FY-2C衛星太陽電池陣在軌性能分析

高劍鋒，鐵 琳，蔣欽琳， 黃才勇

（1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300381；2.上海衛星工程研究所，上海 200240）

風云二號靜止氣象衛星是我國第一代同步軌道的氣象觀測衛星，該衛星是發展我國氣象衛星事業，建立氣象衛星觀測系統的重要組成部分。我國第一顆業務用靜止氣象衛星風云二號C星，在繼風云二號A、B試驗星研制發射后，于2004年10月19日9時20分在西昌衛星發射中心再次順利發射升空，并在10月24日定點于東經105°赤道上空。它標志著我國的氣象衛星事業進入了一個嶄新的階段。

風云二號C星的太陽電池陣選用了BSFR型背場背反射太陽電池，這是我國首次在同步軌道衛星上應用。

衛星電源系統的太陽電池陣為體裝式，太陽電池粘貼在兩個直徑為2.1m，高0.72m的圓柱面及兩塊腰帶太陽電池板上。其中上太陽電池殼開有一腰形窗口，供掃描輻射計使用，使布片面積減少了0.3m2，衛星為自旋穩定，工作溫度范圍為－85～15℃，壽命三年。

1 FY-2C星太陽電池陣的組成

單體太陽電池為BSFR型硅太陽電池，供電陣用太陽電池尺寸為40mm×20mm×0.25mm，充電陣用太陽電池尺寸為35mm×20mm×0.25mm。太陽電池平均光電轉換效率為14.7%（AM 0 135.3mW/cm2，25℃）。玻璃蓋片為KFC-2型抗輻照玻璃，尺寸為40.1mm×20.1mm×0.2mm，充電陣尺寸為35.1mm×20.1mm×0.2mm，鍍氟化鎂增透膜。

太陽電池陣由供電陣、充電陣、充電副陣、涓流充電陣和涓流副陣等幾部分組成。其中供電陣是太陽電池陣的主要組成部分，由66片串聯136片并聯組成，在光照區為星上負載供電；充電陣由66片串聯22片并聯組成，充電副陣由8片串聯22片并聯組成，在衛星出影進入光照區后，為蓄電池充電，充電結束后，并入供電陣；涓流充電陣由66片串聯2片并聯組成，涓流副陣由8片串聯2片并聯組成，它始終與蓄電池相接，正常充電結束后，繼續以小電流充電，補充蓄電池因自放電造成的容量下降。

2 太陽電池陣在軌性能分析

通過衛星地面測控網的遙測系統可以監測衛星各系統的工作狀態，從衛星發回地面的太陽電池陣在軌性能的遙測數據，反映了太陽電池陣在軌運行期間的實際工作情況，這不僅可以監控太陽電池陣功率輸出及其它電性能參數，還可以根據不斷積累的遙測數據算出電性能衰降趨勢，可以及時修正在設計中各項參數的選取、計算的偏差，在軌運行的飛行數據是日后進行太陽電池陣設計參照的第一手材料。

有關電源系統的遙測參數共45項，其中和太陽電池陣相關的有：負載電流、充電電流、母線電壓、母線電流、進出影狀態信號、二級分流電流、三級分流電流、四級分流電流、五級分流電流、主陣電壓、副陣電壓、充電陣開關狀態信號、上殼外壁溫度①、上殼外壁溫度②、下殼外壁溫度①、下殼外壁溫度②，電源系統的原理圖如圖1所示。

最受我們關注的是負載電流、充電電流和各級的分流電流，上述各項的總和就是母線電流，即太陽電池陣的輸出電流，它和母線電壓的乘積就是太陽電池陣的輸出功率，因此，我們把關注的重點也放在母線電流上。同時，由這些參數也可以判斷衛星各分系統使用電源系統的情況。

衛星在軌運行期間太陽電池陣的母線電流始終是變化著的，這是因為：

（1）太陽電池陣本身布片的原因，由于掃描輻射計視窗的影響，在衛星的Ⅱ象限線附近，輸出的母線電流有一低谷，而在視窗兩邊各加了一塊腰帶太陽電池板，因此呈現兩個小峰，總的波動在±2%左右。這種變化是周期性的。

（2）因為母線電流包括負載電流、分流電流、充電電流,它們都在不同的狀態下工作，在不同的工作點下工作，它們的變化是隨機的。

（3）是隨著光強、溫度、紫外輻照、粒子輻照和其他環境因素的影響而變化，這種變化一般情況下是緩慢的變化。

為了便于比較，我們選用衛星星下點正午前后的遙測值，對100個連續的母線電流遙測值進行平均，然后對平均值進行光強歸一化處理，歸一化到AM 0 135.3mW/cm2的標準狀態。

2.1 母線電流遙測參數的光強修正

在軌道上，照到太陽電池陣表面的有效光強和衛星太陽電池陣與太陽之間的距離、太陽入射角有關。

式中：S'為有效太陽光強；S為太陽光強；R為太陽電池陣和太陽之間的距離；θ為太陽入射角。

由于赤道與黃道之間有23°37'的夾角，因此，隨著季節的變化，同步軌道衛星（自旋軸與赤道垂直并指向北）的太陽入射角在＋23°37'（夏至）和－23°37'（冬至）之間變化。這一變化和太陽赤緯的變化相同，可以很方便地應用太陽赤緯的變化計算出太陽入射角的修正值。

但是，由于衛星延長使用壽命的需要，在不影響探測系統的探測精度的前提下，在衛星入軌定點以后，有意識地將衛星的軌道傾角調整為一個正角度，再利用衛星的攝動傾角逐漸變為負角度，控制系統再進行軌道控制，這樣可以減少軌控的次數，從而節省燃料，以期延長衛星的工作年限。因此，太陽電池陣的太陽入射角就不能應用太陽赤緯的數據了，需要根據太陽角計的數據和衛星的轉速重新計算。

太陽入射角θ:

式中：T1、T2、T12為衛星姿控參數。

另外，太陽和地球之間的距離由于地球圍著太陽公轉的軌道不是圓軌道而是橢圓軌道，所以每天的日地距離并不是一個常數，而是無時無刻不在變化著的。日地距離變化的實際情況是：

由此可見，一年之中，日地距離的變化約500萬公里，因此，不同日期，太陽電池陣的光輻照度是不能相互比較的。為了方便計算，并不需要計算每天的日地距離，而是引入了（1.49×1011m）為日地平均距離，日地距離和日地平均距離的平方比稱為日地距離修正因子，這樣可以用來算出任意一天照射到太陽電池陣表面的光輻照度。在實際應用中，并不需要按公式計算，而是事先按日期造好R2/R02值表備查。

2.2 母線電流參數的溫度修正

太陽電池的電流是溫度的函數，但是它的短路電流和工作點電流有著不同的溫度系數，短路電流是正溫度系數，而工作點電流的溫度系數隨著工作點在特性曲線的位置變化有可能是正溫度系數也可能是負溫度系數，而如前所述，母線電流包括負載電流、充電電流和分流電流。一般設計充電電流和分流電流都工作在短路電流端，可視為短路電流，而負載電流則接近最大功率點，為了進行母線電流的溫度修正，需把各種電流分開，用不同的溫度系數加以修正，而且太陽電池的溫度系數隨著粒子輻射也在變化，這不僅需要大量的太陽電池陣遙測數據，而且需要大量的太陽電池溫度系數測量數據，目前來講，做這項修正尚存在較大的困難，因此本文引用的母線電流遙測數據均未作溫度修正。太陽電池陣在光照期的溫度變化在10℃以內。

2.3 母線電流的衰降

母線電流的衰降一般可認為：（1） 是紫外輻射引起蓋片膠的暗化造成太陽電池電流的衰降，地面試驗數據表明這種衰降在衛星入軌后2～3個月內極為明顯，一般衰降率在2%～2.5%，3個月之后紫外輻射的影響隨之減弱；（2） 是帶電粒子輻射，當太陽電池暴露于空間粒子輻射環境時，它也像所有的半導體器件那樣，容易發生永久性的電性能衰減。衛星所處的同步軌道位于外輻射帶的外側，主要考慮電子和太陽耀斑的影響。圖2為風云二號C星太陽電池陣母線電流衰降曲線。

太陽電池受到輻射之后，將產生一種被稱為離子化的原子過程。這一過程的結果會減小電池基體區域中少數載流子的擴散長度和壽命。最終導致電池輸出電流、電壓和功率的降低。對于某些材料（如蓋片膠、玻璃蓋片），受到輻射以后，也將會引起材料變黑、產生色心并使它的機械特性變差。

在同步軌道，太陽電池主要受到電子和太陽耀斑產生的高能質子的影響，而后者在短期內的影響要遠大于常規的電子輻射的影響。

從圖3所示的風云二號C星太陽電池陣母線電流的衰降率可以看出，隨著衛星在軌時間的逐漸增加，母線電流的衰降也逐漸增大，入軌初期的衰降可認為主要是紫外輻射的影響，這是由于在軌時間較短，粒子輻射的累計通量較小，所以對太陽電池的影響也較小，在以后則是粒子輻射和紫外輻射的綜合影響。

根據中科院空間中心報道[1]，從衛星2004年10月19日發射后，已發生了多起太陽耀斑，其中2004年11月7日的太陽耀斑為X級耀斑，并產生了太陽質子事件，由于此時衛星剛剛發射不久，在軌才19 d，應該是紫外輻射起主導作用，這次耀斑加速了太陽電池陣母線電流的衰降，而在2005年1月17日（在軌90 d）、5月15日（208 d）、9月1日（318 d）發生的太陽耀斑，對太陽電池陣的影響就很明顯，短期內太陽電池陣的母線電流分別下降了約0.5%～1%，在母線電流的衰降曲線上形成了明顯的臺階。

FY-2C星在軌工作已有五年半，衛星運行四年時（2008年10月18日）太陽電池陣的母線電流衰降約11%（包括紫外輻射2%衰降），除去紫外輻照，太陽電池陣由粒子輻照衰降約為9%，等效到能量為1MeV,這相當于1×1014e/cm2通量的影響[2]，對于任務期在3～4年的同步軌道衛星是完全可以接受的。

衛星入軌初期處于太陽活動的低年，但還是出乎專家們對這一時期地球同步軌道環境的理解[1]。根據太陽活動11年一個周期的規律，目前太陽活動將進入高年。因此，太陽電池陣的設計必須充分考慮空間環境對太陽電池陣功率輸出的影響，同時不斷提高太陽電池及其它相關材料的抗輻射性能，才能獲得高質量、高可靠的電源系統。

3 討論

3.1 遙測數據的準確度

(1)太陽電池陣的相關參數都經過了遙測系統的信號變換器處理，遙測信號采樣電平標稱的變換精度是±1.5%，在地面曾用可調的電壓信號代替電池的采樣信號對遙測系統進行校驗，結果誤差極小，遠小于標準的±1.5%。

(2)衛星入軌初期，衛星姿態變化較大，太陽入射角不容易準確計算，也可能引入誤差。

3.2 數據處理的準確度

我們從母線電流衰降曲線可以看到一個奇怪的現象，母線電流的衰降似乎還是隨著季節的變化而變化，從理論上分析經過歸一化處理母線電流應該和太陽電池陣的光輻照度無關了，怎么還會隨著季節的變化而波動呢？兩分點往上走，兩至點向下行。正如上面所分析的，太陽電池陣的母線電流是一個組成比較復雜的電流值，既有接近短路電流處工作的分流電流、充電電流，也有接近工作點工作的負載電流，在兩分點時衛星的母線電流變大，在衛星的負載電流基本穩定的情況下分流電流就要增加，此時又處于全電流充電，充電電流較大，分流電流和充電電流都工作在短路電流點附近。而在兩至點前后母線電流中分流電流的含量降低了，充電電流也變成涓流充電，充電電流也小了許多，工作點在短路電流附近的電流成分少了。由于短路電流比工作點電流大是太陽電池特性所決定的，正是這個原因，母線電流中分流電流和充電電流的多少就造成了歸一化以后的母線電流依然隨著季節變化而變化。同樣在衛星上采集的方陣性能信號，由于采集的是電池的短路電流，所以經過歸一化處理就沒有季節變化的影響。另外，母線電流和工作點電流在受粒子輻射的影響也是各不相同的，因為在地面試驗中，在同一輻射通量的情況下，它們的衰降率之間的差別就比較大，因此，母線電流的衰降率不能簡單地和太陽電池短路電流及最大功率點電流的衰降率作比較。在軌期間太陽電池陣母線電流的衰降是粒子輻射和紫外輻射等的綜合影響的結果。可以就變化的趨勢來進行比較和研究。表1是FY-2C衛星太陽電池陣母線電流衰降率變化情況。

表1 FY-2C衛星太陽電池陣母線電流衰降率變化表

4 結論

FY-2C衛星的太陽電池陣是國內同步軌道首次采用背場背反射器太陽電池的電池陣，在軌工作至今已有五年半，工作狀態正常。四年11%的衰降率（含紫外）是衛星完全可以接受的，對于工作壽命在三到五年的衛星來說，應用背場硅太陽電池是合適的，具有較高的性價比。

[1] 梁金寶.風云二號04星空間環境監測器技術總結[C]//風云二號04星技術總結專輯,上海:2006中國航天科技集團公司第八研究院風云二號項目辦,2006,11-32.

[2]TADA H Y,CARTER J R,ANSPAUGH B E,et al.Solar Cell Radiation Handbook-Third edition[M].California:NASA,1982:1-412.