低轨道高压太阳电池阵电流收集效应研究

陈益峰，杨生胜，李得天，秦晓刚，汤道坦，冯　娜

(兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室　兰州　730000)



低轨道高压太阳电池阵电流收集效应研究

陈益峰，杨生胜，李得天，秦晓刚，汤道坦，冯娜

(兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室兰州730000)

摘要：建立了低地球轨道(low earth orbit，LEO)等离子体环境下，高压太阳电池阵收集电流的计算方法，计算获得了不同等离子体环境和卫星工作状况下，高压太阳电池的收集电流。分析表明，等离子体密度越高，温度越小，高压太阳电池收集电流非线性增加；同时，太阳电池收集电流随卫星功率和工作电压的增加而迅速增加。

关键词：等离子体；高压太阳电池；电流收集效应

随着我国航天事业的发展，各种空间飞行器对功率的需求日益增大，这势必造成太阳电池阵的面积也随之增大。如果采用28 V低压电压，由于电路传输距离长，线路损耗将十分严重，因此，采用高压太阳电池阵已经成为趋势，然而在低地球轨道(low earth orbit，LEO)等离子体环境下，高压太阳电池将产生电流收集效应，导致航天器功率损耗，从而降低了传输功率[1]。

当采用高压太阳电池阵的航天器运行在300～500 km的低地球轨道时，该轨道空间等离子体主要是低温稠密等离子体，其温度为0.1～1 eV，密度为1010～1012m-3。随着高压太阳电池阵工作电压的提高，其与空间等离子体相互作用导致的充放电效应问题越来越突出[2]。

当高压太阳电池阵处于正偏置电压下时，裸露的金属互联以及半导体部分可以从等离子体环境中收集电子电流，从而产生电流收集效应，引起高压太阳电池阵功率损耗[3-4]。

本文主要分析了低温稠密等离子体环境, 通过计算获得了不同等离子体环境和卫星工作状况下,高压太阳电池的收集电流，从而为低轨道高压太阳电池的应用提供理论参考。

1计算方法

在低温稠密等离子体环境下，高压太阳电池阵的收集电流密度jec可用式(1)表述：

(1)

式中，V为高压太阳电池的工作电压，V；Te为等离子体温度，eV；q为电子的电荷量，C；K为玻耳兹曼常量；c1和c2为拟合常数；je·th为热电子电流密度，A·m-2：

(2)

式中，ne为等离子体密度，m-3；me为电子质量，kg。

利用式(1)、(2)可计算获得不同工作电压下，高压太阳电池的收集电流密度，如图1所示。计算过程中等离子体密度取1012m-3，温度取0.5 eV，同时，根据国外实验结果，拟合参数c1和c2分别取6.495×10-7和2.5[5]。

图1　高压太阳电池收集电流密度与工作电压关系Fig.1　The collected current density vs.the operating voltage of solar arrays

由图1可以看出，高压太阳电池的收集电流密度随其工作电压增加而上升，同时，当工作电压小于100 V时，收集电流密度上升比较缓慢，当工作电压大于100 V时，高压太阳电池的收集电流密度随工作电压的增加而迅速增加。这是由于在低地球轨道，等离子体温度较低，太阳电池表面玻璃盖片能很快达到一个负的表面平均电位，当太阳电池在较低电压时，由于存在负的表面平均电位，将会在金属互联和半导体之间形成一个势垒，只有等离子体中电子能量大于这个势垒才可以被收集。

随着太阳电池金属互联工作电压的不断升高，与玻璃盖片表面平行的电场不断增大，玻璃盖片表面二次电子在该电场作用下，沿着玻璃盖片表面向金属互联运动，最终穿过势垒被金属互联收集，引起在很小的暴露区域上产生比较大的收集电流。因此，当工作电压大于100 V时，高压太阳电池的收集电流密度随工作电压的增加而迅速增加。

对于单片太阳电池，主要参数包括电池工作电压Vmp、工作电流Imp、功率Pmp和面积Amp：

Vmp=2.29 V

Imp=0.445 A

Pmp=1.02 W

(3)

航天器的太阳电池阵都是通过太阳电池片的串联和并联实现工作电压和功率需求的。为满足航天器工作电压V=100 V的要求，串联的太阳电池片数量：

(4)

对于航天器功率P=1 kW的要求，并联的太阳电池数量：

(5)

因此，整个太阳电池阵的面积：

(6)

根据总体设计要求，太阳电池暴露于空间等离子体中的导体面积约占总面积的2.8%，因此，太阳电池总的收集电流面积：

(7)

对于整个太阳电池阵，收集电流可用下式表述：

(8)

代入式(1)，则高压太阳电池的收集电流：

(9)

式中，φ=n×Vmp。

2结果分析

不同空间等离子体环境下，高压太阳电池的电流收集效应不同，对于功率为1 kW，工作电压为100 V的卫星，高压太阳电池的收集电流与等离子体密度和温度的关系，如图2所示。

图2　高压太阳电池的收集电流与等离子体密度和温度的关系Fig.2　The collected current vs. the plasma density and temperature

由图2可以看出，当等离子体密度高时，高压太阳电池收集电流大，同时，太阳电池收集电流随等离子体温度的增加而下降。这是由于电子密度高时，高压太阳电池能够收集到更多的电子，导致收集电流增加；同时，等离子体中电子能量越高，就越不容易被太阳电池收集，因此温度高的等离子体作用下太阳电池收集电流低。

同时，航天器的工作状况对高压太阳电池收集电流也将产生影响，在等离子体温度为0.5 eV、密度为1012m-3的环境下，不同功率和工作电压下，高压太阳电池的收集电流计算结果，如表1所列。

在相同工作电压下，随着卫星功率的增加，导致太阳电池阵的收集电流面积增加，因此，收集电流也随之增加。同时，在卫星功率一定时，高压太阳电池收集电流随着工作电压的升高而增加。因此，在卫星功率和工作电压设计中，应综合考虑卫星功率需求与太阳电池电流收集效应，降低卫星功率损耗，提升卫星性能。

表1　高压太阳电池的收集电流计算结果

3结论

等离子体密度越高，高压太阳电池收集电流越大，而且，太阳电池收集电流随等离子体温度的增加而非线性下降；同时，太阳电池收集电流随卫星功率和工作电压的增加而迅速增加。因此，在卫星功率和工作电压设计中应重视太阳电池电流收集效应，降低卫星功率损耗，从而实现低地球轨道高压太阳电池更好地应用。

参考文献

[1]杨华星，毕雨雯，路火平. 新型高压太阳电池阵在低轨等离子体环境中的适应性分析和研究[J]. 载人航天，2011，(6): 11-16.(YANG Hua-xing, BI Yu-wen, LU Huo-ping.Analysis and study of the new type high voltage solar array adaptability in the plasma environment[J].Manned Spaceflight, 2011, (6): 11-16.)

[2]HASTINGS D E,CHO M,KUNINKA H.Arcing rates for high voltage solar arrays-theory, experiment, and predictions[J]. Journal of Spacecraft and Rocket, 1992, 29(4): 538-554.

[3]古士芬，师立勤，宋力，等. 空间等离子体导致高压太阳电池阵的电流收集[J], 空间科学学报，1995，15(1): 42-46. (GU Shi-fen, SHI Li-qin, SONG Li, et al．The current collection by high voltage solar array from the space plasma[J].Chinese Journal of Space Science, 1995, 15(1): 42-46.)

[4]FERGUSON D C，HILLARD G B．Low earth orbit spacecraft charging design guidelines[R].NASA/TP-2003-212287，2003.

[5]CHO M, SHIRAISHI K, TOYODA K, et al. Laboratory experiments on mitigation against arcing on high voltage solar array in simulated LEO plasma environment[C]//AIAA 02-0629, 40th AIAA Science Meeting&Exhibit, Reno, NV, 2002.

Theoretical Study of Current Collection Effect of High Voltage Solar Arrays

CHEN Yi-feng,YANG Sheng-sheng,LI De-tian,QIN Xiao-gang,TANG Dao-tan,FENG Na

(Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory,Lanzhou Institute of Physics,Lanzhou730000,China)

Abstract:This paper studies the calculation method of current collection effect of high-voltage solar arrays in low earth orbit (LEO) plasma environment, and investigates the collected current of high-voltage solar arrays in different plasma density, temperature and spacecraft power. The results indicate that the collected current of high-voltage solar arrays becomes higher for higher plasma density and lower temperature,and increases as the spacecraft power and voltage increase.

Key words:plasma；high-voltage solar arrays；current collection effect

文献标志码：A

文章编号：2095-6223(2016)010602(3)

中图分类号：V242.2

作者简介：陈益峰(1981- )，江苏通州人，高级工程师，博士，主要从事空间环境及防护技术研究。E-mail:chenyifeng@126.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11105063)

收稿日期：2015-08-20；修回日期：2015-12-12