太阳能电池阵设计及应用

1）太阳电池阵的电性能设计［29］

太阳电池组件是组成太阳电池阵的基本单元，主要由单体太阳电池、抗辐照玻璃盖片、互连片、汇流条、玻璃盖片粘结剂等部分组成，根据设计需要还可以组装上旁路二极管。玻璃盖片的主要作用是降低空间辐射环境对太阳电池的影响，同时起到增加光透射到太阳电池表面的作用，在太阳电池阵的组装过程中还可以起到保护太阳电池免受机械损伤的作用。太阳电池阵在轨运行时，玻璃盖片还可以提高太阳电池热辐射能力，以降低太阳电池的工作温度，从而使太阳电池获得较高的光电转换效率，提高太阳电池阵功率输出能力。最常用的玻璃盖片是熔融石英盖片和掺铈玻璃盖片。在太阳电池阵中把各个单片太阳电池串联或并联起来的导电元件成为互连片。互连片可以简单地由一根导线组成，但一般都用金属网格和刻蚀或冲剪成形的金属条构成，要求互连片必须导电性好，耐温度交变，耐振动，冲击性能好，可靠性高。互连片材料既要电导率高又要热膨胀系数低的材料，但这种材料实际上是不存在的。因此在选择材料时只能综合考虑，经测试下述材料均能满足在恶劣的温度交变条件下长期工作：①退火的无氧铜（无镀层或镀银）；②退火的纯银箔；③退火的镀银可伐合金；④退火的镀银殷瓦合金；⑤退火的无镀层或镀银纯铝；⑥退火的镀银钼带；⑦退火的镀银或焊锡的铜铍合金。

在太阳电池阵中应用的旁路二极管，可最大限度地减小局部“阴影”下太阳电池阵的输出损失，并且避免出现“热斑”，保护太阳电池阵。在阳光受到部分遮挡的太阳电池阵上，它的功率下降的比率远大于根据遮挡面积算出的百分比。旁路二极管连接在单片太阳电池、太阳电池组件并联条的两端，它和太阳电池反向连接。当太阳电池组件没有受到遮挡时，旁路二极管处于反向偏置。如果有电池被遮挡或破裂，流过该电池所在并联条的电流就要受到限制。此时这个并联条就自动地变成反向偏压，而旁路二极管变成了正向偏压，并开始导电，保证了正常的流通。尽管因为旁路二极管两端出现的电压降会降低输出能力，但和不接旁路二极管引起的输出损失相比可减少许多损失。目前应用于空间太阳电池阵的旁路二极管有：①常规封装的整流二极管；②不封装的二极管芯片；③与太阳电池组成整体的二极管太阳电池。

在进行太阳电池阵布局设计时，要在太阳电池阵基板上布贴尽可能多的太阳电池组件，以获得大的功率输出，并安排好太阳电池组件连接片、导线的安装位置。如果隔离二极管和旁路二极管必须安装在基板上还要留出必要的安装位置。在筒式太阳电池阵中，太阳电池组件的串联方向必须和筒体的高度方向相一致。为了提高单位面积内太阳电池阵的输出功率，必须压缩太阳电池组件间和相邻太阳电池之间的间隙，而相邻太阳电池之间的最小间隙是由太阳电池和玻璃盖片的装配尺寸、基板材料的热膨胀系数和星蚀阴影区出影温度来确定的。

隔离二极管起隔离太阳电池电路和母线的作用。因为未受光照的太阳电池组件相当于一串串联在一起的二极管，它们以正向导通的方式接到太阳电池阵的输出母线上。如果接到母线上的所用并联太阳电池组件不接隔离二极管，未受光照的太阳电池组件就成了一个负载，将增加太阳电池阵的功率消耗。太阳电池阵输出与蓄电池组调节器的输出是并联在一条母线上的。在阴影期如果没有隔离二极管把太阳电池阵和输出母线隔离开，整个太阳电池阵就成为蓄电池组的负载，连接隔离二极管后，隔离二极管即处于截止状态。切断了太阳电池阵与蓄电池组之间的回路。在太阳电池阵中适当地安装隔离二极管，可以防止太阳电池组件、电缆、接插件出现短路，或太阳电池组件和金属基板等结构件发生短路时，太阳电池阵不致发生严重的、甚至灾难性的故障。

太阳电池阵电缆是功率收集线路的一部分，它包括电缆引线和接插件或接线头。电缆线的芯线几乎无例外的使用铜导线，常用多股绞合线。电缆线护套用的绝缘材料必须能耐带电粒子和紫外辐射环境，还必须有低的放气特性。常用的绝缘材料有聚乙烯和聚酰亚胺，前者工作温度较低，可用电热方法剥离线头。太阳电池阵的电缆中除用圆线芯的安装线以外，还可以用特制的扁平电缆敷设在太阳电池阵背面。体装式太阳电池阵也可以应用环氧覆铜箔布，用化学蚀刻的方法制成一定图形的电缆条，直接粘结在壳体内壁作为太阳电池阵的母线，不仅不需要预设许多紧固件和邦扎固定导线，而且便于隔离二极管的安装。

太阳电池阵的设计必须满足航天器的电磁兼容性要求，尽量减少帆板电流所产生的剩磁矩。在航天器太阳电池阵的设计中，必须充分考虑消磁设计。采用“镜面映射法”，使相邻和相对的电路组件设计电流值相同或近似，电路电流所通过的面积也要相同，也就是电路的串并数间隔要求相同和等距，收集电流的方式也完全相同。这样使每个电路产生的磁矩受到相邻和相对电路的磁矩相抵消，这样可以使两翼、单翼、单板的剩磁矩达到指标的要求。图12．40是典型的网状电流回路双镜面映射补偿的示意电路图。

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图12．40　网状电流回路双镜面映射补偿法

2）太阳电池阵的机械部分设计

在展开式太阳电池阵中，目前应用最广和技术最成熟的是折叠式刚性太阳翼。折叠式刚性太阳翼的机械部分包括结构和机构。结构由多块刚性基板和一个连接架（或连接板）组成，基板用于敷设太阳电池；连接架用于卫星本体与基板之间的连接，以避开卫星阴影对太阳电池的影响。机构由压紧释放机构和展开锁定机构组成，压紧释放机构用于把太阳翼收拢固定在卫星本体的侧壁上；展开锁定机构用于把太阳翼展开并锁定在规定位置上。

基板指用于敷设太阳电池的构件，分为刚性、半刚性和柔性三种。刚性基板采用铝蜂窝芯，面板有铝箔、Kapton纤维和碳纤维复合材料等，其中以碳纤维复合材料做面板的刚性基板最轻，面密度为1．0～1．3kg·m－2。在基板表面需粘贴一层聚酰亚胺膜，以满足太阳电池与基板间的电绝缘要求。刚性基板具有结构简单可靠，刚度较大，对空间粒子有一定的屏蔽效应，易于实现热控措施等优点。常用于体装式、折叠式和套筒式太阳电池阵，应用最广泛。半刚性基板是用碳纤维复合材料做刚性框架，环氧玻璃纤维（或碳纤维、Kapton纤维复合材料）增强的聚酰亚胺膜做面板，面板与框架间用弹性材料预紧而成。面密度为0．8～1．0kg·m－2。它结构复杂，容易松弛，有热变形等缺点，可用于折叠式太阳电池阵。柔性基板由环氧玻璃纤维（或Kapton纤维复合材料）增强的聚酰亚胺膜制成，面密度较小，小于0．8kg·m－2。基板的结构简单，可用于卷式或折叠式太阳电池阵，但收藏和展开机构比较复杂，当用于折叠式时，常收藏在两块蜂窝夹层板之间。

连接架结构一般可采用由梁组成的构架形式，它至少由两根主梁组成，如果在连接架上需要安装分流器，则可再增加辅梁来支撑分流器。梁可由金属材料或复合材料的管材制成。为了减轻质量和提高刚度，也可采用高模量碳纤维复合材料缠绕而成。

折叠式太阳电池阵采用压紧释放机构和展开锁定机构实现太阳电池阵的收藏和展开。它在收藏时将连接架和几块太阳电池板折叠在航天器侧壁，其展开机构多用铰链扭簧机构。在航天器侧壁（或对日定向驱动机构）与连接架之间、连接架与太阳电池板及各太阳电池板之间均用铰链扭簧连接，折叠时通过压紧杆将太阳翼固定在航天器侧壁上，并将扭簧拧紧。展开时用火工品切割器将压紧杆切断，通过铰链扭簧的弹力将连接架及太阳电池板展开并锁定。另外，又设联动装置带动连接架和太阳电池板同步展开，并具有一定阻尼作用，以减小展开锁定的冲击力。对于大面积太阳翼，在每个压紧点上需采用一个压紧释放机构。展开锁定机构包括铰链和绳索联动装置。前者把各块基板和连接架铰接在一起，后者使各块基板和连接架在展开时可同步运动，防止相互碰撞。铰链中的驱动弹簧设计很重要，它一方面要保证有足够动力使太阳翼完全展开，另一方面又不能使太阳翼展开速度过快，以避免产生不允许的锁定冲击载荷。因此，必要时在铰链中需增加展开阻尼装置。太阳翼展开状态的锁定方式可采用在铰链中的锁定叉装置。在太阳翼达到完全展开位置时，锁定叉卡在相应的槽口内，使铰链不能转动。当然也可采用其他锁定方式。在绳索联动装置中，具有装在各基板或连接架上相应位置的联动轮。利用环绕在相应联动轮上的钢索作传动，使得各基板和连接架在展开时以相同的角度转动，从而太阳翼的展开运动成为仅有一个自由度的同步运动。为了达到上述联动的功能，应正确设计和保持绳索内的张力。为了保证太阳翼在空间的成功展开，需要进行仔细的太阳翼展开运动分析，特别是要进行充分的地面展开试验，以验证太阳翼机构设计的可靠性。