满足高精度控温要求的卫星太阳能电池板及其设计方法与流程

本发明涉及一种设计方法，具体涉及一种卫星太阳能电池板及其设计方法，属于卫星高精高稳控温。

背景技术：

1、太阳能电池板一般由太阳能电池片、绝缘材料蒙皮、隔热材料层组合而成。太阳能电池板是卫星的生命线，对于整个卫星有着极为重要的作用。目前我国的许多卫星内部都设置有高精密性的设备或仪器，往往需要卫星能够提供高稳定性的工作环境，且周围环境的温度噪声波动幅度在一个极小的范围内。

2、在太空环境中，对于卫星而言，最主要的外界热流扰动的来源就是太阳辐射，近乎达到了整体外热流扰动的100％。太阳能电池板作为卫星的太阳辐射直接接触面，不仅承担着为整个卫星提供能源的任务，还需要屏蔽绝大多数的太阳辐射来维持卫星内部的温度稳定。尤其是对于配备了高精度要求仪器设备的卫星而言，周期性的太阳辐射变化给高精度的设备带来了巨大的挑战。对于光学设备而言，这种对于太阳辐射的影响限制需求达到了μk级别。这就需要卫星的太阳辐射直接接触面可以反射、隔绝约99％的太阳辐射能量。

3、对于北斗导航卫星，其配置了高性能原子钟，其中氢钟大约百万年或千万年才有1秒的误差，是十分精密的计时工具。而温度变化对原子钟的稳定度具有极大的影响，1k的温度变化可以使原子钟的稳定度降低一个数量级。由我国自主设计的“天琴”系列引力波探索卫星，其太阳能电池板对太阳辐射的屏蔽率达到了90％以上。正是因为外界的热干扰被屏蔽了绝大多数，卫星中的精密光学仪器才能有适宜的工作环境。

4、目前卫星太阳能电池板设计主要是采用增加太阳能电池板与卫星内环境之间的隔热板数目、选用热阻更高的隔热材料、在太阳能电池板表面设置反射涂层等被动控制方式；以及在绝缘蒙皮与隔热材料层之间设置热管或冷板等主动控制方式来阻止太阳辐射的进一步深入。

5、众所周知，卫星太阳能电池板的发电效率与自身材料的表面吸收率有关。因为目前绝大多数卫星的太阳能电池板整体大小由该卫星的具体应用决定，所以在太阳能电池板大小被限制的情况下只能尽可能提高其表面吸收率来给卫星提供足够的能源。这就造成了太阳能电池板表面温度高，且从工作状态转换为待机状态时产生的温度波动剧烈。过高的表面温度与过大的温度波动使得热干扰进入卫星内部，对卫星的精密仪器正常的运行环境造成严重的干扰。

6、综上：目前绝大多数航天器的太阳能电池板都是使用增加太阳能电池板与卫星内环境之间的隔热板数目的方式来控制太阳辐射对内部载荷的影响。这种方法简单可靠，但是过厚的隔热板会影响太阳能电池板与卫星主体的装配，这种方法也受到卫星体积和质量的限制。目前已经有不少研究在绝缘蒙皮与隔热材料层之间设置热管或冷板，这种方式虽然可以显著降低太阳能电池板的整体温度，但是对于有着高稳定性控温要求的卫星而言，这种方式会给卫星负载带来额外的振动噪声，影响光学部件的正常工作。

7、对于需要高精度高稳定性控温的卫星而言，主动控温方式几乎不能使用；而传统被动控温方式又存在自身缺陷，因此迫切需要开发一种新的方法来控制太阳辐射对内部载荷的影响，在满足高稳定性的同时能够达到将太阳辐射屏蔽约99％的效果。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种满足高精度控温要求的卫星太阳能电池板，能够解决需要高精度高稳定性控温的卫星不能使用主动控制手段，且传统被动控制手段有着诸多限制的困境，帮助卫星实现在不引发其他噪声的情况下完成对99％的太阳辐射的屏蔽。

2、本发明所采用的技术方案是：满足高精度控温要求的卫星太阳能电池板，包括：工作单元和隔热单元；所述工作单元为多层结构，包括：由太阳能电池片和高反射率材料层共同构成的太阳能电池板发电层、蜂窝板和基板a；所述太阳能电池片和高反射率材料层表面均设置有隔热涂层；

3、所述太阳能电池板发电层后表面依次设置蜂窝板和基板a；所述基板a后方设置碳纤维蒙皮，通过所述碳纤维蒙皮连接工作单元和隔热单元。

4、作为本发明的一种优选方式，所太阳能电池板发电层中，太阳能电池片和高反射率材料层均匀间隔设置，且整体中心对称。

5、作为本发明的一种优选方式，所述太阳能电池板发电层包括若干个从内向外依次同轴套装在一起的环形太阳能电池片和环形高反射率材料层，由此形成靶型配合方式。

6、作为本发明的一种优选方式，若干个矩形太阳能电池片和若干个矩形高反射率材料层均匀间隔设置，形成宫格型布局形式的太阳能电池板发电层。

7、作为本发明的一种优选方式，所述高反射率材料层的材料为以sb掺杂的sno2或tio2与sio2的复合材料或掺杂zno和sio2纳米颗粒的w、sno纳米颗粒。

8、作为本发明的一种优选方式，所述太阳能电池板发电层的前表面粘贴有聚酰胺薄。

9、作为本发明的一种优选方式，所述隔热单元包括从前往后依次设置的隔热材料层-碳纤维蒙皮-隔热材料层-聚酰胺薄膜-碳纤维蒙皮和基板b；所述基板b与卫星主体基体相连。

10、此外，本发明还提供一种上述卫星太阳能电池板的设计方法，所述卫星太阳能电池板的设计为针对所述太阳能电池板发电层的设计，设计步骤为：

11、步骤一：依据卫星太阳能电池板工作环境的太阳辐射大小，得到卫星在一个工作周期内所受到的太阳辐射的波动数据；

12、步骤二：根据步骤一所得到的太阳辐射波动数据，以在太阳辐射波动情况下太阳能电池板发电层的温度扰动幅度不超过设定值为目标，计算太阳能电池板发电层中太阳能电池片与高发射率材料层的面积比例关系，然后结合太阳能电池板发电层的总面积得到太阳能电池片与高发射率材料层的面积；

13、进一步计算所需的太阳能电池片和高发射率材料层材料的热容与热阻，选择满足该热容与热阻条件的太阳能电池片的材料和高发射率材料层的材料。

14、作为本发明的一种优选方式，所述步骤二中：

15、所述太阳能电池片的非线性动态方程和扰动方程为：

16、

17、

18、qsun＝δqsun+qsun,0 (3)

19、θe＝δθe+θe,0 (4)

20、式中：ce表示太阳能电池片的热容；θe表示太阳能电池片的温度；τ表示时间；αe表示太阳能电池片的吸收率；ae表示太阳能电池片的面积；qsun表示外热流的发热量；we表示太阳能电池片的发电量；rre表示太阳能电池片的辐射热阻；rce表示太阳能电池片的导热热阻；θin表示舱内环境的温度；δqsun表示太阳辐射波动数据；δwe表示太阳能电池片发电量的扰动量；θe,0表示初始时太阳能电池片的温度；δθin表示舱内环境温度的扰动量；qsun,0表示初始时外热流的发热量；δθe表示太阳能电池片的温度扰动值；

21、所述高发射率材料层的非稳态动态方程和扰动方程为：

22、

23、

24、θg＝δθg+θg,0 (7)

25、式中：cg表示高发射率材料层的热容；θg表示高发射率材料层的温度；τ表示时间；αg表示高发射率材料层的吸收率；ag表示高发射率材料层的面积；rrg表示高发射率材料层的辐射热阻；rcg表示高发射率材料层的导热热阻；θg,0表示初始时高发射率材料层的温度；δθg表示高发射率材料层的温度扰动值；

26、所述太阳能电池片温度扰动值与高发射率材料层温度扰动值之间的关系为：

27、(δθe-δθ0)rce＝(δθ0-δθg)rcg (8)

28、式中，δθ0表示太阳能电池板发电层的温度扰动；

29、设定的太阳能电池板发电层的温度扰动值δθe为m℃，则所述太阳能电池片与高发射率材料层的面积比例关系：

30、

31、式中：λg表示高发射率材料层的热导率，λe表示太阳能电池片的热导率，

32、由公式(9)便可得到所述太阳能电池片与高发射率材料层的面积比例；

33、然后依据计算得到的太阳能电池片的面积和高发射率材料层便可得到所需的太阳能电池片以及高发射率材料层的热容与热阻，选择满足该热容与热阻条件的太阳能电池片材料和高发射率材料层的材料。

34、有益效果：

35、(1)目前已有的太阳能电池板，要么是牺牲一部分卫星体积来增厚太阳能电池板，从而达到隔热性能要求；要么是牺牲一部分卫星内载荷的振动噪声要求来增加主动控温设备，从而让太阳能电池板有更好的隔热性能。这种方式适用于大多数普通卫星，但不适用于有着高精度高稳定性要求的卫星；而本发明提供的卫星太阳能电池板在太阳能电池板发电层中加入高反射率材料层，由光电效应可知，随着太阳能电池板温度的升高，本征半导体的带隙缩小，开路电压下降并最终降低光伏电池板的效率。目前绝大多数卫星太阳能电池板使用隔热涂层来降低太阳能电池板的温度，从而提升其发电效率。但是由于材料科学缺乏更进一步的发展，单纯依靠隔热涂层无法满足日益增长的降温需要。本发明中，采用太阳能电池片与高反射率材料组合使用的方式可以有效地降低太阳能电池板发电层的温度，配合隔热涂层使用可以满足μk级别的卫星高精度高稳定性要求的控温精度需求；由此能够在不使用主动控温设备，不增加太阳能电池板厚度的情况下实现高精度高稳定性的卫星载荷的隔热要求。

36、(2)本发明的太阳能电池板发电层中，太阳能电池片和高反射率材料层采用中心对称的布置方式，确保太阳能电池片每一部分都有着良好的温度稳定性与温度均匀性。

37、(3)本发明中，在太阳能电池板发电层的前表面粘贴有聚酰胺薄膜，起到绝缘作用；且聚酰胺薄膜可以很好的抑制太阳能电池片在进行光电效应时产生的电流波动，防止波动的进一步深入。

38、(4)本发明的隔热单元中，碳纤维蒙皮与隔热材料层的配合可以有效阻止热扰动的穿透。