低轨倾斜轨道卫星太阳电池阵防遮挡设计与分析

苏宝法 仇恒抗 王凯 宋园 李沐昀 丁丕满 马聚沙 曹程

(1 上海空间电源研究所,上海 200245)(2 上海卫星工程研究所,上海 200245)

太阳电池阵作为卫星主要发电单元[1],在光照期向卫星平台和负载供电,同时为蓄电池充电;当峰值负载工作或太阳电池阵输出功率减少时,太阳电池阵首先满足载荷工作,然后再满足蓄电池充电;在太阳电池阵输出功率满足供电和充电需求后,其多余功率对地分流。太阳电池阵在轨输出电流受轨道面光照角(β角)、太阳电池阵光照角、季节光强因子、工作温度、辐照衰减等因素影响。例如:低轨倾斜轨道卫星的太阳电池阵采用双翼结构,β角在0°～75°变化,当β角大于15°时,太阳电池阵一侧将受到卫星本体遮挡,阴影遮挡会影响太阳电池阵输出电流[2-5],进而影响整星输出功率。为保证太阳电池阵对日定向,太阳电池阵每轨在0°～360°转动,其遮挡图形随β角及太阳电池阵转角变化而变化,给光照期太阳电池阵输出电流计算及整星能量平衡设计带来了困难。

目前,为满足中低纬度区域的观测或通信任务需求,卫星常采用低轨倾斜轨道。低轨倾斜轨道卫星与太阳同步轨道卫星相比,卫星光照条件复杂,太阳电池阵靠近星体部分可能受到卫星本体遮挡,从而影响太阳电池阵供电。文献[6]中提出了一种精确计算航天器本体对太阳电池阵遮挡的方法,给出了月球车遮挡计算的实例,但未对阴影遮挡对太阳电池阵输出电流的影响进行分析。文献[7]中对阴影遮挡下太阳电池阵输出功率影响进行分析,但未对分析结果准确性进行评估,同时未进行寿命末期整星能量平衡分析。

本文首先对低轨倾斜轨道卫星在轨全寿命周期、全工况下本体遮挡进行分析,并结合太阳电池阵阴影遮挡工作特性开展太阳电池阵设计及输出电流影响分析,选取典型工况将地面影响分析结果与在轨实际遥测结果进行对比,评估阴影遮挡影响分析方法的准确性,可为低轨倾斜轨道卫星复杂光照情况下电源系统能量平衡设计提供参考,为电源系统能源精细化设计提供依据。

低轨倾斜轨道卫星轨道面太阳入射角在较大范围内周期变化[8],为满足太阳电池阵对日定向跟踪的要求,可采用驱动机构双轴驱动或单轴驱动加整星姿态机动的方式,但双轴驱动机构结构复杂,不利于长寿命使用;对于载荷对姿态有固定要求的卫星,其姿态不能经常变化,采用单轴驱动后卫星光照条件将变得复杂,太阳电池阵受照面积周期性变化,会影响光照期太阳电池阵输出电流,给整星能量平衡分析带来困难。本文以一颗低轨倾斜轨道卫星为例,对全寿命、全工况下卫星本体阴影遮挡进行分析,并对分析方法准确性进行评估。

1.1 卫星本体对太阳电池阵遮挡分析

低轨倾斜轨道卫星太阳电池阵构型及轨道面光照情况如图1所示,其结构及子电路划分如表1所示。β角在0～+75°变化,当β角大于15°时,+Y太阳电池阵将受到卫星本体遮挡造成太阳电池阵输出电流变化。星上微波成像仪活动部分主要为主反射面及支撑桁架。微波成像仪主反射面口径1.2m,不透光;支撑桁架为支撑结构,可以透光。在1个转动周期内,主反射面侧视投影面积变化非常大,按照极小→极大→极小规律交替,从1个极值到下个极值经过1/4周期;主反射面支撑桁架纤细,在1个转动周期内投影面积变化非常小。

表1 太阳电池阵基本信息

图1 卫星构型及轨道面光照

为分析每轨太阳电池阵输出电流的变化,需要分析阴影遮挡图形的变化。将大尺寸、短周期活动部件微波成像仪近似为柱状实体,进行整星建模及仿真分析。β角在0°～75°变化,在+Y太阳电池阵0°～360°对日定向过程中,其受照情况如图2所示。从图2可以看出:当β角小于15°时,+Y太阳电池阵转角变化过程中太阳电池阵不受遮挡;随着β角的增大,太阳电池阵转动过程将受到卫星本体不同程度的遮挡,极端情况下,+Y太阳电池阵受照面积仅3.375m2,近81%的面积受到遮挡。

图2 +Y太阳电池阵未受卫星本体遮挡的面积

1.2 太阳电池阵阴影遮挡分析

太阳电池电路由若干个子电路组成,每个子电路由若干太阳电池串构成,其电流输出为太阳电池串输出电流总和。太阳电池串输出特性曲线如图3所示。太阳电池受光照后产生光生电压,当其与负载电路连接后,太阳电池串对外输出电流,此时太阳电池工作于图3第一象限,电压、电流均为正。若太阳电池串中有若干太阳电池被完全遮挡,则受遮挡电池无光生电流,太阳电池串对外形成供电回路时,受遮挡太阳电池工作于第二象限,其电压为负,电流为正,此时电池承受反向偏压。当2个太阳电池串并联,其中1个太阳电池串被完全遮挡,在串间无隔离二极管的情况下,受遮挡太阳电池工作于第四象限,其电压为正,电流为负,此时电池承受正向偏压。

图3 太阳电池串输出特性曲线

为验证太阳电池串并联后阴影遮挡对其输出电流的影响,制作阴影遮挡试验板如图4所示。试验板由G1～G4共4串太阳电池组成1个模块,每串由21片太阳电池组成,单串太阳电池输出正端接独立隔离二极管。对试验板进行不同情况的遮挡,测试模块的输出电流,测试结果如图5所示。

图4 试验板布局和电路示意

图5 阴影遮挡下太阳电池模块输出曲线

从图5可以看出:在太阳电池串正端均接隔离二极管输出的状态下,发生遮挡时,串与串之间无相互影响,若某串电池被完全遮挡,此串电流将会损失;当完全遮挡1串中不同数量电池时,该串电池输出电流将受到不同的影响。由于串与串之间连接有隔离二极管,遮挡某串电池只会影响对应太阳电池串的电性能,若2串电池均有遮挡,只需要分析遮挡对各自太阳电池串电流-电压输出曲线的影响,然后进行叠加即可。对于全调节母线,太阳电池阵工作时输出电压为母线电压与线路压降之和,而受遮挡太阳电池串最佳工作点电压会受到影响。当太阳电池阵工作电压比受遮挡太阳电池串最佳工作点电压小时,受遮挡太阳电池串输出电流基本不受影响;当太阳电池阵工作电压比受遮挡太阳电池串最佳工作点电压大时,受遮挡太阳电池串输出电流将出现损失,损失程度与两者的差值相关;当太阳电池阵工作电压比受遮挡太阳电池串开路电压大时,受遮挡太阳电池串将无电流输出。

2.1 太阳电池阵防阴影遮挡设计

结合上述卫星本体遮挡图形及太阳电池阵遮挡工作特性分析,太阳电池阵采取如下防阴影遮挡设计。太阳电池阵设计时,每片电池接旁路二极管,防止“热斑”效应[9];太阳电池串正端接隔离二极管,太阳电池串正端之间相互隔离,防止遮挡太阳电池串作为负载消耗未遮挡电池串输出电流;由于在轨+Y太阳电池阵会受到卫星本体遮挡,外板到内板遮挡频次逐渐升高,为保证2组锂离子蓄电池组充电电流均匀,将与2组蓄电池组对应的充电分流阵分布在两翼中内板、中外板、外板,分流阵放置在遮挡较为严重的内板及中内板位置。太阳电池阵连接关系如图6所示,+Y太阳电池阵子电路分布如图7所示。

图6 太阳电池阵工作原理

图7 +Y太阳电池阵子电路分布

2.2 阴影遮挡影响分析对比

为更好地分析卫星本体遮挡对太阳电池阵输出电流的影响,首先分析无阴影遮挡工况下电流设计值与在轨遥测电流值,根据β角、太阳电池阵光照角、日地因子、工作温度等因素对地面电流测试值进行归一化处理,再与入轨初期太阳电池阵遥测电流值进行对比,对比结果如表2所示。

表2 在轨遥测电流值与设计值对比

从表2可以看出:在轨各模块遥测电流值与设计值基本一致,两者平均误差1.07%;模块1～3电流基本一致。其中:模块1和模块2电流测量子电路均布局在+Y太阳电池阵;模块3电流测量子电路布局在-Y太阳电池阵,-Y太阳电池阵不受阴影遮挡影响。

以模块3作为基准,将模块1、模块2与模块3的电流值作差值,对遮挡影响进行分析。利用2维图形软件提取不同情况下太阳电池阵遮挡图形,将其与太阳电池布片图进行匹配,识别太阳电池串遮挡情况。根据太阳电池串阴影遮挡工作特性,对遮挡造成的太阳电池阵电流损失进行预计,太阳电池阵选用40.0mm×60.5mm及40.0mm×80.0mm太阳电池,40.0mm×60.5mm太阳电池单串输出电流约为0.4A,40.0mm×80.0mm太阳电池单串输出电流约为0.5A。

β为30°、太阳电池阵在0°～360°对日定向的过程中,太阳电池阵的遥测电流(2023年6月21日)如图8所示,不同太阳电池阵转角下阴影遮挡电流损失值与在轨遥测电流损失值对比如表3所示。

图8 在轨太阳电池阵遮挡时模块遥测电流曲线

从表3可以看出:太阳电池阵工作温度标定后,除太阳电池阵转角在280°～340°内太阳电池阵输出电流呈波动性导致遥测电流值与设计值差异较大外,阴影遮挡下电流损失值与在轨遥测电流损失值基本一致,分析误差小于2%。太阳电池阵转角在280°～340°时,遥测电流呈波动性且遥测电流损失值比设计值小,因为卫星本体遮挡图形分析时采用简化平行光投影法,将微波成像仪等效成一个柱状实体,实际微波成像仪非实体且其工作时相位呈周期性变化,当微波成像仪遮挡图形与太阳电池阵覆盖时,遥测电流呈波动变化。微波成像仪遮挡时的图形如图9所示。

注:β为30°,太阳电池阵转角为330°。

太阳电池阵受卫星本体遮挡图形随β角及太阳电池阵转角变化而变化,因此太阳电池阵输出电流呈周期变化;另外,太阳电池阵输出电流、电压会随着在轨服役时间累积而发生衰减,初期、末期遮挡图形相同情况下其输出电流也不相同。通过投影法获得卫星本体遮挡图形,以及遮挡太阳电池串数及每串遮挡片数,然后结合太阳电池阵工作温度、电流及电压衰减情况分析太阳电池阵阴影遮挡输出电流损失,能得到寿命末期太阳电池阵充电电流,充电电流对时间进行积分可获得光照期充电容量,比较充电容量和放电容量可以对整星能源平衡进行分析。因此,太阳电池阵全寿命、全工况阴影遮挡影响分析可为复杂光照情况整星能量平衡优化提供依据,提高能量平衡分析的准确度和全面性。

本文针对低轨倾斜轨道卫星太阳电池阵受照情况的复杂特性,研究卫星本体遮挡图形变化,分析太阳电池阵阴影遮挡工作特性,在结合太阳电池串阴影遮挡试验结果的基础上开展太阳电池阵防阴影遮挡设计及输出电流影响分析。分析结果显示:遮挡电流损失值与在轨遥测电流损失值基本一致,阴影遮挡分析结果误差小于2%。本文提供的卫星本体遮挡分析方法及太阳电池阵防阴影遮挡设计,可为卫星本体复杂遮挡情况下的电源系统能源平衡设计提供参考,为电源系统能源精细化设计提供依据。

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