МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ЦЕЛОСТНОСТИ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

CONTROLLING METHODS OF PHOTOCONVERTERS SUSTAINABILITY

Tatyana Zhuravleva

2-year student of Chair, Institute of Space and Informatics Technologies SFU, Russia, Krasnoyarsk

Sergey Leonov

designing Engineer of 3 category, JSC Academician M.F. Reshetnev Information Satellite Systems,

Russia, Zheleznogorsk

Vladimir Golovkov

engineer of 1 category, JSC Academician M.F. Reshetnev Information Satellite Systems,

Russia, Zheleznogorsk

Yuri Aliseenko

designing Engineer of 3 category, JSC Academician M.F. Reshetnev Information Satellite Systems,

Russia, Zheleznogorsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье описываются существующие методы контроля целостности фотопреобразователей солнечных батарей космических аппаратов, а так же приведено описание эксперимента на основе метода люминесценции под действием фотовозбуждения.

ABSTRACT

Current controlling methods of photoconverters sustainability of spacecraft solar batteries are described in the article, and experiment description based on the method of luminescence caused by optical excitation is provided.

Ключевые слова: система электропитания; космический аппарат; солнечная батарея; фотопреобразователь.

Keywords: power system; spacecraft; solar battery; optical excitation.

Введение.

Система электропитания (СЭП) космического аппарата (КА) является одной из основных его систем, обеспечивающих функционирование и выполнение целевых задач. Мощность СЭП обеспечивает энерговооруженность космического аппарата. Структурно СЭП состоит из первичных, вторичных источников энергии, контролирующей и преобразующей аппаратуры. Солнечная батарея (БС) является первичным источником энергии. Ресурс КА во много определен ресурсом БС [1].

БС КА подвержена ресурсной деградации, в результате чего энерговооруженность КА снижается. Деградация БС закладывается в расчете при проектировании, с обеспечением необходимой выходной мощности в конце срока активного существования (САС). Для обеспечения расчетного изменения мощности параметры БС должны соответствовать заявленным в техническом задании параметрам [2]. Проверка параметров БС производится на заводе-изготовителе КА. Применяемыми методами являются метод визуального осмотра и метод измерения вольтамперной характеристики (ВАХ) БС при импульсном освещении.

Основным структурным элементом БС является фотопреобразователь (ФП). ФП осуществляет преобразование энергии света в электрическую энергию. С целью увеличения эффективности работы БС в настоящее время используются трехкаскадные фотопреобразователи на основе структуры GaInP/GaInAs/Ge (ФП3П). Данные ФП3П имеют меньшее значение ресурсной деградации в сравнении с ФП на основе Si и большее значение коэффициента полезного действия [3]. Однако ФП3П обладают меньшей механической прочностью.

Постановка задачи выявления дефектов фотопреобразователей солнечных батарей.

В статье предложена разработка метода контроля целостности пластин фотопреобразователей солнечной батареи.

Применяемые методы в настоящее время не позволяют выявить все дефекты в БС, из-за которых происходит снижение технических параметров БС. Основным дефектом, не выявляемым применяемыми методами, является дефект типа «скрытые трещины» в ФП3П. Данный дефект большей частью обусловлен низкой механической прочностью пластин ФП3П и возможностью механического воздействия на них.

Спецификой ФП3П является их малая толщина и хрупкость. В результате ФП3П имеют низкую стойкость к внешним механическим воздействиям с образованием трещин. Трещины в ФП3П приводят к снижению его мощности, и, как следствие, снижению мощности БС в целом. Кроме того, проведенные исследования и анализ телеметрической информации большого числа КА показывают, что наличие повреждений ФП может явиться причиной выхода из строя рядом расположенных исправных ФП, что еще более ухудшает ситуацию.

В настоящее время техническое состояние солнечных батарей оценивают, в основном, методом визуального контроля и методом измерения световой ВАХ.

Метод визуального контроля.

Метод визуального контроля проводится оператором в два этапа. Первый этап заключается в осмотре механической конструкции БС и ФГЧ. При этом оператор руководствуется перечнем внешних дефектов [4].

Производительность первого этапа визуального контроля оценивается 10 мин/м² (время осмотра 1 м² БС).

Второй этап состоит в определении типа трещин: трещины защитных стекол или трещины в ФП3П. Данный этап заключается в осмотре лицевой поверхности поврежденного ФП3П при его освещении лампой накаливания с тыльной стороны. При этом наличие видимого просвета означает трещину в пластине ФП3П. Отсутствие просвета говорит о наличии трещины стекла [4].

Качество визуального осмотра определяется квалификацией оператора и в любом случае не обеспечивает выявление скрытых трещин, проявляющих себя при штатной эксплуатации. Согласно проведенной оценке, трещины в пластине ФП3П не всегда могут быть определены на просвет. В среднем, не определяется 0.1 % скрытых трещин (процент числа ФП3П со скрытыми трещинами от общего числа ФП3П).

Достоинства метода заключаются в простоте его проведения и отсутствии необходимости в закупке дорогостоящего оборудования.

Недостатками метода являются его субъективность и невозможности обнаружения скрытых трещин пластины ФП3П.

Метод измерения световой вольтамперной характеристики.

После проведения визуального осмотра проводятся измерения ВАХ БС путем засветки панелей БС. Метод основывается на измерении значения величин тока и напряжения на подключенной нагрузке к БС, при изменении сопротивления нагрузки за время светового импульса. Метод дает интегральную оценку текущего технического состояния солнечных батарей [4].

Достоинством метода является то, что он позволяет с высокой достоверностью определять наличие крупных дефектов.

Недостатком метода является невозможность локализации дефектов, невозможность обнаружения небольших дефектов. Снятые характеристики сильно зависят от расположения осветителя и от величины светового потока. Для проведения метода необходима точная ориентация осветителя и БС [5].

Метод люминесценции при протекании прямого тока.

При обнаружении несоответствия заявленной ВАХ измеренной и одновременном отсутствии видимых дефектов ФП3П дополнительно может применяться метод люминесценции ФП3П при прохождении прямого тока. Метод заключается в визуальном осмотре ФП3П, люминесцирующих при прохождении через них прямого тока от внешнего источника питания. Источник питания подключают к элементарному генератору (ЭГ) БС в обход развязывающего устройства (РУ). Время прохождения тока ограничивают несколькими секундами (для недопущения перегрева ФП3П). При отсутствии фототока ФП3П работает на прямой ветви ВАХ в первом квадранте.

Протекающий прямой ток вызывает люминесценцию фотопреобразователя. По визуальной картине свечения определяют наличие дефектов в ФП3П. О наличии трещины ФП3П говорит резкая граница люминесцирующей и темной областей.

Достоинства метода заключаются в том, что он позволяет локализировать дефекты типа «скрытые трещины» ФП3П, и определяет отсутствие контакта в ЭГ.

Недостатками метода являются то, что его проведение должно осуществляться только высококвалифицированными специалистами. При реализации метода существует риск повреждения БС.

Метод люминесценции под действием фотовозбуждения.

В основе метода лежит генерация люминесценции под действием диффузионного тока в p-n переходах ФП3П. Диффузионный ток обеспечивает установление равновесного состояния при существовании фототока в ФП3П и отсутствии внешней нагрузки. Фототок генерируется в засвеченном участке пластины ФП3П. Диффузионный ток протекает в освещенном и неосвещенном участке ФП3П как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Принцип метода люминесценции

Излучение спектра люминесценции происходит в спектре длин волн более 600нм как показано на рисунке 2, в которой электролюминесценция фиксировалась при прохождении прямого тока через трехкаскадный ФЭП.

Рисунок 2. Интенсивность электролюминесценции трехкаскадного ФЭП

При нарушении токосборной системы образуется граница области люминесценции и не люминесцирующей области как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Люминесценция ФП3П при наличии трещины (лицевые площадки токосъемных шин соединены между собой)

Принцип метода поясняется моделью ФП с сосредоточенными параметрами как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Электрическая схема ФП с сосредоточенными параметрами

ФП в модели разделен на две области – область засветки и область люминесценции. Протекание тока между областями осуществляется преимущественно по контактной системе ФП. Поток света вызывает фототок в области засветки I_ф1, нарушая равновесное состояние p-n перехода. Прямые токи переходов I_д1 и I_д2 увеличиваются, обеспечивая равновесное состояние. Ток I_фп в условиях нахождения ФП в составе ЭГ составляет ток I_шу. Токи через шунтовые сопротивления и I_шу имеют порядки единиц мА.

Устройство экспериментальной установки.

Основной функциональный состав установки, основанной на методе электролюминесценции под воздействием оптического возбуждения должен включать:

1. Засвечивающее устройство. Засвечивающее устройство должно иметь спектр засветки, оптимальный для поглощения световой энергии ФП3П.
2. Устройство фокусировки светового потока засвечивающего устройства. Должно фокусировать и концентрировать заданный световой поток в расчетную область засветки ФП3П.
3. Регистратор электролюминесценции. Должен осуществлять съемку люминесценции ФП3П в видимом спектре длин волн. При использовании импульсного засвечивающего устройства необходима синхронизация между регистратором и засвечивающим устройством.

Для апробации метода люминесценции ФП3П под действием оптического возбуждения был проведен ряд экспериментов.

Получение визуальной картины люминесценции трехкаскадного фотопреобразователя при засветке лазером.

Цель эксперимента: проверка наличия электролюминесценции ФП3П в ближнем ИК диапазоне при оптическом возбуждении лазером.

Генерация фототока осуществляется с помощью лазера мощностью 50мВт и основано на рождении электрон-дырочных пар при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны материала фотопреобразователя. Наибольшая эффективность получения электрон-дырочных пар достигается при длине волны 550–600 нм (рисунок 2). В экспериментальных целях применялся светодиодный лазер.

Спектр люминесценции лежит в диапазоне более 600 нм. Данный спектр представляет часть видимого спектра (красный свет) и ближний ИК спектр. Засвечивающее устройство имеет малую мощность, поэтому для регистрации люминесценции использовалась аппаратура позволяющая регистрировать в ближнем ИК диапазоне:

1. Телевизионная камера Sony ExViev-Had tdn7200 с убираемым ИК-фильтром, чувствительность 0.001 лк.
2. Термовизионная камера Therma cam P640, спектральный диапазон 2–20 мкм, Тепловая чувствительность 0.06°С. точность 2 %, минимальный угол обзора 0,33 мрад (объектив 76 мм).

В ходе проведения эксперимента ограничивалось внешнее освещение, освещенность составляла 0.005 лк. Коэффициент поглощения излучения ФП3П на длине волны 532 нм не является единицей, существует отраженное излучение. Для проведения эксперимента создавалось устройство защиты аппаратуры регистрации от отраженного излучения лазера.

Выводы.

Проведенный эксперимент показал отсутствие люминесценции при оптическом возбуждении лазером. Причиной отсутствия люминесценции является малая мощность засвечивающего устройства (световой поток создаваемый лазером 4.9 лм, необходимо 385 лм).

Для дальнейших работ по изучению метода люминесценции под действием фотовозбуждения необходима модернизация экспериментальной установки, включающая в себя применение более мощного засвечивающего устройства (лазера).

Список литературы:

1. Алферов Ж. И. Тенденции и перспективы развития солнечной энергетики // Физика и техника полупроводников. 2004. Том 38, вып. 8.
2. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей: Пер с Англ – М.: Энергоатомиздат, 1983. 360 с.
3. Технический отчет БС КА «Спектр-Р» / методы контроля целостности ФП БС в процессе изготовления БС, эксплуатации на ЗИ КА и предстартовых проверок, 2006.
4. Технический отчет БС КА «Электро – Л» / Результаты наземной эксплуатации солнечной батареи с помощью аппаратуры измерения темновых характеристик ВАХ, 2006.
5. Thomas Kirchartz Тестирование чипов каскадных фотопреобразователей на основе Al-Ga-In-As-P с помощью электролюминесцентных измерений / Thomas Kirchartz, Anke Helbig, Martin Hermle, Uwe Rau и Andreas W. Bett. Spain.: Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2008. С. 86–89.