1引言

太陽能（SolarEnergy），一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進(jìn)一步發(fā)展。太陽能的利用有被動(dòng)式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電一種新興的可再生能源。目前，在航天電源領(lǐng)域內(nèi)，絕大多數(shù)衛(wèi)星電源均使用太陽能電池作為其動(dòng)力核心。衛(wèi)星電源的性能直接影響到衛(wèi)星的性能和工作壽命，對(duì)衛(wèi)星的正常運(yùn)行和使用也有重大的影響。因此，為了提高電源系統(tǒng)的性能和可靠性，對(duì)衛(wèi)星電源系統(tǒng)進(jìn)行仿真和測試評(píng)估具有十分重要的意義。

衛(wèi)星的空間工作條件惡劣且復(fù)雜，溫度范圍大，日照條件變化迅速，且太陽能電池方陣處于高能粒子輻射下，在地面上無法采用實(shí)際的太陽能電池方陣來再現(xiàn)衛(wèi)星在空間軌道中的工作狀態(tài)，因此需要采用太陽能電池模擬器（SolarArraySimulator，簡稱SAS）來模擬太陽能電池陣在空間的工作狀況。SAS是衛(wèi)星電源模擬器的重要組成部分，其主要任務(wù)是真實(shí)地遵循太陽能電池方陣在各種復(fù)雜空間條件下的實(shí)際輸出特性曲線，在衛(wèi)星的地面測試階段代替太陽能電池方陣為衛(wèi)星上的各分系統(tǒng)供電。

2太陽能電池的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)太陽能電池原理和圖1所示的實(shí)際測量結(jié)果建立了多種模型，用于太陽能電池的測試和應(yīng)用研究。事實(shí)證明，這些模型具有足夠的工程精度。

2.1單指數(shù)模型

圖2示出太陽能電池的等效電路。

Iph取決于太陽能電池各工作區(qū)的半導(dǎo)體材料性質(zhì)和電池幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以及入射光強(qiáng)、表面反射率、前后表面復(fù)合速度、材料吸收系數(shù)等。由于器件的瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間相比于絕大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)顯得微不足道，因此分析中可忽略結(jié)電容。設(shè)定圖中所示的電壓、電流為正方向，由固體物理理論和全電路歐姆定律即可推出目前常用的單指數(shù)形式的太陽能電池模型：

式中

I0———二極管反向飽和電流

q———電子電荷

I———電池的輸出電流

K———波爾茲曼常數(shù)

T———絕對(duì)溫度

A———二極管品質(zhì)因子（曲線因子），一般A=1～2：

2.2雙指數(shù)模型

在單指數(shù)模型中，在不同的電壓范圍內(nèi)，決定IVD的因素也不同。當(dāng)電壓較高時(shí)，IVD主要由電中性區(qū)的注入電流決定；當(dāng)電壓較低時(shí)，IVD主要由空間電荷區(qū)的復(fù)合電流決定。為了提高模型精度，可以綜合考慮這兩種情況，在等效電路中用兩個(gè)參數(shù)不同的二極管來產(chǎn)生這兩個(gè)電流，如圖3所示。

兩個(gè)二極管產(chǎn)生的暗電流IVD1，IVD2可分別表示成一個(gè)指數(shù)式的形式，這就是雙指數(shù)太陽能電池理論模型，其表達(dá)式為：

式中

I01，A1———電中性區(qū)的飽和電流及完整性因子

I02，A2———空間電荷區(qū)的飽和電流及完整性因子

該模型不僅考慮了Rs和Rsh對(duì)太陽能電池性能的影響，而且用指數(shù)的形式概括地表示了不同機(jī)制下產(chǎn)生的IVD，并將不同電壓范圍內(nèi)的IVD決定因素也考慮在內(nèi)，因而具有更高的精度。