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 |
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申请号 | CN201510276084.6 | 申请日 | 2015-05-27 | 公开(公告)号 | CN104852687A | 公开(公告)日 | 2015-08-19 |
申请人 | 中国人民解放军国防科学技术大学; 上海卫星工程研究所; | 发明人 | 孙权; 冯静; 潘正强; 曹敏; 孟洁茹; 刘天宇; 黄彭奇子; 程龙; | ||||
摘要 | 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究分析,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。 | ||||||
权利要求 | 1.一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,其特征在于包括以下步骤: |
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说明书全文 | 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。目前研究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℃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] 为了研究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究越来越多。其中,国内有学者以某太阳同步轨道卫星为研究对象,利用在轨数据开展研究,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究分析,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究比较成熟。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)承担研究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究不多,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究分析,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] 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,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=I×V (1) [0014] V=Vβ+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;I为太阳电池阵输出电流,单位为A;Vβ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/cosθ, (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,θ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] [0027] 式(4)中,(a+b·t)表示电流的衰退规律,S/S0为太阳辐照强度影响系数,D(t)为垂直光照角下电流,即为Imax,ε服从正态分布。 [0028] 三结砷化镓太阳能电池片的电流输出主要受太阳入射角和太阳辐射照度的共同影响,这里剔除太阳入射角对电流的影响,而太阳辐照强度对电流的作用是正比例关系; [0029] 太阳辐照强度是呈周期性变化的,其变化规律可用余弦函数拟合,即[0030] [0031] 这里,S为太阳辐射强度;S0表示太阳辐射照度通常取平均日地距离下对应的数值,即伽利略综合数据,又称太阳辐射常数;c、α表示太阳辐射强度的周期变化的参数;t为在轨时间,单位为天。 [0032] 所以最终的垂直光照角下电流的退化模型为: [0033] [0034] 式(6)中,(a+b·t)表示电流的衰退规律, 为太阳辐照强度2 影响系数,D(t)为垂直光照角下电流,即为Imax,ε~N(0,σ)。具体地,t为在轨时间,单位为天,a、b为模型参数,a>0,表示t=0时的电流;b<0,表示电流衰减速度;c、α表示太阳辐射强度的周期变化的参数。 [0035] 定义残差平方和RSS: [0036] [0037] 模型二:幂函数模型 [0038] 根据实际获得数据表明电流的衰减速度越来越慢,所以下面用幂函数模型进行建模分析。 [0039] [0040] 具体的,太阳辐照强度的计算同模型一一致,所以最终的函数模型为: [0041]c c [0042] 式(9)中,(a+b·t)表示电流的衰退规律,t是指用幂函数来表示时间的函数,为太阳辐照强度影响系数,D(t)为垂直光照角下电流,即为Imax,2 ε~N(0,σ)。具体地,t为在轨时间,单位为天,其中a、b、c、d、α为模型参数,a>0,b<0,c<1,a表示t=0时的电流;b表示一天的衰减率;c表示时间变化的快慢程度;d、α表示太阳辐射强度的周期变化的参数。 [0043] 通过最小二乘法,将三年每天一个共1095组垂直光照角下的电流数据分别带入到两模型即式(6)和式(9)中,令RSS最小分别估计退化模型的参数。 [0044] 步骤四、利用建立的两种模型计算得到三结砷化镓太阳能电池片在轨运行不同时间以后的电流大小,从而预测电池在轨剩余寿命。 [0045] 在步骤二中选择砷化镓太阳能电池片在轨垂直光照角下的电流作为分析其寿命的关键性能退化量,所以用该电流值来表征电池片的寿命; [0046] 给定一个失效阈值,也就是能够维持卫星正常工作的最低功率,由式(1)和式(2)以计算出此时电池所要的垂直光照角下最小输出电流,然后利用线性模型或者幂函数模型,计算出砷化镓电池的最大使用时间也就是最大寿命,从而进行寿命预测; [0047] 或者给定一电流值,计算出砷化镓太阳能电池片目前使用了多长时间即它的使用寿命,然后再根据给定的失效阈值,利用线性模型或者幂函数模型,求出电池片的最大使用时间,这样就能获得砷化镓电池的剩余使用时间,即它的剩余寿命。 [0048] 本发明具有以下优点: [0049] (1)本发明方法提出的基于电流的衰减来预测空间三结砷化镓太阳能电池片的在轨剩余寿命,不仅有可靠的理论支撑,而且便于观测,易于实现,能够准确的反映在轨三结砷化镓太阳能电池片的寿命衰减情况,从而对其进行剩余寿命预测。 [0050] (2)本发明充分利用有限量的试验数据,选取有效可靠的关键性能退化量,将受到的具体因素,即太阳辐照强度以及太阳入射角这两个具有显著影响的因子,进行量化处理,同时结合实际退化曲线的变化趋势,建立了两种不同的模型进行分析,并进行误差分析比较,使得结果更具有说服力,理论依据强,这样可以从根本上保证预测结果的准确性。 [0051] (3)本发明在模型预测精度检验时,充分利用了试验所得的有限的数据,不仅通过实际遥测的一部分数据进行建模分析,同时利用计算得到的两种模型对剩余的数据进行误差分析,得到相对误差,用数据结果来证明本发明的方法更合理,更具有参考价值。 [0052] (4)本发明能广泛用于太阳能电池的寿命试验中,为及时获得其健康状态等信息提供帮助。 [0054] 图1为本发明的工作流程图; [0055] 图2为垂直光照角下的电流数据图; [0056] 图3为线性模型下的三结砷化镓太阳能电池片电流退化曲线; [0057] 图4为幂函数模型下的三结砷化镓太阳能电池片电流退化曲线。 具体实施方式[0058] 下面将结合具体实施例对本发明做进一步的说明。 [0059] 本发明是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,如图1所示流程,具体实施方法如下: [0060] 步骤一、遥测三结砷化镓太阳能电池片在轨情况,采集试验数据。 [0061] 通过对在轨卫星的遥测,采集到空间三结砷化镓太阳能电池片三年的遥测数据,遥测参数有原始电流、太阳光照角余弦值及温度等。 [0062] 步骤二、分析采集到的相关数据,进行数据预处理,并且选择合适的关键性能退化量。 [0063] 首先将所获得的三年所有原始电流数据进行预处理。即,对于缺失的数据采用均值插补的方法补充完整,对于异常值数据,剔除掉后,也用均值插补的方法补充完整。均值插补就是利用缺失值前一个和后一个原始电流值的平均值补齐。数据预处理过后,因为获得的原始电流数据平均每天有4-5个数据,这里通过两两比较,找到原始电流数据每天的最大值与最小值,再求出均值,这样就可以得到三年每天一个原始电流数据,下面就对处理后的三年每天一个的原始电流数据进行分析。 [0064] 文献《太阳同步轨道卫星太阳电池阵衰减因子研究》中指出,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。这是因为太阳电池阵输出功率计算公式为 [0065] P=I×V, (1) [0066] V=Vβ+VD1+VD2, (2) [0067] 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;I为太阳电池阵输出电流,单位为A;Vβ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。 [0068] 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。 [0069] 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较为显著,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: [0070] Imax=I/cosθ, (3) [0071] 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,θ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。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,结果如图2。 [0072] 结合式(1)和式(2),可以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。所以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。 [0073] 步骤三、分析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,建立两种不同的衰减模型,并求解模型参数。 [0074] 由图2可以看出: [0075] (1)电流曲线是有逐渐下降的趋势,而且受到周期项的影响。电流出现衰减的趋势主要是因为太阳能电池暴露在空间复杂的环境中,受到各种空间粒子辐照衰减因子、紫外线辐照衰减因子等影响,故整体而言,电流会慢慢的减小。 [0076] (2)一年的变化中会有一个很高的峰值,大约在1月,同时也有一个很低的谷值,大约在6月底。从温度和太阳光照角的变化趋势来看,电流的周期性的波动与其紧密相关。而在空间环境中,太阳能电池片温度的变化主要是由于太阳辐射光强引起的,虽然在阴影区没有太阳光照,但是卫星上有恒温系统,所以温度的变化主要是太阳辐照引起的。也就是说,太阳能电池阵的电流输出受到太阳辐照强度S和太阳对卫星入射角θ的共同影响。 [0077] 太阳辐射照度是指太阳在单位时间内入射到垂直于入射方向的单位面积上的全部辐射能量,记为S。太阳辐照强度S近似以一年为周期呈周期性变化,通过余弦函数可以取得良好的拟合效果。 [0078] 针对三结砷化镓太阳能电池片垂直光照角下的电流变化趋势,以及相关理论的分析,建立式(6)和式(9)两种模型来研究其退化趋势。 [0079] 这里通过最小二乘法,得到的两个模型的参数结果如下: [0080] 表1 参数估计结果 [0081] [0082] 然后将两种模型进行误差分析对比如表2,具体结果分别如图3,图4。 [0083] 表2 误差对比分析 [0084] [0085] 由上表可以看出,总体而言,幂函数模型的误差更小些,而分析3年的电流数据可以发现,三结砷化镓太阳能电池片的电流衰减越来越慢,与事实相符,所以幂函数模型更精确一些。 [0086] 步骤四、利用建立的两种模型计算得到三结砷化镓太阳能电池片在轨运行不同时间以后的电流大小。 [0087] 利用线性模型和幂函数模型,计算出当卫星在轨运行时间分别为1,2,3,4,5,8,10年时的电流大小,结果如表3所示: [0088] 表3 电流预测结果 [0089]在轨时间 线性模型电流 幂函数模型电流 0 0.1983 0.1990 1 0.1972 0.1971 2 0.1961 0.1961 3 0.1950 0.1953 4 0.1940 0.1946 5 0.1929 0.1939 8 0.1896 0.1923 10 0.1874 0.1913 [0090] 从表3中可以看出来,用线性模型进行建模,电流下降的速度基本一致,每年衰减约0.5%。而用幂函数模型的话,电流的衰减会越来越慢,从第一年的0.954%,到第三年的0.407%,明显衰减速率减小。 [0091] 结合以上分析,可以知道如果想初步估计砷化镓太阳能电池片的寿命,可以选择线性模型,如果想精确的估计其寿命,则可以通过幂函数模型来求解。 [0092] 通过以上分析,砷化镓太阳能电池片在轨垂直光照角下的电流可以作为分析其寿命的关键性能退化量。所以用该电流值来表征电池片的寿命。具体地,给定一个失效阈值,也就是能够维持卫星正常工作的最低功率,由式(1)和式(2)以计算出此时电池所要的垂直光照角下最小输出电流,然后利用模型,计算出砷化镓电池的最大使用时间,就是最大寿命,从而进行寿命预测。当然也可以任意给定一电流值,计算出砷化镓太阳能电池片目前使用了多长时间,即它的使用寿命。 |