我国太阳电池高空标定取得新突破一个气球对深空探测做出大贡献

科普中国-科普融合创作与传播 2019-01-21

　　出品：科普中国

　　制作：中国科学院光电研究院（现为空天信息研究院）徐国宁黄宛宁苗颖

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　　近年来，高效多结太阳电池有了长足的发展，并广泛应用于空间和临近空间领域，是各种航天器和临近空间飞行器的理想一次能源。而太阳电池的应用，与太阳电池空间标定技术是密不可分的。

　　图 1 空间卫星用太阳电池（图片来源：http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/aetherlife/space_station_tkz_2.html

　　图 2 临近空间飞艇用的太阳电池（图片来源：https://www.cc362.com/content/Lp720wkzaq.html

　　太阳电池空间标定为什么如此重要呢？

　　在设计空间用太阳电池能源系统时，需要获得太阳电池在标准阳光下的精确的性能参数。特别是对于探月和探火等深空探测的飞行器来说，所带能源系统的重量非常有限，计算需要非常精确，能源系统容量大了超重，影响和挤占载荷的重量，容量小了则无法满足飞行任务，而精确地计算则依赖太阳电池在光准光下精确地性能参数。目前在地面采用光模拟器对光电池进行标定的方法不能测量出太阳电池精确的性能参数。因此需要对太阳电池进行地球大气外层或在接近的环境进行标定和测量。

　　目前由于没有成熟完善的多结太阳能电池标定手段，我国研制的新型砷化镓等多结电池的性能至今无法进行准确的评价，多结电池的研制和应用已经受到了影响，迫切需要建立合适的标定平台，拿到准确的电池标定数据。

　　我们把作为参考的电池在一定的光源状态下，确定短路电流或测试其I-V曲线的过程叫做标定。而利用标准电池的数据，去获得其它电池的数据的对比过程简称为复现。

　　那么对空间太阳电池的标定需要什么样的光源条件呢？

　　太阳光经过1.5亿公里传输到达地球大气圈表面的光谱辐射能量为太阳常数，大约其值为1367 W/m²，因此大气圈外的太阳光谱辐射条件定义为AM0条件。

　　空间标定

　　卫星或飞船上用的太阳电池，是在不同轨道上接受阳光的辐射，为了确定一个共同的基础，引入了AM0标准状态的太阳辐照度（不存在大气衰减的平均日地距离上垂直于阳光的平面上的太阳光辐照度），即太阳常数的概念。空间标定就是确定在AM0状态下，太阳电池的短路电流或I-V曲线。

　　目前最常用的空间标定法包括如下几种：卫星标定、火箭标定、气球标定、飞机标定和高山标定。卫星标定一般都是实地验证其它标定方法的一种手段，而不作为标定电池的方法，原因是太阳电池不能回收。火箭标定是飞行高度最高（250km）的一种标定方法，飞行高度比气球高五倍多，这种方法成本高。高山标定和飞机标定比较容易实现，但二者达不到标准太阳光谱的条件，所以不是真实的AM0环境，在这种情况下得到的太阳电池性能参数有误差，需要后续对测量值进行校准，这会导致其不确定度值增大。

　　世界各国宇航部门都非常重视太阳电池的空间标定工作，例如美国航宇局的刘易斯航天中心、马歇尔航天中心、喷气推进实验室，欧洲空间局的欧洲空间研究与技术中心和法国空间技术中心等, 都根据自己的技术特点开展了气球等在AM0条件下太阳电池标定以及地面实验标定工作。

　　各种标定方法中高空科学气球高空标定比较常用。99.5%的大气在35km以下，在这个高度的上界，没有灰尘，没有水蒸气，没有主要的臭氧带，因此这里的太阳光（考虑到硅太阳电池的光谱响应波长为0.35~1.1μm）基本上就是外层空间的太阳光，因此35km及以上的高空是标定AM0太阳电池合适的空间。高空科学气球飞行高度可达20-40km，标定的光源状态已非常接近理想的AM0状态。

　　图 3 利用高空科学气球进行太阳电池空间标定（图片来源：自制）

　　高空科学气球的运动特性

　　高空科学气球作为太阳电池空间标定的“道具”，它的运动特性是影响太阳空间标定的重要因素之一。高空科学气球的飞行高度为20km-40km，在此高度的大气层为平流层，大气运动非常平稳，大气密度也仅为地面的百分之一左右，所以吊篮将与气球一起平稳地随着大气以数十公里每小时的速度漂移。高空气球的吊篮存在绕铅垂线的转动、水平面内的摆动、及铅垂方向的振动。

　　吊篮高低两种频率摆动的振幅在稳定状态下很小，球体在垂直方向产生加速度，会导致吊篮铅垂方向的振动，此振动的振幅不会过大，可忽略不计。气球沿铅垂线的转动速度不是恒定的，它的变化周期为5-10分钟。根据以往的高空气球飞行试验测到的吊篮转动数据可以得出：吊舱在平飞阶段的转动可以近似认为只受气球随机转动影响，并不叠加上升过程中自身的旋转摆动。

　　以高空气球为平台的太阳电池空间标定系统需要解决待标定电池随吊舱旋转等运动的问题，所以必须设计一个太阳跟踪控制系统，设计时考虑到气球在高空的运动形式复杂，其主要包括：自旋、上下的振动、水平方向的飞行，在上述动态条件下跟踪系统启动后，跟踪速度和跟踪精度没有衰减的情况，跟踪装置能够快速跟踪和对准太阳位置，这样我们就让这些待标定的电池片成为了“向日葵”。

　　图 4 高空科学气球载太阳电池标定系统（图片来源：自制）

　　将被测电池处于35km以上的近AM0环境，并使待测电池通过太阳跟踪系统垂直太阳入射角，那剩下的工作就跟在地面进行标定没什么区别了。

　　这种方法已连续进行十几年，积累了大量的标准电池数据。特别是根据这些标定结果设计各种卫星的太阳电池方阵，其功率与卫星实际飞行结果符合，所以，各国公认此法标定的电池是一级标准电池。标准太阳电池

　　既然提到了一级标准电池，就不得不介绍一下标准太阳电池了。标准太阳电池分为一级标准、二级标准和工作标准。无论是哪种，它本身都至少有三个必要的参数：积分响应或在某一标准状态下的短路电流，光谱响应Q(λ)和温度系数。经过多次标定并用其它标定法对比后，标定值能很好吻合的一批电池称为一级标准。一级标准电池都按一定的技术条件进行封装，并都保存在干燥的环境中。

　　二级标准电池按复现的要求，除在模拟光源下测过短路电流外，都进行了光谱修正。二级标准电池都能严格跟踪一级标准的精度。

　　标准光强用的标准电池称为工作标准电池。一般工作标准分好几类：如不同量辐照度照过的电池（这又可按照射量分若干档），多晶硅电池，背场硅电池以及化合物电池等。这些工作标准都按复现因子进行了修正。在使用它们时，按被测太阳电池类型用各自的工作标准校对光强。

　　工作标准电池经常要和二级标准电池对比，而二级标准电池则需要定期到有关部门进行校验。

　　我国太阳电池标定的发展阻碍

　　现阶段国外对我国进行技术封锁，禁止对中国提供标准电池标定工作及提供一级AM0标准电池片，而且国内尚没有相关权威单位能够提供一级标准电池的空间标定服务，之前国内只能通过特殊渠道购买国外AM0二级标准电池片或者将自己的电池片拿到国外进行标定，这对国内空间用太阳电池行业发展非常不利。

　　另外，随着全世界对临近空间飞行器研究热度的增加，对临近空间太阳电池的要求也越来越高，而目前临近空间太阳电池的标定还处于空白，同时国内对临近空间太阳电池标定需求量较大，因此，随着航天和临近空间的发展以及新型电池的不断出现，会有越来越多厂家以及电池需要标定。

　　因此，空间太阳电池的标准化和太阳电池标定将伴随太阳电池的研制、生产、使用而发展，是一个长期攻关的重要课题，特别是目前高空气球太阳电池标定处于空白状态，急需一个能够为我国临近空间可以长期标定的单位和平台。

　　飞行试验成功技术封锁被打破

　　依托中国科学院光电研究院建立的中国科学院浮空器系统研究中心是国内最早从事高空气球研究的单位，建立了我国唯一的高空气球系统，在高空气球方面积累了丰富的经验和技术，是国内高空气球领域的权威机构，也是国内目前唯一掌握高空气球技术、具备高空气球研制、生产、发放、回收能力的单位。中心从事高空气球的发放和试验工作已有几十年，在高空气球的设计、制造、发放、运行、回收方面积累了丰富的设计和实施经验。经过多年的发展，中心的高空气球技术已经比较成熟并达到一定的水平。国内外合作飞行200多次，气球体积形成了从3万立方米到40万立方米的系列，最大可制造60万立方米的气球，最高飞行高度40千米，最大载重1.9吨。中心有成熟的高空气球加工工艺和设备，可以快速开展超压气球的加工与试验，并为飞行试验的实施提供可靠的技术支持和保障。

　　图 5高空科学气球发放（图片来源：中科院高能物理所气球组）

　　2018年8月8日，中国科学院光电研究院成功使用高空科学气球进行空间用太阳电池的高空标定试验，解决了气球平台动态变化中自动对日跟踪机构的稳定性和可靠性难题，实现了小型化多通道能够对太阳电池的进行全参数测量的高精度测量，国内首次完成了包括开路电压、短路电流、最大功率点电压、最大功率点电流和温度等详细参数的测量，首次获得了几十片不同类型太阳电池完整地太阳电池I-V曲线，对全面和准确评价空间光谱条件下太阳电池性能具有重要意义，对于我国新型空间用太阳电池的研制和应用起到推进和促进作用。

　　该飞行试验的成功，标致着中国科学院成为继美国航空航天局（NASA）和法国空间研究中心（CNES）之后，全世界第三个能够独立进行35km以上太阳电池高空标定的科研机构，打破了国外对我国空间用太阳电池标定技术的长期封锁。