尹興月，劉吉曄，張 帥

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

探索宇宙造福人類，對(duì)月球及以遠(yuǎn)天體的探測(cè)活動(dòng)，是人類航天活動(dòng)的重要方向和空間科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑，是當(dāng)前和未來(lái)航天領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)之一。隨著科學(xué)探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，探測(cè)器探測(cè)的距離也越來(lái)越遠(yuǎn)。

深空探測(cè)項(xiàng)目中，小天體探測(cè)日益受到重視，多目標(biāo)多任務(wù)探測(cè)是深空探測(cè)的一種重要形式。太陽(yáng)電池陣作為深空探測(cè)器電能源的主要來(lái)源，探測(cè)全程將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，為星上設(shè)備供電。與地球軌道衛(wèi)星不同，深空探測(cè)軌道上的光強(qiáng)隨著對(duì)日距離的增加而逐漸減弱，太陽(yáng)電池陣在該軌道上的工作溫度也逐漸降低，存在低溫、低光強(qiáng)環(huán)境條件。

太陽(yáng)電池陣在低溫低光強(qiáng)條件下的輸出功率會(huì)如何變化，是探測(cè)器太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。本文針對(duì)低溫低光強(qiáng)環(huán)境條件對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出性能的影響進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合工程應(yīng)用給出低溫低光強(qiáng)下太陽(yáng)電池陣的功率預(yù)計(jì)方法，為遠(yuǎn)距離深空探測(cè)太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)和整器功率平衡計(jì)算提供參考。

1 具有低溫低光強(qiáng)環(huán)境的探測(cè)軌道

多數(shù)探測(cè)器中使用太陽(yáng)電池陣作為發(fā)電設(shè)備，通過(guò)光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，為探測(cè)器供電。在太陽(yáng)電池陣效率一定的情況下，其受到的光強(qiáng)大小直接影響電性能的輸出。

太陽(yáng)光強(qiáng)隨著探測(cè)器與太陽(yáng)的距離增大而逐漸減小，與距離的平方成反比。以日地距離下的太陽(yáng)光強(qiáng)E0為基準(zhǔn)，則探測(cè)器與太陽(yáng)間距為n(AU)時(shí)，太陽(yáng)電池陣受到的光強(qiáng)為：

光強(qiáng)減弱，使得太陽(yáng)電池陣在軌工作溫度隨之降低。不同天文距離下，光強(qiáng)和太陽(yáng)電池陣在軌工作溫度情況見(jiàn)圖1。

圖1 光強(qiáng)、溫度隨天文距離變化趨勢(shì)

2 低溫低光強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)電池輸出性能的影響

2.1 仿真計(jì)算模型的建立

太陽(yáng)電池在低溫、低光強(qiáng)的條件下工作，與近地衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣的工作狀態(tài)有很大不同。低溫低光強(qiáng)效應(yīng)使三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池載流子動(dòng)能降低、本征載流子濃度降低、能帶寬度增加、漏電流增大，使太陽(yáng)電池空間電荷區(qū)復(fù)合占主導(dǎo)，缺陷影響顯著。不同結(jié)構(gòu)太陽(yáng)電池片的電性能輸出特性受低溫低光強(qiáng)的影響程度不同，影響較大的情況下會(huì)出現(xiàn)“斷膝”現(xiàn)象，如圖2。

圖2 低溫低光強(qiáng)下太陽(yáng)電池?cái)嘞ガF(xiàn)象

為準(zhǔn)確進(jìn)行功率預(yù)計(jì)，參考太陽(yáng)電池陣功率預(yù)計(jì)模型[式(2)]建立仿真計(jì)算模型：

式中：C1=[1－(Imp/Isc)]{exp[－Vmp(C2Voc)]}；C2=[(Vmp/Voc)－1]×[ln(1－Imp/Isc)]－1；V=V0+β(V)×(T－T0)；I=I0+I0×β(I)×(T－T0)。

上述模型中，未考慮低溫、低光強(qiáng)的因素。因此，低溫低光強(qiáng)下太陽(yáng)電池陣的功率預(yù)計(jì)模型中，需增加兩因素的影響因子。本文分別稱為低溫影響因子K1和低光強(qiáng)影響因子K2。

國(guó)內(nèi)外資料或工程應(yīng)用中，不同類型的太陽(yáng)電池、不同溫度、不同光強(qiáng)下的影響因子不盡相同。為此分別從低溫和低光強(qiáng)兩個(gè)方面的影響出發(fā)，進(jìn)行測(cè)試和分析，以獲取不同工況下的影響因子數(shù)值。

2.2 低溫下太陽(yáng)電池輸出性能測(cè)試結(jié)果

隨著太陽(yáng)電池工作溫度的降低，電壓逐漸升高，電流減小，輸出功率升高。對(duì)太陽(yáng)電池在－90～25 ℃的電性能進(jìn)行測(cè)試，包括開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc、最大功率點(diǎn)電壓Vm、最大功率點(diǎn)電流Im。為準(zhǔn)確獲得低溫對(duì)太陽(yáng)電池輸出的影響程度，進(jìn)行了－90～25 ℃太陽(yáng)電池電性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。圖3 是電壓、電流隨溫度變化趨勢(shì)。

表1 －90～25 ℃太陽(yáng)電池性能測(cè)試結(jié)果

圖3 電壓、電流隨溫度變化趨勢(shì)

測(cè)試結(jié)果表明，隨著太陽(yáng)電池工作溫度的降低，電壓逐漸升高，電流減小，輸出功率升高。從曲線看，電壓隨溫度的變化為線性，因此確定低溫影響因子中電壓影響因子為定值。

在不同溫度下，電流隨溫度變化情況略有不同，低溫影響因子中電流因子K1(I)的數(shù)值需根據(jù)不同溫度范圍來(lái)確定，具體見(jiàn)表2。

表2 不同溫度下電流影響因子

2.3 低光強(qiáng)下太陽(yáng)電池輸出性能測(cè)試結(jié)果

隨著光強(qiáng)的降低，太陽(yáng)電池輸出電流降低，初期電壓無(wú)明顯變化，當(dāng)光強(qiáng)降低至一定程度后，電壓逐漸降低。對(duì)太陽(yáng)電池片在0.05 AM0～1 AM0(1 AM0=1 353 W/m2)光強(qiáng)下的電性能進(jìn)行測(cè)試，包括開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc、最大功率點(diǎn)電壓Vm、最大功率點(diǎn)電流Im，確定低光強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)電池電壓、電流的影響因子。

對(duì)太陽(yáng)電池在0.05 AM0～1 AM0 光強(qiáng)下的電性能輸出情況進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。圖4 是電壓、電流隨光強(qiáng)變化趨勢(shì)。

表3 0.05 AM0～1 AM0 光強(qiáng)范圍內(nèi)太陽(yáng)電池片性能測(cè)試結(jié)果

圖4 電壓、電流隨光強(qiáng)變化趨勢(shì)

測(cè)試結(jié)果表明，隨著光強(qiáng)的減弱，電流、電壓均呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，在低于0.2 AM0 光強(qiáng)時(shí)，電壓下降趨勢(shì)增加，總體看電流變化趨勢(shì)較為線性。

2.4 模型簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

綜合2.2、2.3 節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，低溫條件對(duì)太陽(yáng)電池電壓的影響因子為線性，低光強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)電池電流的影響因子為線性。因此，在進(jìn)行低溫低光強(qiáng)下太陽(yáng)電池輸出特性計(jì)算時(shí)，需分別考慮低溫下電流因子和低光強(qiáng)下電壓因子的影響。式(3)和(4)簡(jiǎn)化如下：

2.5 太陽(yáng)電池陣低溫低光強(qiáng)測(cè)試驗(yàn)證

在真空罐內(nèi)，使用太陽(yáng)模擬器提供光源，使用IV 曲線測(cè)試儀測(cè)試太陽(yáng)電池電路輸出IV 曲線，獲得太陽(yáng)電池電路在低溫低光強(qiáng)下的輸出性能。圖5是實(shí)驗(yàn)件在真空罐內(nèi)擺放狀態(tài)。

圖5 實(shí)驗(yàn)件在真空罐內(nèi)擺放狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中太陽(yáng)電池電路的IV 曲線如圖6～8 所示。

圖6 光強(qiáng)1 250.9 W/m2、70 ℃時(shí)IV曲線

統(tǒng)計(jì)各工況IV 曲線典型參數(shù)值，并與使用2.4 中計(jì)算模型獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，詳見(jiàn)表5。

圖7 光強(qiáng)274.5 W/m2、－15 ℃時(shí)IV 曲線

圖8 光強(qiáng)185.6 W/m2、－40 ℃時(shí)IV 曲線

表5 各階段測(cè)試IV 曲線典型參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

低溫低光強(qiáng)條件下，太陽(yáng)電池電路輸出電流減小至約14%，電流絕對(duì)值減小使得同樣誤差下所占的比重增大；電壓隨溫度的降低而升高，但低溫條件下整個(gè)電路的溫度一致性存在差異，因此低溫低光強(qiáng)下的誤差值較常溫下偏大。

根據(jù)表5 中數(shù)據(jù)，繪制太陽(yáng)電池電路IV 曲線，見(jiàn)圖9。

圖9 計(jì)算、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

從圖9 中看出，按照功率計(jì)算模型計(jì)算出的輸出功率和實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合度高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)深空探測(cè)軌道上的低溫低光強(qiáng)環(huán)境條件對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出性能的影響進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合工程應(yīng)用給出低溫低光強(qiáng)下太陽(yáng)電池陣的功率預(yù)計(jì)方法，參考近地軌道太陽(yáng)電池陣功率預(yù)計(jì)模型，增加了低溫影響因子和低光強(qiáng)影響因子，建立的功率計(jì)算模型與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)吻合度較高。

受測(cè)試條件和測(cè)試方法的影響，或許測(cè)試數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但從工程應(yīng)用的角度講，該結(jié)果可以作為參考指導(dǎo)型號(hào)應(yīng)用與在軌功率預(yù)算工作。