《Aerospace Science and Technology》：Impact of space environment damage effects on the electrical performance of spacecraft photovoltaic arrays with different configurations
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本研究提出了一种实验验证的航天光伏阵列电气模型框架，考虑电路配置与环境因素的耦合效应，通过模拟分析光伏阵列在不同环境扰动下的I-V特性及性能退化，开发了环境驱动的主动优化策略，有效提升阵列输出功率与可靠性，为未来大型高功率光伏系统设计提供指导。
张伟南|张琪|Ju丹丹|赵慧阳|张伟|范奈英|苏斌|吴一勇
哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨，150001，中国
摘要 在恶劣的太空环境中，为航天器负载提供安全可靠的能源供应仍然是全球航天机构关注的关键问题。随着太空光伏（PV）阵列的尺寸、电压和功率的不断增加，由太空环境因素引起的故障和异常运行条件的风险也在上升。本研究提出了一个经过实验验证的电气模型框架，用于模拟和分析太空环境干扰对光伏系统电气行为和性能退化的影响。所提出的模型考虑了电路配置和太空环境因素对光伏阵列电流-电压（I-V）特性的耦合效应。此外，还开发了一种基于环境驱动的设计优化策略，以在不改变结构的情况下提高光伏阵列的输出功率和可靠性。研究结果为了解太空环境因素如何影响光伏阵列的电气性能提供了更深入的见解，并为降低异常条件风险提供了实用的指导，从而提高了航天器能源供应系统的可靠性。
引言 作为航天器的唯一电源，太空光伏（PV）阵列是决定航天器能否在其预定寿命内成功运行的关键单元[1,2]。随着航天器有效载荷和能源需求的不断增加，太空光伏阵列正朝着更大面积、更高功率和更好可靠性的方向发展[3,4]。目前，最大的光伏阵列部署在国际空间站和中国空间站上，它们为系统运行、宇航员生命支持以及各种机载实验仪器提供电力[5,6]。
然而，更大规模和更高功率的光伏阵列更容易受到太空环境的威胁。太空中的恶劣和复杂条件不仅会降低光伏阵列材料和设备的性能，还可能导致故障甚至整个系统的失效[[7], [8], [9]]。从微观反应异常到宏观性能退化，最终到不受控制的系统失效，这对航天器的安全和可靠性构成了重大挑战。Volpp报告称，在13年的轨道运行后，由于太阳粒子事件、带电粒子辐射和多次穿越范艾伦带，Cluster航天器的光伏阵列输出功率下降到了初始值的60%[10]。Duzellier研究了III-V太阳能电池在带电粒子辐射下的退化行为，发现在相同条件下电气性能退化表现出相当大的波动[11]。随着大面积光伏阵列中太阳能电池数量的增加，这种波动进一步放大了功率输出的不确定性。在近地轨道（LEO），原子氧、紫外线辐射和高频热循环可能导致互连条的疲劳失效，从而引发开路故障并导致光伏阵列输出急剧下降[12,13]。除了这些累积效应外，虽然概率性瞬态事件较为罕见，但可能会造成灾难性后果。例如，ADEOS-II卫星因高能极光电子引起的严重静电放电（ESD）而遭受短路，最终导致其太阳能电池失去接触[14]。Krag报告称，Sentinel-1A的光伏阵列在与太空碎片碰撞后永久失效，这也显著改变了航天器的轨道和姿态[15]。此外，随着光伏阵列面积的不断扩大，来自航天器本体和附件的遮挡问题也变得越来越严重[16,17]。尽管增加冗余模块可以在一定程度上补偿遮挡损失，但这种方法会增加质量和体积，从而提高发射成本，这与轻量化和低成本设计的目标相悖。总体而言，太空环境可能导致光伏阵列出现故障或异常状态，从而降低其输出功率，进而影响航天器的可靠性。目前，大多数关于光伏阵列退化的模型研究主要集中在辐射损伤效应上，并假设辐射引起的退化是均匀的[18,19]。毫无疑问，当光伏阵列的面积和功率有限时，辐射损伤是退化的主要因素，非均匀退化并不显著。然而，随着光伏阵列面积和功率的不断扩大，由太空环境引起的故障或异常状态的风险逐渐增加。同时，长期服役的航天器日益增长的功率需求进一步突显了研究此类条件下光伏阵列输出行为的重要性和理论意义。
全球航天机构正在积极研究提高光伏阵列效率的方法，同时尽量减少太空环境威胁的风险。通常，太空光伏阵列采用串联-并联（SP）配置来满足航天器有效载荷的功率需求。然而，在这种配置中，电路中的开路故障可能导致太阳能串电流和电压的损失[20]。为了减轻此类故障造成的功率损失，提出了全交叉连接（TCT）配置，使得光伏阵列即使在部分开路故障的情况下也能继续发电[21,22]。然而，无论电路配置如何，太阳能电池之间的电流不匹配都可能引起“热点”效应，即电流较低的太阳能电池像负载一样工作，可能损坏光伏阵列[23,24]。为防止这种情况，每个太阳能电池都并联了旁路二极管，以消除热点的不利影响[25,26]。此外，通过图像加密、视觉识别和机器学习等方法解决太阳能电池之间的不匹配损失，可以增强部分遮挡下的光伏阵列功率输出[[27], [28], [29], [30]]。目前，大多数优化方法都是为地面光伏系统开发的。在应用这些方法之前，必须仔细考虑太空限制和工程适应性。上述研究表明，电路配置的不同会导致光伏阵列中电流路径的不同，从而在相同的故障或异常条件下产生不同的电气输出行为。值得注意的是，尽管在太空光伏系统的建模和优化方面取得了显著进展，但现有研究中对于太空环境干扰和电路配置的耦合效应关注较少。因此，根据太空环境引起的故障风险选择适当的电路配置和部署方向至关重要。
本研究提出了一个适用于太空环境的简化单二极管模型，能够模拟不同电路配置下的光伏阵列输出行为。通过纳入太空环境引起的故障或异常条件，包括开路和短路故障、辐射非均匀退化以及部分遮挡，所提出的模型能够准确重建光伏阵列在真实服务条件下的电流-电压（I-V）特性和功率输出，这一点通过地面实验得到了验证。此外，还提出了一种基于太空环境驱动的主动设计和优化策略，在光伏系统设计中明确考虑了环境风险。电路配置和部署方向的优化有效地提高了光伏阵列的输出功率和可靠性，而无需进行结构修改。特别是，该模型还能够表征以前未遇到的故障条件，展示了其在未来轨道故障诊断中的潜力。总之，这项工作为未来大面积、高功率太空光伏阵列的配置选择和优化设计提供了实用指导。
部分内容 光伏阵列电气性能的数学模型 图1是单个太阳能电池的单二极管模型示意图。在这个模型中，I-V特性可以表示为[31]：
