空间太阳电池阵的发展现状及趋势

刘志全 杨淑利 濮海玲

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

空间太阳电池阵是航天器的核心供电设备，其功率、质量、寿命、成本等指标是衡量空间太阳电池阵技术水平的标准和依据［1］。随着航天器对大功率、低成本的轻型空间太阳电池阵需求的不断增大，传统的太阳电池阵遇到了航天任务新的挑战，也突显出其固有的局限性。为了适应航天任务的需求，必须研究新型空间太阳电池阵技术。空间太阳电池阵的总体构型、电池片材料及性能、基板类型和展开机构，影响和决定着空间太阳电池阵的整体性能，本文从上述4个方面对空间太阳电池阵的发展现状及存在问题进行阐述，分析空间太阳电池阵的发展趋势，以促进空间太阳电池阵的发展。

2 空间太阳电池阵总体构型的发展

空间太阳电池阵总体构型经过了由球形体装式构型→柱形体装式构型→带桨展开式构型→单板展开式构型→多板展开式构型的发展历程［2］，如图1所示。近期，空间太阳电池阵总体构型正向着柔性多模块多维展开的方向发展。

20世纪50年代末期发射的航天器，其功率需求不大，一般采用太阳电池片布置在航天器表面的体装式构型的太阳电池阵。美国（1958 年）的第一颗卫星的太阳电池阵就是球形体装式构型［3］。体装式构型的太阳电池阵受航天器表面积的限制，发电功率十分有限。目前，体装式构型的太阳电池阵仅在部分微小卫星上应用，且多为柱形体装式。

图1 空间太阳电池阵总体构型的发展Fig．1 Development of solar array’s configuration

20世纪60—70 年代，随着航天器功率需求的增大，航天器开始配备发射时收拢、入轨后展开的带桨展开式太阳电池阵。带桨展开式太阳电池阵可以提供更大的电池片面积，也可以通过增加桨叶的数量来提高电源总功率。但是，带桨展开式太阳电池阵没有太阳电池阵驱动组件（Solar Array Drive Assembly，SADA），无法实现对日定向，所以太阳电池阵的面积利用率并不高。20 世纪70 年代，为了充分利用太阳电池阵的面积，人们发展了对日定向技术。借助于对日定向技术，太阳电池阵单位面积的阳光吸收量得到了大幅度的提高。同时，人们发展了具有对日定向功能、结构简单的单板展开式构型和多板展开式构型的太阳电池阵。多板展开式构型综合了带桨式（桨叶数目多）和单板展开式（对日定向）两种构型的优点，同时，可实现模块化设计和构型的灵活配置。目前，大功率航天器的主流太阳电池阵总体构型为可对日定向的多板展开式构型。该种构型能够在一定程度上满足功率快速增长的需求。

在多板展开式构型中，应用较多的是如图2所示的一维一次展开构型［4］和如图3所示的二维多次展开构型［3］。若在太阳电池阵面积相同的情况下，二维多次展开构型相对于一维一次展开构型可减小轴向尺寸及由此带来的挠度。

图2 多板一维一次展开构型［4］Fig．2 One dimensional deployment for multi-panels

图3 多板二维多次展开构型［3］Fig．3 Two dimensional deployment for multi-panels

目前，空间站、月球基地等应用对空间太阳电池阵提出了高达数万瓦的超大功率需求。对于需要太阳能-电力推进和更高比功率（150～200 W／kg）的航天飞行任务，传统刚性多板展开的太阳电池阵（比功率约45W／kg）难以完成，仅依靠增加基板的数量来提高太阳电池阵的发电功率亦受到航天器整流罩尺寸和航天器质量的限制。为了满足航天器对超大功率、低成本的轻质太阳电池阵的需求，太阳电池阵总体构型正向着柔性多模块多维展开方向发展，如图4所示。

NASA 在21世纪初的新千年规划中，为太空技术第八代（ST8）任务平台设计了Ultra Flex柔性太阳电池阵［5］。该太阳电池阵是以扇形方式进行折叠和展开的。由数十个超轻三角形薄膜组成的太阳电池阵展开后形成浅伞状结构［6］，如图4（a）所示。这种构型能够提供超过100 W／kg的质量比功率。

21世纪初，美国微卫星系统公司（MSI）也设计了基于柔性薄膜太阳电池片的可折叠矩形多模块太阳电池阵［7］，如图4（b）所示。它的展开过程为二维二次展开，两侧纵向板预先折叠在中间纵向板上，中间纵向板的展开和多板展开式的展开过程相同，展开锁定后，两侧纵向板随后再横向展开，从而构成多模块的柔性太阳电池阵。该电池阵可以提供150 W／kg的质量比功率，以满足超大功率航天器的任务需求，这种模块式太阳电池阵的未来设计目标是质量比功率超过500W／kg。

图4 近期空间太阳电池阵总体构型的发展趋势Fig．4 Trends of solar array’s overall configurations in the near future

3 空间太阳电池阵电池片材料与性能的发展

太阳电池片是通过光电效应将太阳光能转换为电能的半导体器件，其主要性能参数包括光电转换效率、抗辐射能力、开路电压、短路电流和填充因子等。其中，光电转换效率是影响太阳电池片性能的关键参数。

常见的三类空间太阳电池为硅、砷化镓和柔性薄膜太阳电池片。硅电池片包括单晶硅、多晶硅等类型；砷化镓也有单晶砷化镓和多结砷化镓等类型。所谓柔性薄膜电池是以玻璃、金属箔和塑料等低成本材料为底衬、表面附着以薄膜形式存在的半导体材料的光电转化装置。空间太阳电池片特点及其应用如表1所示［8-9］。

为了提高太阳电池片光电转化效率，多年来各国研究机构取得了卓有成效的研究工作。图5显示了不同类型太阳电池片的光电转换效率随年份的增长曲线［10］。基于Ⅲ-Ⅴ族材料的电池（如砷化镓和镓铟磷）为多结器件，具有不同的光学和电学特性，每结生长在另一结上。多结电池性能好的主要原因是：采用高质量、高纯度的晶体材料制备；可以捕获更宽范围的光谱或同等光谱下更有效；使用透镜在高聚光比条件下，提高了效率。2000年前研制的双结聚光砷化镓太阳电池，其最高转换效率达到33．8%；2000年后研制的三结及多结聚光太阳电池的最高转换效率可达到40．7%。

表1 空间太阳电池片及其应用Table 1 Space solar cells and their applications

图5 不同材料的太阳电池片光电转换效率随年份的变化曲线Fig．5 Efficiencies of solar cells of different materials vs．year

单晶和多晶硅电池最高转换效率在20%～25%，难以满足空间太阳电池阵对电池高转换效率的需求，所以硅太阳电池片在逐渐退出空间应用领域。

多结聚光太阳电池具有最高的光电转换效率，已成为当前的研究热点和未来的发展方向。多结砷化镓太阳电池光电转换效率高、短路电流小、串联电阻影响小的特点，决定了它更适合于在聚光条件下应用。而在聚光条件下，多结砷化镓太阳电池片的数量可以大大减少，以此弥补多结砷化镓太阳电池成本过高的不足。

此外，在聚光条件下，柔性薄膜太阳电池片光电转换效率不高的问题也可以迎刃而解。

聚光太阳电池是附加聚光系统的一种特殊电池，可以获得更多的光能，这使得电池扩散层与基区的载流子的扩散、迁移和复合发生变化，因而聚光太阳电池的开路电压、短路电流、填充因子等不同于非聚光太阳电池的对应参数。

图6显示了三结砷化镓电池在几何聚光倍数为2．1倍下和非聚光条件下的电流-电压曲线［11］。由图6可知，聚光条件下的最佳工作功率约是非聚光条件下的2倍。因此在特定功率下，按照图6情况计算，运用聚光技术可以减少约50%太阳电池片数量，从而显著降低电池阵的成本，使得聚光电池在未来的空间应用中潜力很大。

空间聚光太阳电池阵已在1998年成功应用于美国深空一号（DS-1）探测器［2］上。目前，国内在该领域应用的主要制约因素是聚光系统较为复杂，且双轴聚光对准精度尚不能完全满足要求。但是随着技术进步，在不久的将来，空间聚光太阳电池阵可在我国大功率航天器上发挥作用。

图6 太阳电池片在聚光和非聚光条件下的电流-电压曲线Fig．6 I-V curve of solar cell with concentrator and without concentrator

4 空间太阳电池阵基板结构的发展

空间太阳电池阵基板是太阳电池片的安装基础。根据结构组成和刚度大小的不同，空间太阳电池阵基板分为刚性基板、半刚性基板和柔性基板3种类型。

1）刚性基板结构

多数单板、多板展开式空间太阳电池阵采用刚性基板，面密度为1．0～1．3kg／m2，基板占整个电池阵总质量的45%～60%［8］。多板展开式空间太阳电池阵刚性基板之间通过扭簧铰链连接，太阳电池阵整体通过扭簧铰链及连接支架（也有无连接支架的情况）同航天器本体相连。“铝蜂窝芯＋碳纤维复合材料面板＋聚酰亚胺膜”是刚性基板的典型结构。面板材料有铝合金、Kapton和碳纤维复合材料等，而具有碳纤维复合材料面板的刚性基板质量最轻。基板表面所粘贴的聚酰亚胺膜，用以满足太阳电池与基板间的绝缘要求。

刚性基板具有结构简单、刚度较大等优点，其主要缺点是质量和收拢后的体积大。

2）柔性基板结构

柔性太阳电池阵用张紧的柔性毯基板结构作为太阳电池片的安装基础，电池片粘贴在柔性毯结构上。柔性毯的张紧由盘压杆展开机构、铰接杆或套筒式展开机构等来实现。柔性毯衬底一般由复合材料组成。柔性太阳电池阵所使用的电池片可以是普通电池片也可以是柔性薄膜电池片。

21世纪初美国NASA 的以折叠方式收拢或展开的“地球观测卫星”-AM（EOS-AM）太阳电池阵［12］及波音公司的大功率卷筒式收拢的柔性薄膜太阳电池阵［13］均采用了柔性基板结构。

柔性基板结构能显著减小电池阵整体重量，柔性基板结构面密度通常小于0．8kg／m2。采用柔性基板的太阳电池阵比采用刚性基板太阳电池阵拥有更高的质量比功率。图7比对了刚性太阳电池阵和柔性太阳电池阵的比功率变化情况［2］。

图7 柔性基板和刚性基板比功率的比较Fig．7 Rigid and flexible array’s specific power vs．total power

由图7可见，当功率需求小于3kW 时，柔性太阳电池阵并没有展示出其明显的优势，原因是柔性毯收拢与展开装置的质量在整个太阳电池阵质量中占有很大比重。因此，功率需求低于3kW 的太阳电池阵没有必要采用优势不明显的柔性基板，而应该采用技术成熟的刚性基板结构。而当功率需求大于3kW 时，柔性太阳电池阵在质量比功率方面有着明显的优势。

3）半刚性基板结构

半刚性基板结构是介于刚性基板和柔性基板之间的一种结构，其面密度为0．8～1．0kg／m2，基板占整个太阳电池阵总质量的30%～45%［8］。它用碳纤维复合材料制作刚性框架，刚性框架之间采用网格状的环氧玻璃纤维材料或碳纤维、Kapton纤维增强的聚酰亚胺薄膜材料。苏联／俄罗斯的航天器（如和平号空间站）上应用了很多半刚性基板太阳电池阵。

与刚性基板相比，半刚性基板具有质量轻、散热性好、可双面粘贴电池片实现双面发电等优点；它的缺点是结构复杂，容易变形。

5 空间太阳电池阵展开机构的发展

刚性基板及半刚性基板展开式太阳电池阵的展开机构大多采用“扭簧铰链＋联动绳”机构。对于柔性太阳电池阵，可选用的展开机构包括铰链扭簧机构、盘压杆展开机构［14］、铰接杆展开机构［15］、弹性卷曲管状杆展开机构［16］和充气展开机构［17］等，见图8。这些展开机构的技术特点见表2。

图8 几种展开机构类型Fig．8 Several types of deployment mechanisms

表2 展开机构的几种形式及其应用Table 2 Deployment mechanisms and their applications

6 空间太阳电池阵发展现状的分析结论

基于对空间太阳电池阵的发展现状的分析，得出如下几点结论：

（1）体装式构型的空间太阳电池阵主要应用在部分小微卫星上；多板展开式构型的空间太阳电池阵是当前的主流；柔性多模块多维展开式构型的空间太阳电池阵将更加适应大功率轻质空间太阳电池阵的发展需求。

（2）诸如三结砷化镓或多结砷化镓电池片的Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池片，以光电转化效率高等性能优势，正在逐步取代硅电池片，并开始大规模的空间应用。柔性薄膜电池片具有成本低和质量轻的优势，更适合应用于大功率航天器供电或电推进系统。

（3）刚性基板结构简单可靠，但质量和收拢体积大。柔性基板具有收拢体积小和质量轻等优点，但它的展开机构较为复杂。柔性基板在功率需求较大时，柔性太阳电池阵相对于刚性太阳电池阵在比功率方面有着明显的优势。反之亦然。

（4）“扭簧铰链＋联动绳”展开机构多应用于刚性、半刚性太阳电池阵；弹性卷曲管状杆展开机构、盘压杆展开机构、铰接杆展开机构和充气式展开机构多应用于大型柔性太阳电池阵。

7 空间太阳电池阵的发展趋势

经过50多年的发展，空间太阳电池阵总体构型、太阳电池片材料与性能、电池阵基板结构和展开机构都经历了重大的变化与革新。随着航天器对大功率、低成本、轻质空间太阳电池阵需求的不断增加，作为当前主流产品的多板展开式刚性基板的空间太阳电池阵，越来越受到航天任务需求的挑战，因为依靠增加基板的数量来提高太阳电池阵的发电功率，受到航天器整流罩尺寸和航天器质量的限制；通过选用高转换效率的太阳电池片来提高太阳电池阵的发电功率也受到成本和质量的限制（砷化镓材料价格约为硅材料价格的几倍；砷化镓材料的密度比硅材料密度大［18］）。所以，柔性薄膜太阳电池阵得以发展来弥补多板展开式刚性基板的空间太阳电池阵的不足。柔性薄膜太阳电池阵相比刚性太阳电池阵具有质量轻和收拢体积小的显著优势，已多次应用在航天器上，然而柔性薄膜太阳电池片光电转换效率较低的特点也限制了薄膜电池的大面积应用，柔性太阳电池阵的技术优势没有完全发挥出来。

考虑到刚性和柔性太阳电池阵发展的制约因素，未来大功率航天器的空间太阳电池阵将向着聚光型柔性太阳电池阵的方向发展。聚光型柔性太阳电池阵将是适应大功率、低成本、轻质量太阳电池阵需求的新一代空间太阳电池阵。在保留柔性太阳电池阵质量轻、收拢体积小的优点的同时，空间聚光型太阳电池阵应用了大面积廉价轻质的聚光材料，通过聚光增加太阳光的入射强度，进一步提高了电池的光电转换效率。聚光器将较大面积的太阳光汇聚在较小范围内并投射到太阳电池上，从而获得更多的电能输出。据估算［8］，对于聚光倍数为1．8倍的聚光太阳电池阵，在功率为5kW 时与没有聚光器的太阳电池阵相比，质量比功率可提高约20%。对于5kW 的太阳电池阵，聚光型比非聚光型电池阵降低成本20%以上。因此，空间聚光型柔性太阳电池阵较好地解决了太阳电池阵大功率与轻质低成本之间的矛盾，是未来空间太阳电池阵的发展趋势。

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