空间太阳电池方阵测试过程分析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：空间太阳电池及其方阵在特定空间的性能测试，从项目的最初阶段就要开始展开，包括4个阶段：1）开发阶段。空间太阳电池及其方阵测试可分为电性能测试，环境测试，物理、力学性能测试，飞行测试。环境测试环境测试是用于检测太阳电池方阵在整个寿命期对周围不同曝光环境的耐受性。太阳电池的方阵ATOX耐受性测试应在等离子化机室内进行，在该室内，空气变成了ATOX和其他微粒。

空间太阳电池及其方阵在特定空间的性能测试，从项目的最初阶段就要开始展开，包括4个阶段：

1）开发阶段。在了解电池的性能、电池对空间环境的耐受性后，确定适用的太空电池。

2）设计阶段。将太阳电池放在不同的环境中测试，准确地估算太阳电池在运行期间的输出功率，从而确定电池方阵的尺寸、方阵的连接及运输安装。

3）质量鉴定阶段。检查生产线上的太阳电池能否满足空间运行所需要求。

4）验收阶段。要求厂商提供电池性能和物理特性方面的数据，以便进行电气一次、电气二次的设计。

空间太阳电池及其方阵测试可分为电性能测试，环境测试，物理、力学性能测试，飞行测试。

（1）电性能测试

1）测试基本要求。无论是测试单结太阳电池，还是多结太阳电池，太阳模拟器的发光强度都要调整到标准发光强度，即AM0状态，在标准发光强度和恒温下测试组件的Ⅰ-Ⅴ特性曲线。恒温与不同温度是两个不同的概念和要求，通过测量不同温度下组件的性能，才能计算出温度系数。

2）相对光谱响应。相对光谱响应数值，是在单位辐照度下，一定波长下产生的短路电流。用窄带光源照射太阳电池完成相对光谱响应。相对光谱响应为改善太阳电池的开发和太阳模拟器的鉴定提供了宝贵的数据。窄带可用单色仪或窄带滤波器。

3）反向特性。电池反向电压的特性可用于估算太阳电池串的阴影和热斑效应。因为处于反偏置的电池可能会产生较多的热量，导致输出功率减少或永久短路失效。单结和多结砷化镓太阳电池对反向偏置比硅电池更敏感。图10-17为空间电池的反向特性。可通过旁路二极管对每支电池进行有效保护。反向特性的测试设备与过程和电性能测试类似，但是应注意要限制电流和功率以避免失效。

4）电容特性。电池方阵的控制系统对太阳电池电容有特殊要求。太阳电池电容有两种方法测量：

①小信号或频域方法。在暗光下通过电压偏置，来测量某个偏置点周围的高频阻抗。

②大信号或时域方法。太阳电池两个工作点之间的升压会使电池拥有电容特性。计算公式为

式中t₂、t₁——两个工作点的时间；

U₂、U1——两个工作点的电压。

（2）环境测试环境测试是用于检测太阳电池方阵在整个寿命期对周围不同曝光环境的耐受性。最恶劣的环境有地面、发射及空间。

地面：在太阳电池方阵的生产、组合、安装和运输阶段，电池方阵可能受到物理破坏；在长期贮存阶段，太阳电池可能会受到湿气的腐蚀。因此，在相应的阶段要进行测试。

图10-17 空间电池的反向特性

发射：发射产生的振动、冲击、加速度和声场都会影响电池方阵，振动、冲击、加速度和声场试验通常是在组合的最后阶段进行。

空间：粒子、温度、真空和太空碎片是造成电池方阵在空间衰降的主要因素，每个因素都会影响电池方阵的不同部位和结区。测试在电池、组件和试样阶段进行。

电性能测试和外观检查应在进行任何环境测试的前、后进行。

针对最恶劣的环境——地面、发射及空间环境，具体进行辐照、紫外辐照、原子氧、温度循环、真空、太空碎片、静电放电及湿度等8个方面的测试。

1）辐照测试。空间辐照环境通常是由不同光谱能量的电子和质子组成的，它们会对太阳电池的晶体结构造成位移，降低少子在电池基极区的扩散长度和寿命，使电性能参数衰退；另外，辐照会使玻璃盖板和粘结剂涂层变黑，产生传输损耗，并使工作温度升高。目前可采用JPL法来测试太阳电池在空间辐射环境中的性能。JPL法是把空间环境中所有的质子和电子的能量降低到对等垂直入射和单能辐射条件下进行测试。

用电子和质子辐射设备对电池进行测试。Van der Graaff发生器产生的能量为2～1MeV，回旋加速器产生的能量为10～50MeV，同步回旋加速器产生的能量为50～155MeV。

电子由Van der Graaff发生器产生，电子能量在0.6～2.5MeV范围内，流动率在1×10¹⁰～1.5×10¹² e／（cm²／s）范围内；低能量质子（低于2MeV）由氢气电离室和同位素分离器产生。电池在真空或惰性气体中被辐射，受辐照的太阳电池，电池晶格的破坏和性能衰退通常是不稳定的。当暴露在阳光下，温度高于20℃时，电池就会发生退火现象，其性能就会出现恢复或进一步衰退。

2）紫外辐照测试。紫外辐照可使某些太阳电池前板或粘结剂涂层变黑，从而降低光的透过率，使电池温度升高，最终降低电池的电性能。测试应在真空室内、在轨温度下进行，紫外光源可用长弧氙灯、高压汞灯或卤放电灯提供。

3）原子氧（ATOX）测试。在低轨道（180～650km），ATOX的出现会使电池互联条和支撑框架上的薄膜腐蚀。太阳电池的方阵ATOX耐受性测试应在等离子化机室内进行，在该室内，空气变成了ATOX和其他微粒。ATOX射线的剂量可用未加薄膜样品来确定，因为未加薄膜样品的腐蚀率可从飞行数据中获取。

4）温度循环测试。在轨太阳电池方阵经历的温度循环会导致导线、汇流条、互联条材料和焊点出现疲劳裂纹，还会导致电池及互联条接口的串联电阻增加。采用真空热循环或在流通惰性气体室内获得温度变化率。后者测试成本和测试周期会大大缩短。

5）真空测试。空间真空可使金属材料，如Me、Cd、Zn蒸发，还可使粘结剂汽化。热真空测试是针对部件和电池方阵的耐受性而进行的标准测绘。

6）太空碎片测试。太空微碎片（10^－6～10^－3 g）的冲击将严重破坏太阳电池的前玻璃板，并影响导线，造成永久性的光损失和方阵性能衰退。可用等离子体加速器和轻气炮测试。

7）静电放电测试。太阳电池方阵介电表面主要有玻璃板，会因地磁亚暴活动或航天器周围的等离子体而贮存静电荷，随后的静电放电会对太阳电池方阵造成永久破坏。测试方法是在玻璃前板表面上涂上导电涂层（ITO），并接地来降低带电，为测试提供一个等势面。可测量出静电破坏程度及导电涂层在运行环境中的寿命。

8）湿度测试。太阳电池湿度测试是为了检测电池接触和减反射涂层在长期运行下的稳定性。带有AlGaAs窗口层的GaAs太阳电池必须接受这种测试，以确保减反射涂层保护窗口层腐蚀的有效性。

（3）物理、力学性能测试

表10-5为太空电池的物理、力学性能测试，共有9项测试项目。

表10-5 太空电池的物理、力学性能测试

（4）飞行测试

为了验证太阳电池对空间环境的耐受性，一般要进行几次飞行测试，大多数飞行测试都要测绘电池的电性能参数、太阳视线角和工作温度。

（5）航天器上太阳电池的失效

20世纪90年代众多运行多年、返回地面的航天器提供了太阳电池失效的现象，有些失效原因较为明朗，有些失效原因是很复杂的。这些在轨运行过几年、又返回到设计人员手上的太阳电池的资料是宝贵的，它们将指引人们对太阳电池及方阵做深入研究和进一步的改进。表10-6为在轨太空太阳电池方阵失效现象及其原因。

表10-6 在轨太空太阳电池方阵失效现象及其原因

（续）

空间太阳电池方阵测试过程分析

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