基于AE9/AP9地球輻射帶模型的太陽電池性能衰退仿真研究

收稿日期：2023-07-08

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.014

摘" 要：作為航天器上重要的能源供應(yīng)裝置，太陽電池的性能表現(xiàn)對保證航天器的正常運(yùn)行至關(guān)重要。在評估太陽電池的性能表現(xiàn)時，需要考慮的一個重要因素是航天器所處的軌道輻射環(huán)境。為了更準(zhǔn)確地評估太陽電池在不同軌道環(huán)境下的工作效能，文章將AE9/AP9模型應(yīng)用于太陽電池性能衰退模型中，并就GaAs太陽電池持續(xù)多年的軌道粒子環(huán)境對其造成的影響進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)模型可以更加準(zhǔn)確地評估太陽電池的在軌性能變化。

關(guān)鍵詞：太陽電池；AE9/AP9；范艾倫輻射帶；仿真

中圖分類號：TP391.9；TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）05-0064-05

Simulation Study on Performance Degradation of Solar Battery Based on

AE9/AP9 Earth Radiation Belt Models

WANG Yingpeng， YANG Zhiqiang， WEI Xinxin

（School of Information Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou" 450046， China）

Abstract： As an important energy supply device on spacecraft， the performance of solar batteries is crucial for ensuring the normal operation of the spacecraft. When evaluating the performance of solar batteries， an important factor need to be considered is the orbital radiation environment in which the spacecraft is located. In order to more accurately evaluate the operational efficiency of solar batteries in different orbital environments， this paper applies the AE9/AP9 model to the performance degradation model of solar batteries， and conducts simulation experiments on the impact of the continuous orbital particle environment on GaAs solar batteries for many years. The experimental results show that the designed model can more accurately evaluate the in-orbit performance changes of solar batteries.

Keywords： solar battery; AE9/AP9; Van Allen radiation belt; simulation

0" 引" 言

地外空間環(huán)境復(fù)雜多變，其中以范艾倫輻射帶對人類航天活動影響最為明顯。范艾倫輻射帶是由高能帶電粒子組成的，主要包括帶正電粒子的內(nèi)輻射帶和帶負(fù)電粒子的外輻射帶[1，2]。這些粒子主要來自太陽風(fēng)和宇宙射線，通過地球的磁場被束縛在輻射帶中。內(nèi)輻射帶通常在地球0.2到2個地球半徑高度延伸，外輻射帶從3個地球半徑高度開始一直延伸到10個地球半徑高度[3]。輻射帶的存在對人類的航空航天工作產(chǎn)生了巨大的影響，高能粒子進(jìn)入航天器中會對電子器件造成直接的損傷，包括干擾電子系統(tǒng)、干擾太陽電池發(fā)電、損壞衛(wèi)星電子元件等。為了更好地了解范艾倫輻射帶，研究人員進(jìn)行了大量研究觀測，他們利用地球軌道衛(wèi)星和探測器，進(jìn)行測量和監(jiān)測。先后建立了以AE、AP命名規(guī)則體系的地外輻射帶模型，通過對輻射帶特性的深入了解，有助于幫助工作人員制定更好的防護(hù)策略和保護(hù)措施，確保航天器、宇航員安全的穿越這些輻射帶[4]。

美國國家航空航天局在20世紀(jì)60年代贊助建立了第一個輻射帶模型，用來表示太陽周期最小和最大階段的平均輻射環(huán)境。它們以AE（電子）、AP（質(zhì)子）命名，現(xiàn)在被廣泛使用的是AE8/AP8模型，AP8是在AP1到AP7的基礎(chǔ)上做了集成，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)子帶能量范圍的全覆蓋[5]。輻射帶內(nèi)的電子帶組成部分較多，建模相比質(zhì)子帶復(fù)雜。雖然AE2基本實(shí)現(xiàn)了各電子能量的覆蓋。但直到AE8才對各個區(qū)域建模進(jìn)行了整合形成了更完整的電子帶模型。

AE8/AP8模型建立于1989年，所用到的數(shù)據(jù)及模型也是1989年的，隨著時間的推移，舊的模型在能譜覆蓋范圍和粒子類型上已經(jīng)滿足不了當(dāng)下的需求。使用更新的數(shù)據(jù)和模型框架的AE9/AP9新模型被開發(fā)出來。它有著相比前代更大的能譜覆蓋范圍，更詳細(xì)的空間分辨率，更加精確的數(shù)據(jù)支持，以及對空間天氣和儀器誤差造成的不確定性的量化，能夠幫助研究人員更加準(zhǔn)確地分析航天器在軌運(yùn)行狀況。AE9/AP9模型最出色的一項(xiàng)特征是它通過對衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)集交叉校準(zhǔn)，使用光譜反演的技術(shù)，引入了一種新的統(tǒng)計(jì)方法來產(chǎn)生用戶定義軌道內(nèi)的粒子通量水平。對研究航天器在軌特性有著很大的幫助。

太陽電池作為航天器的重要組成部件，對航天器的正常運(yùn)行起著決定性的作用，而直接暴露在太空環(huán)境的太陽電池會受到范艾倫輻射帶中高能粒子的直接作用[6]。研究太陽電池在范艾倫輻射帶中的損傷過程有助于研究人員更好地了解航天器在軌狀態(tài)包括健康程度和可靠度。以現(xiàn)在航天器廣泛采用的GaAs太陽電池為例，高能粒子對太陽電池的損傷原理如下：高能粒子進(jìn)入太陽電池內(nèi)部，通過與晶格原子的碰撞，將能量傳遞給晶格原子。當(dāng)傳遞的能量大于某一閾值時，晶格原子就發(fā)生位移，產(chǎn)生晶格缺陷，如空位、填隙原子、缺陷簇、空位-雜質(zhì)復(fù)合體等。這些缺陷起到復(fù)合中心作用，從而降低材料中少數(shù)載流子的壽命[7，8]。光生少數(shù)載流子壽命降低導(dǎo)致其擴(kuò)散長度縮短，從而造成部分少子來不及擴(kuò)散到空間電荷區(qū)被空間電場分離而發(fā)生復(fù)合。光生少子收集效率的降低最終導(dǎo)致太陽電池性能下降。這些將直接導(dǎo)致太陽電池的額定電壓、短路電流、最大功率降低[9]。這3個電學(xué)物理參數(shù)的下降也意味著太陽電池的性能下降。為了保護(hù)太陽電池，現(xiàn)在航天器太陽電池都會加上防護(hù)蓋片，在韓堰輝、胡建民等人的研究中[9，10]，加裝防護(hù)蓋片的太陽電池可以有效防止低于3.7 MeV的高能粒子進(jìn)入太陽電池內(nèi)部，有效地降低了部分高能粒子對太陽電池的影響。此外，研究人員還在探索新的太陽電池材料，以提高太陽電池的抗損傷能力。除了防護(hù)之外，預(yù)測太陽電池在軌性能也非常重要，前人在研究中通過AE8/AP8模型得到年粒子注量，在仿真實(shí)驗(yàn)得到高能粒子對太陽電池的損傷情況，擬合出了高能粒子對太陽電池的作用方程進(jìn)而評估同步軌道的航天器太陽電池的性能表現(xiàn)[11]。

本文將采用最新一代的AE9/AP9模型，對近地特定軌道航線的航天器太陽電池建立仿真性能衰退模型，用細(xì)分的各能量段高能粒子數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確地評估航天器在軌性能的變化。

1" 模型建立

本文建立了一個針對太陽電池整體評估的仿真模型，如圖1所示，分為了4大塊，分別是：1）數(shù)據(jù)處理模塊：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為其他模塊可用的數(shù)據(jù)；2）太陽電池衰退模塊：計(jì)算太陽電池在軌道運(yùn)行周期內(nèi)的性能衰退情況；3）三維繪圖模塊：繪制衛(wèi)星運(yùn)行軌道；4）失效率計(jì)算模塊：計(jì)算太陽電池的失效概率。整個仿真模型可以分析某條軌道衛(wèi)星運(yùn)行中因?yàn)榈赝廨椛鋷У挠绊懴绿栯姵氐男阅芩ネ藸顩r。

圖1" 整體模型圖

1.1" 地磁輻射帶數(shù)據(jù)處理模型

先前的研究中，胡建民等人[10]在研究太陽電池性能衰退時采用了AE8/AP8模型，然而，受限于該模型本身的局限性，其存在較大的粒子注量誤差。

為了克服這一問題，本文決定采用AE9/AP9新模型進(jìn)行評估，以提高研究評估的準(zhǔn)確性和可靠性。相較于舊模型，AE9/AP9模型具備更加精確的數(shù)據(jù)和更完善的算法，能夠更好地模擬和預(yù)測衛(wèi)星所受到的粒子通量。

為了突出對比，我們通過圖2展示了在同一軌道、同一顆衛(wèi)星上，分別采用AE8/AP8和AE9/AP9模型計(jì)算得到的粒子通量。從圖中清楚地可以觀察到，不論是在低能量還是高能量范圍內(nèi)，8代模型與9代模型之間存在顯著的誤差。這表明舊模型在預(yù)測粒子通量時存在較大的不準(zhǔn)確性，而新模型能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況。

引入AE9/AP9模型的目的是獲得更準(zhǔn)確和可靠的評估結(jié)果，從而為太陽電池性能衰退的研究提供更為可信的依據(jù)。通過采用新模型，能夠更全面地了解衛(wèi)星在軌期間太陽電池性能的變化情況，并為未來的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供更有針對性的建議和措施。

使用Irene對軌道仿真得到的粒子數(shù)據(jù)還需進(jìn)行處理，最開始需要對軌道粒子數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先將MJD（Modified Julian Time）時間轉(zhuǎn)換為UTC時間。計(jì)算步驟如式（1）：

（1）

接著將地磁坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)。其中r為地磁坐標(biāo)半徑，lo和la為處理過的經(jīng)緯度信息：

（2）

（3）

（4）

處理步驟如式（5）：

（5）

（6）

（a）AE8/AP8模型結(jié)果

（b）AE9/AP9模型結(jié)果

圖2" AE8/AP8與AE9/AP9模型結(jié)果數(shù)據(jù)的對比

1.2" 太陽電池性能衰退模型

進(jìn)入太陽電池的衰退計(jì)算中還需要對得到的粒子注量進(jìn)行處理，因?yàn)閷τ诓煌碾娢锢韰?shù)高能質(zhì)子注量會對其產(chǎn)生不同的效果，需要將其歸一化等效為高能電子的注量。最終得到所有高能粒子的年累計(jì)注量之和。具體計(jì)算如式（7）至式（9），其中Φsum為累計(jì)注量，ΦE為高能電子的累計(jì)注量，ΦP為高能質(zhì)子等效為1 MeV高能電子的累計(jì)注量。fluence為對應(yīng)能量粒子的注量，Ei為高能電子的能量。R為RDC（Relative damage coefficients），是對應(yīng)電學(xué)參數(shù)的高能質(zhì)子轉(zhuǎn)換為等效1 MeV電子的轉(zhuǎn)換因子。因?yàn)楸疚姆抡嬷黧w為加裝防護(hù)蓋片的太陽電池，研究表明，加裝防護(hù)蓋片的太陽電池可以有效防護(hù)低于3.7 MeV的高能質(zhì)子。故只使用能量高于3.7 MeV的高能質(zhì)子，以及全能量段的高能電子。

（7）

（8）

（9）

NASA提出了航天器部件性能衰退的經(jīng)驗(yàn)方程，如式（10）所示，其中P為當(dāng)前部件物理參數(shù)，P0為初始物理參數(shù)，C為常數(shù)，Φ為當(dāng)前注入的粒子通量，Φ0為初始的粒子注入用量：

（10）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)方程，通過實(shí)驗(yàn)擬合得到了應(yīng)用于太陽電池的性能衰退模型。式（11）是太陽電池開路電壓的衰退方程。其中V0為初始開路電壓，Voc為經(jīng)受過粒子注量后的開路電壓，Φ為累計(jì)注量：

（11）

式（12）是太陽電池短路電流的衰退方程，其中I0為初始短路電流，Isc為經(jīng)受過粒子注量后的短路電流：

（12）

式（13）是太陽電池最大功率的衰退模型。其中P0為初始最大功率，Pmax為經(jīng)受過粒子注量后的最大功率：

（13）

2" 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

2.1" 實(shí)驗(yàn)對象

對于太陽電池的選擇，采用航天器通用的GaAs電池，具體參數(shù)和性能如表1所示。本次仿真實(shí)驗(yàn)著重觀察的是開路電壓、短路電流以及最大功率。

表1" GaAs電池基本信息表

研究對象 參數(shù) GaAs/Ge太陽電池

光電轉(zhuǎn)換率 η 19%～20%

短路電流 Isc 88.7 mA

開路電壓 Voc 1 020 mV

最大功率 Pmax 72 mW

填充因子 FF 82%

運(yùn)行軌道設(shè)定為低軌衛(wèi)星，如圖3所示。

圖3" 仿真軌道圖

2.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

軌道所處地球輻射環(huán)境各能量注入通量如圖4、圖5所示，注量選擇的是置信度在0.95的fluence數(shù)據(jù)，fluence是Irene中各能量段累計(jì)注量的數(shù)據(jù)集，根據(jù)前面設(shè)定的軌道以及參數(shù)配置計(jì)算得到。

通過對上面數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理得到年累計(jì)注量，如表2所示。

表2" 不同電學(xué)參數(shù)的粒子年累計(jì)注量

電學(xué)性能參數(shù) 歸一化后的年累計(jì)注量 RDC

Voc 1.085 814 152 779 773 8×1014 1 400

Isc 4.515 452 482 855 737 5×1013 400

Pmax 8.321 065 909 820 938×1013 1 000

長期遭受地外輻射帶影響的太陽電池性能變化如圖6所示，可以看出，電池的額定電壓、短路電流和最大功率均出現(xiàn)了衰退的趨勢。其中在本次仿真實(shí)驗(yàn)中，額定電壓在第5年下降到原來的97.504%，短路電流下降到原來的94.007%，最大功率下降到原來的83.922%。根據(jù)最大功率下降到80%以下判定太陽電池失效，可以得出在本次實(shí)驗(yàn)的近地軌道中，太陽電池將于9年內(nèi)失效。

3" 結(jié)" 論

對仿真軌道使用AE9/AP9模型得到了更精細(xì)、準(zhǔn)確的軌道粒子注量的分布，包括各個能量段的細(xì)分。然后通過毀傷機(jī)理，將高能質(zhì)子模型中各能量段的注量轉(zhuǎn)為了對應(yīng)電學(xué)參數(shù)的1 MeV高能電子的注量參與運(yùn)算。

通過太陽電池毀傷效應(yīng)模型，對仿真對象GaAs太陽電池評估多年的軌道粒子環(huán)境對其造成的影響，在本次仿真中得出了在設(shè)定的近地軌道中的太陽電池的使用壽命，即約9年左右太陽電池的最大功率將下降到原本的80%以下的結(jié)論。本研究的主要意義在于可以作為一個通配的仿真模型，評估各個軌道的高能粒子環(huán)境對航天器太陽電池的影響，預(yù)測航天器太陽電池的使用壽命，為航天工作提供可靠的仿真數(shù)據(jù)支撐。

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作者簡介：王應(yīng)鵬（1997—），男，漢族，河南洛陽人，碩士研究生在讀，主要研究方向：系統(tǒng)建模與仿真；楊志強(qiáng)（1999—），男，漢族，河南鶴壁人，碩士研究生在讀，主要研究方向：系統(tǒng)建模與仿真；魏欣欣（1998—），女，漢族，河南安陽人，碩士研究生在讀，主要研究方向：系統(tǒng)建模與仿真。