低軌傾斜軌道衛星太陽電池陣防遮擋設計與分析

蘇寶法 仇恒抗 王凱 宋園 李沐昀 丁丕滿 馬聚沙 曹程

(1 上海空間電源研究所,上海 200245)(2 上海衛星工程研究所,上海 200245)

太陽電池陣作為衛星主要發電單元[1],在光照期向衛星平臺和負載供電,同時為蓄電池充電;當峰值負載工作或太陽電池陣輸出功率減少時,太陽電池陣首先滿足載荷工作,然后再滿足蓄電池充電;在太陽電池陣輸出功率滿足供電和充電需求后,其多余功率對地分流。太陽電池陣在軌輸出電流受軌道面光照角(β角)、太陽電池陣光照角、季節光強因子、工作溫度、輻照衰減等因素影響。例如:低軌傾斜軌道衛星的太陽電池陣采用雙翼結構,β角在0°～75°變化,當β角大于15°時,太陽電池陣一側將受到衛星本體遮擋,陰影遮擋會影響太陽電池陣輸出電流[2-5],進而影響整星輸出功率。為保證太陽電池陣對日定向,太陽電池陣每軌在0°～360°轉動,其遮擋圖形隨β角及太陽電池陣轉角變化而變化,給光照期太陽電池陣輸出電流計算及整星能量平衡設計帶來了困難。

目前,為滿足中低緯度區域的觀測或通信任務需求,衛星常采用低軌傾斜軌道。低軌傾斜軌道衛星與太陽同步軌道衛星相比,衛星光照條件復雜,太陽電池陣靠近星體部分可能受到衛星本體遮擋,從而影響太陽電池陣供電。文獻[6]中提出了一種精確計算航天器本體對太陽電池陣遮擋的方法,給出了月球車遮擋計算的實例,但未對陰影遮擋對太陽電池陣輸出電流的影響進行分析。文獻[7]中對陰影遮擋下太陽電池陣輸出功率影響進行分析,但未對分析結果準確性進行評估,同時未進行壽命末期整星能量平衡分析。

本文首先對低軌傾斜軌道衛星在軌全壽命周期、全工況下本體遮擋進行分析,并結合太陽電池陣陰影遮擋工作特性開展太陽電池陣設計及輸出電流影響分析,選取典型工況將地面影響分析結果與在軌實際遙測結果進行對比,評估陰影遮擋影響分析方法的準確性,可為低軌傾斜軌道衛星復雜光照情況下電源系統能量平衡設計提供參考,為電源系統能源精細化設計提供依據。

1 衛星本體對太陽電池陣遮擋影響分析

低軌傾斜軌道衛星軌道面太陽入射角在較大范圍內周期變化[8],為滿足太陽電池陣對日定向跟蹤的要求,可采用驅動機構雙軸驅動或單軸驅動加整星姿態機動的方式,但雙軸驅動機構結構復雜,不利于長壽命使用;對于載荷對姿態有固定要求的衛星,其姿態不能經常變化,采用單軸驅動后衛星光照條件將變得復雜,太陽電池陣受照面積周期性變化,會影響光照期太陽電池陣輸出電流,給整星能量平衡分析帶來困難。本文以一顆低軌傾斜軌道衛星為例,對全壽命、全工況下衛星本體陰影遮擋進行分析,并對分析方法準確性進行評估。

1.1 衛星本體對太陽電池陣遮擋分析

低軌傾斜軌道衛星太陽電池陣構型及軌道面光照情況如圖1所示,其結構及子電路劃分如表1所示。β角在0～+75°變化,當β角大于15°時,+Y太陽電池陣將受到衛星本體遮擋造成太陽電池陣輸出電流變化。星上微波成像儀活動部分主要為主反射面及支撐桁架。微波成像儀主反射面口徑1.2m,不透光;支撐桁架為支撐結構,可以透光。在1個轉動周期內,主反射面側視投影面積變化非常大,按照極小→極大→極小規律交替,從1個極值到下個極值經過1/4周期;主反射面支撐桁架纖細,在1個轉動周期內投影面積變化非常小。

表1 太陽電池陣基本信息

圖1 衛星構型及軌道面光照

為分析每軌太陽電池陣輸出電流的變化,需要分析陰影遮擋圖形的變化。將大尺寸、短周期活動部件微波成像儀近似為柱狀實體,進行整星建模及仿真分析。β角在0°～75°變化,在+Y太陽電池陣0°～360°對日定向過程中,其受照情況如圖2所示。從圖2可以看出:當β角小于15°時,+Y太陽電池陣轉角變化過程中太陽電池陣不受遮擋;隨著β角的增大,太陽電池陣轉動過程將受到衛星本體不同程度的遮擋,極端情況下,+Y太陽電池陣受照面積僅3.375m2,近81%的面積受到遮擋。

圖2 +Y太陽電池陣未受衛星本體遮擋的面積

1.2 太陽電池陣陰影遮擋分析

太陽電池電路由若干個子電路組成,每個子電路由若干太陽電池串構成,其電流輸出為太陽電池串輸出電流總和。太陽電池串輸出特性曲線如圖3所示。太陽電池受光照后產生光生電壓,當其與負載電路連接后,太陽電池串對外輸出電流,此時太陽電池工作于圖3第一象限,電壓、電流均為正。若太陽電池串中有若干太陽電池被完全遮擋,則受遮擋電池無光生電流,太陽電池串對外形成供電回路時,受遮擋太陽電池工作于第二象限,其電壓為負,電流為正,此時電池承受反向偏壓。當2個太陽電池串并聯,其中1個太陽電池串被完全遮擋,在串間無隔離二極管的情況下,受遮擋太陽電池工作于第四象限,其電壓為正,電流為負,此時電池承受正向偏壓。

圖3 太陽電池串輸出特性曲線

為驗證太陽電池串并聯后陰影遮擋對其輸出電流的影響,制作陰影遮擋試驗板如圖4所示。試驗板由G1～G4共4串太陽電池組成1個模塊,每串由21片太陽電池組成,單串太陽電池輸出正端接獨立隔離二極管。對試驗板進行不同情況的遮擋,測試模塊的輸出電流,測試結果如圖5所示。

圖4 試驗板布局和電路示意

圖5 陰影遮擋下太陽電池模塊輸出曲線

從圖5可以看出:在太陽電池串正端均接隔離二極管輸出的狀態下,發生遮擋時,串與串之間無相互影響,若某串電池被完全遮擋,此串電流將會損失;當完全遮擋1串中不同數量電池時,該串電池輸出電流將受到不同的影響。由于串與串之間連接有隔離二極管,遮擋某串電池只會影響對應太陽電池串的電性能,若2串電池均有遮擋,只需要分析遮擋對各自太陽電池串電流-電壓輸出曲線的影響,然后進行疊加即可。對于全調節母線,太陽電池陣工作時輸出電壓為母線電壓與線路壓降之和,而受遮擋太陽電池串最佳工作點電壓會受到影響。當太陽電池陣工作電壓比受遮擋太陽電池串最佳工作點電壓小時,受遮擋太陽電池串輸出電流基本不受影響;當太陽電池陣工作電壓比受遮擋太陽電池串最佳工作點電壓大時,受遮擋太陽電池串輸出電流將出現損失,損失程度與兩者的差值相關;當太陽電池陣工作電壓比受遮擋太陽電池串開路電壓大時,受遮擋太陽電池串將無電流輸出。

2 太陽電池陣防陰影遮擋設計及分析

2.1 太陽電池陣防陰影遮擋設計

結合上述衛星本體遮擋圖形及太陽電池陣遮擋工作特性分析,太陽電池陣采取如下防陰影遮擋設計。太陽電池陣設計時,每片電池接旁路二極管,防止“熱斑”效應[9];太陽電池串正端接隔離二極管,太陽電池串正端之間相互隔離,防止遮擋太陽電池串作為負載消耗未遮擋電池串輸出電流;由于在軌+Y太陽電池陣會受到衛星本體遮擋,外板到內板遮擋頻次逐漸升高,為保證2組鋰離子蓄電池組充電電流均勻,將與2組蓄電池組對應的充電分流陣分布在兩翼中內板、中外板、外板,分流陣放置在遮擋較為嚴重的內板及中內板位置。太陽電池陣連接關系如圖6所示,+Y太陽電池陣子電路分布如圖7所示。

圖6 太陽電池陣工作原理

圖7 +Y太陽電池陣子電路分布

2.2 陰影遮擋影響分析對比

為更好地分析衛星本體遮擋對太陽電池陣輸出電流的影響,首先分析無陰影遮擋工況下電流設計值與在軌遙測電流值,根據β角、太陽電池陣光照角、日地因子、工作溫度等因素對地面電流測試值進行歸一化處理,再與入軌初期太陽電池陣遙測電流值進行對比,對比結果如表2所示。

表2 在軌遙測電流值與設計值對比

從表2可以看出:在軌各模塊遙測電流值與設計值基本一致,兩者平均誤差1.07%;模塊1～3電流基本一致。其中:模塊1和模塊2電流測量子電路均布局在+Y太陽電池陣;模塊3電流測量子電路布局在-Y太陽電池陣,-Y太陽電池陣不受陰影遮擋影響。

以模塊3作為基準,將模塊1、模塊2與模塊3的電流值作差值,對遮擋影響進行分析。利用2維圖形軟件提取不同情況下太陽電池陣遮擋圖形,將其與太陽電池布片圖進行匹配,識別太陽電池串遮擋情況。根據太陽電池串陰影遮擋工作特性,對遮擋造成的太陽電池陣電流損失進行預計,太陽電池陣選用40.0mm×60.5mm及40.0mm×80.0mm太陽電池,40.0mm×60.5mm太陽電池單串輸出電流約為0.4A,40.0mm×80.0mm太陽電池單串輸出電流約為0.5A。

β為30°、太陽電池陣在0°～360°對日定向的過程中,太陽電池陣的遙測電流(2023年6月21日)如圖8所示,不同太陽電池陣轉角下陰影遮擋電流損失值與在軌遙測電流損失值對比如表3所示。

圖8 在軌太陽電池陣遮擋時模塊遙測電流曲線

從表3可以看出:太陽電池陣工作溫度標定后,除太陽電池陣轉角在280°～340°內太陽電池陣輸出電流呈波動性導致遙測電流值與設計值差異較大外,陰影遮擋下電流損失值與在軌遙測電流損失值基本一致,分析誤差小于2%。太陽電池陣轉角在280°～340°時,遙測電流呈波動性且遙測電流損失值比設計值小,因為衛星本體遮擋圖形分析時采用簡化平行光投影法,將微波成像儀等效成一個柱狀實體,實際微波成像儀非實體且其工作時相位呈周期性變化,當微波成像儀遮擋圖形與太陽電池陣覆蓋時,遙測電流呈波動變化。微波成像儀遮擋時的圖形如圖9所示。

注:β為30°,太陽電池陣轉角為330°。

太陽電池陣受衛星本體遮擋圖形隨β角及太陽電池陣轉角變化而變化,因此太陽電池陣輸出電流呈周期變化;另外,太陽電池陣輸出電流、電壓會隨著在軌服役時間累積而發生衰減,初期、末期遮擋圖形相同情況下其輸出電流也不相同。通過投影法獲得衛星本體遮擋圖形,以及遮擋太陽電池串數及每串遮擋片數,然后結合太陽電池陣工作溫度、電流及電壓衰減情況分析太陽電池陣陰影遮擋輸出電流損失,能得到壽命末期太陽電池陣充電電流,充電電流對時間進行積分可獲得光照期充電容量,比較充電容量和放電容量可以對整星能源平衡進行分析。因此,太陽電池陣全壽命、全工況陰影遮擋影響分析可為復雜光照情況整星能量平衡優化提供依據,提高能量平衡分析的準確度和全面性。

3 結束語

本文針對低軌傾斜軌道衛星太陽電池陣受照情況的復雜特性,研究衛星本體遮擋圖形變化,分析太陽電池陣陰影遮擋工作特性,在結合太陽電池串陰影遮擋試驗結果的基礎上開展太陽電池陣防陰影遮擋設計及輸出電流影響分析。分析結果顯示:遮擋電流損失值與在軌遙測電流損失值基本一致,陰影遮擋分析結果誤差小于2%。本文提供的衛星本體遮擋分析方法及太陽電池陣防陰影遮擋設計,可為衛星本體復雜遮擋情況下的電源系統能源平衡設計提供參考,為電源系統能源精細化設計提供依據。