蘇寶法 仇恒抗 王凱 宋園 李沐昀 丁丕滿 馬聚沙 曹程

(1 上海空間電源研究所,上海 200245)(2 上海衛(wèi)星工程研究所,上海 200245)

太陽電池陣作為衛(wèi)星主要發(fā)電單元[1],在光照期向衛(wèi)星平臺(tái)和負(fù)載供電,同時(shí)為蓄電池充電;當(dāng)峰值負(fù)載工作或太陽電池陣輸出功率減少時(shí),太陽電池陣首先滿足載荷工作,然后再滿足蓄電池充電;在太陽電池陣輸出功率滿足供電和充電需求后,其多余功率對地分流。太陽電池陣在軌輸出電流受軌道面光照角(β角)、太陽電池陣光照角、季節(jié)光強(qiáng)因子、工作溫度、輻照衰減等因素影響。例如:低軌傾斜軌道衛(wèi)星的太陽電池陣采用雙翼結(jié)構(gòu),β角在0°～75°變化,當(dāng)β角大于15°時(shí),太陽電池陣一側(cè)將受到衛(wèi)星本體遮擋,陰影遮擋會(huì)影響太陽電池陣輸出電流[2-5],進(jìn)而影響整星輸出功率。為保證太陽電池陣對日定向,太陽電池陣每軌在0°～360°轉(zhuǎn)動(dòng),其遮擋圖形隨β角及太陽電池陣轉(zhuǎn)角變化而變化,給光照期太陽電池陣輸出電流計(jì)算及整星能量平衡設(shè)計(jì)帶來了困難。

目前,為滿足中低緯度區(qū)域的觀測或通信任務(wù)需求,衛(wèi)星常采用低軌傾斜軌道。低軌傾斜軌道衛(wèi)星與太陽同步軌道衛(wèi)星相比,衛(wèi)星光照條件復(fù)雜,太陽電池陣靠近星體部分可能受到衛(wèi)星本體遮擋,從而影響太陽電池陣供電。文獻(xiàn)[6]中提出了一種精確計(jì)算航天器本體對太陽電池陣遮擋的方法,給出了月球車遮擋計(jì)算的實(shí)例,但未對陰影遮擋對太陽電池陣輸出電流的影響進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[7]中對陰影遮擋下太陽電池陣輸出功率影響進(jìn)行分析,但未對分析結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行評估,同時(shí)未進(jìn)行壽命末期整星能量平衡分析。

本文首先對低軌傾斜軌道衛(wèi)星在軌全壽命周期、全工況下本體遮擋進(jìn)行分析,并結(jié)合太陽電池陣陰影遮擋工作特性開展太陽電池陣設(shè)計(jì)及輸出電流影響分析,選取典型工況將地面影響分析結(jié)果與在軌實(shí)際遙測結(jié)果進(jìn)行對比,評估陰影遮擋影響分析方法的準(zhǔn)確性,可為低軌傾斜軌道衛(wèi)星復(fù)雜光照情況下電源系統(tǒng)能量平衡設(shè)計(jì)提供參考,為電源系統(tǒng)能源精細(xì)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 衛(wèi)星本體對太陽電池陣遮擋影響分析

低軌傾斜軌道衛(wèi)星軌道面太陽入射角在較大范圍內(nèi)周期變化[8],為滿足太陽電池陣對日定向跟蹤的要求,可采用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)雙軸驅(qū)動(dòng)或單軸驅(qū)動(dòng)加整星姿態(tài)機(jī)動(dòng)的方式,但雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不利于長壽命使用;對于載荷對姿態(tài)有固定要求的衛(wèi)星,其姿態(tài)不能經(jīng)常變化,采用單軸驅(qū)動(dòng)后衛(wèi)星光照條件將變得復(fù)雜,太陽電池陣受照面積周期性變化,會(huì)影響光照期太陽電池陣輸出電流,給整星能量平衡分析帶來困難。本文以一顆低軌傾斜軌道衛(wèi)星為例,對全壽命、全工況下衛(wèi)星本體陰影遮擋進(jìn)行分析,并對分析方法準(zhǔn)確性進(jìn)行評估。

1.1 衛(wèi)星本體對太陽電池陣遮擋分析

低軌傾斜軌道衛(wèi)星太陽電池陣構(gòu)型及軌道面光照情況如圖1所示,其結(jié)構(gòu)及子電路劃分如表1所示。β角在0～+75°變化,當(dāng)β角大于15°時(shí),+Y太陽電池陣將受到衛(wèi)星本體遮擋造成太陽電池陣輸出電流變化。星上微波成像儀活動(dòng)部分主要為主反射面及支撐桁架。微波成像儀主反射面口徑1.2m,不透光;支撐桁架為支撐結(jié)構(gòu),可以透光。在1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi),主反射面?zhèn)纫曂队懊娣e變化非常大,按照極小→極大→極小規(guī)律交替,從1個(gè)極值到下個(gè)極值經(jīng)過1/4周期;主反射面支撐桁架纖細(xì),在1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)投影面積變化非常小。

表1 太陽電池陣基本信息

圖1 衛(wèi)星構(gòu)型及軌道面光照

為分析每軌太陽電池陣輸出電流的變化,需要分析陰影遮擋圖形的變化。將大尺寸、短周期活動(dòng)部件微波成像儀近似為柱狀實(shí)體,進(jìn)行整星建模及仿真分析。β角在0°～75°變化,在+Y太陽電池陣0°～360°對日定向過程中,其受照情況如圖2所示。從圖2可以看出:當(dāng)β角小于15°時(shí),+Y太陽電池陣轉(zhuǎn)角變化過程中太陽電池陣不受遮擋;隨著β角的增大,太陽電池陣轉(zhuǎn)動(dòng)過程將受到衛(wèi)星本體不同程度的遮擋,極端情況下,+Y太陽電池陣受照面積僅3.375m2,近81%的面積受到遮擋。

圖2 +Y太陽電池陣未受衛(wèi)星本體遮擋的面積

1.2 太陽電池陣陰影遮擋分析

太陽電池電路由若干個(gè)子電路組成,每個(gè)子電路由若干太陽電池串構(gòu)成,其電流輸出為太陽電池串輸出電流總和。太陽電池串輸出特性曲線如圖3所示。太陽電池受光照后產(chǎn)生光生電壓,當(dāng)其與負(fù)載電路連接后,太陽電池串對外輸出電流,此時(shí)太陽電池工作于圖3第一象限,電壓、電流均為正。若太陽電池串中有若干太陽電池被完全遮擋,則受遮擋電池?zé)o光生電流,太陽電池串對外形成供電回路時(shí),受遮擋太陽電池工作于第二象限,其電壓為負(fù),電流為正,此時(shí)電池承受反向偏壓。當(dāng)2個(gè)太陽電池串并聯(lián),其中1個(gè)太陽電池串被完全遮擋,在串間無隔離二極管的情況下,受遮擋太陽電池工作于第四象限,其電壓為正,電流為負(fù),此時(shí)電池承受正向偏壓。

圖3 太陽電池串輸出特性曲線

為驗(yàn)證太陽電池串并聯(lián)后陰影遮擋對其輸出電流的影響,制作陰影遮擋試驗(yàn)板如圖4所示。試驗(yàn)板由G1～G4共4串太陽電池組成1個(gè)模塊,每串由21片太陽電池組成,單串太陽電池輸出正端接獨(dú)立隔離二極管。對試驗(yàn)板進(jìn)行不同情況的遮擋,測試模塊的輸出電流,測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)板布局和電路示意

圖5 陰影遮擋下太陽電池模塊輸出曲線

從圖5可以看出:在太陽電池串正端均接隔離二極管輸出的狀態(tài)下,發(fā)生遮擋時(shí),串與串之間無相互影響,若某串電池被完全遮擋,此串電流將會(huì)損失;當(dāng)完全遮擋1串中不同數(shù)量電池時(shí),該串電池輸出電流將受到不同的影響。由于串與串之間連接有隔離二極管,遮擋某串電池只會(huì)影響對應(yīng)太陽電池串的電性能,若2串電池均有遮擋,只需要分析遮擋對各自太陽電池串電流-電壓輸出曲線的影響,然后進(jìn)行疊加即可。對于全調(diào)節(jié)母線,太陽電池陣工作時(shí)輸出電壓為母線電壓與線路壓降之和,而受遮擋太陽電池串最佳工作點(diǎn)電壓會(huì)受到影響。當(dāng)太陽電池陣工作電壓比受遮擋太陽電池串最佳工作點(diǎn)電壓小時(shí),受遮擋太陽電池串輸出電流基本不受影響;當(dāng)太陽電池陣工作電壓比受遮擋太陽電池串最佳工作點(diǎn)電壓大時(shí),受遮擋太陽電池串輸出電流將出現(xiàn)損失,損失程度與兩者的差值相關(guān);當(dāng)太陽電池陣工作電壓比受遮擋太陽電池串開路電壓大時(shí),受遮擋太陽電池串將無電流輸出。

2 太陽電池陣防陰影遮擋設(shè)計(jì)及分析

2.1 太陽電池陣防陰影遮擋設(shè)計(jì)

結(jié)合上述衛(wèi)星本體遮擋圖形及太陽電池陣遮擋工作特性分析,太陽電池陣采取如下防陰影遮擋設(shè)計(jì)。太陽電池陣設(shè)計(jì)時(shí),每片電池接旁路二極管,防止“熱斑”效應(yīng)[9];太陽電池串正端接隔離二極管,太陽電池串正端之間相互隔離,防止遮擋太陽電池串作為負(fù)載消耗未遮擋電池串輸出電流;由于在軌+Y太陽電池陣會(huì)受到衛(wèi)星本體遮擋,外板到內(nèi)板遮擋頻次逐漸升高,為保證2組鋰離子蓄電池組充電電流均勻,將與2組蓄電池組對應(yīng)的充電分流陣分布在兩翼中內(nèi)板、中外板、外板,分流陣放置在遮擋較為嚴(yán)重的內(nèi)板及中內(nèi)板位置。太陽電池陣連接關(guān)系如圖6所示,+Y太陽電池陣子電路分布如圖7所示。

圖6 太陽電池陣工作原理

圖7 +Y太陽電池陣子電路分布

2.2 陰影遮擋影響分析對比

為更好地分析衛(wèi)星本體遮擋對太陽電池陣輸出電流的影響,首先分析無陰影遮擋工況下電流設(shè)計(jì)值與在軌遙測電流值,根據(jù)β角、太陽電池陣光照角、日地因子、工作溫度等因素對地面電流測試值進(jìn)行歸一化處理,再與入軌初期太陽電池陣遙測電流值進(jìn)行對比,對比結(jié)果如表2所示。

表2 在軌遙測電流值與設(shè)計(jì)值對比

從表2可以看出:在軌各模塊遙測電流值與設(shè)計(jì)值基本一致,兩者平均誤差1.07%;模塊1～3電流基本一致。其中:模塊1和模塊2電流測量子電路均布局在+Y太陽電池陣;模塊3電流測量子電路布局在-Y太陽電池陣,-Y太陽電池陣不受陰影遮擋影響。

以模塊3作為基準(zhǔn),將模塊1、模塊2與模塊3的電流值作差值,對遮擋影響進(jìn)行分析。利用2維圖形軟件提取不同情況下太陽電池陣遮擋圖形,將其與太陽電池布片圖進(jìn)行匹配,識別太陽電池串遮擋情況。根據(jù)太陽電池串陰影遮擋工作特性,對遮擋造成的太陽電池陣電流損失進(jìn)行預(yù)計(jì),太陽電池陣選用40.0mm×60.5mm及40.0mm×80.0mm太陽電池,40.0mm×60.5mm太陽電池單串輸出電流約為0.4A,40.0mm×80.0mm太陽電池單串輸出電流約為0.5A。

β為30°、太陽電池陣在0°～360°對日定向的過程中,太陽電池陣的遙測電流(2023年6月21日)如圖8所示,不同太陽電池陣轉(zhuǎn)角下陰影遮擋電流損失值與在軌遙測電流損失值對比如表3所示。

圖8 在軌太陽電池陣遮擋時(shí)模塊遙測電流曲線

從表3可以看出:太陽電池陣工作溫度標(biāo)定后,除太陽電池陣轉(zhuǎn)角在280°～340°內(nèi)太陽電池陣輸出電流呈波動(dòng)性導(dǎo)致遙測電流值與設(shè)計(jì)值差異較大外,陰影遮擋下電流損失值與在軌遙測電流損失值基本一致,分析誤差小于2%。太陽電池陣轉(zhuǎn)角在280°～340°時(shí),遙測電流呈波動(dòng)性且遙測電流損失值比設(shè)計(jì)值小,因?yàn)樾l(wèi)星本體遮擋圖形分析時(shí)采用簡化平行光投影法,將微波成像儀等效成一個(gè)柱狀實(shí)體,實(shí)際微波成像儀非實(shí)體且其工作時(shí)相位呈周期性變化,當(dāng)微波成像儀遮擋圖形與太陽電池陣覆蓋時(shí),遙測電流呈波動(dòng)變化。微波成像儀遮擋時(shí)的圖形如圖9所示。

注:β為30°,太陽電池陣轉(zhuǎn)角為330°。

太陽電池陣受衛(wèi)星本體遮擋圖形隨β角及太陽電池陣轉(zhuǎn)角變化而變化,因此太陽電池陣輸出電流呈周期變化;另外,太陽電池陣輸出電流、電壓會(huì)隨著在軌服役時(shí)間累積而發(fā)生衰減,初期、末期遮擋圖形相同情況下其輸出電流也不相同。通過投影法獲得衛(wèi)星本體遮擋圖形,以及遮擋太陽電池串?dāng)?shù)及每串遮擋片數(shù),然后結(jié)合太陽電池陣工作溫度、電流及電壓衰減情況分析太陽電池陣陰影遮擋輸出電流損失,能得到壽命末期太陽電池陣充電電流,充電電流對時(shí)間進(jìn)行積分可獲得光照期充電容量,比較充電容量和放電容量可以對整星能源平衡進(jìn)行分析。因此,太陽電池陣全壽命、全工況陰影遮擋影響分析可為復(fù)雜光照情況整星能量平衡優(yōu)化提供依據(jù),提高能量平衡分析的準(zhǔn)確度和全面性。

3 結(jié)束語

本文針對低軌傾斜軌道衛(wèi)星太陽電池陣受照情況的復(fù)雜特性,研究衛(wèi)星本體遮擋圖形變化,分析太陽電池陣陰影遮擋工作特性,在結(jié)合太陽電池串陰影遮擋試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上開展太陽電池陣防陰影遮擋設(shè)計(jì)及輸出電流影響分析。分析結(jié)果顯示:遮擋電流損失值與在軌遙測電流損失值基本一致,陰影遮擋分析結(jié)果誤差小于2%。本文提供的衛(wèi)星本體遮擋分析方法及太陽電池陣防陰影遮擋設(shè)計(jì),可為衛(wèi)星本體復(fù)雜遮擋情況下的電源系統(tǒng)能源平衡設(shè)計(jì)提供參考,為電源系統(tǒng)能源精細(xì)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。