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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)算方法，計(jì)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(shí)，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(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，各種空間飛行器對(duì)功率的需求日益增大，這勢(shì)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(zhǎng)，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(shì)，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(yùn)行在300～500 km的低地球軌道時(shí)，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(shí)，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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算過程中等離子體密度取1012m-3，溫度取0.5 eV，同時(shí)，根據(jù)國(guó)外實(shí)驗(yàn)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(shí)，當(dāng)工作電壓小于100 V時(shí)，收集電流密度上升比較緩慢，當(dāng)工作電壓大于100 V時(shí)，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(dá)到一個(gè)負(fù)的表面平均電位，當(dāng)太陽電池在較低電壓時(shí)，由于存在負(fù)的表面平均電位，將會(huì)在金屬互聯(lián)和半導(dǎo)體之間形成一個(gè)勢(shì)壘，只有等離子體中電子能量大于這個(gè)勢(shì)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(chǎng)不斷增大，玻璃蓋片表面二次電子在該電場(chǎng)作用下，沿著玻璃蓋片表面向金屬互聯(lián)運(yùn)動(dòng)，最終穿過勢(shì)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(shí)，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(duì)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(shí)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(duì)于航天器功率P=1 kW的要求，并聯(lián)的太陽電池?cái)?shù)量：

(5)

因此，整個(gè)太陽電池陣的面積：

(6)

根據(jù)總體設(shè)計(jì)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(duì)于整個(gè)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(duì)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(shí)，高壓太陽電池收集電流大，同時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，航天器的工作狀況對(duì)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(jì)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(shí)，在衛(wèi)星功率一定時(shí)，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(jì)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(jì)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(shí)，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(jì)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(shí)現(xiàn)低地球軌道高壓太陽電池更好地應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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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(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-6223(2016)010602(3)

中圖分類號(hào)：V242.2

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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11105063)

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2015-12-12