小卫星平台的太阳电池阵设计及应用.pdf

书书书 ?第? ?卷?第?期 ? ? ? ?年? ?月 ? 航?天?器?工?程 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 小卫星平台的太阳电池阵设计及应用 薛?梅?程保义 ? 天津电源研究所? 天津? ? ? ? ? ? 摘?要?分析了基于小卫星平台的太阳电池阵的设计指标要求? 阐述了设计原则? 并以我国的 环境减灾? ? ? ? ?卫星太阳电池阵为例? 从模块化? 高效化? 轻型化? 小型化? 太阳电池电路布局优 化? 太阳电池阵空间环境适应性等方面? 介绍了基于小卫星平台太阳电池阵的设计方案? 还简要介 绍了基于小卫星平台太阳电池阵的应用情况? 关键词?小卫星?太阳电池阵?设计?应用 中图分类号? ? ? ?文献标志码? ?文章编号? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 收稿日期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 修回日期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 作者简介? 薛梅? ? ? ? ? 女? 高级工程师? 主要从事太阳电池阵的设计工作? ? ?引言 随着微电子? 微机械和高新材料等新技术的迅 速发展? 小卫星在航天领域愈发显示出其旺盛的生 命力和广阔的应用前景?以重量轻? 体积小和? 更 快? 更好? 更省? 为主要目标的小卫星? 既可以单颗廉 价快速地完成专项任务? 又可以组成分布式星座完 成某些大卫星的任务?小卫星由于采用新设计思 路? 新技术? 新管理模式以及流水线化的制造和生产 方式? 已成为最活跃? 最富于挑战性和具有广阔商业 前景的空间技术领域? 也是? ?世纪初卫星技术发展 的重要趋势? ? 在小卫星研制中? 电源的重量一般占整个卫星 重量的? ? ?与小卫星的用途和特点相适 应? 星上电源也朝着高效化? 轻型化? 小型化和模块 化的方向发展? 从而使卫星的体积大幅度减小? 重量 大大减轻?目前? 应用最多的是太阳电池阵与蓄电 池组的联合电源? 在全世界已发射的航天器中? ? ? 以上都采用太阳电池阵?蓄电池组电源系统? ? ? ?太 阳电池阵是航天器电源系统的重要组成部分? 通过 光生伏特效应将太阳光能转换为电能? 满足卫星平 台及有效载荷功率需求? 同时为蓄电池充电? 满足阴 影期卫星功率需求? 一般地说? 基于小卫星平台的太阳电池阵应具 有如下特点? 重量轻? 体积小? 研制成本低? 集成化和 模块化程度高? 研制周期短? 太阳电池阵的设计上应 自主性强? ? 本文就基于小卫星平台的太阳电池阵设计及应 用情况进行阐述? 万方数据 ? ?基于小卫星平台的太阳电池阵设计 要求分析 ? ? ?功能要求 卫星在轨运行的光照期间? 利用太阳电池阵发 电? 太阳电池阵输出功率不仅要满足整星负载的功 率需求? 而且还要对蓄电池组充电? 以满足地影期的 用电需求? ? ? ?结构要求 为了满足不断增长的功率需求? 要求太阳电池 阵的面积不断扩大? 致使越来越多的小卫星开始采 用可展开式太阳翼构型的方式? 即由若干块刚性铝 蜂窝太阳电池基板和连接架构成的太阳翼连接在星 体侧壁板上?太阳翼多为两翼? 对称配置在星体两 侧?太阳翼结构有刚性? 半刚性和柔性三大类? 如图 ?所示? 柔性太阳电池阵对功率需求普遍在? ? ? 以下的小卫星是不适宜的? 图?典型太阳电池阵质量比功率趋势图? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 目前? 我国基于小卫星平台的太阳电池基板已 形成统一规格? 尺寸为? ? ? ? ? ? ? 每块太 阳基板留有?个压紧点位置和?个铰链安装点位 置? 尺寸分别为? ? ? ? ?和? ? ? ? ? 太阳电池基板由碳纤维铝蜂窝夹层板构成? 粘 贴太阳电池的一侧? 其表面粘贴一层聚酰亚胺薄膜? 除太阳基板的压紧点位置和铰链安装点位置外? 均 可布置太阳电池片? ? ? ?性能要求 太阳电池阵的性能要求如下? ? 母线电压? 目前小卫星普遍采用? ? ? ? ?母线 电压? 由太阳电池阵的输出电压提供? ? 输出功率? 能够满足小卫星平台系列产品整 星负载功率需求? ? 剩磁? 两个太阳翼剩磁总和? ? ? ? ? ? ? ?空间环境适应性要求 由于太阳电池阵直接暴露在空间环境中? 因此 太阳电池阵必须满足如下设计要求? ? 耐空间带电粒子辐照? ? 耐紫外辐照? ? 耐空间轨道运行期间的温度冲击? 主要来自 卫星进出地影时的温度交变应力? ? 具有静电放电? ? ? 防护措施? ? 能够适应由于星体或天线等对太阳电池阵产 生的阴影遮挡情况? ? 耐原子氧环境? ?基于小卫星平台的太阳电池阵设计 ? ? ?设计原则 首先? 基于小卫星平台的太阳电池阵的设计必 须全面满足卫星总体和一次电源分系统提出的各项 功能和性能技术指标要求? 其次? 整个太阳电池阵的设计采用成熟且先进 的技术? 尽量选用已通过地面试验和飞行试验的原 材料? 元器件和工艺? 发电单元采用高效太阳电池? 以减少太阳电池阵的面积? 减轻重量? 实现小卫星太 阳电池阵的小型化和轻型化? 同时? 依据小卫星的特点? 力求做到结构简单? 实用? 使太阳电池阵的设计实现产品系列化? 电路模 块化? 接口通用化? ? ? ?设计方案 ? ? ? ? ?模块化设计 太阳电池阵采取大并联结构? 即将整个太阳电 池阵划分为若干个子模块? 每个子模块并联一个分 流电路?各分流电路设置在电源控制装置? ? ? 内? 每个太阳电池阵子模块对应? ? ?的一个分流 级?太阳电池阵子模块的大并联结构? 使太阳电池 阵可以和全开关分流调节器配合? 使调节的灵活性 更高? 满足不同负载功率需求? 使太阳电池阵可以采 用一种规格的太阳电池? 有利于太阳电池电路的优 化设计? 实现太阳电池阵的模块化设计? 同时? 还可 以提高太阳电池阵的布片系数? 减小剩磁等? 以我国的环境与灾害监测小卫星星座? ? ?环境 减灾? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 卫星太阳电池阵为例? 其 采用模块化设计的太阳电池阵子模块的接线图如图 ?所示? ?航?天?器?工?程? ?卷? 万方数据 注? 太阳电池阵共划分为?个子模块? 其中? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?为?翼内? 中? 外板的?个子模块? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?为?翼内? 中? 外板的?个子模块?各子模块由正负极引出电缆通过电连接器 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?引入星体? 每个太阳电池阵子模块对应? ? ?的一个分流级? 图?环境减灾? ? ? ? ?卫星太阳电池阵电路接线图 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?高效化设计 在小卫星应用的太阳电池阵中? 单晶硅太阳电 池仍占有相当大的比例?如今? 高效硅太阳电池的 效率已从? ?提高到? ? ? ?以上? 其低廉的价格和 性价比的优势? 恰恰符合小卫星低研制成本的特点? 高效硅太阳电池更能显著降低太阳电池阵的整体重 量? 符合小卫星电源轻型化的需要? 另一种在小卫星中广泛投入使用的太阳电池是 效率为? ?的单结砷化镓太阳电池?如今? 单结砷 化镓太阳电池在光伏产品中的应用已超过? ? 近年来? 在单结砷化镓太阳电池的基础上? 发展 出了一种新型的三结砷化镓太阳电池? 其光电转换 效率已达到? ? ? ?以上?随着现代小卫星任务功 率需求的不断增长? 而又不允许增加太阳电池阵的 重量和体积? 要求重量和体积保持以往较低功率时 的水平? 这必然促使三结砷化镓太阳电池阵在大功 率需求小卫星上的广泛应用? ? ? ? ? ?轻型化? 小型化设计 针对不同任务的小卫星平台系列产品? 依据卫 星平台和负载的功率需求? 采用相应的更高光电转 换效率的太阳电池作为发电单元? 实现整个太阳电 池阵的轻型化和小型化?基于小卫星平台应用的不 同效率太阳电池阵情况对比见表? 显然? 三结砷化镓电池与硅电池和单结砷化镓 太阳电池相比? 每平方米的太阳电池阵? 采用三结砷 化镓电池输出功率比用硅电池提高? ?以上? 比单 结砷化镓电池也提高约? ?因此? 对于相同面积 的太阳电池阵? 采用更高光电转换效率的太阳电池 作为发电单元? 将能获得更高的输出功率? 同样? 对 于相同功率需求的太阳电池阵? 采用更高光电转换 效率的太阳电池作为发电单元? 则只需要更小的太 阳电池阵面积?从而? 实现了太阳电池阵的轻型化 和小型化? 表?采用不同效率的太阳电池阵的面积比功率对比表 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 设计方案 太阳电池?标准 测试条件效率? 太阳电池理论面积比 功率? ? 高效硅太阳电池阵 ? ? ? ? ? ? 单结砷化镓太阳电池阵 ? ? ? ? 三结砷化镓太阳电池阵 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?太阳电池电路布局优化设计 太阳电池电路在太阳电池基板上的布局采用镜 向对称布置? 利用太阳电池阵上载流导体元素的? 镜 面映射? ? 使电路产生的磁矩相互抵消? 太阳电池电 路采用多折往返布置? 电路电流流向往返交错? 最大 限度地减小太阳电池阵的剩余磁矩? ? 每个太阳电池电路不同于一般的电缆? 电线电 路? 它所通过的电流是面电流?假设太阳电池电路 电流为线电流? 从太阳电池电路的几何中心线流过? ?第?期?薛?梅 等?小卫星平台的太阳电池阵设计及应用 万方数据 而几何中心线所包围的面积就是电流回路所包围的 面积? 磁矩的定义为环形电流与其所围成面积的乘 积? 即? ? 其中?为电池电路的电流? ?为电流回路 所包围的面积?磁矩的方向按右手法则? 四个手指 的方向为电流流动方向? 拇指所指的方向为磁矩方 向? 布局优化设计的太阳电池电路电流走向如图? 所示?图中箭头为电流走向? ? ? 代表磁矩方向向 内? ? 代表磁矩方向向外? 图?布局优化设计的太阳电池电路电流走向图 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 如图?所示? 镜像对称布置的太阳电池电路的 剩磁方向分别为? 和? ? ?显然? 两个性能匹配 的太阳电池电路? 镜向对称布置? 其剩余磁矩大小相 当? 方向相反? 磁矩相互抵消?通过优化布局设计? 由镜像对称布置的太阳电池电路组成的太阳电池阵 剩余磁矩为? ? ? ? ? ?太阳电池阵空间环境适应性设计 ? 抗辐照设计 抗辐照设计如下? ? ? 太阳电池表面粘贴抗辐照玻璃盖片? 盖片尺 寸略大于太阳电池尺寸? 确保其完全覆盖太阳电池 表面? ? ? ? 太阳电池盖片采用掺铈玻璃盖片? 防止紫外 辐照引起的盖片变色? ? ? 按照太阳电池在小卫星任务寿命末期的辐 照衰降系数? 进行太阳电池阵串并联片数的设计? 确 保太阳电池阵在寿命末期仍满足母线电压和整星功 率需求? ? 环境温度适应性设计 环境温度适应性设计如下? ? ? 在电池互连环节设计? 消应力环? 结构? 避免 温度交变产生的热应力造成互连环节疲劳失效? ? ? 为降低隔离二极管和接地电阻的工作温度 并减小其承受的温度交变应力? 选用导热率高的银 箔作为焊盘? 并将引出管脚设计成减应力环形状? ? ? 其焊接工艺应能承受在卫星工作寿命内? 太 阳电池阵温度交变所引起的热疲劳效应? ? ? 电缆固定安装在太阳电池基板的背面? 在固 定点间留有足够的余量? 减小温度交变引起的电缆 拉伸应力? ? ? ?防护设计 ? ? ?防护设计如下? ? ? 在粘贴太阳电池片前对基板聚酰亚胺薄膜 进行刮胶? ?胶? 处理? ? ? 太阳电池阵基板对星体主结构高阻接地? 接 地电阻一般为? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 连接架? 铰链等直接与星体主结构连接? 接 地电阻不大于? ? ? ? ? 基板背面捆线桩的接地电阻小于? ? ? ? 防阴影设计 为太阳电池设计旁路二极管? 与电池形成并联 结构? 避免太阳电池发生遮挡引起的供电失效? ? ? 原子氧防护设计 对太阳电池阵采用的银汇流条和银箔焊盘采取 保护措施? 在其表面设计一层防护涂层? 防止原子氧 的侵蚀? 确保太阳电池阵安全工作? ? ?基于小卫星平台的太阳电池阵应用 ?应用基于小卫星平台的太阳电池阵设计方案研 制的太阳电池阵产品已广泛应用于小卫星平台的系 列产品中? 如? 环境与灾害监测小卫星? 海洋小卫星 等?目前? 已发射入轨的各颗小卫星太阳电池阵均 性能良好? 工作稳定? 完全满足整星在轨任务期间的 用电需求? 环境减灾? ? ? ? ?卫星于? ? ? ?年?月?日成功 发射? 根据飞行程序? 卫星经历了主动段? 太阳翼展 开? 出地影? 正常运行模式建立等在轨测试阶段? 通 过对实时及延时遥测数据分析判读表明? 太阳电池 阵工作稳定正常? 在轨测试数据与地面测试数据保 持一致? 以环境减灾? ? ? ? ?小卫星在轨运行期间处于 光照区的某时段为例? 当太阳光和太阳翼法线夹角 ? ? ? ? ? ? ? ? ?时?太 阳 电 池 阵 平 均 输 出 电 流 ? ? ? ? ? ? 产生的电能通过电源控制器的调节后进入 供电母线? 对星上不同工况的负载供电? 负载电流 ? ? ? ? ? ? ? ? ?太阳电池阵同时对蓄电池组充电? ?航?天?器?工?程? ?卷? 万方数据 多余的功率由含有?级分流电路的开关分流调节器 在主误差放大器? ? 的控制下及时分流? 稳定母 线电压在? ? ? ? ? ?太阳电池阵多余的功率由自身 发热星外耗散? 不传入星内? 遥 测 数 据 显 示?太 阳 电 池 阵 的 输 出 功 率 ? ? ? ? ? ? 优于? ? ?初期功率指标要求? 较实际使 用有较大裕度?太阳电池阵典型工作过程如图?所 示? ? ? ? ?年?月?日? ?个轨道周期内太阳电池阵 温度变化曲线如图?所示? 图?太阳电池阵典型工作过程 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图? ? ? ?年?月?日? ?个轨道周期内太阳电池阵温度变化曲线 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?结论 基于小卫星平台的太阳电池阵设计实现了产品 的系列化? 接口的通用化和太阳电池电路的模块化? 运用模块化? 高效化? 轻型化? 小型化? 电路布局优化 和环境适应性方案等设计? 针对不同功率需求的小 卫星型号任务? 只需对太阳电池电路模块进行适当 增减? 灵活调整太阳电池阵发电单元的太阳电池类 型? 即 可 设 计 出 基 于 小 卫 星 平 台 的 单 板 尺 寸 ? ? ? ? ? ? ?的太阳电池阵产品?从而大大 缩短了研制周期? 降低了产品成本? 实现了小卫星对 太阳电池阵大功率? 小体积? 轻重量? 自主性强的要 求? 参考文献 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?林来兴?现代小卫星及其关键技术?中国空间科学 技术? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?王永东? 崔荣强? 徐秀琴?空间太阳电池发展现状及展 望?电源技术? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?汉斯?劳申巴赫?太阳电池阵设计手册? 光电能转换原 ?第?期?薛?梅 等?小卫星平台的太阳电池阵设计及应用 万方数据 理及其应用?北京? 宇航出版社? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?刘平? 王雪冬?太阳电池阴影效应及热斑?物理实 验? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?程保义? 苏彬? 赵颖? 等?原子氧防护涂层研究? ? ? 中 国电子学会化学与物理电源技术分会? 中国化学与物理 电源行