阴影遮挡对太阳电池阵发电能力影响的仿真分析.pdf

Vol. 34, No. 3 航 天 器 环 境 工 程 第 34卷第 3期
252 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2017年 6月
阴影遮挡对太阳电池阵发电能力影响的仿真分析
路火平,施 梨,杨华星,韩 艳,樊 蓉
上海宇航系统工程研究所,上海 201109
摘要:航天器太阳电池阵的在轨发电能力会由于舱体等对太阳光的遮挡而受到影响。文章通过建立
太阳电池电路模型,利用 Saber仿真平台进行仿真,得到太阳电池单串电路遮挡片数与功率输出的关系曲
线,利用 MatLab进行了基于每个单串电池电路的遮挡计算,最终计算得到自主飞行阶段的阴影遮挡造成
的太阳电池阵功率损失率。比较新计算方法与传统计算方法的计算结果表明,新方法的计算精度更高,
尤其是在被遮挡的电池片数量较少时,新方法的优势更加突出。
关键词:太阳电池阵;发电能力;遮挡;仿真分析
中图分类号:V47; TP391.1 文献标志码:A 文章编号:1673-1379201703-0252-06
收稿日期:2016-12-20;修回日期:2017-05-15
引用格式:路火平, 施梨, 杨华星, 等. 阴影遮挡对太阳电池阵发电能力影响的仿真分析J. 航天器环境工程, 2017, 343:
Vol. 34, No. 3 航 天 器 环 境 工 程 第 34卷第 3期
第 3期 路火平等:阴影遮挡对太阳电池阵发电能力影响的仿真分析 253
252 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2017年 6月
0 引言 之间;k 为玻耳兹曼常数,k1.3810 JK;T 为
电池的 绝对温度,K;V 为电池的端电压,V;R
空间站某舱段能源系统采用光伏系统,而舱体
为电池的串联电阻,?;R 为电池的并联电阻,?。
等对太阳光的遮挡会影响太阳电池阵的发电能力。
阴影遮挡对太阳电池阵发电能力影响的仿真分析
某舱段采用 GaInP GaAsGe 三结砷化镓太阳
传统的计算方法根据平均遮挡率对这种影响进行
电池片,由于各结的材料不同,每个结的饱和电流
计算,即按遮挡和未遮挡面积比例进行计算,遮挡
路火平,施 梨,杨华星,韩 艳,樊 蓉
和二极管理想因子也不同,在建模时要对它们做综
部分不发电,未遮挡部分完全发电。而实际上电池
上海宇航系统工程研究所,上海 201109
合考虑 :
电路电压设计留有定余量,发电能力和遮挡的图
摘要:航天器太阳电池阵的在轨发电能力会由于舱体等对太阳光的遮挡而受到影响。文章通过建立
形有密切的关系,个电池串中有几片电池被遮挡
太阳电池电路模型,利用 Saber仿真平台进行仿真,得到太阳电池单串电路遮挡片数与功率输出的关系曲
可能对整个电池串的发电能力基本没有影响,但当 A A
线,利用 MatLab进行了基于每个单串电池电路的遮挡计算,最终计算得到自主飞行阶段的阴影遮挡造成
被遮挡电池片的数量达到某阈值时,电池串的输
的太阳电池阵功率损失率。比较新计算方法与传统计算方法的计算结果表明,新方法的计算精度更高,
其中,A 和 I jGaInP ,GaAs,Ge分别是各结
出功率会急剧下降,直至完全无输出 。可见,
尤其是在被遮挡的电池片数量较少时,新方法的优势更加突出。
的二极管理想因子和二极管饱和电流。
关键词:太阳电池阵;发电能力;遮挡;仿真分析
传统计算方法的精度较差,特别是针对空间站大面
考虑太阳电池片工作温度和光强的变化,方程
中图分类号:V47; TP391.1 文献标志码:A 文章编号:1673-1379201703-0252-06
积太阳电池阵,如果误差较大,则可能造成据此设
中的各计算参数也作相应的修正:
计的太阳电池阵过大或者过小:前者会浪费资源,
后者难以保证能源系统平衡。因此,应尽量减小发
电能力的计算误差。
本文建立太阳电池电路模型,并在 Saber软件
平台进行仿真,得到单串电路太阳电池遮挡片数与 LU Huoping, SHI Li, YANG Huaxing, HAN Yan, FAN Rong
功率输出的关系曲线;采用种基于 CAD 模型数
据的遮挡计算方法,通过 MatLab 软件平台进行基
于每个电池电路的遮挡计算,最终得到自主飞行阶
段遮挡造成的太阳电池功率损失率,并与传统计算
式中:I 为参考温度下的电池短路电流,A;K 为
方法进行比较。 simulation, the rela tionship between the number of the shaded cells in a cell circuit and the power output is
obtained. The shadow based on each cell circuit is calculate短路电流温度系数, d with the MatLab, to A get Kh; er wi T 为绝对参考温度, th the power loss rat K; e
1 太阳电池建模
λ 为太阳光强, Wm ;λ 为电池测试时的太阳光强,
1.1 太阳电池的直流模型
Wm ;λ 为太阳常数,λ 1353 Wm ;D为太阳电
池阵与太阳的间距,1 AU;θ 为太阳光对太阳电池
图 1 所示为个应用较广的标准太阳电池直
阵的入射角;I 为参考温度下的饱和电流,A;
app 流等效电路 licable wh模型 en the n,可以对太阳电 umber of shaded c 池的直流性 ells is small.能
Key words: solar arrays; power generation capacity; sE hadow; 为禁带宽 simulation 度, an eValy ;A sis 为参考温度下的二极管理
进行很好的阶估算。
想因子;K 为理想因子的温度系数,1K;R 为
参考温度下的串联电阻,?;K 为串联电阻的温
度系数,?K;R 为参考温度下的并联电阻,?;
K 为并联电阻的温度系数,?K。
图1 太阳电池直流等效电路模型
根据式6,对于三结砷化镓电池的每个结,有
根据此等效电路,可得太阳电池片的输出电压
和电流满足方程:
II-I exp VIR -1- 其中 E jGaInP , GaAs, Ge是每个结的禁带
收稿日期:2016-12-20;修回日期:2017-05-15
宽度。
引用格式: 式中:I 为电 路火平, 施梨, 杨华星, 等. 阴影遮挡对太阳电池阵发电能力影响的仿真分析 池的输出电流,A;I 为光生电流,A; J. 航天器环境工程, 2017, 343:
根据式2和式10,总的饱和电流可以写为
I 为二极管饱和电流, A; e 为电子电荷,
e1.6010 C;A 为二极管理想因子,其值在 15
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第 254 3期 路火平等: 阴影遮挡对太阳电池阵发电能力影响的仿真分析 航 天 器 环 境 工 程 253 第 34卷
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其中
0 引言 输出端串联隔离二极管, 之间;k 为玻耳兹曼常数, 每片电池并联个旁路二 k1