Экспериментальное исследование влияния температуры на производительность солнечных батарей с использованием телеметрии космического корабля "Прогресс МС"

Электрические параметры фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), как и всех полупроводниковых приборов, заметно зависят от температуры, в связи с чем нагрев влияет на выходную мощность солнечных батарей (СБ). Анализ влияния в общей постановке сложен из-за многофакторности, большого количества параметров и наличия обратных связей. Тем не менее, с помощью некоторых упрощений зависимость можно, в целом, выяснить и использовать при проектировании космических аппаратов (КА). В статье дано теоретическое объяснение работы СБ при нагреве, основанное на анализе вольт-амперных характеристик (ВАХ) ФЭП и экспериментально подтвержденное телеметрическими измерениями корабля «Прогресс МС».

Способы согласования СБ с потребителями тока

Влияние температуры на мощность СБ неоднозначно: в зависимости от условий работы батарей нагрев может вести как к сравнительно небольшому увеличению, так и к значительному снижению вырабатываемой мощности. В целом, результат зависит от положения рабочей точки на вольтамперной характеристике, что, в свою очередь, определяется способом согласования СБ с нагрузкой.

В системах энергоснабжения КА солнечные батареи, как правило, согласуются с нагрузкой стабилизацией напряжения или экстремальным регулированием. Например, в системах энергоснабжения служебного, многофункционального лабораторного и научно-энергетического модулей РС МКС напряжение на шине питания с высокой точностью поддерживается регуляторами, которые, в зависимости от текущего электропотребления, отсекают избыточный ток СБ [1–4]. Схема отлично зарекомендовала себя еще на орбитальном комплексе «Мир». Она удобна, когда состав потребителей заранее неизвестен и нет цели постоянно извлекать из СБ максимально возможную мощность.

В системах электропитания кораблей «Союз», «Прогресс» и их модификаций напряжение стабилизируют буферные аккумуляторы. Корректнее сказать, что напряжение на шине питания здесь поддерживается в допустимом интервале за счет баланса между СБ, буферными аккумуляторами и потребителями тока. Но ведущая роль в процессе принадлежит аккумуляторам: напряжение на шине близко или к их электродвижущей силе, или к зарядному напряжению в зависимости от того, в каком режиме находятся аккумуляторы.

Аппаратно сложнее всего экстремальное регулирование. Оно оправдано, если требуется постоянно эксплуатировать СБ в режиме максимальной энергоотдачи, например, в спутниках-ретрансляторах при обеспечении наилучшего радиоприема или в КА с электро-ракетной маршевой тягой. Электрическая мощность, передаваемая нагрузке от источника тока, зависит от сопротивления нагрузки и достигает максимума только при определенной величине сопротивления. Характеристики источника и нагрузки, как правило, нестабильны, и, однажды подстроенные друг под друга, в дальнейшем они, вероятнее всего, не будут работать с предельной эффективностью. Экстремальным регулятором называют согласующее устройство, позволяющее при изменчивых характеристиках источника тока и нагрузки эксплуатировать источник всегда в режиме максимальной мощности. Регулятор обеспечивает оптимальные ток и напряжение на источнике, не отбирая излишек энергии.

Теоретическое описание связи температуры и мощности СБ

Вольтамперные характеристики ФЭП для разных температур показаны на рис. 1. Использованы данные для ФЭП на основе кремния производства НПО «Сатурн» (г. Краснодар). Прочие преобразователи, в т. ч. на основе других полупроводниковых материалов, имеют похожий вид, и при изменении температуры ведут себя аналогично [5]. С повышением температуры ВАХ смещается вдоль оси U влево, а вдоль оси I — вверх, почти сохраняя форму. Напряжение холостого хода U _XX снижается практически линейно температуре, а ток короткого замыкания I _КЗ повышается, но гораздо медленнее. Максимум мощности (точка C ) смещается влево и вниз, что свидетельствует об уменьшении оптимального тока I _opt, оптимального напряжения U _opt и максимальной мощности P _max = I _opt U _opt.

Рис. 1. Вольтамперные и вольтваттные характеристики ФЭП при различной температуре: A — рабочая точка; B — точка максимальной мощности (оптимальная); C — максимум мощности; D — текущая мощность

В составе СБ ФЭП соединяются последовательно-параллельно, и если условия работы всех ФЭП одинаковы (ФЭП равномерно освещены и имеют одинаковую температуру), то ВАХ батареи в целом повторяет ВАХ ФЭП с точностью до множителей по осям координат.

Режим работы ФЭП (сочетание действующего тока и напряжения на выходе СБ) задает на ВАХ так называемую рабочую точку (точка А на рис. 1). Высота ее положения численно равна силе тока ФЭП и при неизменном напряжении зависит от температуры, вернее, от того, какая именно ВАХ реализуется. Зафиксировав вертикаль, проходящую через рабочую точку, можно определить силу тока при нескольких температурах, а затем построить зависимость, как на рис. 2. Здесь видно, что до некоторой температуры сила тока растет, а при дальнейшем нагреве снижается вплоть до нуля.

Рис. 2. Зависимость тока ФЭП от температуры при стабилизированном напряжении

При использовании экстремального регулятора СБ в каждый момент времени выдают максимально возможную электрическую мощность. Если проанализировать серию ВАХ при различных температурах, можно построить зависимость, как на рис. 3. В данном примере зависимость имеет прямолинейный характер только из-за предположения, что оптимальное напряжение U _opt зависит от температуры линейно, а оптимальный ток I _opt, согласно данным производителя, от температуры не зависит. Практически, график может не быть прямолинейным, но обязательно монотонно убывает.

Рис. 3. Зависимость максимальной мощности ФЭП от температуры