低轨等离子体环境高压太阳电池阵弧光放电抑制方法
【专利摘要】本发明涉及低轨等离子体环境高压太阳电池阵弧光放电抑制方法，特别适用于运行在低轨空间环境中的高压太阳电池阵。该发明采用太阳电池电路裸露导体涂覆RTV硅胶或预埋在基板内，隔离导体与等离子体的接触；优化设计电池电路串间距离；减小单串电路的电流并加隔离二极管进行隔离；玻璃盖片完全覆盖太阳电池以阻断带电部位与等离子体的接触；采用地面模拟低轨等离子体环境放电试验进行验证。本发明解决了高压太阳电池阵在低轨等离子体环境中弧光放电抑制问题，提高了高压太阳电池阵在低轨等离子体环境中的一次放电和二次弧光放电阈值，提高了在低轨等离子体环境中的适应性。
【专利说明】低轨等离子体环境高压太阳电池阵弧光放电抑制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低轨等离子体环境高压太阳电池阵弧光放电抑制方法，属于航天器电源系统太阳电池阵【技术领域】。
【背景技术】
[0002]我国载人航天工程的主要空间飞行器工作在30(T500km高度的低地球轨道上，该高度区空间等离子体主要是电离层等离子体。30(T500km轨道的环境比较复杂，等离子体在此区间中的密度有个峰值。航天器的供电来源主要是太阳电池阵，随着航天器对长寿命的需要，太阳电池阵的功率输出变得越来越大，为了降低长距离电传输中的损耗，减少重量，需要采用高效率结构轻的新型高压太阳电池阵。由于电子速度比离子大很多，飞行器结构会带负电位，到达飞行器的电子随机电流比离子电流大很多，电池阵的大部分面积和连接的传导结构会聚集离子，导致电池阵和飞行器结构上的净电流为零。根据空间环境的特点，电池阵面上聚集的大部分电流为负偏压，达到100V及以上的高压太阳电池阵，其在低轨道等离子体环境中会产生弧光放电。一次放电会造成功率损失和电磁干扰，二次弧光放电会造成较大的功率损失和电磁干扰，损坏太阳电池电路甚至造成永久短路。国内已有的技术是针对高轨高压刚性太阳电池阵静电防护。由于高轨环境与低轨环境的不同，太阳电池阵结构的不同，所以该项技术并不适用于低轨高压太阳电池阵。本发明针对低轨高压太阳电池阵，解决了低轨等离子体环境太阳电池阵弧光放电抑制问题。
[0003]目前没有发现与同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术不足，本发明所要解决的问题是实现高压太阳电池阵低轨等离子体环境弧光放电抑制，并通过放电试验验证抑制方法的有效性，提高高压太阳电池阵在低轨等离子体环境中的适应性。
[0005]为解决上述技术问题，本发明针对低轨高压太阳电池阵特点，提出了低轨等离子体环境弧光放电抑制和验证方法:采用太阳电池电路裸露导体涂覆RTV硅胶的方法，或将电路预埋在基板内，隔离导体与等离子体的接触，提高放电阈值，减少弧光放电的发生；优化布片设计，使电池电路最大串间电压小于55V，小于二次弧光放电阈值；优化电池电路串间距离设计，提高二次弧光放电阈值，设计串间距离2mm ;单串电池模块电路输出电流小于
0.8A并加隔离二极管进行隔离，以此减小二次弧光放电的维持电流，提高二次弧光放电的电压阈值；满足玻璃盖片边缘超过电池边缘0.1_，完全覆盖太阳电池，阻断电池与等离子体的接触，减少弧光放电的发生；采用真空罐模拟低轨真空环境，采用ECR型等离子体源产生等离子体，模拟低轨等离子体环境，将太阳电池阵小试件放在真空罐中，进行一次弧光放电和二次弧光放电模拟试验，得到高压太阳电池阵一次弧光放电和二次弧光放电电压电流阈值，完成高压太阳电池阵低轨等离子体环境放电的验证。[0006]采用本发明的弧光放电抑制方法，可有效解决高压太阳电池阵低轨等离子体环境弧光放电抑制和验证问题，在低轨高压太阳电池阵设计中采用本发明，研制出可在轨飞行的半刚性太阳电池阵和通过了试验验证的放电阈值较高的柔性太阳电池阵，可以提高高压太阳电池阵在低轨等离子体环境中的适应性，达到减少其在轨一次弧光放电，杜绝在轨二次弧光放电的抑制效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1半刚性太阳电池板示意图 图2柔性太阳电池板示意图
图3半刚性电池板试件示意图 图4柔性电池板试件示意图
图5—次放电试验配置图
图6二次弧光放电试验配置图
图7—次放电路径意图
图8_二次弧光放电路径意图。
【具体实施方式】
[0008]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
[0009]如图1所示，采用太阳电池电路裸露导体涂覆RTV硅胶I的方法，隔离导体与等离子体的接触。半刚性高压太阳电池板与刚性太阳电池板有较大不同，半刚性太阳电池阵的电池模块固定在网格面板上，太阳电池片7的两面粘贴几何尺寸略大的正面玻璃盖片3和背面玻璃盖片4，以将暴露在等离子体环境中的带电部位(片间互连片5—一太阳电池片7边缘)结合处进行完全的隔离；电池模块由6个或4个电池单元(2X3或2X2阵列)组成；从电池模块正面引到背面的汇流条6作为电传输，表面涂覆RTV硅胶I，实现裸露的导体与等离子环境的隔离。控制相邻电池串间间隙为2mm。
[0010]图2示出了柔性太阳电池板的实施方式，柔性太阳电池板由太阳电池8和柔性基板11组成。太阳电池8通过底片胶9粘接在柔性基板11上，太阳电池8正面粘贴一块尺寸略大于电池的玻璃盖片10。柔性太阳电池板在半刚性太阳电池板防护设计基础上，将部分太阳电池8连接电路预埋在柔性基板11中，形成有预埋电路的柔性基板11，减少带电导体与等离子体的接触。
[0011]通过上述实施方式可提高弧光放电阈值电压，减少一次放电的概率，抑制串间相邻模块间发生二次弧光放电。采用地面模拟低轨等离子体环境进行放电试验，可验证上述高压太阳电池阵低轨等离子体环境放电抑制方法的有效性。
[0012]如图3所示为半刚性电池板试件示意图。半刚性太阳电池板安装太阳电池模块，分为ARRAYl和ARRAY2两个电路，电池模块正负电极处和裸露导体涂覆RTV硅胶1，尺寸272mmX 391mm。
[0013]如图4所示为柔性电池板试件示意图。柔性太阳电池板试验件安装太阳电池，正负电极处和裸露导体涂覆RTV硅胶1，尺寸130_X 128_。
[0014]放电试验条件实施如下:a.真空罐气压:等离子体环境下不大于2X 10_2Pa;
b.等离子体密度:1012~1013m_3;
c.等离子体温度:≤5eV;
d.温度:电池阵温度〈42°C。
[0015]如图5所示为一次放电试验配置图。试验设备包括直径1.5m的真空罐12、ECR型等离子体源13、(T600V可调的直流电源14、温度传感器15、脉冲产生电路16、同步示波器17、PC机18、摄像机19等。
[0016]试件为半刚性电池板，包括电池模块20和基板，基板外边缘为框架21。试验中基板也要加偏压并与电路分开测试，通过观察窗口 22用摄像机19记录放电的部位和强度图像，测量放电回路的电压和电流，CPl和CP2为两个电流测点，用示波器17抓放电波形，并可在PC机18上进行存储和处理。如图6所示为一次放电路径示意图。
[0017]如图7所示为二次弧光放电试验配置图。与一次放电试验相比，试验设备要增加太阳电池阵模拟器23 ((T300VAT5A)、保护电路24和滑线变阻器25。施加串间短路电流
0.9Α，串间电压50V起，负偏压-100V起的试验条件。试验中用摄像机19记录放电的部位和强度图像。CPf CP4为四个电流测点，用示波器18抓放电波形。如图8所示为二次弧光放电路径意图。
[0018]可见，采用本发明成功地解决了高压太阳电池阵低轨等离子体环境弧光放电抑制和验证问题。
[0019]在低轨高压太阳电池阵设计中采用本发明，研制出可在轨飞行的半刚性太阳电池阵和通过了试验验证的放电阈值较高的柔性太阳电池阵。可以提高高压太阳电池阵在低轨等离子体环境中的适应性，达到减少其在轨一次弧光放电，杜绝在轨二次弧光放电的抑制效果。
【权利要求】
1.一种适用于低轨等离子体环境高压太阳电池阵弧光放电抑制方法，其特征在于:采用太阳电池电路裸露导体涂覆RTV硅胶的方法，或将电路预埋在基板内，隔离导体与等离子体的接触，提高放电阈值，减少弧光放电的发生； 优化布片设计，使电池电路最大串间电压小于55V,小于二次弧光放电阈值； 优化电池电路串间距离设计，提高二次弧光放电阈值，设计串间距离2mm ； 单串电池模块电路输出电流小于0.8A并加隔离二极管进行隔离，以此减小二次弧光放电的维持电流，提高二次弧光放电的电压阈值； 满足玻璃盖片边缘超过电池边缘0.1_，完全覆盖太阳电池，阻断电池与等离子体的接触，减少弧光放电的发生； 采用真空罐模拟低轨真空环境，采用ECR型等离子体源产生等离子体，模拟低轨等离子体环境，将太阳电池阵小试件放在真空罐中，进行一次弧光放电和二次弧光放电模拟试验，得到高压太阳电池阵一次弧光放电和二次弧光放电电压电流阈值，完成高压太阳电池阵低轨等离子体环境放电的验证。
【文档编号】H01L31/18GK103456831SQ201210177257
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年6月1日 优先权日:2012年6月1日
【发明者】杨华星, 王治易, 陈建祥, 路火平, 董毅, 蒋松 申请人:上海宇航系统工程研究所