低温低光强对太阳电池阵性能影响分析与验证

2022-11-26尹兴月刘吉晔

电源技术 2022年11期

尹兴月，刘吉晔，张帅

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384)

探索宇宙造福人类，对月球及以远天体的探测活动，是人类航天活动的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一。随着科学探测技术的不断发展，探测器探测的距离也越来越远。

深空探测项目中，小天体探测日益受到重视，多目标多任务探测是深空探测的一种重要形式。太阳电池阵作为深空探测器电能源的主要来源，探测全程将太阳能转换为电能，为星上设备供电。与地球轨道卫星不同，深空探测轨道上的光强随着对日距离的增加而逐渐减弱，太阳电池阵在该轨道上的工作温度也逐渐降低，存在低温、低光强环境条件。

太阳电池阵在低温低光强条件下的输出功率会如何变化，是探测器太阳电池阵设计和应用过程中重点关注的问题。本文针对低温低光强环境条件对太阳电池阵输出性能的影响进行分析和实验验证，结合工程应用给出低温低光强下太阳电池阵的功率预计方法，为远距离深空探测太阳电池阵设计和整器功率平衡计算提供参考。

1 具有低温低光强环境的探测轨道

多数探测器中使用太阳电池阵作为发电设备，通过光伏效应将太阳能转换为电能，为探测器供电。在太阳电池阵效率一定的情况下，其受到的光强大小直接影响电性能的输出。

太阳光强随着探测器与太阳的距离增大而逐渐减小，与距离的平方成反比。以日地距离下的太阳光强E0为基准，则探测器与太阳间距为n(AU)时，太阳电池阵受到的光强为：

光强减弱，使得太阳电池阵在轨工作温度随之降低。不同天文距离下，光强和太阳电池阵在轨工作温度情况见图1。

图1 光强、温度随天文距离变化趋势

2 低温低光强对太阳电池输出性能的影响

2.1 仿真计算模型的建立

太阳电池在低温、低光强的条件下工作，与近地卫星太阳电池阵的工作状态有很大不同。低温低光强效应使三结砷化镓太阳电池载流子动能降低、本征载流子浓度降低、能带宽度增加、漏电流增大，使太阳电池空间电荷区复合占主导，缺陷影响显著。不同结构太阳电池片的电性能输出特性受低温低光强的影响程度不同，影响较大的情况下会出现“断膝”现象，如图2。

图2 低温低光强下太阳电池断膝现象

为准确进行功率预计，参考太阳电池阵功率预计模型[式(2)]建立仿真计算模型：

式中：C1=[1－(Imp/Isc)]{exp[－Vmp(C2Voc)]}；C2=[(Vmp/Voc)－1]×[ln(1－Imp/Isc)]－1；V=V0+β(V)×(T－T0)；I=I0+I0×β(I)×(T－T0)。

上述模型中，未考虑低温、低光强的因素。因此，低温低光强下太阳电池阵的功率预计模型中，需增加两因素的影响因子。本文分别称为低温影响因子K1和低光强影响因子K2。

国内外资料或工程应用中，不同类型的太阳电池、不同温度、不同光强下的影响因子不尽相同。为此分别从低温和低光强两个方面的影响出发，进行测试和分析，以获取不同工况下的影响因子数值。

2.2 低温下太阳电池输出性能测试结果

随着太阳电池工作温度的降低，电压逐渐升高，电流减小，输出功率升高。对太阳电池在－90～25 ℃的电性能进行测试，包括开路电压Voc、短路电流Isc、最大功率点电压Vm、最大功率点电流Im。为准确获得低温对太阳电池输出的影响程度，进行了－90～25 ℃太阳电池电性能测试，测试结果见表1。图3 是电压、电流随温度变化趋势。

表1 －90～25 ℃太阳电池性能测试结果

图3 电压、电流随温度变化趋势

测试结果表明，随着太阳电池工作温度的降低，电压逐渐升高，电流减小，输出功率升高。从曲线看，电压随温度的变化为线性，因此确定低温影响因子中电压影响因子为定值。

在不同温度下，电流随温度变化情况略有不同，低温影响因子中电流因子K1(I)的数值需根据不同温度范围来确定，具体见表2。

表2 不同温度下电流影响因子

2.3 低光强下太阳电池输出性能测试结果

随着光强的降低，太阳电池输出电流降低，初期电压无明显变化，当光强降低至一定程度后，电压逐渐降低。对太阳电池片在0.05 AM0～1 AM0(1 AM0=1 353 W/m2)光强下的电性能进行测试，包括开路电压Voc、短路电流Isc、最大功率点电压Vm、最大功率点电流Im，确定低光强对太阳电池电压、电流的影响因子。

对太阳电池在0.05 AM0～1 AM0 光强下的电性能输出情况进行了测试，测试结果见表3。图4 是电压、电流随光强变化趋势。