GEO卫星网状天线遮挡对太阳电池阵输出功率影响的分析及对策

大型网状天线已经在地球同步轨道(GEO)卫星中得到广泛应用,天线在轨展开后不可避免地会对太阳电池阵产生遮挡。文章分析了大型网状天线对太阳电池阵的遮挡,综合考虑遮挡对太阳电池电路特性、太阳电池阵有效面积和温度的影响,并进行了遮挡损失模拟试验。针对影响分析结果,提出了合理的应对策略,如太阳电池阵被遮挡后功率不足时由蓄电池组参与联合供电,可为电源系统功率设计提供参考。     

航天器大型网状天线透光性遮挡的精确计算方法

针对航天器太阳电池阵的设计和仿真中需要考虑大型网状天线造成的透光性遮挡的问题，提出一种精确计算透光性遮挡的方法。该方法以最小重复单元对金属网布进行三维建模，求取不同光照下金属网布透光率并存为表格；计算含金属网布构件造成的透光性遮挡图形时，用三角面片对构件进行三维建模，先计算出三角面片与入射光线的位置关系，查表得到该三角面片的透光率后将其投影区域的光照强度相应减少。径向肋天线算例表明，该方法快速准确，能正确生成透光性遮挡图形，为太阳电池阵仿真分析奠定了基础。     

一种精确计算航天器本体对太阳电池阵遮挡的方法

针对航天器太阳电池阵电设计和热设计中需要准确考虑阴影影响的问题,提出了一种可以精确计算太阳电池阵阴影的方法。首先使用三角网格来建立3D模型,其次考虑了航天器本体构件间的相对运动,然后用一个“包围盒”去截取模型上的三角网格点,再把这些点投射到太阳电池阵上,最后把太阳电池阵分成小方格,分别使用逐点比较法和最小矩形法来生成阴影图形。给出了月球车遮挡计算的实例,仿真分析表明生成阴影图形时,最小矩形法具有更高的速度。使用本文所述的方法,可计算结构复杂、构件间有相对运动的航天器本体对太阳电池阵造成的遮挡,能生成精确的阴影图形,为后续计算受遮挡的太阳电池阵的输出特性奠定了基础。     

混合式MPPT星载电源系统拓扑设计与仿真分析

为适应低轨道卫星、深空探测器等航天器的应用需求,本文提出采用一种新型串并联混合式峰值功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)电路拓扑结构,控制算法采用增量电导法,以保证太阳电池阵工作在峰值功率点附近,充分利用太阳电池阵输出功率。文章重点介绍了新型串并联混合式MPPT电路拓扑的四种工作模式、两域控制方法和增量电导法的MPPT控制策略的实现,并搭建MPPT系统仿真平台,仿真验证结果表明,串并联MPPT拓扑结构能够快速、无扰动实现太阳电池阵峰值功率点跟踪。     

月球巡视器太阳电池阵电性能仿真模型

建立精准的太阳电池阵电性能仿真模型,可为月球巡视器电源设计方案以及在轨任务规划的验证和优化提供保障。文章依据巡视器设计及月面环境的特殊性,建立了考虑遮挡、月尘等因素的太阳电池阵电性能仿真模型。该模型包括布阵文件编写及导入模块,光强、温度、老化影响计算模块,月尘影响计算模块,以及部分遮挡影响计算模块。对仿真模型进行了仿真分析,并将仿真结果与硬件实测值进行比较,结果表明:两者之间的误差可控制在5%以内,证明了模型的正确性和精准度。     

用于卫星模拟飞行测试的太阳电池阵动态模拟系统设计

现阶段卫星模拟飞行测试中,太阳电池阵模拟器(SAS)伏安特性曲线数目有限,无法连续动态模拟卫星在轨运行中太阳电池阵实际电能输出情况。为此,基于模拟飞行测试环境,设计太阳电池阵动态模拟系统。该动态模拟系统由电源、控制和测控等测试系统组成。为保证动态模拟系统的高时效性和精确性,对参数实时获取传递、曲线建模计算和功率输出等各环节开展分析。利用某卫星太阳电池阵对动态模拟系统设计进行验证,结果表明系统能精确模拟太阳电池阵伏安曲线和功率输出变化。将仿真结果与实际在轨卫星数据进行比较,结果显示系统可很好地模拟时变太阳电池阵输出特性,证明了动态模拟系统设计对太阳电池阵动态输出模拟的有效性。     

卫星太阳电池阵模拟器工作模式研究

为了使太阳电池阵模拟器更真实地模拟卫星太阳电池阵在轨工作请况,首先,设计了一种易于工程实现的太阳电池阵模拟器硬件系统结构,同时为实现最大功率点运行,设计了卫星负载变换电路来实现卫星负载与太阳电池阵模拟器的阻抗匹配。其次,总结了太阳电池阵模拟器与卫星负载组成的系统的3种特性、6种工作点,分析了3种特性下系统工作点的建立过程。最后,采用太阳电池阵模拟器和卫星负载模拟器(电子负载)分别对3种特性下的系统工作模式进行了试验分析,试验结果证明了系统设计与理论分析的正确性和有效性。该设计与分析方法已在多套太阳电池阵模拟器中得到应用,使太阳电池阵模拟器与卫星组成的系统性能得到了优化。     

太阳同步轨道卫星太阳电池阵在轨特性分析

卫星太阳电池阵的在轨特性主要受太阳入射角、地日距离因子、温度、星体遮挡、地球反照和衰减因素的影响。文章利用某太阳同步轨道卫星在轨数据,分析得出太阳电池阵输出功率的变化规律,并利用归一化处理方法,得出地球反照、星体遮挡、衰减因素对太阳电池阵输出功率的影响规律。文章的研究成果也适用于其他太阳同步轨道卫星,可为后续同类太阳电池阵的优化设计提供参考。     

微小卫星可展式刚挠结合板太阳电池阵设计

文章设计的可展式刚挠结合板太阳电池阵,将太阳电池阵电路与基板高度集成,省去电线、电缆连接,具有基板薄、质量小、电路连接简化及挠性可弯曲折叠等优点,可满足微小卫星太阳电池阵高质量比、高体积比功率的需求。以某卫星太阳电池阵为例,在185mm×420mm×20mm且收拢后板间距不大于5mm的包络内,采用刚挠结合板设计,可实现输出功率不小于60W,比使用传统太阳电池阵功率输出提高了1倍以上。其在轨应用结果表明,太阳电池阵功率输出稳定,可为微小卫星太阳电池阵设计提供参考。     

平流层飞艇太阳电池阵发电功率计算及分析

针对圆柱曲面形状的平流层飞艇太阳能电池阵,提出了计算其发电功率的解析表达式;针对任意曲面形状的平流层飞艇太阳能电池阵,提出了一种准确方便的数值计算方法。针对飞艇通常采用的旋转对称组合椭球外形,提出了一种近似解析计算方法,将该解析计算方法和数值计算方法的计算结果进行比较后发现,近似解析方法日发电量计算结果精度可达0.1％,可以替代精确数值方法用于飞艇太阳能系统的设计和分析。最后,对平流层飞艇太阳能电池阵发电功率特性进行了详细分析,得到了平流层飞艇运行的季节、纬度、姿态、电池阵形状和安装位置等因素对其发电功率特性的影响规律。结果表明,以上因素与太阳电池阵面积和光电转化效率一样会对飞艇太阳电池发电功率造成重大影响。     

空间太阳能发电站拓扑架构及能量管理控制策略

针对超大功率空间太阳能电站(SSPS),提出了一种分布式+集中式系统拓扑架构,将系统电力传输分为太阳电池阵区、主结构电力传输区及发射天线阵区三大部分。根据系统三大阵区的能量流动关系,本文将SSPS系统的工作模式划分为最大功率点跟踪(MPPT)工作模式、跟踪功率指令工作模式及阴影区工作模式,并提出分层能源管理控制策略。最后,针对兆瓦级太阳电池阵的不同工作模式,利用Matlab/Simulink搭建空间太阳能电站系统仿真模型,进行仿真试验及对比分析,试验结果验证了拓扑架构的合理性及控制策略的有效性,为解决空间太阳能发电技术电力传输与能量管理问题提出了新思路。     

空间微小碎片撞击对太阳能电池性能影响

文章利用中国科学院空间科学与应用研究中心的等离子体驱动微小碎片加速器,进行了空间微小碎片累积撞击太阳能电池的模拟试验。之后,利用体式显微镜统计出太阳能电池表面的撞击坑,并测量了撞击前后太阳能电池的开路电压、短路电流、最大输出功率等参数的变化。试验结果与理论分析揭示了引起太阳能电池功率衰减的主要原因是碎片累积撞击导致的太阳能电池表面损伤。     

Space solar arrays and concentrators

This paper presents some research activities conducted at the Centre Spatial de Liege (CSL) in the field of space solar arrays and concentration.With the new generation of high efficiency solar cells, solar concentration brings new insights for future high power spacecrafts. A trade-off study is presented in this paper. Two different trough concentrators, and a linear Fresnel lens concentrator are compared to rigid arrays. Thermal and optical behaviors are included in the analysis.Several technical aspects are discussed:

• Off-pointing with concentrators induces collection loss and illumination non uniformity, reducing the PV efficiency.

• Concentrator deployment increases the mission risk.

• Reflective trough concentrators are attractive and already proven. Coating is made of VDA (Aluminum). A comprehensive analysis of PV conversion increase with protected silver is presented.

• Solar concentration increases the heat load on solar cells, while the conversion efficiency is significantly decreasing at warm temperatures.

To conclude, this paper will point out the new trends and the key factors to be addressed for the next generation of solar generators.     

Early commercial demonstration of space solar power using ultra-lightweight arrays

Space solar power shows great promise for future energy sources worldwide. Most central power stations operate with power capacity of 1000 MW or greater. Due to launch size limitations and specific power of current, rigid solar arrays, the largest solar arrays that have flown in space are around 50 kW. Thin-film arrays offer the promise of much higher specific power and deployment of array sizes up to several MW with current launch vehicles. An approach to early commercial applications for space solar power to distribute power to charge hand-held, mobile battery systems by wireless power transmission (WPT) from thin-film solar arrays in quasi-stationary orbits will be presented. Four key elements to this prototype will be discussed: (1) Space and near-space testing of prototype wireless power transmission by laser and microwave components including WPT space to space and WPT space to near-space HAA transmission demonstrations; (2) distributed power source for recharging hand-held batteries by wireless power transmission from MW space solar power systems; (3) use of quasi-geostationary satellites to generate electricity and distribute it to targeted areas; and (4) architecture and technology for ultra-lightweight thin-film solar arrays with specific energy exceeding 1 kW/kg. This approach would yield flight demonstration of space solar power and wireless power transmission of 1.2 MW. This prototype system will be described, and a roadmap will be presented that will lead to still higher power levels.     

MEO卫星太阳电池在轨衰降特性分析

通过MEO卫星在轨遥测数据的统计,从太阳电池阵输出总功率、输出总电流,太阳电池的短路电流、开路电压等方面,对我国发射入轨的第一颗MEO卫星的硅太阳电池阵在轨衰降特性进行了分析,结果表明:输出总功率、总电流与短路电流在第一个周期衰降率较大,开路电压衰降呈线性趋势。文章的分析结果可为后续MEO卫星太阳电池阵设计提供参考。     

柔性印制膜在太阳电池阵的应用及热适应性试验研究

针对微小卫星太阳电池阵高体积比的功率需求,设计了带柔性印制电路（FPC）的太阳电池阵。该太阳电池阵将太阳电池、FPC与基板集成为一体,具有厚度薄、质量小等优点。通过热循环试验对其环境适应性进行考核,X射线检测结果表明,太阳电池阵上锡焊焊盘与覆铜层连接部位受热应力的影响较大,在长期高低温循环条件下存在锡焊焊盘与覆铜层断裂的风险。为此,给出提升太阳电池阵上FPC抗热形变能力的设计建议,以期为后续太阳电池阵设计提供参考。     

基于线聚焦菲涅耳透镜的空间聚光光伏系统特性的实验研究

对线聚焦菲涅耳透镜的空间聚光光伏系统的特性开展了实验研究,以期解决工程设计时多参数合理匹配和选择的问题。通过研制由菲涅耳透镜—单晶硅太阳电池光伏组件、太阳模拟器和测试设备组成的实验装置,开展了菲涅耳透镜失焦距离、聚光比和太阳电池短路电流、开路电压、最佳功率、填充因子、效率、温度等之间的关系以及不同失焦距离和不同太阳光线横向偏角对聚焦宽度的影响的实验测试和实验分析工作。研究结果表明：聚光太阳电池性能随短路电流和最佳功率的提高而提高,短路电流和最佳功率分别随聚光比的增加而近似呈线性增大,开路电压基本不随聚光比变化;失焦距离变化引起透镜聚焦宽度变化,进而影响电池表面辐射强度和有效聚光比,应控制失焦距离在可允许范围内;太阳电池串联电阻对聚光太阳电池工作性能存在不利影响,需尽可能选择低串联内阻、高填充因子的太阳电池;应保证聚光太阳电池具有良好的散热条件;太阳光线横向偏角会导致聚焦宽度变大、聚光比减小,并使聚焦光线偏离太阳电池,应控制横向偏角在规定范围内。研究结果为线聚焦菲涅耳透镜空间聚光光伏系统工程设计提供了技术支持。     

卫星电源系统优化设计

对卫星电源系统进行总体优化设计是提高其可靠性和性能,减轻重量的一条重要途径。以太阳同步轨道卫星为背景,研究了太阳电池阵/蓄电池组联合电源系统的优化设计。包括以下内容:(1)轨道光照条件的计算方法;(2)研究了固定展开式、一个自由度对日定向式和两个自由度对日定向式等构型的太阳阵的最佳应用范围,建立了太阳阵的直流分析模型;(3)建立了蓄电池组的容量设计方法和直流分析模型,对蓄电池组的组成和充电方式,能量多圈平衡等问题进行了优化分析;(4)以太阳阵的输出功率为目标,对峰值功率跟踪(PPT)和直接能量传输(DET)两种太阳阵功率调节方式的应用范围进行了分析和比较。以电源系统的重量功率比最小为目标函数,对四种典型DET方式的电源系统配置方案进行了优化比较;(5)建立了以母线为核心的电源系统的交流小信号模型,导出母线阻抗,稳定性,瞬态响应和纹波的分析方法,对母线性能进行了优化设计;(6)对SEDSAT-1小卫星电源系统进行了仿真实验,部分验证了上述研究结果。本文的研究可用于电源系统总体设计的方案比较和方案优选过程。它将有助于定量地比较和优选电源系统设计方案,并实现降低重量功率比和提高性能的目的。     

空间太阳能电站的准对日定向姿态

针对空间太阳能电站的俯仰姿态运动，提出一种能追踪太阳运动的准对日定向(QSP)姿态方案。此方案的太阳能电池阵列在万有引力梯度力矩的作用下，始终在垂直于太阳光的方向附近作幅值约为18.8°的振动，且几乎不需要姿态控制力矩。准对日定向姿态方案解决了大型太阳能电池阵列对日定向所需的巨大俯仰姿态控制力矩问题。准对日定向姿态的发电效率为对日定向姿态的97.3%，对Abacus空间太阳能电站而言每年可节省燃料约36791 kg。通过数值方法得到了准对日定向姿态的精确初始条件。随后，设计了比例-微分控制器，保证了系统存在初始姿态误差的条件下收敛到准对日定向姿态。最后研究了轨道、姿态和结构振动对准对日定向姿态的影响，并发现准对日定向姿态下的结构振动幅值比对日定向姿态减小约40倍。