低軌三結砷化鎵太陽電池陣遙測數據分析

解曉莉，高劍鋒，房愛省

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

低軌三結砷化鎵太陽電池陣遙測數據分析

解曉莉，高劍鋒，房愛省

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384)

針對采用三結砷化鎵太陽電池陣作為主電源的低軌道衛星進行梳理，介紹了典型平臺產品的技術狀態。收集、整理了在軌運行時間最長的三結砷化鎵太陽電池陣的在軌遙測數據，給出了其在軌溫度變化曲線，分析了電性能輸出及演化情況，為后續三結砷化鎵太陽電池陣的應用提供了數據支持。

LEO軌道；三結砷化鎵；太陽電池陣；遙測；在軌溫度

電源系統是航天器的重要組成部分，是航天器運行的能量來源，配置一個高效、可靠的電源系統對于航天器，特別是小型航天器尤其重要。截至目前，世界上已發射的航天器除少量采用燃料電池、核能、一次性化學電池作為能源外，90%以上均采用太陽電池陣-蓄電池電源系統。在光照區，太陽電池陣通過光生伏特效應將太陽光能轉換為電能，滿足衛星平臺及有效負載功率需求，同時為蓄電池組充電，滿足陰影期衛星功率需求。小型航天器的功率需求通常從幾瓦到幾百瓦，對質量和體積要求更為苛刻，采用高性能的太陽電池陣是其必然選擇。從2008年開始，三結砷化鎵太陽電池以其高效率、耐輻射、低溫度系數等優勢，取代單晶硅太陽電池、單結砷化鎵太陽電池陣在小型航天器上得到了廣泛的應用。

本文針對采用三結砷化鎵太陽電池陣作為主電源的低軌道航天器進行梳理，介紹了典型平臺CAST2000平臺產品的技術狀態，開展了典型太陽電池陣在軌遙測數據的收集、整理和分析，得到了太陽電池陣在軌運行期間的性能變化以及衰降趨勢，同時獲得了在軌運行期間太陽電池陣的分流態電路、工作態電路的電路溫度、溫差等數據，積累了三結砷化鎵太陽電池陣低軌應用的數據。

1 三結砷化鎵太陽電池陣應用情況

目前，三結砷化鎵太陽電池陣以其高效率、耐輻射、低溫度系數等優勢已逐步取代硅電池及單結砷化鎵太陽電池陣廣泛應用于各種高、中、低軌道航天器。在低軌道航天器應用方面，我所已為18顆星、船提供了三結砷化鎵太陽電池陣產品，截至目前已發射16顆，均在軌工作良好。各三結砷化鎵太陽電池陣產品狀態詳見表1。

表1 我所研制的低軌道三結砷化鎵太陽電池陣(已發射)匯總表

2 在軌遙測數據分析

2.1 在軌輸出電壓分析

2.1.1 太陽電池陣設計狀態

衛星母線電壓要求為(28.5±1)V。太陽電池陣采用三結砷化鎵太陽電池作為發電單元，單體電池尺寸為39.8 mm×60.4 mm。太陽電池陣設計時，根據母線電壓、考慮衰降因子等采用以下公式計算出電池片的串聯數量。經計算、確認，太陽電池陣采用18片電池串聯。

2.1.2 輸出電壓分析

對太陽電池陣2009年至2013年在軌運行期間輸出電壓的遙測數據進行收集、整理，統計分析其在軌期間每個月的遙測最高值和最低值，得到太陽電池陣在軌輸出變化趨勢，如圖1所示。圖示曲線表明，太陽電池陣在軌運行期間，輸出電壓穩定，遙測值為28.73～29.4 V，滿足衛星的母線電壓要求。

圖1 太陽電池陣母線電壓隨時間的變化

2.2 輸出性能變化趨勢分析

對太陽電池陣2009年至2013年在軌運行期間輸出電流的遙測數據進行收集、整理，統計分析在軌期間每個月的電流遙測最大值，得到太陽電池陣的輸出電流變化趨勢，詳見圖2。

圖2 太陽電池陣方陣電流隨時間的變化

遙測數據顯示，太陽電池陣在軌運行3.5年期間，方陣電流最高為44.52 A，出現在2012年的12月。方陣電流最低為41.32 A，出現在2010年6月。

觀察圖示太陽電池陣的輸出電流，每年的變化趨勢基本相同，6月份方陣輸出電流最小，在12月達到最大。表明方陣輸出特性正好與入射光強的影響相吻合：夏至點日地距離最遠，光強最弱，且光照角較大，故方陣輸出電流最低；冬至點日地距離最近，光強最強，且光照角較小，故方陣輸出電流最高。同時，變化趨勢表明，太陽電池陣在軌期間的性能一致、穩定，無明顯的性能衰降。

2.3 分流狀態分析

2.3.1 分流級的設計狀態

本三結砷化鎵太陽電池陣產品設置8級分流電路，對應電源控制器的分流級數。同時，設置了分流狀態的遙測指令TMN16，以監控當時太陽電池陣的分流狀態。具體分流狀態遙測值與分流狀態的對應關系詳見表2。

表2 衛星電源系統的分流狀態對應表

2.3.2 分流狀態分析

太陽電池陣在軌運行期間，每月選取分流狀態的6個遙測數據，進行整理、分析，繪制分流狀態的變化趨勢，詳見圖3。

圖3 太陽電池陣分流狀態隨時間的變化

遙測數據表明，太陽電池陣分流狀態的遙測值集中在0～2.5 V。依據分流級設置，表明太陽電池陣在軌運行期間，第1～2級分流電路常處于分流態，第8級分流電路一直處于工作態。因此，監測第1級分流電路的溫度代表分流態溫度，第8級分流電路的溫度代表工作態溫度。

2.4 電路溫度分析

2.4.1 測溫點分布

太陽電池陣上共布置了4個測溫點，每翼2個，分別為+Y翼內板正面和背面各一個，用于監測第1級分流電路溫度。-Y翼外板正面和背面各一個，用于監測第8級分流電路溫度。

根據分流狀態遙測數據的分析，表明太陽電池陣在軌運行期間第1級分流電路常處于分流態，第8級分流電路一直處于工作態。因此，+Y翼內板溫度代表分流態電路的溫度，-Y外板溫度代表工作態電路的溫度。

2.4.2 電路溫度分析

(1)光照區的高溫環境

對太陽電池陣2009年至2013年在軌運行期間四個溫度的遙測數據進行收集、整理，統計分析在軌期間每個月太陽電池陣在光照區的最高溫度，并作圖進行變化趨勢分析，詳見圖4。

圖4 太陽電池陣溫度遙測的高溫隨時間的變化

遙測數據表明，太陽電池電路在光照區的最高溫度均出現在每年的12月份。+Y內板正面溫度遙測最高為95.34℃，+Y內板背面溫度遙測最高為83.46℃，-Y外板正面溫度遙測最高為79.07℃，-Y外板背面溫度遙測最高為69.97℃。

觀察圖中太陽電池陣溫度的變化可看出，分流態電路的溫度普遍高于供電態電路的溫度，兩種狀態下的電路溫差約為18～25℃。光照區，太陽電池陣電路的正面溫度高于背面溫度，約為7～12℃。收集、整理的太陽電池陣典型月份的溫度數據詳見表3。

表3 太陽電池陣典型月份電路溫度匯總表

(2)陰影區的低溫環境

對太陽電池陣2009年至2013年在軌運行期間四個溫度的遙測數據進行收集、整理，統計分析在軌期間每個月太陽電池陣在陰影區的最低溫度，并作圖進行變化趨勢分析，詳見圖5。

遙測數據表明，太陽電池電路在陰影區的最低溫度均出現在每年的12月份。+Y內板正面溫度遙測最低為-75.77℃，+Y內板背面溫度遙測最低為-78.28℃，-Y外板正面溫度遙測最低為-80.79℃，-Y外板背面溫度遙測最低為-83.89℃。

2.4.3 進出影溫度變化分析

衛星的軌道周期為97.6 min。每一軌道圈既有光照區也有陰影區。因此，太陽電池陣在軌運行期間進出影較頻繁，一天內約有15次。

選取太陽電池陣2009年至2013年在軌運行期間經歷溫度范圍最大的時間段，繪制了一天內進出影的變化曲線，以及進出影時的詳細變化過程，詳見圖6、7。遙測參數表明，太陽電池陣在軌所經歷的溫度范圍為-84～96℃。

圖5 太陽電池陣溫度遙測的低溫隨時間的變化

圖6 太陽電池陣一天內進出影溫度變化曲線圖

圖7 太陽電池陣進出影溫度變化曲線圖

3 結論

通過對在軌運行的三結砷化鎵太陽電池陣遙測數據進行收集、整理、分析，可以總結出如下結論：太陽電池陣在軌工作狀態良好，太陽電池陣輸出穩定；太陽電池陣在軌輸出電流每年的變化趨勢相同，6月份最低，在12月份達到最大，且運行3.5年后，性能無明顯衰降；太陽電池陣在軌運行期間所經歷的溫度范圍達到-84～96℃；太陽電池陣分流電路的溫度普遍高于工作電路的溫度，兩種狀態下的電路溫差約為18～25℃。

[1]馬世俊.衛星電源技術[M].北京：宇航出版社，2001:202-203.

Remote sensing data analysis of LEO triple-junction GaAs solar array

XIE Xiao-li,GAO Jian-feng,FANG Ai-xing

LEO satellites based on triple-junction GaAs solar array as primary power was counted,while an introduction of the typical platform product configuration was presented.The remote sensing data of the triple-junction GaAs solar array,which was the current longest product in orbit,was collected and sorted.Solar array electrical output and the degraded trend were obtained according to the analyzed data,as well as temperature variety in orbit. The following Triple-junction GaAs solar array application was supported by the provided data.

LEO;triple-junction GaAs;solar array;remote sensing data;operating temperature

TM 914

A

1002-087 X(2014)02-0279-03

2013-09-10

解曉莉(1982—)，女，山西省人，工程師，主要研究方向為空間太陽電池陣技術。