FY-2C衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣在軌性能分析

高劍鋒，鐵 琳，蔣欽琳， 黃才勇

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300381；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

風(fēng)云二號(hào)靜止氣象衛(wèi)星是我國(guó)第一代同步軌道的氣象觀測(cè)衛(wèi)星，該衛(wèi)星是發(fā)展我國(guó)氣象衛(wèi)星事業(yè)，建立氣象衛(wèi)星觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。我國(guó)第一顆業(yè)務(wù)用靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號(hào)C星，在繼風(fēng)云二號(hào)A、B試驗(yàn)星研制發(fā)射后，于2004年10月19日9時(shí)20分在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心再次順利發(fā)射升空，并在10月24日定點(diǎn)于東經(jīng)105°赤道上空。它標(biāo)志著我國(guó)的氣象衛(wèi)星事業(yè)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。

風(fēng)云二號(hào)C星的太陽(yáng)電池陣選用了BSFR型背場(chǎng)背反射太陽(yáng)電池，這是我國(guó)首次在同步軌道衛(wèi)星上應(yīng)用。

衛(wèi)星電源系統(tǒng)的太陽(yáng)電池陣為體裝式，太陽(yáng)電池粘貼在兩個(gè)直徑為2.1m，高0.72m的圓柱面及兩塊腰帶太陽(yáng)電池板上。其中上太陽(yáng)電池殼開有一腰形窗口，供掃描輻射計(jì)使用，使布片面積減少了0.3m2，衛(wèi)星為自旋穩(wěn)定，工作溫度范圍為－85～15℃，壽命三年。

1 FY-2C星太陽(yáng)電池陣的組成

單體太陽(yáng)電池為BSFR型硅太陽(yáng)電池，供電陣用太陽(yáng)電池尺寸為40mm×20mm×0.25mm，充電陣用太陽(yáng)電池尺寸為35mm×20mm×0.25mm。太陽(yáng)電池平均光電轉(zhuǎn)換效率為14.7%（AM 0 135.3mW/cm2，25℃）。玻璃蓋片為KFC-2型抗輻照玻璃，尺寸為40.1mm×20.1mm×0.2mm，充電陣尺寸為35.1mm×20.1mm×0.2mm，鍍氟化鎂增透膜。

太陽(yáng)電池陣由供電陣、充電陣、充電副陣、涓流充電陣和涓流副陣等幾部分組成。其中供電陣是太陽(yáng)電池陣的主要組成部分，由66片串聯(lián)136片并聯(lián)組成，在光照區(qū)為星上負(fù)載供電；充電陣由66片串聯(lián)22片并聯(lián)組成，充電副陣由8片串聯(lián)22片并聯(lián)組成，在衛(wèi)星出影進(jìn)入光照區(qū)后，為蓄電池充電，充電結(jié)束后，并入供電陣；涓流充電陣由66片串聯(lián)2片并聯(lián)組成，涓流副陣由8片串聯(lián)2片并聯(lián)組成，它始終與蓄電池相接，正常充電結(jié)束后，繼續(xù)以小電流充電，補(bǔ)充蓄電池因自放電造成的容量下降。

2 太陽(yáng)電池陣在軌性能分析

通過(guò)衛(wèi)星地面測(cè)控網(wǎng)的遙測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)衛(wèi)星各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從衛(wèi)星發(fā)回地面的太陽(yáng)電池陣在軌性能的遙測(cè)數(shù)據(jù)，反映了太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行期間的實(shí)際工作情況，這不僅可以監(jiān)控太陽(yáng)電池陣功率輸出及其它電性能參數(shù)，還可以根據(jù)不斷積累的遙測(cè)數(shù)據(jù)算出電性能衰降趨勢(shì)，可以及時(shí)修正在設(shè)計(jì)中各項(xiàng)參數(shù)的選取、計(jì)算的偏差，在軌運(yùn)行的飛行數(shù)據(jù)是日后進(jìn)行太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)參照的第一手材料。

有關(guān)電源系統(tǒng)的遙測(cè)參數(shù)共45項(xiàng)，其中和太陽(yáng)電池陣相關(guān)的有：負(fù)載電流、充電電流、母線電壓、母線電流、進(jìn)出影狀態(tài)信號(hào)、二級(jí)分流電流、三級(jí)分流電流、四級(jí)分流電流、五級(jí)分流電流、主陣電壓、副陣電壓、充電陣開關(guān)狀態(tài)信號(hào)、上殼外壁溫度①、上殼外壁溫度②、下殼外壁溫度①、下殼外壁溫度②，電源系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

最受我們關(guān)注的是負(fù)載電流、充電電流和各級(jí)的分流電流，上述各項(xiàng)的總和就是母線電流，即太陽(yáng)電池陣的輸出電流，它和母線電壓的乘積就是太陽(yáng)電池陣的輸出功率，因此，我們把關(guān)注的重點(diǎn)也放在母線電流上。同時(shí)，由這些參數(shù)也可以判斷衛(wèi)星各分系統(tǒng)使用電源系統(tǒng)的情況。

衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間太陽(yáng)電池陣的母線電流始終是變化著的，這是因?yàn)椋?/p>

（1）太陽(yáng)電池陣本身布片的原因，由于掃描輻射計(jì)視窗的影響，在衛(wèi)星的Ⅱ象限線附近，輸出的母線電流有一低谷，而在視窗兩邊各加了一塊腰帶太陽(yáng)電池板，因此呈現(xiàn)兩個(gè)小峰，總的波動(dòng)在±2%左右。這種變化是周期性的。

（2）因?yàn)槟妇€電流包括負(fù)載電流、分流電流、充電電流,它們都在不同的狀態(tài)下工作，在不同的工作點(diǎn)下工作，它們的變化是隨機(jī)的。

（3）是隨著光強(qiáng)、溫度、紫外輻照、粒子輻照和其他環(huán)境因素的影響而變化，這種變化一般情況下是緩慢的變化。

為了便于比較，我們選用衛(wèi)星星下點(diǎn)正午前后的遙測(cè)值，對(duì)100個(gè)連續(xù)的母線電流遙測(cè)值進(jìn)行平均，然后對(duì)平均值進(jìn)行光強(qiáng)歸一化處理，歸一化到AM 0 135.3mW/cm2的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

2.1 母線電流遙測(cè)參數(shù)的光強(qiáng)修正

在軌道上，照到太陽(yáng)電池陣表面的有效光強(qiáng)和衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣與太陽(yáng)之間的距離、太陽(yáng)入射角有關(guān)。

式中：S'為有效太陽(yáng)光強(qiáng)；S為太陽(yáng)光強(qiáng)；R為太陽(yáng)電池陣和太陽(yáng)之間的距離；θ為太陽(yáng)入射角。

由于赤道與黃道之間有23°37'的夾角，因此，隨著季節(jié)的變化，同步軌道衛(wèi)星（自旋軸與赤道垂直并指向北）的太陽(yáng)入射角在＋23°37'（夏至）和－23°37'（冬至）之間變化。這一變化和太陽(yáng)赤緯的變化相同，可以很方便地應(yīng)用太陽(yáng)赤緯的變化計(jì)算出太陽(yáng)入射角的修正值。

但是，由于衛(wèi)星延長(zhǎng)使用壽命的需要，在不影響探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)精度的前提下，在衛(wèi)星入軌定點(diǎn)以后，有意識(shí)地將衛(wèi)星的軌道傾角調(diào)整為一個(gè)正角度，再利用衛(wèi)星的攝動(dòng)傾角逐漸變?yōu)樨?fù)角度，控制系統(tǒng)再進(jìn)行軌道控制，這樣可以減少軌控的次數(shù)，從而節(jié)省燃料，以期延長(zhǎng)衛(wèi)星的工作年限。因此，太陽(yáng)電池陣的太陽(yáng)入射角就不能應(yīng)用太陽(yáng)赤緯的數(shù)據(jù)了，需要根據(jù)太陽(yáng)角計(jì)的數(shù)據(jù)和衛(wèi)星的轉(zhuǎn)速重新計(jì)算。

太陽(yáng)入射角θ:

式中：T1、T2、T12為衛(wèi)星姿控參數(shù)。

另外，太陽(yáng)和地球之間的距離由于地球圍著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道不是圓軌道而是橢圓軌道，所以每天的日地距離并不是一個(gè)常數(shù)，而是無(wú)時(shí)無(wú)刻不在變化著的。日地距離變化的實(shí)際情況是：

由此可見，一年之中，日地距離的變化約500萬(wàn)公里，因此，不同日期，太陽(yáng)電池陣的光輻照度是不能相互比較的。為了方便計(jì)算，并不需要計(jì)算每天的日地距離，而是引入了（1.49×1011m）為日地平均距離，日地距離和日地平均距離的平方比稱為日地距離修正因子，這樣可以用來(lái)算出任意一天照射到太陽(yáng)電池陣表面的光輻照度。在實(shí)際應(yīng)用中，并不需要按公式計(jì)算，而是事先按日期造好R2/R02值表備查。

2.2 母線電流參數(shù)的溫度修正

太陽(yáng)電池的電流是溫度的函數(shù)，但是它的短路電流和工作點(diǎn)電流有著不同的溫度系數(shù)，短路電流是正溫度系數(shù)，而工作點(diǎn)電流的溫度系數(shù)隨著工作點(diǎn)在特性曲線的位置變化有可能是正溫度系數(shù)也可能是負(fù)溫度系數(shù)，而如前所述，母線電流包括負(fù)載電流、充電電流和分流電流。一般設(shè)計(jì)充電電流和分流電流都工作在短路電流端，可視為短路電流，而負(fù)載電流則接近最大功率點(diǎn)，為了進(jìn)行母線電流的溫度修正，需把各種電流分開，用不同的溫度系數(shù)加以修正，而且太陽(yáng)電池的溫度系數(shù)隨著粒子輻射也在變化，這不僅需要大量的太陽(yáng)電池陣遙測(cè)數(shù)據(jù)，而且需要大量的太陽(yáng)電池溫度系數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)，目前來(lái)講，做這項(xiàng)修正尚存在較大的困難，因此本文引用的母線電流遙測(cè)數(shù)據(jù)均未作溫度修正。太陽(yáng)電池陣在光照期的溫度變化在10℃以內(nèi)。

2.3 母線電流的衰降

母線電流的衰降一般可認(rèn)為：（1） 是紫外輻射引起蓋片膠的暗化造成太陽(yáng)電池電流的衰降，地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明這種衰降在衛(wèi)星入軌后2～3個(gè)月內(nèi)極為明顯，一般衰降率在2%～2.5%，3個(gè)月之后紫外輻射的影響隨之減弱；（2） 是帶電粒子輻射，當(dāng)太陽(yáng)電池暴露于空間粒子輻射環(huán)境時(shí)，它也像所有的半導(dǎo)體器件那樣，容易發(fā)生永久性的電性能衰減。衛(wèi)星所處的同步軌道位于外輻射帶的外側(cè)，主要考慮電子和太陽(yáng)耀斑的影響。圖2為風(fēng)云二號(hào)C星太陽(yáng)電池陣母線電流衰降曲線。

太陽(yáng)電池受到輻射之后，將產(chǎn)生一種被稱為離子化的原子過(guò)程。這一過(guò)程的結(jié)果會(huì)減小電池基體區(qū)域中少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和壽命。最終導(dǎo)致電池輸出電流、電壓和功率的降低。對(duì)于某些材料（如蓋片膠、玻璃蓋片），受到輻射以后，也將會(huì)引起材料變黑、產(chǎn)生色心并使它的機(jī)械特性變差。

在同步軌道，太陽(yáng)電池主要受到電子和太陽(yáng)耀斑產(chǎn)生的高能質(zhì)子的影響，而后者在短期內(nèi)的影響要遠(yuǎn)大于常規(guī)的電子輻射的影響。

從圖3所示的風(fēng)云二號(hào)C星太陽(yáng)電池陣母線電流的衰降率可以看出，隨著衛(wèi)星在軌時(shí)間的逐漸增加，母線電流的衰降也逐漸增大，入軌初期的衰降可認(rèn)為主要是紫外輻射的影響，這是由于在軌時(shí)間較短，粒子輻射的累計(jì)通量較小，所以對(duì)太陽(yáng)電池的影響也較小，在以后則是粒子輻射和紫外輻射的綜合影響。

根據(jù)中科院空間中心報(bào)道[1]，從衛(wèi)星2004年10月19日發(fā)射后，已發(fā)生了多起太陽(yáng)耀斑，其中2004年11月7日的太陽(yáng)耀斑為X級(jí)耀斑，并產(chǎn)生了太陽(yáng)質(zhì)子事件，由于此時(shí)衛(wèi)星剛剛發(fā)射不久，在軌才19 d，應(yīng)該是紫外輻射起主導(dǎo)作用，這次耀斑加速了太陽(yáng)電池陣母線電流的衰降，而在2005年1月17日（在軌90 d）、5月15日（208 d）、9月1日（318 d）發(fā)生的太陽(yáng)耀斑，對(duì)太陽(yáng)電池陣的影響就很明顯，短期內(nèi)太陽(yáng)電池陣的母線電流分別下降了約0.5%～1%，在母線電流的衰降曲線上形成了明顯的臺(tái)階。

FY-2C星在軌工作已有五年半，衛(wèi)星運(yùn)行四年時(shí)（2008年10月18日）太陽(yáng)電池陣的母線電流衰降約11%（包括紫外輻射2%衰降），除去紫外輻照，太陽(yáng)電池陣由粒子輻照衰降約為9%，等效到能量為1MeV,這相當(dāng)于1×1014e/cm2通量的影響[2]，對(duì)于任務(wù)期在3～4年的同步軌道衛(wèi)星是完全可以接受的。

衛(wèi)星入軌初期處于太陽(yáng)活動(dòng)的低年，但還是出乎專家們對(duì)這一時(shí)期地球同步軌道環(huán)境的理解[1]。根據(jù)太陽(yáng)活動(dòng)11年一個(gè)周期的規(guī)律，目前太陽(yáng)活動(dòng)將進(jìn)入高年。因此，太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)必須充分考慮空間環(huán)境對(duì)太陽(yáng)電池陣功率輸出的影響，同時(shí)不斷提高太陽(yáng)電池及其它相關(guān)材料的抗輻射性能，才能獲得高質(zhì)量、高可靠的電源系統(tǒng)。

3 討論

3.1 遙測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度

(1)太陽(yáng)電池陣的相關(guān)參數(shù)都經(jīng)過(guò)了遙測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)變換器處理，遙測(cè)信號(hào)采樣電平標(biāo)稱的變換精度是±1.5%，在地面曾用可調(diào)的電壓信號(hào)代替電池的采樣信號(hào)對(duì)遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果誤差極小，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)的±1.5%。

(2)衛(wèi)星入軌初期，衛(wèi)星姿態(tài)變化較大，太陽(yáng)入射角不容易準(zhǔn)確計(jì)算，也可能引入誤差。

3.2 數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確度

我們從母線電流衰降曲線可以看到一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，母線電流的衰降似乎還是隨著季節(jié)的變化而變化，從理論上分析經(jīng)過(guò)歸一化處理母線電流應(yīng)該和太陽(yáng)電池陣的光輻照度無(wú)關(guān)了，怎么還會(huì)隨著季節(jié)的變化而波動(dòng)呢？?jī)煞贮c(diǎn)往上走，兩至點(diǎn)向下行。正如上面所分析的，太陽(yáng)電池陣的母線電流是一個(gè)組成比較復(fù)雜的電流值，既有接近短路電流處工作的分流電流、充電電流，也有接近工作點(diǎn)工作的負(fù)載電流，在兩分點(diǎn)時(shí)衛(wèi)星的母線電流變大，在衛(wèi)星的負(fù)載電流基本穩(wěn)定的情況下分流電流就要增加，此時(shí)又處于全電流充電，充電電流較大，分流電流和充電電流都工作在短路電流點(diǎn)附近。而在兩至點(diǎn)前后母線電流中分流電流的含量降低了，充電電流也變成涓流充電，充電電流也小了許多，工作點(diǎn)在短路電流附近的電流成分少了。由于短路電流比工作點(diǎn)電流大是太陽(yáng)電池特性所決定的，正是這個(gè)原因，母線電流中分流電流和充電電流的多少就造成了歸一化以后的母線電流依然隨著季節(jié)變化而變化。同樣在衛(wèi)星上采集的方陣性能信號(hào)，由于采集的是電池的短路電流，所以經(jīng)過(guò)歸一化處理就沒有季節(jié)變化的影響。另外，母線電流和工作點(diǎn)電流在受粒子輻射的影響也是各不相同的，因?yàn)樵诘孛嬖囼?yàn)中，在同一輻射通量的情況下，它們的衰降率之間的差別就比較大，因此，母線電流的衰降率不能簡(jiǎn)單地和太陽(yáng)電池短路電流及最大功率點(diǎn)電流的衰降率作比較。在軌期間太陽(yáng)電池陣母線電流的衰降是粒子輻射和紫外輻射等的綜合影響的結(jié)果。可以就變化的趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行比較和研究。表1是FY-2C衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣母線電流衰降率變化情況。

表1 FY-2C衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣母線電流衰降率變化表

4 結(jié)論

FY-2C衛(wèi)星的太陽(yáng)電池陣是國(guó)內(nèi)同步軌道首次采用背場(chǎng)背反射器太陽(yáng)電池的電池陣，在軌工作至今已有五年半，工作狀態(tài)正常。四年11%的衰降率（含紫外）是衛(wèi)星完全可以接受的，對(duì)于工作壽命在三到五年的衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，應(yīng)用背場(chǎng)硅太陽(yáng)電池是合適的，具有較高的性價(jià)比。

[1] 梁金寶.風(fēng)云二號(hào)04星空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器技術(shù)總結(jié)[C]//風(fēng)云二號(hào)04星技術(shù)總結(jié)專輯,上海:2006中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第八研究院風(fēng)云二號(hào)項(xiàng)目辦,2006,11-32.

[2]TADA H Y,CARTER J R,ANSPAUGH B E,et al.Solar Cell Radiation Handbook-Third edition[M].California:NASA,1982:1-412.