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。     

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。     

高效四结砷化镓太阳电池设计与在轨性能分析

对一种新型反向生长工艺四结砷化镓太阳电池(IMM四结电池)开展了设计和在轨性能试验分析。该电池所用半导体材料的禁带宽度分别为1.9、1.4、1.0、0.7 eV,材料特性的变化改善了4个P-N结与AM0太阳光谱的匹配关系。文章介绍了该电池在提高光电转换效率方面的结构和工艺设计,通过实施在轨真实应用环境试验,全面系统获取四结砷化镓太阳电池在轨运行期间的遥测数据并进行分析处理,结果显示电池开路电压3.321 V,短路电流密度15.76 mA/cm2,实际在轨转换效率在34.44%～34.79%之间,各项关键性能指标相较于三结砷化镓太阳电池有大幅度提高。     

新型空间环境效应探测器技术及其应用研究

太阳电池在空间环境因素影响下,其开路电压和短路电流有不同程度的变化。文章根据这一特点,提出了一种新型的空间环境效应探测器技术,利用镓铟磷和三结砷化镓太阳电池来探测空间污染、原子氧和辐射环境,探测结果直接反应空间环境对太阳电池的效应,具有体积小、重量轻、低功耗等特点,特别适合航天器搭载飞行。     

激光辐照条件下光电电池温度特性的实验研究

激光输能具有广阔应用前景,而光电电池是激光输能技术中实现光-电转换的核心部件。文章围绕温度对光电电池输出性能的影响,通过建立电池输出性能实验测试系统,研究了一定激光功率密度下砷化镓电池和硅电池在不同温度下的伏安特性,以及开路电压、短路电流、最大输出功率、匹配负载、转换效率、填充因子随电池温度的变化规律,并给出其定量表达式,可为激光输能条件下光电电池的选择以及光电电池温度特性预测提供参考。     

基于Fe-FeCl3的变种金属-空气电池性能测试

本研究设计了一种基于Fe-FeCl3体系的变种空气电池,通过开路电压、恒电流放电等测试,比较了其与传统商用Fe-空气电池的放电性能.结果 表明,Fe-FeCl3电池的开路电压更高,放电潜力更大;且在任一恒定放电电流下Fe-FeCl3均拥有更高的放电电压,其放电做功能力显著优于商用Fe-空气电池;该电池的放电效率随放电电...     

卫星电源系统短路暂态特性分析及对策

针对卫星电源系统短路故障导致母线电压跌落、业务中断甚至整星失效的问题,分别采用电路模型和数学模型的方法对短路后母线电压的暂态特性进行分析,指出故障持续过程经历母线电容放电、太阳电池阵动作、放电调节器动作、蓄电池经二极管直接供电这4个阶段,分析了各阶段母线电压的暂态响应及转换条件。随后,研究了发生稳态电压跌落的条件及其影响因素。针对航天器通常使用的快速熔断器保护,分析了母线电压跌落受熔断I~2T、短路通路阻抗、蓄电池内阻、蓄电池开路电压的影响程度。依据暂态特性的分析,提出接地优化方法以及蓄电池开路电压、短路通路阻抗和欠压保护点的配合设计方法,使得短路暂态过程母线电压跌落程度满足系统关键单机运行的需求。     

太阳电池阵EM板热真空试验电路故障测试技术

太阳电池阵EM板热真空试验是考核太阳电池板适应热真空环境能力的关键试验。试验中需要对电池阵的电路进行多循环长期检测。文章中采用对EM板输出负载电压进行实时高频（≥10Hz）采集,同时对每个循环、每天的测试数据进行对比的测试方法检测电池电路的短路和开路故障。某航天器太阳电池阵EM板热真空试验采用此测试方法及时发现了电池电路异常,并在对问题工艺进行改进后重新投产;新产品通过了第二次热真空试验的考核,且在轨工作正常,证明了该测试方法的有效性。     

LEO航天器高压太阳电池阵静电放电试验研究

低地球轨道(LEO)航天器高压太阳电池阵存在与等离子体相互作用发生静电放电(ESD)导致其失效的风险,需要确定产生一次放电和二次放电的电压阈值并采取相应的防护措施。文章模拟LEO等离子体环境,采用刚性基板三结砷化镓太阳电池试验件,试验研究了LEO条件下高压太阳电池阵在无防护与涂胶防护状态下发生一次放电和二次放电的电压阈值。在太阳电池组件同样并联间隙情况下,试验结果表明:无防护试验件发生一次放电的电压阈值为110 V,涂胶防护试验件发生一次放电的电压阈值为120 V;太阳电池电路通0.83 A电流,无防护试验件发生二次放电的电压阈值为150 V,涂胶防护试验件发生二次放电的电压阈值为160 V。因此,在设计高压太阳电池阵时,建议合理控制相邻太阳电池串之间的电压差和并联间隙,以及采用在相邻太阳电池串之间涂敷硅橡胶等措施,以有效控制太阳电池阵静电放电的发生。     

LEO航天器高压大功率太阳电池阵静电放电试验与分析

为了避免低地球轨道(LEO)航天器的高压大功率太阳电池阵与等离子体相互作用而发生静电放电(ESD)现象,导致太阳电池阵弧光放电引起太阳电池阵失效,须要确定高压大功率太阳电池阵产生一次放电和二次放电的电压阈值。文章模拟LEO真空等离子环境,采用刚性基板三结砷化镓太阳电池试件,试验研究了LEO条件下发生一次放电和二次放电的电压阈值。试验结果表明:试件发生一次放电的电压阈值为95V;在提高电池串间隙时,发生二次放电的电压阈值由120V提高到145V。分析一次放电和二次放电的产生原因可知:一次放电主要发生在三交结区;二次放电是由电子轰击产生的,2.0mm间隙可以有效提高二次放电电压阈值。此研究结果可为LEO高压大功率太阳电池阵的设计提供参考。     

三结砷化镓太阳电池真空连续激光损伤效应

采用1 315 nm波长连续激光,在真空环境下辐照三结砷化镓太阳电池,通过对比辐照前后电池IV、QE等表征数据,研究三结砷化镓太阳电池的损伤效应,并对其损伤机理进行分析。结果表明:当激光功率密度为8 W/cm~2、辐照时间为60 s时,三结砷化镓太阳电池辐照后电性能下降显著,转化效率衰降超过70%。损伤机理是在热损伤与应力损伤的综合作用下,引起电池串联电阻(R_s)、并联电阻(R_(sh))的恶化,且Rsh是衡量电池损坏的关键指标。该结果可以为三结砷化镓太阳电池在激光损伤机理与无线能量传输方面的研究提供一定的参考。     

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。     

立方星电源系统最大功率点跟踪优化控制方法

针对立方星在能量来源严重受限条件下如何提高太阳能利用率的难题,提出一种适用于立方星的集中供电式空间微电源架构(EPS),并设计基于改进粒子群优化算法的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略来提升能量转换效率。首先,推导太阳电池阵列的数学模型,并根据太阳电池阵列的工作特性,提出电源系统最大功率点跟踪控制的物理系统实现结构。其次,设计基于改进粒子群优化(PSO)的最大功率点跟踪控制算法,并进行了数学仿真校验。最后,对所设计的电源系统架构进行了硬件实现和试验验证。地面试验结果表明,电源系统的太阳能最大转换效率可达95.5%。该电源系统成功应用于世界首颗12U立方星“翱翔之星”的飞行试验,在轨数据表明电源系统工作状态良好,为微纳卫星电源系统的设计提供了有益参考。     

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.     

天宫一号目标飞行器电源分系统设计

介绍了天宫一号（TG1）目标飞行器电源分系统的组成和主要技术指标。分析了国内在低轨飞行器上采用100V高压母线、大批量使用国产氢镍电池、三结砷化镓太阳电池片和半刚性基板等关键技术。回顾了电源分系统研制过程中高电压元器件体系建立、半刚性帆板力学及空间环境设计与验证、氢镍电池在轨寿命和可靠性研究,以及高压电源系统可靠性及安...     

空间核电源电力系统功率因数校正技术的研究

为满足我国未来深空探测、星表基地等空间任务电源系统的需求,通过采用基于空间核电源系统的功率因数校正技术来滤除和抑制由发电机产生的谐波,从而提高系统的用电效率。提出一种新型Boost PFC拓扑结构,首先分析变换器的工作原理,之后对工作在连续电流导通模式下的Boost变换器进行建模分析。通过对变换器双环控制中的电压环和电流环进行理论设计和数学推导,从而确定控制环路参数。采用PLECS仿真软件对变换器的控制策略和系统的动态响应进行验证,并实现输入电流对输入电压的零相位正弦化追踪。