CN109525193A - 一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统及方法，能够对低轨道等离子体环境下高压太阳电池阵的电流收集特性进行研究，并且系统结构简单，方法易于实现。本发明的一种低轨道高压太阳电池阵电流收集效应的试验系统，通过地面模拟试验对低轨道等离子体环境下高压太阳电池阵的电流收集特性进行研究，可评价高压太阳电池阵在轨适用性，并可为进一步开展航天器充电电位分析提供数据基础。

Description

一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统及方法
技术领域
本发明属于空间充放电效应电流收集效应试验技术领域，涉及一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统及方法。
背景技术
随着航天器技术的发展，航天器上使用大功率太阳电池阵系统已经成为趋势，为降低能量传输损耗并减小电缆重量，其太阳阵通常采用高工作电压来实现电源系统的功率提高。例如，我国的空间站采用了100V的母线工作电压。运行于低轨道的高压太阳阵裸露互联等的空间站，会收集空间冷稠等离子体中的电子电流，导致航天器电源系统功率损耗和结构电位下降。国外研究表明由电流收集导致的功率损耗能达到电池总功率的百分之几，而结构电位下降可导致太阳电池、热控材料的击穿以及威胁宇航员的出舱活动等。目前，对于低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统与方法尚未见有报道。因此，建立一种低轨道高压太阳电池阵电流收集效应的试验系统及方法具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统及方法，能够对低轨道等离子体环境下高压太阳电池阵的电流收集特性进行研究，并且系统结构简单，方法易于实现。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
本发明的一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统，包括真空室、ECR等离子体源、真空抽气系统、高压太阳电池阵样品台、Langmuir探针、稳压电源以及微电流计；
其中，真空抽气系统用于对真空室进行抽气；
ECR等离子体源用于为真空室提供等离子体环境；
Langmuir探针用于对等离子体环境参数进行探测；
高压太阳电池样品台置于真空室中，用于放置高压太阳电池阵样品；
稳压电源用于为太阳电池阵样品供电；
微电流计对高压太阳电池的收集电流进行测量。
其中，所述等离子体环境参数满足密度为1010～1012/m3，能量为3～5eV。
其中，还包括电压表，电压表用于对太阳电池阵样品的电压进行测量。
一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将太阳电池阵样品与稳压电源以及微电流计进行线路连接；
步骤2，将连接完毕的太阳电池阵样品放置在真空室位于ECR等离子体源出口下游的中央位置；
打开稳压电源，向电池供电，使得电池电压从0开始不断升高，并每隔一个电压跨度，通过微电流计对太阳电池阵样品的工作电流进行测量，获得无等离子体环境下的太阳电池阵样品的工作电流-电压曲线；
步骤3，打开真空抽气系统，对真空室抽真空；
打开ECR等离子体源，利用Langmuir探针对真空室内的等离子体参数进行测量；
步骤4，打开稳压电源，向电池供电，使得电池电压从0开始不断升高，并每隔一个电压跨度，通过微电流计对太阳电池阵样品的工作电流进行测量，获得等离子体环境下的太阳电池阵样品工作电流-电压曲线；
将等离子体环境下的太阳电池阵样品工作电流减去无等离子体环境下的太阳电池阵样品工作电流，获得太阳电池阵样品从空间等离子体中的收集电流，以及太阳电池阵样品收集电流-电压曲线；
步骤5，调节ECR等离子体源的参数，获得不同特性的等离子体环境，重复步骤3～4，获得不同等离子环境参数下太阳电池阵样品的收集电流随偏置电压的变化关系，完成测试。
其中，所述步骤3中，对真空室抽真空，使系统真空至1.0×10-3Pa以下。
其中，所述步骤2和步骤4中，稳压电源偏置电压的范围从0V开始，每隔30V记一次电流读数，直到偏置电压调节到500V。
其中，所述步骤4中，对太阳电池阵样品的工作电流进行测量方式为：直接测量太阳电池阵的总工作电流或测量太阳电池阵的各裸露互联导线电流后相加得到总工作电流。
有益效果：
本发明的一种低轨道高压太阳电池阵电流收集效应的试验系统，通过地面模拟试验对低轨道等离子体环境下高压太阳电池阵的电流收集特性进行研究，可评价高压太阳电池阵在轨适用性，并可为进一步开展航天器充电电位分析提供数据基础。
附图说明
图1为本发明的低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统示意图。
图2为本发明的低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统的太阳电池阵连接示意图。
其中，1-真空室，2-ECR等离子体源，3-真空抽气系统，4-高压太阳电池阵样品，5-Langmuir探针，6-稳压电源，7-电压表，8-微电流计；4-1为太阳电池阵的裸露互联导线，4-2为玻璃盖片，4-3为太阳电池半导体。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统如图1所示，包括真空室1、ECR等离子体源2、真空抽气系统3、高压太阳电池阵样品台4、Langmuir探针5、稳压电源6、电压表7以及微电流计8。其中，真空抽气系统3用于对真空室1进行抽气，真空室1用于提供空间真空环境；ECR等离子体源2用于为真空室1提供等离子体环境，其中，等离子体环境参数满足密度为1010～1012/m3，能量为3～5eV，Langmuir探针5用于对等离子体环境参数进行探测；高压太阳电池样品台4置于真空室1中，用于放置高压太阳电池阵样品；稳压电源6用于为太阳电池阵样品供电，使其裸露互联的部分相对于空间等离子体存在一定的偏置电压；电压表7用于对太阳电池阵样品的电压进行测量；微电流计8对高压太阳电池的收集电流进行测量。
太阳电池阵连接示意图如图2所示，可以根据实际的太阳电池阵设计进行连接，连接中保证电源的正极与电池的正极连接，电源的负极与电池负极相连。使太阳电池阵的各个电池片工作在正常状态。
基于上述收集测试系统，本发明还提供了一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试方法，包括如下步骤：
步骤1，将太阳电池阵样品与稳压电源6以及微电流计8进行线路连接；
步骤2，将连接完毕的太阳电池阵样品放置在真空室1位于ECR等离子体源2出口下游的中央位置；
打开稳压电源6，利用稳压电源6对太阳电池阵供电，稳压电源6偏置电压的范围从0V开始，通过微电流计对太阳电池阵收集电流读数和采集，每隔30V记一次电流读数，直到偏置电压调节到500V，通过微电流计测量太阳电池阵不同偏置电压的工作电流I0i，获得无等离子体环境下的太阳电池阵I0i-V曲线；
步骤3，打开真空抽气系统3，对真空室1抽真空使系统真空至1.0x10-3Pa以下，打开ECR等离子体源2，利用Langmuir探针5对真空室1内的等离子体参数进行测量，保证太阳电池阵样品附近的等离子体密度为1010～1012/m3，能量为3～5eV；
步骤4，打开稳压电源6，通过稳压电源6对太阳电池阵样品进行供电，稳压电源6偏置电压的范围从0V开始，每隔30V记一次电流读数，直到偏置电压调节到500V，通过微电流计8测量太阳电池阵不同偏置电压下的工作电流I1i，获得存在等离子体环境下的太阳电池阵样品的I1i-V曲线。
通过等离子体环境下的太阳电池阵样品工作电流I1i减去无等离子体环境下的太阳电池阵样品工作电流I0i，从而获得太阳电池阵样品从空间等离子体中的收集电流Ii，以及太阳电池阵样品收集电流Ii-V曲线。
其中，对太阳电池阵样品的工作电流进行测量方式为：直接测量总工作电流或测量各支路电流后相加得到总工作电流。
步骤5，进一步调节ECR等离子体源2的参数，获得不同特性的等离子体环境，重复执行步骤3～4，获得不同等离子环境参数下太阳电池阵样品的收集电流随偏置电压的变化关系，完成测试。
综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统，其特征在于，包括真空室(1)、ECR等离子体源(2)、真空抽气系统(3)、高压太阳电池阵样品台(4)、Langmuir探针(5)、稳压电源(6)以及微电流计(8)；
其中，真空抽气系统(3)用于对真空室(1)进行抽气；
ECR等离子体源(2)用于为真空室(1)提供等离子体环境；
Langmuir探针(5)用于对等离子体环境参数进行探测；
高压太阳电池样品台(4)置于真空室(1)中，用于放置高压太阳电池阵样品；
稳压电源(6)用于为太阳电池阵样品供电；
微电流计(8)对高压太阳电池的收集电流进行测量。
2.如权利要求1所述的一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统，其特征在于，所述等离子体环境参数满足密度为1010～1012/m3，能量为3～5eV。
3.如权利要求1所述的一种低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统，其特征在于，还包括电压表(7)，电压表(7)用于对太阳电池阵样品的电压进行测量。
4.一种如权利要求1所述低轨道高压太阳电池阵电流收集测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将太阳电池阵样品与稳压电源(6)以及微电流计(8)进行线路连接；
步骤2，将连接完毕的太阳电池阵样品放置在真空室(1)位于ECR等离子体源(2)出口下游的中央位置；
打开稳压电源(6)，向电池供电，使得电池电压从0开始不断升高，并每隔一个电压跨度，通过微电流计(8)对太阳电池阵样品的工作电流进行测量，获得无等离子体环境下的太阳电池阵样品的工作电流-电压曲线；
步骤3，打开真空抽气系统(3)，对真空室(1)抽真空；
打开ECR等离子体源(2)，利用Langmuir探针(5)对真空室(1)内的等离子体参数进行测量；
步骤4，打开稳压电源(6)，向电池供电，使得电池电压从0开始不断升高，并每隔一个电压跨度，通过微电流计(8)对太阳电池阵样品的工作电流进行测量，获得等离子体环境下的太阳电池阵样品工作电流-电压曲线；
将等离子体环境下的太阳电池阵样品工作电流减去无等离子体环境下的太阳电池阵样品工作电流，获得太阳电池阵样品从空间等离子体中的收集电流，以及太阳电池阵样品收集电流-电压曲线；
步骤5，调节ECR等离子体源(2)的参数，获得不同特性的等离子体环境，重复步骤3～4，获得不同等离子环境参数下太阳电池阵样品的收集电流随偏置电压的变化关系，完成测试。
5.如权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于，所述步骤3中，对真空室(1)抽真空，使系统真空至1.0×10-3Pa以下。
6.如权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于，所述步骤2和步骤4中，稳压电源(6)偏置电压的范围从0V开始，每隔30V记一次电流读数，直到偏置电压调节到500V。
7.如权利要求4所述的一种测试方法，其特征在于，所述步骤4中，对太阳电池阵样品的工作电流进行测量方式为：直接测量太阳电池阵的总工作电流或测量太阳电池阵的各裸露互联导线电流后相加得到总工作电流。
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