火星表面環(huán)境對(duì)太陽電池陣設(shè)計(jì)影響分析與對(duì)策

劉治鋼 王飛 陳燕 黃三玻 郭偉峰 林文立

（1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）（2上?？臻g電源研究所，上海 200233）

火星表面環(huán)境對(duì)太陽電池陣設(shè)計(jì)影響分析與對(duì)策

劉治鋼1王飛1陳燕1黃三玻2郭偉峰1林文立1

（1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）（2上海空間電源研究所，上海 200233）

通過調(diào)研與分析NASA火星表面探測(cè)任務(wù)獲取的火星表面光照、溫度、塵埃等數(shù)據(jù)，從光強(qiáng)、光譜、直射光與散射光等方面分析了火星表面光照條件對(duì)三結(jié)砷化鎵太陽電池伏安特性的影響，以及火星塵埃對(duì)太陽電池輸出功率的影響。從降低光譜失配和減小塵埃影響的角度，提出了火星光譜匹配太陽電池和太陽電池陣塵埃防護(hù)設(shè)計(jì)思路，以提升三結(jié)砷化鎵太陽電池在火星表面的發(fā)電能力和生存能力，可為我國(guó)火星表面探測(cè)任務(wù)太陽電池陣優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

火星表面環(huán)境；太陽電池；光譜匹配；塵埃防護(hù)

1 引言

火星是與地球最近的類地行星，因此多個(gè)航天國(guó)家都極為重視對(duì)火星的探測(cè)。在過去數(shù)十年中，美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本及印度向火星發(fā)射了42次火星探測(cè)任務(wù)，成功或部分成功22次，其中4個(gè)著陸器成功著陸火星，4輛火星車登陸火星，獲得了關(guān)于火星大氣、土壤等大量科學(xué)數(shù)據(jù)。火星表面探測(cè)（著陸與巡視）是從微觀層面獲取火星表面氣候、大氣成分、土壤、巖石等科學(xué)數(shù)據(jù)的最直接方式。由于受到火星表面光照條件、大氣、塵埃等因素影響，探測(cè)器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)須要滿足苛刻的要求。目前，除美國(guó)2012年發(fā)射并成功開展巡視探測(cè)任務(wù)的好奇心號(hào)火星車采用同位素溫差發(fā)電器（RTG）外，其余著陸與巡視探測(cè)任務(wù)，如海盜號(hào)、“火星探路者”、“火星探索漫游者”（勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)）和鳳凰號(hào)均采用太陽電池作為電源系統(tǒng)發(fā)電部件。為驗(yàn)證火星表面光譜對(duì)太陽電池發(fā)電的影響，勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車通過攜帶光譜標(biāo)定設(shè)備對(duì)火星光譜進(jìn)行測(cè)量，獲得了火星直射光和散射光的測(cè)量數(shù)據(jù)［1］。通過測(cè)量火星表面光譜，NASA于2004年啟動(dòng)了火星光譜匹配的火星優(yōu)化太陽電池技術(shù)（Mars Optimized Solar－cell Technology，MOST）研究項(xiàng)目［2］，旨在優(yōu)化太陽電池在火星光照條件下的性能，以更好地應(yīng)用于火星表面探測(cè)任務(wù)。

本文通過分析NASA火星表面探測(cè)任務(wù)獲取的火星表面光照、溫度、塵埃等數(shù)據(jù)，提出火星表面探測(cè)任務(wù)太陽電池陣設(shè)計(jì)的影響因素，以及針對(duì)性的設(shè)計(jì)措施，可為我國(guó)火星表面探測(cè)任務(wù)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2 火星表面環(huán)境對(duì)太陽電池陣影響因素分析

影響太陽電池陣輸出功率的主要火星表面環(huán)境因素包括太陽光強(qiáng)、光譜等光照條件，以及火星表面溫度、塵埃累積量等因素［3］。

2．1 光照條件

1）光強(qiáng)

火星上的平均太陽光強(qiáng)只有地球的0．43，目前國(guó)際上通常采用的地球軌道光強(qiáng)為1353W/m2，而火星運(yùn)行軌道的平均光強(qiáng)為590W/m2。此外，火星的光強(qiáng)隨著與太陽的距離變化還會(huì)有±19%的波動(dòng)，為493～717W/m2［3－4］。

2）光譜

到達(dá)火星表面的光譜受大氣和塵埃的影響，強(qiáng)度更弱，具體分布隨經(jīng)緯度的不同而有所差異。相比地球軌道的AM0（表示大氣質(zhì)量為0，即真空情況）光譜，火星光譜藍(lán)光段較弱，紅光和紅外光段較強(qiáng)。勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車攜帶了光譜測(cè)量?jī)x，對(duì)火星表面光譜進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖1所示［1］。研究結(jié)果表明：太陽光譜經(jīng)過塵埃后，光譜透過率（光線通過火星大氣后的衰減情況）在藍(lán)紫光譜段數(shù)值小于在紅光及近紅外譜段，影響透過率的因素主要有介質(zhì)的吸收與反射?；鹦潜砻娴拇髿獬煞种饕卸趸己蛪m埃，二氧化碳的吸收譜段主要在紅外譜段，在可見光譜段基本沒有吸收，由此可以推測(cè)出火星表面塵埃對(duì)光譜的調(diào)制作用更為顯著；另一方面，隨著太陽高度角（與水平面夾角）的減小，光譜透過率整體減弱，這主要是由于太陽光經(jīng)過火星表面大氣的光程增加，氣體與塵埃對(duì)光強(qiáng)的衰減作用所致。藍(lán)紫光譜段光譜透過率的減小，將直接影響太陽電池片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，針對(duì)AM0光譜開發(fā)的三結(jié)砷化鎵太陽電池，在火星表面光照條件下的性能會(huì)發(fā)生變化，原本匹配的結(jié)間電流會(huì)出現(xiàn)失配，影響電池的輸出功率。假定在AM0光照條件下，多結(jié)太陽電池的各子電池的光電流是平衡的，那么在火星表面光照條件下，多結(jié)太陽電池中的頂電池將具有最小的光電流，進(jìn)而限制整個(gè)電池的電流。NASA根據(jù)“火星探索漫游者”測(cè)得的光譜進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表1［1］?？梢?，在模擬火星光譜條件下，三結(jié)砷化鎵頂電池（鎵銦磷，GaInP）電流的損失最大，而且損失系數(shù)與太陽高度角也有一定關(guān)系，當(dāng)太陽高度角較小時(shí)，性能衰減更為嚴(yán)重。例如，在34°太陽高度角時(shí)，三結(jié)砷化鎵頂電池電流僅為標(biāo)準(zhǔn)值的86．2%，損失了13．8%，而三結(jié)砷化鎵中電池（砷化鎵，GaAs）電流變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)值的102．8%，增加2．8%，因此頂電池和中電池電流的失配度將達(dá)到16．6%。

3）直射光與散射光

受火星大氣中塵埃的多次反射作用，最終到達(dá)火星表面的光照可以分為直接光照（直射光）和間接光照（散射光）。即使最好的塵埃條件下（光深約為0．2），在火星表面接收到的總光照中，散射光約占50%。圖2為勇氣號(hào)在波長(zhǎng)為400～1000nm處測(cè)得的散射光與直射光對(duì)比情況［1］。可見，光深約為0．93時(shí)，在長(zhǎng)譜段和太陽高度角較小處，散射光所占比重較大，甚至可能超過直射光。粒子對(duì)光線的散射作用主要包含瑞利散射、米氏散射等。對(duì)于瑞利散射，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比；對(duì)于米氏散射，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的2次方成反比。也就是說，均呈現(xiàn)散射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的增加而減小的趨勢(shì)，進(jìn)而影響太陽電池對(duì)不同譜段太陽光的吸收率。

2．2 溫度

火星表面溫度受海拔高度、季節(jié)、每日具體時(shí)刻以及自身的表面性質(zhì)影響?；鹦亲赞D(zhuǎn)周期約為24h37min，與地球大體相同。大氣對(duì)火星起到一定的保溫效果，在0°～30°緯度范圍內(nèi)，火星表面溫度白晝最高為＋27℃，夜晚最低為－103℃［3－4］。從機(jī)遇號(hào)實(shí)測(cè)太陽電池陣溫度（見圖3［5］）可以看出：最高溫度范圍為－16～＋30℃，出現(xiàn)在春分點(diǎn)至夏至點(diǎn)之間；最低溫度范圍為－115～－60℃，一般在火星日早晨測(cè)得，因此隨季節(jié)無明顯變化。

太陽電池陣的輸出電壓、輸出電流與溫度密切相關(guān)，通常對(duì)于三結(jié)砷化鎵太陽電池，溫度對(duì)輸出電壓的影響系數(shù)為－6．5～－7．2mV/℃，對(duì)輸出電流的影響系數(shù)為0．006～0．014mA/（cm2·℃）。假設(shè)在40℃，0℃，－20℃溫度點(diǎn)時(shí)的光強(qiáng)及入射角相同，太陽電池在－20℃時(shí)的最大輸出功率比40℃時(shí)的超出約15%。

2．3 塵埃

大氣中塵埃的數(shù)量可以由光深參數(shù)量化。海盜號(hào)的光深在0．4～3．0變化，典型值為0．5。“火星探路者”在100h測(cè)量時(shí)間內(nèi)，光深變化為0．4～0．7［6］。勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)的太陽電池陣發(fā)電量及光深、塵埃因素如圖4所示。勇氣號(hào)在火星的第1周，光深約為0．91（藍(lán)光，440nm）和0．95（紅光，980nm）；而機(jī)遇號(hào)的第1周光深約為0．93（藍(lán)光，440nm）和0．95（紅光，980nm）。在任務(wù)初期，光深一直處于良好狀態(tài)，在冬季時(shí)最低可達(dá)0．2。

受火星表面塵埃、遮擋等因素影響，火星車的太陽能利用效率降低。以勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)為例，NASA最初曾預(yù)估太陽電池陣在壽命初期（每天正午前后4h內(nèi)）的平均輸出功率為140W，而壽命末期，在電池板塵埃覆蓋、火星上太陽光減弱、季節(jié)變換、太陽電池老化的共同作用下，輸出功率降為50W。在實(shí)際工作過程中，勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)每天供電能力為300～900W·h，光深較小時(shí)輸出功率相對(duì)較大，光深較大時(shí)輸出功率下降較為明顯。從勇氣號(hào)在第568個(gè)火星日和第1358個(gè)火星日的塵埃覆蓋情況（見圖5），并對(duì)照?qǐng)D4的發(fā)電量數(shù)據(jù)可以看出：圖5（a）所示的塵埃覆蓋較少時(shí)（光深約為0．5），發(fā)電量約為900W·h；圖5（b）所示的塵埃覆蓋嚴(yán)重時(shí)，發(fā)電量?jī)H約為350W·h。表2為勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)的光深與發(fā)電量統(tǒng)計(jì)。

圖4 勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)的太陽電池陣發(fā)電量及光深、塵埃因素Fig．4 Solar array energy，light depth and dust factor for Spirit and Opportunity

圖5 勇氣號(hào)太陽電池陣被塵埃覆蓋情況Fig．5 Solar array covered with dust for Spirit

表2 勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)的光深與發(fā)電量統(tǒng)計(jì)Table 2 Light depth and solar array energy for Spirit and Opportunity

2．4 其他因素

其他因素主要包括空間粒子輻照、帶電塵埃、著陸沖擊、巡視期間路面不平度引起的力學(xué)振動(dòng)等。

空間粒子輻照對(duì)太陽電池陣的影響，主要是輻照總劑量對(duì)性能衰降的影響和帶電粒子引起表面放電的影響。在整個(gè)任務(wù)期間，由于原子氧對(duì)火星探測(cè)器的影響較小，主要輻射來源于太陽宇宙線、銀河宇宙線，輻照環(huán)境與月球探測(cè)器相似。

火星塵埃帶電的主要原因是：在紫外射線和宇宙射線作用下會(huì)使塵埃帶上正電荷；另外，運(yùn)動(dòng)的塵埃在與大氣摩擦中也會(huì)帶上電荷。如果太陽電池陣表面具有很高的電位，將會(huì)吸引帶有異性電荷或中性電荷的塵埃。帶電粒子一方面可能增加太陽電池玻璃蓋片對(duì)塵埃的吸附作用，進(jìn)而影響太陽電池陣的輸出功率；另一方面，可能導(dǎo)致局部電荷累積，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致局部靜電放電現(xiàn)象。

3 太陽電池陣設(shè)計(jì)措施

與火星環(huán)繞探測(cè)［7］不同，由于火星表面具有塵埃環(huán)境特殊、光深較大以及光譜紅移的特點(diǎn)，常規(guī)三結(jié)砷化鎵電池很難最大化地利用火星表面太陽光，因此須要對(duì)火星探測(cè)器上的太陽電池陣進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。主要措施歸結(jié)為2類：①適當(dāng)改變?nèi)Y(jié)砷化鎵電池的內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)，以調(diào)節(jié)其光譜響應(yīng)；②對(duì)太陽電池陣表面進(jìn)行防塵設(shè)計(jì)，以減少塵埃覆蓋對(duì)太陽電池陣輸出功率的影響。

NASA在火星初始探測(cè)階段，并未對(duì)太陽電池進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，沿用了常規(guī)空間應(yīng)用的三結(jié)砷化鎵電池技術(shù)與產(chǎn)品，如勇氣號(hào)與機(jī)遇號(hào)火星車。在利用先期探測(cè)器獲知火星光譜光深大、藍(lán)光光譜強(qiáng)度相對(duì)減弱等特性后，啟動(dòng)了MOST項(xiàng)目，對(duì)火星探測(cè)器太陽電池開展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作［2］。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）及光譜實(shí)驗(yàn)室（Spectrolab）聯(lián)合進(jìn)行該項(xiàng)研究，為了模擬火星不同緯度的光照條件，共研制了2套濾鏡，一套用于模擬0°～30°緯度光譜，另一套用于模擬60°緯度光譜（接近極區(qū)）。針對(duì)60°緯度光譜，在AM0通用電池的基礎(chǔ)上研制了2種改進(jìn)型電池（B型、C型）。試驗(yàn)結(jié)果（見表3）表明：優(yōu)化后的電池在轉(zhuǎn)換效率和功率上均有所提升，其中C型電池較AM0通用電池可以提升3%～8%。這意味著，若采用優(yōu)化電池，勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)在火星上的發(fā)電量可以分別由250W和350W提高到270W和380W［8］。

3．1 火星光譜匹配太陽電池設(shè)計(jì)

三結(jié)砷化鎵太陽電池在結(jié)構(gòu)上由3個(gè)子電池串聯(lián)而成，在伏安特性方面表現(xiàn)為3個(gè)電流源串聯(lián)，如圖6所示。各子電池有選擇性地吸收和響應(yīng)不同的太陽光譜段，整體電池電壓是子電池電壓之和減去隧穿結(jié)電壓；整體電池電流滿足連續(xù)性原理，流經(jīng)各子電池的電流相等，輸出電流受限于各子電池光電流最小者，因此三結(jié)砷化鎵電池應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)各子電池的電流相等，減少電流損耗。三結(jié)砷化鎵電池各子電池電流由材料帶隙和吸收系數(shù)決定，底電池（鍺，Ge）產(chǎn)生的光電流最大，約是頂電池或中電池的2倍，對(duì)整體電池電流沒有限制作用，因此整體電池的輸出電流由光電流較小的頂電池或中電池決定。可見，提高三結(jié)砷化鎵太陽電池的性能，主要是優(yōu)化頂電池和中電池及其電流匹配度。

常規(guī)空間應(yīng)用的三結(jié)砷化鎵電池已基本實(shí)現(xiàn)AM0光照條件下頂電池與中電池的電流匹配，而火星光譜中紫光光譜的減弱會(huì)使頂電池成為電流輸出瓶頸，限制整個(gè)電池的電流，因此火星用太陽電池的優(yōu)化工作將主要針對(duì)三結(jié)砷化鎵電池的頂電池（紫光響應(yīng)）展開，主要優(yōu)化方向?yàn)閹都拔諏雍穸取？刹扇〉拇胧┌ǎ?/p>

（1）降低頂電池和中電池的帶隙。為更好地匹配AM0光譜，對(duì)當(dāng)前空間應(yīng)用三結(jié)砷化鎵太陽電池的頂電池和中電池的帶隙都進(jìn)行了優(yōu)化，在滿足材料晶格匹配的前提下，可基本實(shí)現(xiàn)頂電池與中電池的電流平衡。不過，在火星表面，太陽光經(jīng)過大氣和塵埃的散射與吸收作用后，藍(lán)紫光譜段的能量衰減大于紅光譜段，這將直接導(dǎo)致頂電池的光電流小于中電池，且會(huì)進(jìn)一步增大與底電池的電流差值。在保證晶格匹配性較好的前提下，通過適當(dāng)降低頂電池和中電池（尤其是頂電池）的材料帶隙，使吸收邊的紅移保證頂電池和中電池的電流平衡，從而有利于提高電池整體電流的輸出能力。

（2）降低頂電池和中電池的電流失配度。在擴(kuò)大電池光譜吸收范圍、提高光能整體利用率的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)和均衡分配頂電池和中電池的電流，降低結(jié)間電流失配度，實(shí)現(xiàn)電池電流輸出的最大化。

圖6 三結(jié)砷化鎵太陽電池伏安特性示意Fig．6 V－I of 3－triplejunction GaAs solar cell

3．2 塵埃防護(hù)設(shè)計(jì)

火星塵埃對(duì)太陽電池的影響主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：①火星塵埃沉積在電池表面并不斷積累，增大光深，降低太陽光的透過率，使太陽電池工作環(huán)境的光譜發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致其輸出功率下降；②火星塵埃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(dǎo)致電池溫度升高和性能降低。因此，如何及時(shí)、有效地去除太陽電池表面覆蓋的大量塵埃，保障其高效率的工作，已成為亟需解決的問題［9］。目前，主要可采用的除塵技術(shù)包括主動(dòng)除塵方式和被動(dòng)除塵方式，按照工作原理又可細(xì)分為6種，其特點(diǎn)如表4所示。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)任務(wù)需求及質(zhì)量、體積等任務(wù)約束進(jìn)行選擇。

表4 可用于太陽電池陣的除塵技術(shù)特點(diǎn)Table 4 Dust－cleaning technology characteristics for solar array

4 結(jié)論與建議

通過對(duì)火星光照條件、溫度、塵埃等表面環(huán)境調(diào)研，從火星表面探測(cè)任務(wù)需求出發(fā)對(duì)探測(cè)器太陽電池陣設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，可以得出結(jié)論如下。

（1）由于火星大氣與塵埃對(duì)太陽光中藍(lán)紫光的散射及吸收更為嚴(yán)重，太陽光譜譜型向長(zhǎng)譜段偏移，導(dǎo)致AM0通用三結(jié)砷化鎵太陽電池各子電池所產(chǎn)生的光電流發(fā)生變化，尤其降低了頂電池的輸出電流，而且使頂電池和中電池電流的失配度增加，從而使三結(jié)砷化鎵電池在火星光譜下的光電轉(zhuǎn)換效率降低。

（2）火星表面溫度變化范圍在－110～＋30℃，而且隨火星表面季節(jié)、緯度、當(dāng)?shù)貢r(shí)間、海拔等因素變化，因此要求太陽電池具備在寬溫度范圍內(nèi)正常工作的能力。

（3）火星塵埃主要影響太陽光透過率與光譜，通常情況下，火星冬季塵埃累積情況要少于夏季。在塵埃影響下，光深典型值范圍為0．2～1．0，塵暴情況下甚至可達(dá)4．0～6．0。

對(duì)于我國(guó)未來火星表面探測(cè)，對(duì)太陽電池陣和電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出如下建議。

（1）針對(duì)火星光譜與AM0光譜差異，開展太陽電池火星光譜匹配改進(jìn)設(shè)計(jì)研究，以提升在火星表面的發(fā)電能力。

（2）溫度對(duì)太陽電池輸出電壓影響較大，針對(duì)寬溫度范圍，一方面，在太陽電池串聯(lián)數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮電壓隨溫度變化的范圍，并留有一定余量；另一方面，開展太陽電池峰值功率跟蹤技術(shù)研究，以提升寬溫度范圍太陽電池陣輸出功率的利用率。

（3）針對(duì)火星塵埃影響，應(yīng)根據(jù)火星塵埃的不確定性，留有足夠的設(shè)計(jì)余量；應(yīng)根據(jù)任務(wù)需求，開展火星塵埃防護(hù)設(shè)計(jì)。

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（編輯：夏光）

Impact Analysis and Solution of Solar Array Design in Martian Surface Environment

LIU Zhigang1WANG Fei1CHEN Yan1HUANG Sanbo2GUO Weifeng1LIN Wenli1
（1Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2Shanghai Institute of Space Power－sources，Shanghai 200233，China）

The data of illumination，temperature and dust on Martian surface obtained by NASA’s several Martian surface exploration missions are investigated．The influences of solar intensity，spectrum，direct and scattered light on the V－I characteristics of triple junction GaAs solar cell and solar cell’s output power are analyzed．From the point of decreasing solar spectrum mismatching and diminishing the dust influence，a design scheme of Martian surface spectrum matching solar cell and dust mitigation is raised，which can improve the energy performance of the solar cell and survival probability on Martian surface．Furthermore，it may also be used as a reference for the solar cell optimized design for China’s Mars surface exploration mission．

Martian surface environment；solar cell；spectrum matching；dust mitigation

V442

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．007

2015－07－23；

2015－11－10

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

劉治鋼，男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教炱麟娫聪到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)。Email：bitlzg@163．com。