火星塵埃對太陽電池陣的影響與電簾除塵研究

賈巍,倪家偉,黃三玻,宗魏,肖杰,王訓春,池衛(wèi)英

(1.上海空間電源研究所物理電源事業(yè)部,上海200245;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海201108)

火星塵埃對太陽電池陣的影響與電簾除塵研究

賈巍1,倪家偉1,黃三玻1,宗魏2,肖杰2,王訓春1,池衛(wèi)英1

(1.上海空間電源研究所物理電源事業(yè)部,上海200245;2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海201108)

火星表面大量塵埃在太陽電池陣表面的累積將會導致其輸出功率下降,甚至使太陽電池陣功能失效。近年來,電簾除塵方法被認為是在火星著陸任務(wù)中進行塵埃防護最有效的手段之一。本文開展了火星塵埃累積對三結(jié)砷化鎵太陽電池性能影響的實驗研究,得到了火星塵埃累積量與太陽電池電壓、電流和相對輸出功率數(shù)值模型;通過除塵技術(shù)分析,確定電簾除塵裝置構(gòu)型;依據(jù)制備得到的除塵電簾,對不同火星塵埃累積下電簾的除塵效率進行了研究,為火星著陸太陽電池陣遙測數(shù)據(jù)分析和開發(fā)自適應(yīng)除塵太陽電池陣提供有力的技術(shù)支持。

三結(jié)砷化鎵太陽電池;火星塵埃;電簾除塵

0 引言

火星大氣中含有顯著的懸浮塵埃,據(jù)估算火星表面大氣中塵埃密度約為1.8×10-7kg/m3,這些塵埃與太陽輻射、熱輻射的相互作用,關(guān)系到火星大氣中相關(guān)的凝聚和蒸發(fā)過程,也影響到火星大氣的結(jié)構(gòu)、熱平衡和動力學過程,被認為是火星低層大氣環(huán)境變化的重要因素之一[1-2]?；鹦巧辖?jīng)常出現(xiàn)劇烈的火星風暴,在火星風的作用下整個火星彌漫著火星塵埃?；鹦菈m埃通過范德華力和靜電力的作用會積聚在太陽電池翼上,使電池的性能下降。據(jù)火星開拓者(Mars pathfinder)測試結(jié)果表明:積聚和粘附在太陽電池翼上的塵埃使太陽電池翼的轉(zhuǎn)換效率每個火星日下降約0.28%。2年后,估計太陽電池翼的電性能下降將可達22%～89%。而2004年著陸的“勇氣”號和“機遇”號受火星塵暴影響,火星車的每日供電曾分別降至261 W·h和128 W·h。而正常情況下,每輛火星車日均電力供應(yīng)都可達到700 W·h以上[3]。

火星塵對太陽電池陣的影響可以直接由太陽電池性能決定,因此可以研究太陽電池性能變化來得出太陽電池陣性能變化?；鹦菈m埃對太陽電池的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:1)火星塵沉積在電池表面并不斷積累,影響太陽光的透過率,進而導致其輸出功率下降;2)由于火星塵粘附于太陽電池表面,改變了電池表面的熱物理性能,從而導致電池溫度升高和性能降低。

當火星塵埃沉積在太陽電池上時,由于火星塵埃形狀、粒徑不同,光將會分為透射光、反射光和散射光,入射到太陽電池的光譜將發(fā)生變化,與AM0光譜相比不僅僅是輻照度的衰減。因此對于三結(jié)砷化鎵太陽電池來說,采用透射率變化等效遮擋面積來研究三結(jié)砷化鎵太陽電池性能變化將會出現(xiàn)較大偏差。本文將首先分析火星塵埃累積量與太陽電池電壓、電流和相對輸出功率的關(guān)系,通過性能分析確定除塵電簾的最佳工作條件。

1 火星塵對太陽電池陣影響分析

為測試火星塵埃累積量對太陽電池性能衰減的影響,設(shè)計如下實驗方案:選用效率為29%的三結(jié)砷化鎵太陽電池(電池尺寸40 mm×60 mm),采用振動篩將模擬火星塵埃均勻撒布在三結(jié)砷化鎵太陽電池表面。然后采用電子天平測量火星塵埃質(zhì)量,再將試樣放置于AM0太陽模擬器下對太陽電池性能進行測試。

1.1 火星塵埃累積對太陽電池工作電壓Vm影響分析

圖1為覆蓋不同塵埃后太陽電池工作電壓Vm的變化曲線。從圖中可以看出,當單位面積火星塵埃質(zhì)量少于1 mg/cm2時,太陽電池工作電壓Vm僅下降2%;單位面積火星塵埃質(zhì)量5 mg/cm2時,太陽電池工作電壓Vm下降8%;單位面積火星塵埃質(zhì)量達到6.5 mg/cm2時,太陽電池工作電壓Vm下降18%。從實驗結(jié)果看出,火星塵埃累積對太陽電池工作電壓Vm性能影響較小,但是針對太陽電池陣工況,當太陽電池電路輸出電壓低于母線電壓值時,太陽電池陣將無法為電源系統(tǒng)提供功率輸出,不滿足航天器輸出功率要求。因此當太陽電池工作電壓Vm下降至90%時(單位面積火星塵埃質(zhì)量≤5 mg/ cm2),必須清除太陽電池陣沉積的火星塵埃。

圖1 塵埃累積對太陽電池工作電壓Vm的影響Fig.1 Relationship between dust cumulative mass and operating voltage Vm

1.2 火星塵埃累積量對太陽電池工作電流Im影響分析

火星塵埃累積量對太陽電池工作電流Im的影響如圖2所示,與太陽電池工作電壓Vm明顯不同,隨著火星塵埃累積增加,太陽電池工作電流Im呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)衰降的趨勢。當單位面積火星塵埃質(zhì)量達到6.5 mg/cm2時,太陽電池工作電流Im下降了89%。對火星塵埃累積太陽電池工作電流Im變化實驗結(jié)果進行一階指數(shù)衰減擬合,火星塵埃累積量為x(單位為mg/cm2),太陽電池工作電流Im為y (單位為m A)。擬合得到方程為

其中y0=-6.212 96,A1=148.070 96,t1= 3.307 83,實驗結(jié)果和擬合曲線如圖2所示。從圖2可以看出,實驗測試曲線與擬合方程之間相關(guān)度達到了0.999 17,具有較高吻合度,因此可以認為火星塵埃累積量對太陽電池工作電流Im的影響可以采用擬合得到的經(jīng)驗公式進行分析,可以為未來分析火星著陸器遙測數(shù)據(jù)提供支持。

1.3 火星塵埃累積量對太陽電池相對輸出功率影響分析

太陽電池輸出功率由太陽電池工作電流Im和太陽電池工作電壓Vm決定(P=Vm·I),雖然太陽電池工作電壓Vm變化較小,但是太陽電池工作電流Im為指數(shù)衰降,因此太陽電池相對輸出功率也呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)衰降的趨勢(如圖3所示)。當單位面積火星塵埃質(zhì)量達到6.5 mg/cm2時,太陽電池相對輸出功率也下降了89%。對火星塵埃累積太陽電池相對輸出功率變化實驗結(jié)果進行一階指數(shù)衰減擬合,火星塵埃累積量為x(單位為mg/cm2),太陽電池相對輸出功率為y(單位為%)。擬合得到方程為

其中y0=-4.206 34,A1=104.206 34,t1= 3.084 57,實驗結(jié)果和擬合曲線如圖3所示。由于太陽電池工作電壓也有所變化,因此太陽電池相對輸出功率下降較太陽電池工作電流下降多,因此實驗測試曲線進行指數(shù)函數(shù)擬合時,相關(guān)度有所下降,但是由于太陽電池工作電壓變化不大,因此測試曲線與擬合方程之間相關(guān)度為0.998,仍具有較高吻合度。

圖2 塵埃累積對太陽電池工作電流Im影響Fig.2 Relationship between dust cumulative mass and operating current

圖3 塵埃累積對太陽電池相對輸出功率影響Fig.3 The relationship graph of relative output power and dust deposition mass per unit area

通過對火星塵埃累積對太陽電池性能影響進行分析,可以直觀反映了航天器太陽電池陣輸出性能變化。根據(jù)試驗結(jié)果可以看出,火星塵埃對太陽電池陣性能影響十分明顯,因此必須對太陽電池陣除塵技術(shù)進行研究,才能確保航天器太陽電池陣穩(wěn)定輸出。

2 除塵技術(shù)介紹

通過上述分析可以看出,塵埃嚴重影響著太陽電池陣統(tǒng)的正常工作。因此,如何及時有效地去除太陽電池陣表面沉積的大量塵埃以保障其高效率、高清晰工作已成為著陸器中亟需解決的問題。所以針對太陽電池陣表面的自清潔技術(shù)研究也越來越引起人們的關(guān)注。NASA重點關(guān)注的除塵技術(shù)有主要有4種:自然除塵、機械振動除塵、電簾除塵和蓮葉效應(yīng)除塵[47]。

1)自然除塵

利用火星風進行塵埃清除的方法為自然除塵法。Gaier Perez-Davis和Marabito研究了此方法。通過試驗表明:在低氣壓的火星環(huán)境下除塵所需要的風速比在地球大氣中需要的高。當在火星風速≥35 km/s時,才能清除大部分微塵。而從“海盜號”探測器對風速100多天的探測結(jié)果表明:其著陸點的最大風速僅為25 m/s。因此,在火星上不太可能僅僅利用風速就能清除大量的微塵。

2)機械振動除塵

NASA's Jet Propulsion Laboratory最初提出太陽翼抖動技術(shù)方案,即將太陽電池翼設(shè)計為可轉(zhuǎn)動的,在早晨或傍晚太陽光線幾乎是水平時,轉(zhuǎn)動太陽電池翼使其為垂直或傾斜狀態(tài),來清除微塵。但是經(jīng)過JPL通過幾年的研究發(fā)現(xiàn)機械振動除塵技術(shù)存在以下幾種難以克服的問題:①火星塵埃通過范德華力和靜電力的作用在太陽電池翼,使其具有較強吸附力,必須具有較大振動幅度才能達到效果;②火星氣壓較低,重力較小,難以形成有效的剪切力,抖動效果不佳;③電池陣旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復雜,電機振動產(chǎn)生對太陽電池陣結(jié)構(gòu)存在影響;④火星表面存在較多沙地,容易導致火星車下陷。

3)電簾除塵

電簾除塵工作的基本原理是將電極連接到多相(或單相)交流電源上,從而產(chǎn)生交流電場的行波(或駐波),沉積在電極的灰塵由于接觸或者與絕緣介質(zhì)摩擦而帶電荷,因此,在電場的作用下灰塵粒子隨行波(或駐波)被舉起并沿著垂直于電極軸線的方向運動,從而達到除塵的目的[8]。1967年Tatom等人提出用電簾除塵來解決Apollo任務(wù)的除塵問題,但報告中并沒有進行深入探討。20世紀70年代, Masuda等人對電簾除塵技術(shù)理論進行分析研究,并且在大氣環(huán)境中證明了利用電簾結(jié)構(gòu)產(chǎn)生行波的方法可以成功地進行無接觸式搬運塵埃,塵埃根據(jù)所帶電荷的極性順著或逆著電場的方向移動,最終被移除。但是隨著美國登月計劃停止,該研究也隨之擱淺。直到美國重返月球計劃的提出,電簾除塵技術(shù)才重新引起廣泛的關(guān)注。NASA有關(guān)試驗室已經(jīng)進行了大量的試驗,并獲得了寶貴的數(shù)據(jù)。特別值得關(guān)注的是近幾年來美國波士頓大學M.K. Mazumder教授課題組在NASA基金的支撐下已經(jīng)在進行電簾除塵裝置應(yīng)用模擬實驗,以便能夠?qū)⒃撗b置應(yīng)用于火星、月球等火星航天登陸器上。

4)蓮葉效應(yīng)除塵

一種處于研究中的被動防塵方法,是借鑒自然界荷葉的疏水原理,在散熱面上增加細小的紋路,這些紋路的尺寸比火星塵顆粒的特征尺寸還要細小,當火星塵與這種散熱面接觸時就相當于與一個納米級的“針床”接觸而不是與一個平面接觸,這大大減小了火星塵顆粒與散熱面之間的接觸面積,從而減弱了它們之間的附著力,達到防塵的目的。

由于著陸器的光學系統(tǒng)及太陽電池陣表面不但需要具有高透過率而且不能被磨損,所以對其光學系統(tǒng)表面的除塵要求相對其他非光學表面顯得更為苛刻。通過對上述除塵技術(shù)分析可以看出,采用電簾的除塵技術(shù)相對其他技術(shù)而言,具有高透過率、高壽命以及高穩(wěn)定性等優(yōu)勢。所以電簾除塵技術(shù)研究對月球與火星著陸探測任務(wù)很有必要。

3 除塵電簾工況研究

依據(jù)北京理工大學胡更開教授課題組優(yōu)化結(jié)果[9]得到的相對最佳工作條件和結(jié)構(gòu)參數(shù);接下來根據(jù)相關(guān)參數(shù),制備設(shè)計的除塵電簾。本文中用光刻ITO透明導電玻璃或透明導電薄膜得到電簾,達到除塵并且對光學透過率影響小的目的[10]。

當航天器著陸于火星后,隨著任務(wù)需要,航天器將會在不同地貌的火星表面行走,而且也會面臨不同的氣候條件,但與地球不同,火星惡劣氣候主要為沙塵暴、大風等天氣,并無降雪、降雨以及結(jié)冰等氣候天氣,因此在完成除塵電簾制備封裝后,需對除塵組件的不同塵埃累積工況進行分析研究,以檢驗除塵組件在不同工況下的工作效能以及相應(yīng)控制策略。

通常電簾的除塵效率定義為

其中:m0為電簾表面塵埃質(zhì)量;m1為除塵后剩余塵埃質(zhì)量;η體現(xiàn)了電簾的塵埃清除能力。當m1=0時,η為100%,表明塵埃全部被清除。當顆粒直徑太小時,無論時間多長,仍將有部分塵埃難以被清除。

隨著單位面積火星塵埃累積質(zhì)量增加,除塵效率也隨之變化。但是從圖4和圖5中發(fā)現(xiàn),在單位面積火星塵埃累積質(zhì)量＜3 mg/cm2時,除塵效率均在90%以上;而當火星塵埃累積質(zhì)量＞4 mg/ cm2時,除塵效率下降到80%以下,導致有較多火星塵埃團聚在電簾表面難以清除,即使延長除塵時間也難以搬運。由圖5可以看出,當塵埃累積達到2 mg/cm2時,電簾除塵效率較高,但是受表面能影響已經(jīng)在局部區(qū)域出現(xiàn)聚集;當塵埃累積達到3 mg/cm2時,電簾工作后,火星塵埃發(fā)生團聚現(xiàn)象,電簾除塵效率下降,難以完全清除。因此必須設(shè)定工作條件,在單位面積火星塵埃累積質(zhì)量達到一定程度時電簾及時開機工作,以確保太陽電池陣長期高效率輸出并減少能量損耗。

圖4 不同塵埃累積對除塵效率影響Fig.4 Relationship between dust cumulative mass and dust removal efficiency

圖5 不同塵埃累積除塵后電簾照片F(xiàn)ig.5 Electric curtain after dust removal work

從圖6可以看出,當單位面積火星塵埃累積質(zhì)量＞3 mg/cm2時,太陽電池陣相對輸出功率下降至30%左右,而此時電簾除塵仍具有很高的效率(≥90%)。所以可以設(shè)定當單位面積火星塵埃累積質(zhì)量達3 mg/cm2時,即太陽電池陣相對輸出功率下降至30%左右時,開啟電簾進行除塵,既可保證航天器長期有效的能源供應(yīng),也可降低除塵電簾功耗。

圖6 除塵前后太陽電池陣相對輸出功率Fig.6 The relative output power of solar cell before and after dust removal work

4 結(jié) 論

本文通過對火星塵埃累積對三結(jié)砷化鎵太陽電池性能影響進行分析,建立了火星塵埃累積與三結(jié)砷化鎵太陽電池性能函數(shù)模型,為未來火星著陸航天器遙測數(shù)據(jù)分析提供支持。依據(jù)電簾優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,制備透明除塵電簾。通過搭建一體化電路,完成電簾除塵演示系統(tǒng)搭建,研究了不同火星塵埃累積質(zhì)量下電簾除塵效率的變化,確定了太陽電池陣電簾除塵啟動的最佳工作條件。

致謝

感謝北京理工大學胡更開教授課題組與清華大學李水清教授課題組提供技術(shù)支持。

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電話:13651628209

E-mail:njustjw@126.com

[責任編輯:宋宏]

Experimental Study on Triple Junction Solar Cells Performance and Dust Removal Efficiency with Mars Dust

JIA Wei1,NI Jiawei1,HUANG Sanbo1,ZONG Wei2, XIAO Jie2,WANG Xunchun1,CHI Weiying1
(1.Department of Physical Power,Shanghai Institute of Space Power-sources,Shanghai 200245,China 2.Aerospace System Engineering Institute of Shanghai,Shanghai 201108,China)

In the future manned lunar landing,the solar array output power may be decreased or molfunction when the Mars dust accumulated on the surface of the solar array.In recent years,electric curtain dust removal method is considered an effective means for the Mars dust prevention.In this paper,the performance of triplejunction gallium arsenide solar cell was analysed as Mars dust accumulated on solar cell.From the experimental results,we obtained a trend exponential function between the relative output power and dust deposition mass.Next, the dust removal efficiency of electric curtain under different Mars dust accumulation mass was studied,and the optimum operating point of electric curtain dust removal device was obtained.The research will provide a strong technical support for adaptive dust solar array.

triple-junction gallium arsenide solar cells;Mars dust;electric curtain dust removed

V47

:A

:2095-7777(2014)04-0303-05

10.15982/j.issn.2095-7777.2014.04.010

賈巍(1985—),男,博士,上?？臻g電源研究所物理電源事業(yè)部,工程師。主要研究方向為新型太陽電池陣研發(fā)與新型光伏技術(shù)。

2014-10-14

2014-10-30

上海市科學技術(shù)委員會自然科學基金資助項目(13ZR1457800,12170700500)