留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

一种航天器太阳电池阵供电能力计算方法

李涛 李伟 杨雷

李涛, 李伟, 杨雷等 . 一种航天器太阳电池阵供电能力计算方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(7): 1355-1363. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0600
引用本文: 李涛, 李伟, 杨雷等 . 一种航天器太阳电池阵供电能力计算方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2017, 43(7): 1355-1363. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0600
LI Tao, LI Wei, YANG Leiet al. A calculation method for power supply capability of spacecraft solar array[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(7): 1355-1363. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0600(in Chinese)
Citation: LI Tao, LI Wei, YANG Leiet al. A calculation method for power supply capability of spacecraft solar array[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2017, 43(7): 1355-1363. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0600(in Chinese)

一种航天器太阳电池阵供电能力计算方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2016.0600
基金项目: 

国家科技重大专项 

详细信息
    作者简介:

    李涛  男, 硕士, 工程师。主要研究方向:载人航天器系统仿真与总体设计

    通讯作者:

    李涛, E-mail:libitpeter@126.com

  • 中图分类号: V411.8;V242.3

A calculation method for power supply capability of spacecraft solar array

Funds: 

National Science and Technology Major Project 

More Information
  • 摘要:

    太阳电池阵为航天器提供能源,在型号研制和在轨运营过程中需对其供电能力进行计算,为此提出了一种航天器太阳电池阵供电能力的计算方法。首先,利用太阳电池片的地面测试数据得到标准测试条件(STC)下的电池片伏安模型,并利用电池片在轨等效光强和温度修正电池片伏安模型的光生电流、串联电阻和并联电阻等参数,得到电池片在轨伏安模型,然后,根据基尔霍夫定律推导出电池阵中电池片工作电压、电流以及旁路二极管和隔离二极管的输出情况,从而得到太阳电池阵的伏安模型。仿真结果表明,本文方法可以精确计算航天器在任意光强、温度和遮挡下的太阳电池阵伏安模型,可以精确分析旁路二极管和隔离二极管对太阳电池阵供电能力的影响,较已有方法计算精度提高20%。

     

  • 图 1  太阳电池阵供电能力计算流程

    Figure 1.  Calculating process of solar array's power supply capability

    图 2  太阳电池片等效模型[1]

    Figure 2.  Solar cell equivalent model[1]

    图 3  标准测试条件下太阳电池片伏安测试数据

    Figure 3.  I-V test data of solar cell under standard test condition

    图 4  太阳电池串等效模型

    Figure 4.  Solar cell string equivalent model

    图 5  不同光强下的太阳电池片I-V曲线

    Figure 5.  Solar cell I-V curves under different irradiation intensity

    图 6  太阳电池阵等效模型

    Figure 6.  Solar cell array equivalent model

    图 7  太阳电池串I-V曲线

    Figure 7.  Solar cell string's I-V curves

    图 8  简单太阳电池阵电路模型

    Figure 8.  Simple solar array's circuit model

    图 9  太阳电池片I-V曲线

    Figure 9.  I-V curves of solar cell

    图 10  太阳电池串和电池阵I-V曲线

    Figure 10.  I-V curves of solar cell strings and array

    图 11  航天器几何模型与太阳电池片电路模型

    Figure 11.  Spacecraft geometric model and solar cell circuit model

    图 12  不同温度下的太阳电池阵I-V曲线

    Figure 12.  I-V curves of solar array at different temperatures

    图 13  太阳帆板1输出电流

    Figure 13.  Output current of solar array 1

    图 14  太阳帆板1电流与太阳入射角余弦关系

    Figure 14.  Relationship between current of solar array 1 and cosine of sun incident angle

    图 15  太阳帆板2输出电流

    Figure 15.  Output current of solar array 2

    图 16  太阳帆板2输出电流误差

    Figure 16.  Output current error of solar array 2

    图 17  太阳帆板2遮挡阴影

    Figure 17.  Shadow pattern of solar array 2

    图 18  不同阴影形状下的太阳电池阵输出电流

    Figure 18.  Output currents of solar array with different shadow patterns

    表  1  标准测试条件(25 ℃,1353W/m2)下太阳电池片参数[16]

    Table  1.   Solar cell parameters under STC (25 ℃, 1353W/m2)[16]

    参数 数值
    短路点电流Isc/A 0.17123
    短路点导数dsc -0.87479
    开路点电压Voc/V 2.71
    开路点导数doc -5000.5
    最大功率点电流Im/A 0.16725
    最大功率点电压Vm/V 2.41
    电池片尺寸/(mm×mm) 50×38
    电流温度系数a/(A·℃-1) 0.011×10-3
    下载: 导出CSV

    表  2  旁路二极管和隔离二极管参数

    Table  2.   Parameters of bypass diode and block diode

    参数 数值
    理想因子n 1.95
    二极管饱和电流Io/A 0.9×10-8
    下载: 导出CSV

    表  3  航天器轨道参数

    Table  3.   Orbit parameters of spacecraft

    参数 数值
    轨道高度/km 393
    轨道倾角/(°) 42
    太阳入射角(太阳矢量与轨道面夹角)/(°) 0~60
    轨道环境光强/(W·m-2) 1353
    太阳电池阵温度/℃ 75
    下载: 导出CSV
  • [1] RAUSEHENBACH H S. 太阳电池阵设计手册[M]. 张金熹, 廖春发, 傅德棣, 等译. 北京: 中国宇航出版社, 1987: 20-77.

    RAUSEHENBACH H S.Solar array design handbook[M]. ZHANG J X, LIAO C F, FU D L, et al, translated.Beijing:China Astronautic Publishing House, 1987:20-77(in Chinese).
    [2] 马世俊.卫星电源技术[M].北京:中国宇航出版社, 2005:23-89.

    MA S J.Satellite power system technology[M]. Beijing:China Astronautic Publishing House, 2005:23-89(in Chinese).
    [3] 刘志全, 杨淑利, 濮海玲.空间太阳电池阵的发展现状及趋势[J].航天器工程, 2012, 21(6):112-118. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HTGC201206023.htm

    LIU Z Q, YANG S L, PU H L.Development and trend of space solar array technology[J]. Spacecraft Engineering, 2012, 21(6):112-118(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HTGC201206023.htm
    [4] SEYEDMAHMOUDIAN M, MEKHILEF S, RAHMANI R, et al.Maximum power point tracking of partial shaded photovoltaic array using an evolutionary algorithm:A particle swarm optimization technique[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 2014, 6(23102):1-13.
    [5] 任筱强, 王鹏鹏.航天器组合体能量平衡分析系统设计及应用[J].航天器工程, 2013, 22(2):60-64. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HTGC201302014.htm

    REN X Q, WANG P P.Design and implementation of energy balance analysis system for spacecraft combination[J]. Spacecraft Engineering, 2013, 22(2):60-64(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HTGC201302014.htm
    [6] 孙永卫, 曹鹤飞, 原青云.月尘对太阳电池阵开路电压影响研究[J].太阳能学报, 2015, 36(36):551-555. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TYLX201503005.htm

    SUN Y W, CAO H F, YUAN Q Y.Effect of lunar dust to open circuit voltage of solar cell array[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2015, 36(36):551-555(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TYLX201503005.htm
    [7] 李安寿, 张东来, 杨炀, 等.一种精确计算航天器本体对太阳电池阵遮挡的方法[J].宇航学报, 2013, 34(10):1403-1409. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2013.10.015

    LI A S, ZHANG D L, YANG Y, et al.A method for accurately calculating the shadow of solar array shaded by spacecraft itself[J]. Journal of Astronautics, 2013, 34(10):1403-1409(in Chinese). doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2013.10.015
    [8] 韩新月, 屈健, 郭永杰.温度和光强对聚光硅太阳电池特性的影响研究[J].太阳能学报, 2015, 36(7):1585-1590. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TYLX201507009.htm

    HAN X Y, QU J, GUO Y J.Dependence of silicon concentrator solar cells parameters on temperature and light intensity[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2015, 36(7):1585-1590(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TYLX201507009.htm
    [9] DELLEUR A M, KERSLAKE T W.Electrical performance from bifacial illumination international space station photovoltaic array[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2005, 42(1):171-176. doi: 10.2514/1.5660
    [10] DELLEUR A M, KERSLAKE T W, LEVY R K.Managing space station solar array electrical hazards for sequential shunt unit replacement[J]. Journal of Propulsion and Power, 2006, 22(1):16-23. doi: 10.2514/1.13731
    [11] 张臻, 沈辉, 李达.局部阴影遮挡的太阳电池组件输出特性实验研究[J].太阳能学报, 2012, 33(1):5-12. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TYLX201201003.htm

    ZHANG Z, SHEN H, LI D.Experimental study on characteristics of partial shaded solar module[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(1):5-12(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TYLX201201003.htm
    [12] 翟载腾, 程晓舫, 杨臧健, 等.太阳电池一般电流模型参数的解析解[J].太阳能学报, 2009, 30(8):1078-1082. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TYLX200908017.htm

    ZHAI Z T, CHENG X F, YANG Z J, et al.Analytic solutions of solar cell model parameters[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2009, 30(8):1078-1082(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TYLX200908017.htm
    [13] 张忠政. 太阳电池应用理论研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2014.

    ZHANG Z Z.Theoretical study of solar cells utilization[D]. Hefei:University of Science and Technology of China, 2014(in Chinese).
    [14] MAHMOUD Y, EI-SAADANY E.Accuracy improvement of the ideal PV model[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2015, 6(3):909-911. doi: 10.1109/TSTE.2015.2412694
    [15] RAMAPRABHA R, MATHUR B L.A comprehensive review and analysis of solar photovoltaic array configurations under partial shaded conditions[J]. International Journal of Photoenergy, 2012, 12(6):1-16.
    [16] 程保义. 空间三结砷化镓太阳电池辐照衰减模型研究[D]. 天津: 南开大学, 2010.

    CHENG B Y.Research on the radiation model of space triple-junction solar cell[D]. Tianjin: Nankai University, 2010(in Chinese).
  • 加载中
图(18) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  513
  • HTML全文浏览量:  5
  • PDF下载量:  554
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-07-13
  • 录用日期:  2016-08-26
  • 刊出日期:  2017-07-20

目录

    /

    返回文章
    返回
    常见问答