duì)比見表1。

顯然,三結(jié)砷化鎵電池與硅電池和單結(jié)砷化鎵太陽電池相比,每平方米的太陽電池陣,采用三結(jié)砷化鎵電池輸出功率比用硅電池提高85%以上,比單結(jié)砷化鎵電池也提高約40%。因此,對(duì)于相同面積的太陽電池陣,采用更高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽電池作為發(fā)電單元,將能獲得更高的輸出功率;同樣,對(duì)于相同功率需求的太陽電池陣,采用更高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽電池作為發(fā)電單元,則只需要更小的太陽電池陣面積。從而,實(shí)現(xiàn)了太陽電池陣的輕型化和小型化。

表1 采用不同效率的太陽電池陣的面積比功率對(duì)比表Table1 Comparison of power/area among solar arrays with solar cells of different efficiencies

3.2.4 太陽電池電路布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

太陽電池電路在太陽電池基板上的布局采用鏡向?qū)ΨQ布置,利用太陽電池陣上載流導(dǎo)體元素的“鏡面映射”,使電路產(chǎn)生的磁矩相互抵消;太陽電池電路采用多折往返布置,電路電流流向往返交錯(cuò),最大限度地減小太陽電池陣的剩余磁矩[4]。

每個(gè)太陽電池電路不同于一般的電纜、電線電路,它所通過的電流是面電流。假設(shè)太陽電池電路電流為線電流,從太陽電池電路的幾何中心線流過,而幾何中心線所包圍的面積就是電流回路所包圍的面積。

磁矩的定義為環(huán)形電流與其所圍成面積的乘積,即ⅠS ,其中Ⅰ為電池電路的電流,S為電流回路所包圍的面積。磁矩的方向按右手法則,四個(gè)手指的方向?yàn)殡娏髁鲃?dòng)方向,拇指所指的方向?yàn)榇啪胤较颉?/p>

布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的太陽電池電路電流走向如圖3所示。圖中箭頭為電流走向,“·”代表磁矩方向向內(nèi),“×”代表磁矩方向向外。

圖3 布局優(yōu)化設(shè)計(jì)的太陽電池電路電流走向圖Fig.3 Electric current trend of optmized solar array circuit

如圖3所示,鏡像對(duì)稱布置的太陽電池電路的剩磁方向分別為“×”和“·”。顯然,兩個(gè)性能匹配的太陽電池電路,鏡向?qū)ΨQ布置,其剩余磁矩大小相當(dāng)、方向相反,磁矩相互抵消。通過優(yōu)化布局設(shè)計(jì),由鏡像對(duì)稱布置的太陽電池電路組成的太陽電池陣剩余磁矩為0。

3.2.5 太陽電池陣空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

1)抗輻照設(shè)計(jì)

抗輻照設(shè)計(jì)如下:

(1)太陽電池表面粘貼抗輻照玻璃蓋片,蓋片尺寸略大于太陽電池尺寸,確保其完全覆蓋太陽電池表面[5];

(2)太陽電池蓋片采用摻鈰玻璃蓋片,防止紫外輻照引起的蓋片變色;

(3)按照太陽電池在小衛(wèi)星任務(wù)壽命末期的輻照衰降系數(shù),進(jìn)行太陽電池陣串并聯(lián)片數(shù)的設(shè)計(jì),確保太陽電池陣在壽命末期仍滿足母線電壓和整星功率需求。

2)環(huán)境溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)

環(huán)境溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)如下:

(1)在電池互連環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)“消應(yīng)力環(huán)”結(jié)構(gòu),避免溫度交變產(chǎn)生的熱應(yīng)力造成互連環(huán)節(jié)疲勞失效;

(2)為降低隔離二極管和接地電阻的工作溫度并減小其承受的溫度交變應(yīng)力,選用導(dǎo)熱率高的銀箔作為焊盤,并將引出管腳設(shè)計(jì)成減應(yīng)力環(huán)形狀;

(3)其焊接工藝應(yīng)能承受在衛(wèi)星工作壽命內(nèi)、太陽電池陣溫度交變所引起的熱疲勞效應(yīng);

(4)電纜固定安裝在太陽電池基板的背面,在固定點(diǎn)間留有足夠的余量,減小溫度交變引起的電纜拉伸應(yīng)力。

3)ESD 防護(hù)設(shè)計(jì)

ESD 防護(hù)設(shè)計(jì)如下:

(1)在粘貼太陽電池片前對(duì)基板聚酰亞胺薄膜進(jìn)行刮膠(RTV 膠)處理;

(2)太陽電池陣基板對(duì)星體主結(jié)構(gòu)高阻接地,接地電阻一般為10k Ω～80kΩ[6];

(3)連接架、鉸鏈等直接與星體主結(jié)構(gòu)連接,接地電阻不大于5Ω[6];

(4)基板背面捆線樁的接地電阻小于1k Ω。

4)防陰影設(shè)計(jì)

為太陽電池設(shè)計(jì)旁路二極管,與電池形成并聯(lián)結(jié)構(gòu),避免太陽電池發(fā)生遮擋引起的供電失效[7]。

5)原子氧防護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)太陽電池陣采用的銀匯流條和銀箔焊盤采取保護(hù)措施,在其表面設(shè)計(jì)一層防護(hù)涂層,防止原子氧的侵蝕,確保太陽電池陣安全工作[8]。

4 基于小衛(wèi)星平臺(tái)的太陽電池陣應(yīng)用

應(yīng)用基于小衛(wèi)星平臺(tái)的太陽電池陣設(shè)計(jì)方案研制的太陽電池陣產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于小衛(wèi)星平臺(tái)的系列產(chǎn)品中,如:環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)小衛(wèi)星、海洋小衛(wèi)星等。目前,已發(fā)射入軌的各顆小衛(wèi)星太陽電池陣均性能良好,工作穩(wěn)定,完全滿足整星在軌任務(wù)期間的用電需求。

環(huán)境減災(zāi)-1A、1B 衛(wèi)星于2008年9月6日成功發(fā)射,根據(jù)飛行程序,衛(wèi)星經(jīng)歷了主動(dòng)段、太陽翼展開、出地影、正常運(yùn)行模式建立等在軌測(cè)試階段,通過對(duì)實(shí)時(shí)及延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)分析判讀表明,太陽電池陣工作穩(wěn)定正常,在軌測(cè)試數(shù)據(jù)與地面測(cè)試數(shù)據(jù)保持一致。

以環(huán)境減災(zāi)-1A、1B 小衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間處于光照區(qū)的某時(shí)段為例,當(dāng)太陽光和太陽翼法線夾角20.6°～20.7°時(shí),太 陽 電 池 陣 平 均 輸 出 電 流21.60A,產(chǎn)生的電能通過電源控制器的調(diào)節(jié)后進(jìn)入供電母線,對(duì)星上不同工況的負(fù)載供電,負(fù)載電流5.04～18.84A。太陽電池陣同時(shí)對(duì)蓄電池組充電,多余的功率由含有6級(jí)分流電路的開關(guān)分流調(diào)節(jié)器在主誤差放大器(MEA)的控制下及時(shí)分流,穩(wěn)定母線電壓在29.32V。太陽電池陣多余的功率由自身發(fā)熱星外耗散,不傳入星內(nèi)。

遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示,太陽電池陣的輸出功率633.31W,優(yōu)于550W 初期功率指標(biāo)要求,較實(shí)際使用有較大裕度。太陽電池陣典型工作過程如圖4所示,2008年9月8日10個(gè)軌道周期內(nèi)太陽電池陣溫度變化曲線如圖5所示。

圖4 太陽電池陣典型工作過程Fig.4 Typical working process of solar array

圖5 2008年9月8日10個(gè)軌道周期內(nèi)太陽電池陣溫度變化曲線Fig.5 Solar array tem perature variation curve in 10 orbital periods on Sept.8,2008

5 結(jié)論

基于小衛(wèi)星平臺(tái)的太陽電池陣設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、接口的通用化和太陽電池電路的模塊化。運(yùn)用模塊化、高效化、輕型化、小型化、電路布局優(yōu)化和環(huán)境適應(yīng)性方案等設(shè)計(jì),針對(duì)不同功率需求的小衛(wèi)星型號(hào)任務(wù),只需對(duì)太陽電池電路模塊進(jìn)行適當(dāng)增減,靈活調(diào)整太陽電池陣發(fā)電單元的太陽電池類型,即可設(shè)計(jì)出基于小衛(wèi)星平臺(tái)的單板尺寸1 110mm ×850mm 的太陽電池陣產(chǎn)品。從而大大縮短了研制周期,降低了產(chǎn)品成本,實(shí)現(xiàn)了小衛(wèi)星對(duì)太陽電池陣大功率、小體積、輕重量、自主性強(qiáng)的要求。

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