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        低軌道高壓太陽電池陣電流收集效應(yīng)研究

        2016-06-03 08:40:39陳益峰楊生勝李得天秦曉剛湯道坦
        現(xiàn)代應(yīng)用物理 2016年1期
        關(guān)鍵詞:等離子體

        陳益峰,楊生勝,李得天,秦曉剛,湯道坦,馮 娜

        (蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室 蘭州 730000)

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        低軌道高壓太陽電池陣電流收集效應(yīng)研究

        陳益峰,楊生勝,李得天,秦曉剛,湯道坦,馮娜

        (蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室蘭州730000)

        摘要:建立了低地球軌道(low earth orbit,LEO)等離子體環(huán)境下,高壓太陽電池陣收集電流的計算方法,計算獲得了不同等離子體環(huán)境和衛(wèi)星工作狀況下,高壓太陽電池的收集電流。分析表明,等離子體密度越高,溫度越小,高壓太陽電池收集電流非線性增加;同時,太陽電池收集電流隨衛(wèi)星功率和工作電壓的增加而迅速增加。

        關(guān)鍵詞:等離子體;高壓太陽電池;電流收集效應(yīng)

        隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展,各種空間飛行器對功率的需求日益增大,這勢必造成太陽電池陣的面積也隨之增大。如果采用28 V低壓電壓,由于電路傳輸距離長,線路損耗將十分嚴(yán)重,因此,采用高壓太陽電池陣已經(jīng)成為趨勢,然而在低地球軌道(low earth orbit,LEO)等離子體環(huán)境下,高壓太陽電池將產(chǎn)生電流收集效應(yīng),導(dǎo)致航天器功率損耗,從而降低了傳輸功率[1]。

        當(dāng)采用高壓太陽電池陣的航天器運行在300~500 km的低地球軌道時,該軌道空間等離子體主要是低溫稠密等離子體,其溫度為0.1~1 eV,密度為1010~1012m-3。隨著高壓太陽電池陣工作電壓的提高,其與空間等離子體相互作用導(dǎo)致的充放電效應(yīng)問題越來越突出[2]。

        當(dāng)高壓太陽電池陣處于正偏置電壓下時,裸露的金屬互聯(lián)以及半導(dǎo)體部分可以從等離子體環(huán)境中收集電子電流,從而產(chǎn)生電流收集效應(yīng),引起高壓太陽電池陣功率損耗[3-4]。

        本文主要分析了低溫稠密等離子體環(huán)境, 通過計算獲得了不同等離子體環(huán)境和衛(wèi)星工作狀況下,高壓太陽電池的收集電流,從而為低軌道高壓太陽電池的應(yīng)用提供理論參考。

        1計算方法

        在低溫稠密等離子體環(huán)境下,高壓太陽電池陣的收集電流密度jec可用式(1)表述:

        (1)

        式中,V為高壓太陽電池的工作電壓,V;Te為等離子體溫度,eV;q為電子的電荷量,C;K為玻耳茲曼常量;c1和c2為擬合常數(shù);je·th為熱電子電流密度,A·m-2:

        (2)

        式中,ne為等離子體密度,m-3;me為電子質(zhì)量,kg。

        利用式(1)、(2)可計算獲得不同工作電壓下,高壓太陽電池的收集電流密度,如圖1所示。計算過程中等離子體密度取1012m-3,溫度取0.5 eV,同時,根據(jù)國外實驗結(jié)果,擬合參數(shù)c1和c2分別取6.495×10-7和2.5[5]。

        圖1 高壓太陽電池收集電流密度與工作電壓關(guān)系Fig.1 The collected current density vs.the operating voltage of solar arrays

        由圖1可以看出,高壓太陽電池的收集電流密度隨其工作電壓增加而上升,同時,當(dāng)工作電壓小于100 V時,收集電流密度上升比較緩慢,當(dāng)工作電壓大于100 V時,高壓太陽電池的收集電流密度隨工作電壓的增加而迅速增加。這是由于在低地球軌道,等離子體溫度較低,太陽電池表面玻璃蓋片能很快達到一個負的表面平均電位,當(dāng)太陽電池在較低電壓時,由于存在負的表面平均電位,將會在金屬互聯(lián)和半導(dǎo)體之間形成一個勢壘,只有等離子體中電子能量大于這個勢壘才可以被收集。

        隨著太陽電池金屬互聯(lián)工作電壓的不斷升高,與玻璃蓋片表面平行的電場不斷增大,玻璃蓋片表面二次電子在該電場作用下,沿著玻璃蓋片表面向金屬互聯(lián)運動,最終穿過勢壘被金屬互聯(lián)收集,引起在很小的暴露區(qū)域上產(chǎn)生比較大的收集電流。因此,當(dāng)工作電壓大于100 V時,高壓太陽電池的收集電流密度隨工作電壓的增加而迅速增加。

        對于單片太陽電池,主要參數(shù)包括電池工作電壓Vmp、工作電流Imp、功率Pmp和面積Amp:

        Vmp=2.29 V

        Imp=0.445 A

        Pmp=1.02 W

        (3)

        航天器的太陽電池陣都是通過太陽電池片的串聯(lián)和并聯(lián)實現(xiàn)工作電壓和功率需求的。為滿足航天器工作電壓V=100 V的要求,串聯(lián)的太陽電池片數(shù)量:

        (4)

        對于航天器功率P=1 kW的要求,并聯(lián)的太陽電池數(shù)量:

        (5)

        因此,整個太陽電池陣的面積:

        (6)

        根據(jù)總體設(shè)計要求,太陽電池暴露于空間等離子體中的導(dǎo)體面積約占總面積的2.8%,因此,太陽電池總的收集電流面積:

        (7)

        對于整個太陽電池陣,收集電流可用下式表述:

        (8)

        代入式(1),則高壓太陽電池的收集電流:

        (9)

        式中,φ=n×Vmp。

        2結(jié)果分析

        不同空間等離子體環(huán)境下,高壓太陽電池的電流收集效應(yīng)不同,對于功率為1 kW,工作電壓為100 V的衛(wèi)星,高壓太陽電池的收集電流與等離子體密度和溫度的關(guān)系,如圖2所示。

        圖2 高壓太陽電池的收集電流與等離子體密度和溫度的關(guān)系Fig.2 The collected current vs. the plasma density and temperature

        由圖2可以看出,當(dāng)?shù)入x子體密度高時,高壓太陽電池收集電流大,同時,太陽電池收集電流隨等離子體溫度的增加而下降。這是由于電子密度高時,高壓太陽電池能夠收集到更多的電子,導(dǎo)致收集電流增加;同時,等離子體中電子能量越高,就越不容易被太陽電池收集,因此溫度高的等離子體作用下太陽電池收集電流低。

        同時,航天器的工作狀況對高壓太陽電池收集電流也將產(chǎn)生影響,在等離子體溫度為0.5 eV、密度為1012m-3的環(huán)境下,不同功率和工作電壓下,高壓太陽電池的收集電流計算結(jié)果,如表1所列。

        在相同工作電壓下,隨著衛(wèi)星功率的增加,導(dǎo)致太陽電池陣的收集電流面積增加,因此,收集電流也隨之增加。同時,在衛(wèi)星功率一定時,高壓太陽電池收集電流隨著工作電壓的升高而增加。因此,在衛(wèi)星功率和工作電壓設(shè)計中,應(yīng)綜合考慮衛(wèi)星功率需求與太陽電池電流收集效應(yīng),降低衛(wèi)星功率損耗,提升衛(wèi)星性能。

        表1 高壓太陽電池的收集電流計算結(jié)果

        3結(jié)論

        等離子體密度越高,高壓太陽電池收集電流越大,而且,太陽電池收集電流隨等離子體溫度的增加而非線性下降;同時,太陽電池收集電流隨衛(wèi)星功率和工作電壓的增加而迅速增加。因此,在衛(wèi)星功率和工作電壓設(shè)計中應(yīng)重視太陽電池電流收集效應(yīng),降低衛(wèi)星功率損耗,從而實現(xiàn)低地球軌道高壓太陽電池更好地應(yīng)用。

        參考文獻

        [1]楊華星,畢雨雯,路火平. 新型高壓太陽電池陣在低軌等離子體環(huán)境中的適應(yīng)性分析和研究[J]. 載人航天,2011,(6): 11-16.(YANG Hua-xing, BI Yu-wen, LU Huo-ping.Analysis and study of the new type high voltage solar array adaptability in the plasma environment[J].Manned Spaceflight, 2011, (6): 11-16.)

        [2]HASTINGS D E,CHO M,KUNINKA H.Arcing rates for high voltage solar arrays-theory, experiment, and predictions[J]. Journal of Spacecraft and Rocket, 1992, 29(4): 538-554.

        [3]古士芬,師立勤,宋力,等. 空間等離子體導(dǎo)致高壓太陽電池陣的電流收集[J], 空間科學(xué)學(xué)報,1995,15(1): 42-46. (GU Shi-fen, SHI Li-qin, SONG Li, et al.The current collection by high voltage solar array from the space plasma[J].Chinese Journal of Space Science, 1995, 15(1): 42-46.)

        [4]FERGUSON D C,HILLARD G B.Low earth orbit spacecraft charging design guidelines[R].NASA/TP-2003-212287,2003.

        [5]CHO M, SHIRAISHI K, TOYODA K, et al. Laboratory experiments on mitigation against arcing on high voltage solar array in simulated LEO plasma environment[C]//AIAA 02-0629, 40th AIAA Science Meeting&Exhibit, Reno, NV, 2002.

        Theoretical Study of Current Collection Effect of High Voltage Solar Arrays

        CHEN Yi-feng,YANG Sheng-sheng,LI De-tian,QIN Xiao-gang,TANG Dao-tan,FENG Na

        (Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory,Lanzhou Institute of Physics,Lanzhou730000,China)

        Abstract:This paper studies the calculation method of current collection effect of high-voltage solar arrays in low earth orbit (LEO) plasma environment, and investigates the collected current of high-voltage solar arrays in different plasma density, temperature and spacecraft power. The results indicate that the collected current of high-voltage solar arrays becomes higher for higher plasma density and lower temperature,and increases as the spacecraft power and voltage increase.

        Key words:plasma;high-voltage solar arrays;current collection effect

        文獻標(biāo)志碼:A

        文章編號:2095-6223(2016)010602(3)

        中圖分類號:V242.2

        作者簡介:陳益峰(1981- ),江蘇通州人,高級工程師,博士,主要從事空間環(huán)境及防護技術(shù)研究。E-mail:chenyifeng@126.com

        基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(11105063)

        收稿日期:2015-08-20;修回日期:2015-12-12

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