[发明专利]一种低轨道高压太阳电池功率损耗的计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低轨道高压太阳电池功率损耗的计算方法，适用于低轨道卫星高压(输出电压高于40V)太阳电池阵损耗功率的计算。

背景技术

随着我国航天事业的发展，各种空间飞行器对功率的需求增大，这势必造成太阳电池阵的面积也随之增大，如果采用低压28V，由于电路传输距离长，线路损耗十分严重，因此采用高压大功率能源系统已经成为趋势，从而有效减小传输功率损失。

高压太阳电池阵是航天器高压大功率能源系统的重要组成部分，当采用高压太阳电池阵的航天器运行于300km-500km高度的低地球轨道时，该轨道空间等离子体主要是稠密低温等离子体，其能量为0.1～1eV，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。

当高压太阳电池阵处于正偏置电压下时，裸露的金属互连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。

高压太阳电池阵功率损耗值与太阳电池的工作电压密切相关，文献“古士芬，空间等离子体导致高压太阳电池阵的电流收集，《空间科学学报》”给出了一种能够计算空间等离子体引起高压太阳电池电流收集的理论统计模型，由于单块太阳电池片的输出电压是一定的，在空间高压太阳电池的实际应用过程中多通过多块太阳电池的串联实现高电压的输出，那么每一块太阳电池片的输出电压(指相对航天器电压)因为叠加了前级太阳电池片的输出电压，因此相互不同，例如串联的3块太阳电池片，每块太阳电池片两极压差均为3V，但是3块太阳电池片的输出电压为3V、6V和9V。然而文献中采用的计算模型仅将高压太阳电池阵作为一个整体，根据固定值的整体输出电压(100V，150V，200V，250V，300V，400V，500V和600V)，计算整体功率消耗，其未考虑处于串联电路中不同太阳电池片的输出电压，无法真实反映出空间高压太阳电池的工作状况，导致其计算准确性差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种低轨道高压太阳电池功率损耗的计算方法，适用于低轨道卫星高压太阳电池阵损耗功率的计算，能够提高计算准确性。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种低轨道高压太阳电池功率损耗的计算方法，包括：

步骤一、确定低地球轨道的空间等离子体环境参数，包括等离子体能量T_e和等离子体密度n_e；

步骤二、根据整个太阳电池阵的输出指标以及单个太阳电池片的主要参数，确定整个太阳电池阵中单个太阳电池片的排布；

整个太阳电池阵的输出指标包括所需输出电压V和所需输出功率P，单个太阳电池片的主要参数包括额定输出电压V_mp、额定输出电流I_mp和面积A_mp；

为实现整个太阳电池阵的输出电压V，需要的串联太阳电池子阵中太阳电池片数量为为保证整个太阳电池阵的输出功率P，则还需并联的所述串联太阳电池子阵的数量为其中表示向上取整；

步骤三、根据整个太阳电池阵中单个太阳电池片的排布，获得各太阳电池片的工作电压，并确定太阳电池片的有效收集面积；

其中，对于每个串联太阳电池子阵来说，其中的第i块太阳电池片的工作电压为V_i＝V_mp×i，太阳电池片的有效收集面积A_e＝A_mp×2.8％；

步骤四、构建单个太阳电池片的功率损耗计算模型，综合后获得整个太阳电池阵的功率损耗Ps与各太阳电池片输出电压V_i的关系式为：

式中，m_e为电子质量，q为电子的电荷量，K为波尔兹曼常数，c₁和c₂为已知的拟合常数，j_e·th为热电子电流密度；

步骤五、将步骤一确定的空间等离子体环境参数和步骤三确定的各太阳电池片的工作电压V_i和太阳电池片的有效收集面积A_e带入所述关系式，得到整个太阳电池阵的损耗功率。

有益效果：

1)本发明中针对空间高压太阳电池阵实际工况，分析了串联子阵中太阳电池片不同的工作电压，将高压太阳电池阵功率损耗值与单个太阳电池片的工作电压相关联，从而提高了计算的准确度。