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)與物理重點實驗室　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)與物理重點實驗室蘭州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算方法，計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，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)

隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，各種空間飛行器對功率的需求日益增大，這勢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，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，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行在300～500 km的低地球軌道時，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，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。計算過程中等離子體密度取1012m-3，溫度取0.5 eV，同時，根據(jù)國外實驗結(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，當(dāng)工作電壓小于100 V時，收集電流密度上升比較緩慢，當(dāng)工作電壓大于100 V時，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)到一個負(fù)的表面平均電位，當(dāng)太陽電池在較低電壓時，由于存在負(fù)的表面平均電位，將會在金屬互聯(lián)和半導(dǎo)體之間形成一個勢壘，只有等離子體中電子能量大于這個勢壘才可以被收集。

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不斷增大，玻璃蓋片表面二次電子在該電場作用下，沿著玻璃蓋片表面向金屬互聯(lián)運動，最終穿過勢壘被金屬互聯(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，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)

對于航天器功率P=1 kW的要求，并聯(lián)的太陽電池數(shù)量：

(5)

因此，整個太陽電池陣的面積：

(6)

根據(jù)總體設(shè)計要求，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)

對于整個太陽電池陣，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，高壓太陽電池收集電流大，同時，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，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，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，航天器的工作狀況對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，在衛(wèi)星功率一定時，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，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，從而實現(xiàn)低地球軌道高壓太陽電池更好地應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]楊華星，畢雨雯，路火平. 新型高壓太陽電池陣在低軌等離子體環(huán)境中的適應(yīng)性分析和研究[J]. 載人航天，2011，(6): 11-16.(YANG Hua-xing, BI Yu-wen, LU Huo-ping.Analysis and study of the new type high voltage solar array adaptability in the plasma environment[J].Manned Spaceflight, 2011, (6): 11-16.)

[2]HASTINGS D E,CHO M,KUNINKA H.Arcing rates for high voltage solar arrays-theory, experiment, and predictions[J]. Journal of Spacecraft and Rocket, 1992, 29(4): 538-554.

[3]古士芬，師立勤，宋力，等. 空間等離子體導(dǎo)致高壓太陽電池陣的電流收集[J], 空間科學(xué)學(xué)報，1995，15(1): 42-46. (GU Shi-fen, SHI Li-qin, SONG Li, et al．The current collection by high voltage solar array from the space plasma[J].Chinese Journal of Space Science, 1995, 15(1): 42-46.)

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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：2095-6223(2016)010602(3)

中圖分類號：V242.2

作者簡介：陳益峰(1981- )，江蘇通州人，高級工程師，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

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(11105063)

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2015-12-12