MEO卫星太阳电池在轨衰降特性分析

（北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

1 引言

太阳电池也称光伏电池，是利用光伏效应将太阳能直接转化成电能的半导体器件，而半导体材料特有的原子结构会因空间辐射效应的积累而发生变化，太阳电池阵由于工作在卫星外部，直接暴露在空间环境中，空间辐射会使太阳电池阵的功率输出能力随着卫星在轨时间的推移而逐渐降低［-4］。

中地球轨道（MEO）介于低地球轨道和地球同步轨道之间，目前世界上已发射的MEO 卫星主要运行于20 000km 左右的高度，这个高度正处于对卫星辐射损害最严重的范·艾伦辐射带周围，空间辐照影响比其它轨道大。MEO 卫星相比于其它轨道卫星更须关注辐射效应对太阳电池阵输出功率的影响［5-6］。

我国已发射的MEO 卫星很少，其中发射的第一颗MEO 卫星在轨运行时间已超过6年，因此对其太阳电池阵功率输出数据进行分析是非常有意义的。本文首先介绍了太阳电池衰降机理，然后用遥测数据统计与数学分析的方法，对我国第一颗MEO 卫星在轨工作过程中太阳电池阵的输出功率进行统计，总结出太阳电池阵的输出功率随季节及在轨工作时间的变化规律，此分析结果可为后续MEO 卫星太阳电池阵的设计提供参考。

2 衰降机理

太阳电池的衰降机理是其在空间带电粒子的撞击下，晶格结构产生缺陷，降低了光伏电池电压和电流输出，各种粒子在穿透光伏电池表面时的速度不同，引起损伤的程度也不同。低能粒子造成的损伤接近表面，会降低光伏电池开路电压；高能粒子深入基区，减少了电子空穴对的寿命，会降低光伏电池短路电流。在辐射剂量逐年递增的过程中最终导致太阳电池阵输出功率的能力持续下降，当其输出能力低于指标要求时，其寿命便宣告终结［5，7］。

由于MEO 卫星处于范·艾伦辐射带周围，高能粒子总剂量和紫外辐射是对太阳电池阵性能影响的主要因素。

造成太阳电池阵衰减的各种因素按照其重要性排列顺序见表1。

表1 空间环境对太阳电池的影响Table 1 Effects of space environment on solar cells

3 分析方法

卫星的太阳电池阵一般为两个可展开式的单轴对日定向刚性太阳翼，分别称为北翼（-Y）和南翼（＋Y），每翼有3块太阳电池基板，两翼的太阳电池电路均衡对称分布，每翼布有主阵和充电限流阵。太阳电池片为浅结、密栅硅太阳电池，平均光电转换效率为12.1%。充电限流阵通过太阳电池片的限流作用实现蓄电池的恒流充电功能。

卫星采用局部-线性-顺序分流调节的控制方式来保证稳定的母线电压。在这种控制方式下，太阳电池电路的功率流向分为2类：①不分流的电路为卫星负载设备供电（包括为蓄电池组充电的部分），这部分功率可以通过负载电流遥测参数和充电电流遥测参数之和表征；②分流的电路可以通过分流电流遥测参数表征其输出电流能力。因此，上述3部分电流之和表征了太阳电池电路的总输出能力［8-9］。即

式中：ⅠN为北太阳电池阵输出总电流，Ⅰ1N为北主母线负载电流，Ⅰ2N为北蓄电池组充电电流，Ⅰ3N为北分流器分流电流；ⅠS为南太阳电池阵输出总电流，Ⅰ1S为南主母线负载电流，Ⅰ2S为南蓄电池组充电电流，Ⅰ3S为南分流器分流电流；Ⅰ为太阳电池阵输出总电流。

太阳电池阵功率输出除了本身的性能外，还受温度、光照及空间环境影响，本文的主要目的是研究其在轨衰降特性，应对这些因素进行分析以得出结果。卫星采用偏航控制，能够控制太阳电池阵始终对日定向，因此在分析中可忽略太阳入射角度对输出功率的影响；日地因子对太阳电池阵输出功率的影响较大，通过分析逐年春分日、夏至日、秋分日和冬至日电池阵的输出数据，可得出日地因子归一化的分析结果（日地因子见表2）；温度对太阳电池阵的输出功率影响相对较小，本文通过采样光照期温度稳定时刻的数据忽略温度对分析结果的影响。

表2 日地因子Table 2 Solar-earth factor

太阳电池的短路电流和开路电压变化规律是太阳电池在轨特性分析的重要组成部分，卫星遥测参数设计中，没有设置太阳电池短路电流和开路电压的遥测参数，本文从充电电流遥测和分流电路分流时的开路电压遥测中近似表示出太阳电池短路电流和开路电压的变化规律。

4 在轨特性分析

4.1 输出总功率

卫星在轨已有6年，本文以每两周为间隔，统计了自2007年4月发射至2012年12月在轨运行的太阳电池阵输出功率数据，其输出功率曲线如图1所示。

此外，本文以每两周时间为间隔，对太阳电池阵当年与次年的年衰降率进行了计算，然后对全年的数据取平均值，得出太阳电池阵逐年的平均衰降率（见表3）。

图1 太阳电池阵输出功率变化曲线Fig.1 Output power trend of solar array

表3 太阳电池阵输出功率的衰降率Table 3 Degradation rate of output power

从图1与表3中可以看出：

（1）卫星为偏航控制方式，对太阳电池阵输出功率的主要影响因素为日地因子，图1所示太阳电池阵在轨输出功率曲线在春分点、夏至点、秋分点、冬至点呈波峰波谷分布，与设计结果一致。

（2）太阳电池阵输出总功率入轨第一个年度周期的衰降率最大，为2.41%；第二个年度周期衰降率最小，为0.64%；后续几个年度周期衰降率趋于稳定，为1.7%左右。

将太阳电池阵在轨输出值与设计值进行比较可知（见表4）：

（1）寿命初期，太阳电池阵实际在轨输出功率与设计值相比略低；

（2）按1.7%的衰减率计算至8年寿命末期可知，春分点、秋分点、冬至点太阳电池阵实际在轨输出功率与设计值相比略高，夏至点实际输出功率与设计值相当。

表4 在轨输出功率与设计输出功率的比较Table 4 Output power comparison between design data and on-orbit data

4.2 输出总电流

对卫星在轨期间太阳电池阵的输出总电流与负载电流的统计情况如图2所示。

图2 太阳电池阵总输出电流和负载电流曲线图Fig.2 Curve of total output current and load current

从图2中可以看出，太阳电池阵输出总电流与输出总功率的趋势基本一致，卫星太阳电池阵输出总电流较为平稳，在轨期间太阳电池阵的功率余量充足，能满足负载使用需求。

从图3中可以看出，太阳电池阵-Y、＋Y（北、南）翼输出电流在2007年入轨初期存在约1A 的差异，主要原因是两翼负载电流差异对太阳电池阵输出电流遥测的影响所致；2008年初对负载进行调整后两翼输出电流基本一致。

图3 太阳电池阵两翼输出电流曲线Fig.3 Output current curve of two wings

以上从时域趋势线的角度对太阳电池阵输出电流特性进行了统计和分析，为了在相同日地因子情况下对太阳电池阵的输出电流进行分析，将太阳电池阵的输出总电流值按照两分点（春分、秋分）、两至点（夏至、冬至）分别统计（见表5），分点与至点的输出电流曲线见图4。通过对卫星太阳电池阵在分点和至点的输出电流统计，可以从另一角度得出太阳电池阵的衰降特性（见表6）。

表5 分点与至点的输出电流衰降率Fig.5 Output current degradation rate at equinox and solstitial

表6 按衰降周期统计衰降率Fig.6 Degradation rate versus degraded period

图4 分点与至点的输出电流曲线图Fig.4 Output current curve of equinox and solstitial

从以上分析可以看出，

（1）太阳电池阵输出总电流在冬至点最大，春分秋分次之，夏至点最小，分布规律与日地因子直接相关；

（2）太阳电池阵在轨第一个衰降周期的输出电流衰降速率最大，为2.33%；第二个衰降周期衰降率最小，为0.35%；后续几个衰降周期衰降率趋于稳定，为1.7%左右。其变化趋势与4.1 节太阳电池阵输出总功率变化趋势基本一致。

4.3 短路电流

由于卫星充电限流阵通过太阳电池片的限流作用实现蓄电池的恒流充电功能，因此通过分析其充电电流的变化特性，可近似得出太阳电池片短路电流的衰降特性。由于充电电流值较小，两年之间的衰降数据绝对值较小，遥测数据误差可能存在一定的影响，但作为趋势统计是可行的。

卫星逐年充电电流的变化情况见表7和图5。

表7 充电电流衰降率Fig.7 Degradation ratation of charge current

图5 充电电流变化曲线Fig.5 Charge current curve of two wings

将卫星充电电流的变化情况进行绘图，由图5可知：

（1）太阳电池片的短路电流从2007年发射入轨呈逐年下降的趋势，其中在轨第一年衰降最大，第二年衰降最小，此后衰降趋于稳定；

（2）太阳电池短路电流的变化趋势与太阳电池阵总功率变化趋势较为一致，短路电流的衰降趋势可近似反映太阳电池阵总功率的衰降趋势；

（3）在同一年，太阳电池短路电流下半年衰降幅度均大于上半年。

4.4 开路电压

卫星采用局部-线性-顺序分流调节的控制方式来保证稳定的母线电压，则分流级抽头点上段电压可表征其开路电压，本文对卫星第一级分流电路在分流状态下的抽头点上段电压的数据进行统计分析，可近似得出MEO 卫星太阳电池阵开路电压的在轨衰降特性（见表8）。

表8 开路电压衰降率Fig.8 Degradation rate of open circuit voltage

将卫星太阳电池阵在分点时的抽头点上段电压进行绘图，由图6可知：

（1）太阳电池阵开路电压较历史同期相比，逐年均有小幅减少，呈近似线性关系，即开路电压衰降率近似恒定；

（2）相比较于短路电流而言，太阳电池阵开路电压衰降不是其输出功率衰降的主要原因。

图6 开路电压变化曲线Fig.6 Curve of open circuit voltage

5 结论

本文以某MEO 卫星太阳电池阵为研究对象，通过在轨遥测参数数据的统计，从太阳电池阵输出总功率、输出总电流、短路电流、开路电压等方面进行了分析，得出结论如下：

（1）采用偏航控制的MEO 卫星太阳电池阵输出功率与日地因子呈对应关系，日地因子是影响输出功率大小的最主要空间环境因素；

（2）太阳电池阵在轨输出总功率第一个在轨周期衰降率最大；

（3）寿命初期，太阳电池阵实际在轨输出功率比设计值略低，寿命末期，通过计算可知，太阳电池阵实际在轨输出功率比设计值略高；

（4）太阳电池阵输出总电流变化趋势与输出总功率变化趋势基本一致；

（5）太阳电池阵输出功率与太阳电池短路电流变化趋势较为一致，太阳电池短路电流的衰降趋势可近似反映太阳电池阵总功率的衰降趋势；

（6）太阳电池阵开路电压较历史同期相比，逐年均有小幅减少，呈近似线性关系，即开路电压衰降率近似恒定。

本文的分析结论可供后续MEO 卫星太阳电池阵设计时参考。

（References）

［1］熊绍珍，朱美芳.太阳能电池基础和应用［M］.北京：科学出版社，2009 Xiong Shaozhen，Zhu Meifang.Solar cells basis and applications［M］.Beijing：Science Press，2009（in Chinese）

［2］赵富鑫，魏彦章.太阳电池及其应用［M］.北京：国防工业出版社，1985 Zhao Fuxin，Wei Yanzhang.Solar cells and their applications［M］.Beijing：National Defence Industry Press，1985（in Chinese）

［3］马丁格林.太阳能电池工作原理、技术和系统应用［M］.狄大卫，译.上海：上海交通大学出版社，2010 Martin A Green.Solar cells operating principles，technology and system applications［M］.Di Dawei，translated.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University Press，2010（in Chinese）

［4］方荣生.太阳能应用技术［M］.北京：中国农业机械出版社，1985 Fang Rongsheng.Solar power application technology［M］.Beijing：China Agriculture Machine Press，1985（in Chinese）

［5］帕特尔.航天器电源系统［M］.韩波，陈琦，崔晓婷，译.北京：中国宇航出版社，2010 Patel M R.Spacecraft power systems［M］.Han Bo，Chen Qi，Cui Xiaoting，translated.Beijing：China Astronautics Press，2010（in Chinese）

［6］王炳忠.太阳辐射能的测量与标准［M］.北京：科学出版社，1988 Wang Bingzhong.Solar radiation power measurement and standard［M］.Beijing：Science Press，1988 （in Chinese）

［7］谭维炽，胡金刚.航天器系统工程［M］.北京：中国科学技术出版社，2009 Tan Weichi，Hu Jingang.Spacecraft system engineering［M］.Beijing：China Science and Technology Press，2009（in Chinese）

［8］马世俊.卫星电源技术［M］.北京：中国宇航出版社，2001 Ma Shijun.Satellite power supply technology［M］.Beijing：China Astronautics Press，2001（in Chinese）

［9］李国欣.新型化学电源技术概论［M］.上海：上海科学技术出版社，2007 Li Guoxin.New type chemical power supply technology［M］.Shanghai：Shanghai Scientific and Technical Publishers，2007（in Chinese）