GEO衛(wèi)星網(wǎng)狀天線遮擋對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出功率影響的分析及對(duì)策

袁麗麗 尋薇 王利然 王威 梁新剛

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

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GEO衛(wèi)星網(wǎng)狀天線遮擋對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出功率影響的分析及對(duì)策

袁麗麗 尋薇 王利然 王威 梁新剛

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

大型網(wǎng)狀天線已經(jīng)在地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星中得到廣泛應(yīng)用，天線在軌展開(kāi)后不可避免地會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生遮擋。文章分析了大型網(wǎng)狀天線對(duì)太陽(yáng)電池陣的遮擋，綜合考慮遮擋對(duì)太陽(yáng)電池電路特性、太陽(yáng)電池陣有效面積和溫度的影響，并進(jìn)行了遮擋損失模擬試驗(yàn)。針對(duì)影響分析結(jié)果，提出了合理的應(yīng)對(duì)策略，如太陽(yáng)電池陣被遮擋后功率不足時(shí)由蓄電池組參與聯(lián)合供電，可為電源系統(tǒng)功率設(shè)計(jì)提供參考。

衛(wèi)星網(wǎng)狀天線；太陽(yáng)電池陣；遮擋分析；輸出功率

1 引言

隨著有效載荷技術(shù)的多樣化和復(fù)雜化，地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星上大型網(wǎng)狀天線的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。衛(wèi)星在主動(dòng)段和轉(zhuǎn)移軌道期間，大型網(wǎng)狀天線收攏在衛(wèi)星艙板上；衛(wèi)星定點(diǎn)后，天線通過(guò)火工裝置解鎖展開(kāi)。天線口徑大且構(gòu)型復(fù)雜，會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生遮擋。星體及天線桁架、網(wǎng)面、展開(kāi)臂等，在太陽(yáng)電池陣法面上的投影縱橫交錯(cuò)，且隨衛(wèi)星在軌運(yùn)行條件實(shí)時(shí)變化，使遮擋情況更加復(fù)雜，導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣輸出功率產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)。

文獻(xiàn)[1-6]提出的相關(guān)模型，對(duì)陰影遮擋后太陽(yáng)電池組件輸出特性的改變進(jìn)行了模擬，并給出了相關(guān)參數(shù)的計(jì)算和分析，但網(wǎng)狀天線對(duì)太陽(yáng)電池陣的遮擋未見(jiàn)詳細(xì)分析。GEO衛(wèi)星的大型網(wǎng)狀天線遮擋會(huì)造成太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出功率減少，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)存在大型網(wǎng)狀天線遮擋的在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)，因遮擋造成的功率損失可達(dá)太陽(yáng)電池陣實(shí)際輸出總功率的10%～25%，進(jìn)而影響整星的功率裕度，這對(duì)電源系統(tǒng)功率預(yù)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。因此，亟需針對(duì)存在大型網(wǎng)狀天線遮擋的GEO衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣進(jìn)行深入分析。

本文針對(duì)大型網(wǎng)狀遮擋對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出功率的影響因素進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。

2 大型網(wǎng)狀天線對(duì)太陽(yáng)電池陣遮擋的影響分析

目前，國(guó)內(nèi)大型網(wǎng)狀天線口徑可達(dá)10～25 m，多為桁架式結(jié)構(gòu)+網(wǎng)狀反射面，通過(guò)展開(kāi)臂與衛(wèi)星相連。太陽(yáng)電池陣在軌展開(kāi)后，由于受到大型網(wǎng)狀天線的遮擋，其輸出功率受到較大的影響。

結(jié)合太陽(yáng)電池電流-電壓(I-V)曲線，太陽(yáng)電池陣輸出功率主要取決于最佳工作點(diǎn)位置，因此某時(shí)刻輸出功率主要由電池片特征參數(shù)、串并聯(lián)設(shè)計(jì)、在軌溫度、太陽(yáng)方位角等決定。另外，衛(wèi)星在軌全生命周期會(huì)出現(xiàn)輻照損失和電池片電壓、電流衰降，因此還要考慮衰降因子、日地距離因子和測(cè)試誤差因子等[7-10]。

大型網(wǎng)狀天線的遮擋，主要影響太陽(yáng)電池電路的輸出電流和工作溫度，進(jìn)而影響太陽(yáng)電池陣的輸出功率。計(jì)算遮擋后的輸出功率，就要綜合考慮太陽(yáng)電池陣的布局、軌道和相對(duì)位置關(guān)系、天線構(gòu)件透光率、在軌溫度等因素。尤其針對(duì)衛(wèi)星壽命末期，受空間輻照和電池片電壓、電流衰降的影響，太陽(yáng)電池I-V曲線上的最佳工作點(diǎn)會(huì)偏移，導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣輸出功率下降，此時(shí)遮擋會(huì)使整星功率余量更加緊張，因此本文重點(diǎn)對(duì)壽命末期的遮擋情況進(jìn)行分析。

2.1 遮擋對(duì)太陽(yáng)電池電路特性的影響

大型網(wǎng)狀天線遮擋會(huì)影響太陽(yáng)電池的電流。以某衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣為例，它采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，單片尺寸為40.300 mm×30.600 mm×0.175 mm，特性參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池特性參數(shù)

太陽(yáng)電池陣采用串并聯(lián)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，共設(shè)計(jì)24個(gè)分陣，每塊電池板布置4個(gè)分陣，太陽(yáng)電池電路分陣構(gòu)型由6個(gè)單元電路組成，形成24并60串5折的電路布局設(shè)計(jì)，如圖1所示。圖1(c)中的60個(gè)電池片串聯(lián)建立起整串的電壓，減去線路壓降后，即為母線電壓。如果某片電池受遮擋造成其輸出電流減小，那么整串電池的電流都將被相應(yīng)限流；如果遮擋造成幾片電池輸出電壓下降甚至不輸出，而被旁路二極管旁路，那么整串電壓會(huì)下降，整串電壓導(dǎo)致了太陽(yáng)電池陣輸出電壓被箝位，影響到母線電壓的正常建立和輸出。因此，在作遮擋分析時(shí)，圖1(c)中相互對(duì)稱的兩并作為一個(gè)不可分割的單元。

圖1 某衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣布局Fig.1 Layout of solar arrays for a certain satellite

2.2 遮擋對(duì)太陽(yáng)電池陣有效面積的影響

GEO衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，太陽(yáng)方位角隨著衛(wèi)星軌道位置及在軌運(yùn)行時(shí)間發(fā)生變化，理論上春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)的太陽(yáng)方位角應(yīng)為0°，冬至點(diǎn)或夏至點(diǎn)的太陽(yáng)方位角應(yīng)為±23.5°。如果GEO衛(wèi)星有軌道傾角，即衛(wèi)星在傾斜地球同步軌道(IGSO)運(yùn)行，太陽(yáng)方位角將在上述角度附近變化。通過(guò)軟件計(jì)算某在軌衛(wèi)星太陽(yáng)方位角變化規(guī)律如圖2所示。通過(guò)STK軟件計(jì)算分析某GEO衛(wèi)星在軌12年大型網(wǎng)狀天線對(duì)太陽(yáng)電池陣的遮擋特性，以太陽(yáng)電池陣有效面積(即不被遮擋的太陽(yáng)電池總面積)為指標(biāo)，模擬了在軌12年的總體遮擋規(guī)律(如圖3所示)，可得出太陽(yáng)電池陣每年受遮擋的規(guī)律基本一致。從太陽(yáng)電池陣有效面積考慮，每年冬至點(diǎn)比夏至點(diǎn)遮擋嚴(yán)重，但是因?yàn)榭紤]實(shí)際功率輸出時(shí)，每個(gè)遮擋面積內(nèi)的單元電路受遮擋實(shí)際損失率不同，所以太陽(yáng)電池陣有效面積分析僅能作為確認(rèn)總體遮擋規(guī)律的參考，而不能作為遮擋損失的絕對(duì)判據(jù)。

圖2 傾斜地球同步軌道太陽(yáng)方位角曲線Fig.2 Curve of solar angle for IGSO

圖3 某衛(wèi)星大型網(wǎng)狀天線對(duì)太陽(yáng)電池陣的遮擋規(guī)律Fig.3 Rule of solar arrays shadowed by netty antenna for a certain satellite

2.3 遮擋損失模擬試驗(yàn)及分析

根據(jù)不同時(shí)刻大型網(wǎng)狀天線在太陽(yáng)電池陣上的投影進(jìn)行分析，可將天線對(duì)太陽(yáng)電池電路的遮擋分為8種情況：①桁架支桿遮擋；②懸線遮擋；③網(wǎng)狀拋物面遮擋；④鉸接頭遮擋；⑤桁架支桿和網(wǎng)狀拋物面同時(shí)遮擋；⑥桁架支桿和懸線同時(shí)遮擋；⑦懸線和網(wǎng)狀拋物面同時(shí)遮擋；⑧桁架支桿、懸線和網(wǎng)狀拋物面同時(shí)遮擋。如果天線構(gòu)件進(jìn)一步復(fù)雜，還可能出現(xiàn)更多的遮擋情況。

對(duì)桁架支桿、懸線、網(wǎng)狀拋物面、鉸接頭這4種遮擋物在太陽(yáng)電池電路上進(jìn)行自然光遮擋做模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程為：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓25 ℃條件下，取一個(gè)三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池單元電路(采用5折60串設(shè)計(jì))制成電池板試件，另取不同天線遮擋物分別做成遮擋試件。利用太陽(yáng)模擬器模擬太陽(yáng)光線，人為將每種遮擋試件在不同距離下以不同角度移動(dòng)，分別對(duì)電池板試件進(jìn)行遮擋試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件測(cè)得遮擋物距電池板試件不同距離、不同角度時(shí)的I-V曲線，與同樣條件下無(wú)遮擋時(shí)電池板試件的I-V曲線進(jìn)行對(duì)比，得到各個(gè)遮擋物和電池板試件不同距離時(shí)的透光率，進(jìn)而可以得到遮擋損失率。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。針對(duì)⑤～⑧的復(fù)合遮擋情況，本文采用由①～④單一遮擋率疊加的方法獲得。其中，針對(duì)桁架支桿等長(zhǎng)桿狀遮擋物，分別進(jìn)行橫向、縱向和斜向3種情況下的遮擋試驗(yàn)，圖4所示的情況為距桁架支桿3 m的電池板試件的I-V曲線。

通過(guò)遮擋試驗(yàn)結(jié)果，可得到如下結(jié)論。

(1)對(duì)于長(zhǎng)桿狀的遮擋物，損失率與遮擋物在電路上的投影方式有關(guān)，按照縱向→斜向→橫向的方式變換遮擋物在電池板試件上的投影時(shí)，損失率呈遞增的趨勢(shì)。

(2)損失率與遮擋物距電池板試件的距離有關(guān)，距離增大，損失率呈遞減的趨勢(shì)。

(3)鉸接頭在5 m距離處仍會(huì)對(duì)電池板試件電流產(chǎn)生較大影響，損失率超過(guò)90%。

表2 試件的遮擋損失率

圖4 電池板試件的I-V曲線Fig.4 I-V curve of solar array test

2.4 遮擋對(duì)太陽(yáng)電池陣溫度的影響

在入射至太陽(yáng)電池陣表面的太陽(yáng)總能量中，一部分可以轉(zhuǎn)換成電能，剩余的則轉(zhuǎn)化為熱能，使太陽(yáng)電池陣溫度升高。考慮衛(wèi)星一般都有一定的功率余量，太陽(yáng)電池陣分流的分陣相比工作狀態(tài)下的分陣溫度高。圖5為某在軌衛(wèi)星北太陽(yáng)電池陣總電流及各電池板的溫度?？梢?jiàn)，處于分流狀態(tài)下的內(nèi)板溫度明顯高于外板。

由圖5可以看出，遮擋本身會(huì)造成太陽(yáng)電池陣局部溫度降低，也會(huì)造成太陽(yáng)電池陣輸出電流減小。假定負(fù)載功率不變，太陽(yáng)電池陣因遮擋造成輸出功率降低，從而導(dǎo)致處于分流狀態(tài)下的分陣數(shù)量減少，那么遮擋可能會(huì)改變太陽(yáng)電池陣某些分陣的工作狀態(tài)，進(jìn)而影響到這些分陣的溫度。此外，太陽(yáng)電池陣和天線的相對(duì)位置在實(shí)時(shí)變化，天線在太陽(yáng)電池陣表面的投影也實(shí)時(shí)變化，因此在太陽(yáng)電池陣表面會(huì)形成一定的溫度梯度，衛(wèi)星進(jìn)出地影時(shí)太陽(yáng)電池陣表面也會(huì)形成一定的溫度梯度。一般，進(jìn)出地影高低溫沖擊試驗(yàn)的溫度值為-170 ℃/+85 ℃，從圖5可以看出，由天線遮擋引起的高低溫變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到進(jìn)出地影時(shí)的沖擊強(qiáng)度。對(duì)某衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)，結(jié)果表明：三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池經(jīng)1380次溫度沖擊(試驗(yàn)閾值為-170 ℃/+85 ℃)后，其最佳工作點(diǎn)功率降低了1.9%，電性能衰降不明顯。由此可見(jiàn)，在經(jīng)歷由遮擋造成的溫度沖擊后，太陽(yáng)電池陣最佳工作點(diǎn)變化很小。因此，在受天線遮擋的時(shí)段內(nèi)，太陽(yáng)電池陣的溫度會(huì)降低，輸出功率也會(huì)減小，但是在整個(gè)生命周期內(nèi)，遮擋對(duì)太陽(yáng)電池陣表面造成的溫度沖擊對(duì)太陽(yáng)電池陣本身的電性能影響不大，不會(huì)影響其正常工作。

圖5 某在軌衛(wèi)星北太陽(yáng)電池陣曲線Fig.5 Curve of north solar arrays for a satellite in orbit

3 應(yīng)對(duì)措施和建議

本文分析了GEO衛(wèi)星大型網(wǎng)狀天線對(duì)其太陽(yáng)電池陣的遮擋情況，遮擋將導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣輸出功率下降，在負(fù)載功率較大的衛(wèi)星系統(tǒng)中，被遮擋后的太陽(yáng)電池陣輸出功率將使電源系統(tǒng)功率余量不足，甚至無(wú)法滿足整星負(fù)載要求，此時(shí)要考慮蓄電池聯(lián)合供電的狀態(tài)。因此，在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)預(yù)估遮擋損失后太陽(yáng)電池陣的輸出功率。

通過(guò)STK軟件分析某衛(wèi)星軌道條件以及天線和太陽(yáng)電池陣的相對(duì)位置關(guān)系，得到不同時(shí)刻天線對(duì)太陽(yáng)電池陣的投影圖，通過(guò)分析得出壽命末期遮擋規(guī)律，并考慮日地距離等因素，得到夏至點(diǎn)附近為遮擋損失嚴(yán)重的時(shí)段，再進(jìn)一步分析夏至點(diǎn)附近半個(gè)月的遮擋情況，得到每天04:00-08:00為受遮擋時(shí)段，分別統(tǒng)計(jì)半月內(nèi)每日受遮擋情況，詳見(jiàn)表3和表4?？梢钥闯?，此衛(wèi)星壽命末期遮擋最嚴(yán)重的時(shí)刻出現(xiàn)在2026-06-09T04:40，遮擋損失率為32.72%，進(jìn)而可以估算出遮擋狀態(tài)下太陽(yáng)電池陣的實(shí)際輸出功率。

表3 衛(wèi)星壽命末期某日遮擋損失

表4 衛(wèi)星壽命末期某段時(shí)間遮擋損失

通過(guò)表3可得，此衛(wèi)星壽命末期這天的04:40-05:51時(shí)段將出現(xiàn)蓄電池聯(lián)合供電的狀態(tài)；通過(guò)表4可得，在2026年6月上半月，每天均有功率不足的情況。針對(duì)上述問(wèn)題，在電源系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮天線遮擋對(duì)太陽(yáng)電池陣功率造成的損失，建議采取如下解決措施。

(1)如果通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)遮擋嚴(yán)重時(shí)段，需要蓄電池參與聯(lián)合供電，則要通過(guò)整星功率統(tǒng)計(jì)和遮擋分析，明確遮擋發(fā)生的時(shí)段、蓄電池放電次數(shù)及放電深度，進(jìn)行必要的地面淺充淺放壽命試驗(yàn)。若遮擋發(fā)生在臨近地影前，為防止因遮擋造成蓄電池組進(jìn)地影前初始容量不足，應(yīng)考慮補(bǔ)充充電。

(2)在衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重時(shí)段，為保證整星安全，也可以考慮通過(guò)載荷功率回退的方式降低整星負(fù)載功耗。

(3)如果在電源系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)方案中發(fā)現(xiàn)因遮擋造成系統(tǒng)功率嚴(yán)重不足，則應(yīng)考慮改進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，包括更改太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)、采用高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)電池片和增加太陽(yáng)電池板的數(shù)量等。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)受大型網(wǎng)狀天線遮擋的GEO衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣輸出功率特性，研究遮擋對(duì)太陽(yáng)電池電路特性、太陽(yáng)電池陣有效面積和溫度的影響，并進(jìn)行了遮擋損失模擬試驗(yàn)，并詳細(xì)分析了各個(gè)因素的影響結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，本文給出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施和建議。本文給出的應(yīng)對(duì)措施，也可用于解決其他類型天線對(duì)太陽(yáng)電池陣遮擋嚴(yán)重的情況，為后續(xù)存在類似遮擋情況的衛(wèi)星電源系統(tǒng)的功率設(shè)計(jì)提供參考。

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(編輯：夏光)

Analysis and Solution of Influence on Solar Arrays Output Power by Netty Antenna Shadow for GEO Satellite

YUAN Lili XUN Wei WANG Liran WANG Wei LIANG Xingang

(Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

The large netty antenna has been applied widely on the GEO satellite，and it is inevitable that the antenna shades the solar array when it is deployed in orbit. This paper analyzes the complexion of the shadow，considers influence on the characteristic of the solar cell circuit，the effective area of solar arrays and the temperature shadowed by netty antenna,and completes a simulant test for shadowed loss. Then this paper advances many reasonable solutions aiming at the influences. For example， the battery will supply the satellite for the lack of solar arrays power as a result of the shadow. The analysis can provide a reference for the rationality of the power supply subsystem design.

satellite netty antenna； solar array； shadowed analysis; output power

2016-11-17；

2017-03-09

國(guó)家重大航天工程

袁麗麗，女，碩士，工程師，從事衛(wèi)星供配電總體設(shè)計(jì)工作。Email：yuanlili2005123@163.com。

TP391.41

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.013