基于电流衰减的空间三结砷化镓太阳能电池片在轨剩余寿命预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种基于电流衰减的空间三结砷化镓太阳能电池片在轨剩余寿命预测 方法，属于可靠性建模技术与寿命预测分析领域，用于解决空间三结砷化镓太阳能电池片 的在轨剩余寿命预测问题。
【背景技术】
[0002] 以光电效应为理论基础的太阳能电池可将太阳光能直接转化为电能，是人造卫星 及空间站等航天飞行器的最常用的能源。砷化镓太阳能电池作为一种III-V族化合物半导 体太阳电池，具有更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力和更好的耐高温性能，尤其是多 结叠层结构的砷化镓电池的效率更高，所以它是新一代高性能长寿命空间主电源。目前研 宄和应用广泛的是三结砷化镓太阳能电池片。
[0003] 由于三结砷化镓太阳能电池片是直接暴露在空间恶劣环境下，它要经受约-80~ 80°C高低温真空环境、原子氧对其材料的腐蚀、地球辐射带粒子辐射、太阳系中电磁辐射射 线，以及可能的微粒子和空间碎片撞击，所以对其在轨性能衰减的分析，以及在轨寿命的预 测尤为重要。
[0004] 为了研宄在轨三结砷化镓太阳能电池片的衰减情况，就要综合考虑太阳能电池在 真空中受到的各种因素的影响。目前，国内外学者在这方面的研宄越来越多。其中，国内有 学者以某太阳同步轨道卫星为研宄对象，利用在轨数据开展研宄，具体方法是利用卫星太 阳电池阵输出功率的在轨数据，通过在轨卫星太阳入射角、日地距离因子、太阳电池阵温度 的归一化计算，最终计算出太阳电池阵在卫星寿命过程中的衰减因子，从而得出太阳能电 池阵一年的衰减率。还有些学者考虑到地球反照、星体遮挡等因素的影响，通过对在轨数据 的研宄分析，得到相对应的衰减因子，从而得出太阳能电池阵的衰减规律。相较之下，国外 对太阳能电池的研宄比较成熟。俄罗斯对近地轨道和平号空间站运行10. 5年的太阳电池 阵进行了分析。通过与未经在轨飞行的太阳电池阵进行比较，得到太阳电池阵受到空间环 境影响，下各电性能参数的衰降数值。此外，美国国家航空和宇宙航行局（NASA)和美国国 防部联合利用CRRES(释放和辐射综合效应卫星）承担研宄近地空间环境的电子、粒子和紫 外辐射情况。试验试件选用GaAs/Ge太阳电池，最终得出了CRRES在15个月运行过程中 GaAs/Ge太阳能电池寿命随轨道圈数的衰减规律。总体而言，目前对于实际在轨运行的空间 三结砷化镓太阳能电池寿命预测的研宄不多，没有根据其实际运行过程中表现出来的衰减 特性进行针对性分析，没有一个完整的模型来对空间三结砷化镓太阳能电池片的在轨剩余 寿命进行预测。
【发明内容】
[0005] 为了解决空间在轨三结砷化镓太阳能电池片在轨剩余寿命预测问题，本发明提供 一种基于电流衰减的空间三结砷化镓太阳能电池片剩余寿命预测方法，通过对其在轨输出 电流的衰减进行研宄分析，提出了线性和幂函数两种数学模型，然后通过这两种模型分别 对三结砷化镓太阳能电池片剩余寿命进行预测。通过模型验证发现，这种基于电流衰减的 的三结砷化镓太阳能电池剩余寿命预测分析方法拟合太阳能电池原始输出电流的变化曲 线，并引入参数变化，能够较好的帮助开展对三结砷化镓太阳能电池片的寿命预测。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种基于电流衰减的空间三结砷化镓太阳能电池片剩余寿命预测方法，包括以下 步骤：
[0008] 步骤一、遥测空间三结砷化镓太阳能电池片在轨情况，采集试验数据；
[0009] 在空间环境中，通过对在轨卫星的遥测，利用装在太阳能电池片上的监测仪来读 取其输出电流，记录每年每天不同时刻的电流数据，最后采集到的数据是卫星在轨运行三 年的太阳能电池的遥测数据，遥测参数是原始输出电流。
[0010] 步骤二、对采集到的数据进行数据预处理，并且选择合适的关键性能退化量。
[0011] 采集到的各种数据包括太阳光照角余弦值、温度、原始电流、垂直光照角下电流， 选择垂直光照角下电流作为三结砷化镓太阳能电池关键性能退化量；
[0012] 太阳能电池片输出电流是衡量卫星上太阳能电池片的功率的重要指标，因为太阳 电池阵输出功率计算公式为
[0013] P=IXV(1)
[0014] V=VP+VD1+VD2 (2)
[0015] 其中，P为太阳电池阵输出功率，单位为W;V为太阳电池阵输出电压，单位为V;1 为太阳电池阵输出电流，单位为AJfi为母线电压，单位为V;VD1为太阳电池阵上电缆及接 插件平均压降，单位为V;VD2为隔离二极管压降，单位为V。
[0016] 如果卫星母线电压基本保持不变，根据式（1)可得，太阳电池阵输出功率衰减主 要体现在太阳电池阵输出电流的衰减上；
[0017] 而卫星在空间运行的过程中，受到太阳公转的影响，光照角通常以一年为周期呈 现周期性变化，所以太阳入射角对于电流的影响显著，而当太阳光与太阳能电池片所在平 面不垂直时，其电流也会发生变化，有如下关系：
[0018] Imax=I/cos0 , (3)
[0019] 式（3)中，Imax为垂直光照角下的电流，I为实际测得的标准片的电流，也就是在轨 所得的原始流数据，0为太阳入射角，即为太阳入射方向与单元表面法线方向的夹角。
[0020] 利用处理后三年每天一个的原始电流数据，以及每年每天的太阳光照角的余弦 值，通过公式（3)计算得到三年每天一个的垂直光照角下的电流数据；
[0021] 结合式（1)和式（2)，能够得到太阳电池阵输出功率衰减主要体现在太阳电池阵 输出电流的衰减上，这里的输出电流选取垂直光照角下的输出电流，因此选取三结砷化镓 太阳能电池片垂直光照角下的电流为关键性能退化量进行退化建模分析；
[0022] 步骤三、分析建立两种不同的衰减模型，计算得到相应的模型参数；
[0023] 结合三结砷化镓太阳能电池片在轨垂直光照角下电流的变化趋势，能够得到两个 有效的模型；
[0024] 模型一：线性模型
[0025] 假设太阳电池阵垂直光照角下电流的衰退规律是线性的，则建立退化模型如下
[0026]
【主权项】
1. 一种基于电流衰减的空间