LEO衛(wèi)星太陽電池陣溫度和功率的建模仿真

閆新慶，宋夢雪，尚夢琦，皇甫中民

(華北水利水電大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州 450045)

假設(shè)衛(wèi)星繞地球飛行一圈的軌跡是橢圓軌道，太陽電池陣的姿態(tài)如圖1 所示，為了確保太陽電池陣獲得最大的輻射能量，采用對日定向的方法，即衛(wèi)星上的驅(qū)動機構(gòu)可以自動指向太陽，太陽入射角θ=0。

圖1 衛(wèi)星飛行一圈軌道姿態(tài)

在衛(wèi)星一個運行周期中，太陽電池陣與蓄電池組共同配合為衛(wèi)星負載供能，在光照區(qū)，太陽電池陣吸收光能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，給負載供電的同時考慮給蓄電池組充電；在陰影區(qū)，則由蓄電池組給負載提供電能保證衛(wèi)星的正常運行。其中，太陽電池陣擔(dān)負著將光能轉(zhuǎn)化為電能的任務(wù)，在衛(wèi)星運行過程中，和蓄電池組協(xié)同合作，為衛(wèi)星上的負載提供能量。

空間中存在著很多影響太陽電池陣工作效率的因素，溫度是其中至關(guān)重要的一個因素。太陽電池陣溫度越高，產(chǎn)生的電流越大，電壓越小，但電壓下降的速度比電流上升的速度快，太陽電池陣發(fā)電功率在不斷減小[1]。

很多研究者都已經(jīng)研究了衛(wèi)星的熱狀態(tài)模型，Hui Kyung Kim 等[2]通過簡化的一維熱控制方程式預(yù)測了壽命末期太陽電池陣最壞的溫度情況，并通過詳細的太陽電池陣熱模型，進行了數(shù)值求解，確定了太陽電池陣的在軌熱特性。Peng Li 等[3]通過對剛性太陽電池陣進行網(wǎng)格劃分，在考慮填料系數(shù)和工作效率的基礎(chǔ)上，通過完全隱式的離散方程式，計算出了衛(wèi)星受到外通量的詳細計算方法，在消除初始溫度影響后，得到精確的太陽電池陣穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)溫度場。同時J.A等[4]也考慮了衛(wèi)星熱環(huán)境中太陽輻射、地球輻射和地球反射的功率，并著重考慮了由夾芯結(jié)構(gòu)和碳纖維增強聚合物面板和鋁蜂窩芯組成的太陽電池陣的平衡條件，并對瞬時溫度進行建模。Junlan Li 等[5]通過對蜂窩板、簡化的鉸鏈、復(fù)合框架和軛架建立對應(yīng)的模型，并對比兩種常用材料(不銹鋼、石墨環(huán)氧樹脂)對太陽電池陣的熱響應(yīng)，討論了所有組件的瞬態(tài)溫度以及熱環(huán)境對不同組件的影響。

1 方法

1.1 熱環(huán)境計算方法

衛(wèi)星在太空中運行，不可避免地受到低軌道原子氧環(huán)境的侵蝕和周圍環(huán)境的輻射，其中起主要作用的是太陽輻射、地球輻射和地球反射，如圖2 所示。計算衛(wèi)星太陽電池陣表面外熱流的變化，將為太陽電池陣的溫度和太陽電池陣的輸出功率提供參數(shù)。因此，太陽輻射、地球輻射和地球反射是衛(wèi)星空間熱環(huán)境計算中重要的一部分。當考慮衛(wèi)星受到的熱環(huán)境時，選擇如圖3 所示的納衛(wèi)星質(zhì)心軌道坐標系[6]，其X、Y、Z軸如圖3 所示，其中Z軸恒指向地心方向，α 為衛(wèi)星軌道平面中會日點與近地點的夾角，太陽角β 為陽光方向與衛(wèi)星軌道平面法線的夾角。

圖2 太陽電池陣受到的熱環(huán)境影響

圖3 納衛(wèi)星質(zhì)心軌道坐標系

太陽電池陣在一個運行周期內(nèi)，在光照區(qū)太陽輻射投射到太陽電池陣陽極表面，地球輻射和地球反射投射到陰極表面；而在陰影區(qū)只有地球輻射投射到陰極表面。太陽電池陣將吸收到的太陽能轉(zhuǎn)換為熱能和電能，根據(jù)參考文獻[6-7]可以得到投射到太陽電池陣單位面積上的太陽輻射熱流密度、地球輻射熱流密度和地球反射熱流密度，此文不再贅述。

1.2 熱分析模型

太陽電池陣的輸出功率和太陽電池陣的工作溫度有直接的關(guān)系。入射到太陽電池陣表面的太陽總能量中，只有10%～20%的能量轉(zhuǎn)換成電能，而其他80%～90%的能量不能轉(zhuǎn)化為電能只能轉(zhuǎn)化為熱能，致使太陽電池陣溫度升高[8-9]。

本文討論的是蜂窩基材的太陽電池陣，陽極表面的太陽電池覆蓋有蓋玻片，并且蜂窩基材具有碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)面板和鋁蜂窩芯。此時陽極表面的光學(xué)特性由第一表面的蓋玻片和第二表面的太陽電池的光學(xué)特性決定。

1.2.1 陽極表面的溫度

太陽電池陣陽極表面的溫度主要是由太陽輻射引起的，陽極表面吸收的熱負荷Q1為：

式中：qsolar為太陽電池陣受到的太陽輻射；α 為陽極表面的吸收率。

系數(shù)k1為：

式中：A為太陽電池陣的面積；e為太陽電池陣陽極表面的輻射率；σ 為史蒂芬玻爾茲曼常數(shù)[σ=5.670×10－8W/(m2·K4)]。

式中：Q1為陽極表面吸收的熱負荷；k1為系數(shù)；Ti－1為太陽電池陣陽極表面上一刻的溫度(若i=0，則Ti－1為太陽電池陣陽極表面的初始溫度參數(shù))；Cf為陽極表面的熱容。

利用初始溫度參數(shù)，設(shè)置龍格庫塔步長，通過四階龍格庫塔方法不斷地對陽極表面的上一個步長的溫度進行迭代求解下一個步長的陽極表面溫度，從而求解出衛(wèi)星運行周期內(nèi)每一步的陽極表面溫度。本文中設(shè)置的龍格庫塔步長r=0.1。

1.2.2 陰極表面的溫度

考慮到太陽電池陣陽極表面對陰極表面的熱傳導(dǎo)影響，假設(shè)電池板由電池片和蜂窩基板組成，如圖4、圖5 所示。

圖4 電池板的結(jié)構(gòu)

圖5 蜂窩板中的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的示意圖

太陽電池陣轉(zhuǎn)換效率的溫度系數(shù)是負值，太陽電池的溫度越高，效率就越低。因此為了提高太陽電池陣的輸出功率，就必須設(shè)法降低太陽電池的工作溫度。所以為了太陽電池陣產(chǎn)生的功率盡可能大，常用的散熱技術(shù)就是熱控涂層。在衛(wèi)星太陽電池陣背面涂覆具有設(shè)定的太陽吸收比和紅外輻射率的涂層，改變背面的吸收率和反射率，使其溫度盡可能的降低。通常采用高反射率低吸收率的涂層，此時陰極表面的光學(xué)特性由熱控涂層的光學(xué)特性決定。

陰極表面吸收的熱負荷Q2：

式中：qe為太陽電池陣受到的地球輻射；qa為太陽電池陣受到的地球反射。

系數(shù)k2為：

式中：A為太陽電池陣的面積；eback為太陽電池陣陰極表面的輻射率；σ 為史蒂芬玻爾茲曼常數(shù)[σ=5.670×10－8W/(m2·K4)]。

對于背面的溫度，考慮到熱傳導(dǎo)的情況，單位時間內(nèi)陰極表面的溫度變化率

式中：Q2為陰極表面吸收的熱負荷；k2為系數(shù)；Ti－1為太陽電池陣陽極表面上一時刻的溫度(若i=0，Ti－1為太陽電池陣陽極表面輸入的初始溫度參數(shù))，為太陽電池陣陰極表面上一時刻的溫度(若i=0，為太陽電池陣陰極表面輸入的初始溫度參數(shù))；h為傳熱系數(shù)；Cback為陰極表面的熱容。

同樣利用四階龍格庫塔方法對陰極表面的上一個步長陰極表面的溫度進行迭代求解，從而求解出衛(wèi)星運行周期內(nèi)每一步的陰極表面溫度，當前設(shè)置的龍格庫塔步長r=0.1。

1.3 功率計算方法

考慮到太陽電池的輻射損失、紫外損失、各種測量和裝配誤差、太陽有效光強因子等，同時結(jié)合太陽電池生產(chǎn)廠商提供的在標注測試條件下的短路電流I*sc,開路電壓V*oc，工作在最大功率點的電流I*mp和電壓V*mp，根據(jù)以上提供的信息，我們可以計算太陽電池單元在最大功率點產(chǎn)生的電流與電壓：

式中：DI為電流修正系數(shù)；Fzi為電流裝配損失因子；Fhi為電流輻照及紫外損失因子；Frai為電流測量和標定損失因子；θ 為太陽入射角(仿真中取值0)；DV為電壓修正系數(shù)；Fzv為電壓裝配損失因子；Fhv為電壓輻照損失因子；Frav為電壓測量損失因子。

式中：T為當前太陽電池陣的溫度為標準溫度(25 ℃)；S為實際光照強度；Sref為標準光照強度(1 000 W/m2)；a、b和c為太陽電池模型校正參數(shù)，根據(jù)文獻[10]可得a=0.002 5 ℃－1，b=0.000 5(W/m2)－1，c=0.002 88 ℃－1。

考慮太陽電池陣串并聯(lián)太陽單元的數(shù)量，計算太陽電池陣的電流(太陽電池陣并聯(lián)數(shù)量乘以太陽電池單元電流)、電壓(太陽電池陣串聯(lián)數(shù)量乘以太陽電池單元電壓)和功率。

設(shè)Np為太陽電池陣并聯(lián)數(shù)量，Nc為太陽電池陣串聯(lián)數(shù)量，Np=45，Nc=88。結(jié)果如圖6～8 所示。

圖6 太陽電池陣的電流在一個周期的變化

2 結(jié)果和討論

2.1 陽極表面的溫度與陰極表面的溫度結(jié)果與對比

仿真中衛(wèi)星一周運行時間為96.8 min，陰影期為37.53 min，從17.53 min 開始，到55.06 min 結(jié)束。在光照區(qū)中接收到的單位時間內(nèi)太陽輻射最大值為270.91 W，一個周期中接收到的單位時間內(nèi)地球反射最大值為29.18 W，接收到的單位時間內(nèi)地球輻射最大值為21.94 W。

圖7 太陽電池陣的電壓在一個周期的變化

圖8 太陽電池陣的功率在一個周期的變化

衛(wèi)星運行時間一周期內(nèi)分為三個階段：第一個階段(0～17.52 min)衛(wèi)星運行在光照區(qū)，此時太陽電池陣陽極表面接收到太陽輻射，陰極表面接收到地球輻射和地球反射，陽極表面的溫度不斷升高，在進入陰影區(qū)前17.52 min 達到最高點，為80 ℃左右。陰極表面雖然只接收到地球輻射和地球反射，但是由于熱傳導(dǎo)，陰極表面的溫度也不斷升高到大約69 ℃左右，即陽極表面的溫度比陰極表面的溫度高11 ℃左右。第二個階段(17.53～55.06 min)衛(wèi)星進入地影區(qū)，此時太陽電池陣只接收到地球輻射，陽極表面的溫度和陰極表面的溫度不斷下降達到最低溫度，約－85 ℃左右。第三個階段(55.07～96.8 min)衛(wèi)星出離陰影區(qū)進入光照區(qū)，又開始接收到太陽輻射，但是因為太陽輻射比地球輻射和地球反射大很多，同時陽極表面的吸收率較高，導(dǎo)致陽極表面和陰極表面溫度快速升高，此時陽極表面和陰極表面又不斷升高，達到最高溫度以后保持平衡，如圖9 所示，該結(jié)論也與參考文獻[2]中圖14 和圖15保持一致。

圖9 陽極表面溫度與陰極表面溫度對比

2.2 陽極溫度與電流、電壓、功率的關(guān)系

考慮陽極溫度與電流電壓的關(guān)系時，我們考慮單片太陽電池單元。隨著溫度的升高，太陽電池單元的電流會不斷升高，太陽電池陣單元電壓會不斷下降，總的太陽電池單元功率是在急劇下降，如圖10 所示。

圖10 太陽電池單元陽極表面溫度與功率關(guān)系

3 結(jié)論

本文建立了太陽電池陣的熱分析模型，表征了受到空間熱通量影響的整個太陽電池陣的熱響應(yīng)?；谒岢龅哪Ｐ?，計算了太陽電池陣陽極表面和陰極表面的溫度分布。

同時通過溫度模型，得到了太陽電池陣電流、電壓、功率的計算模型，并驗證了電流、電壓、功率與溫度的關(guān)系：隨著溫度的升高，太陽電池陣電流不斷增大，太陽電池陣電壓不斷下降，產(chǎn)生的功率急劇下降。