第第6章 电源系统设计章 电源系统设计 6.1 概述概述 电源和供配电系统是卫星重要的服务系统之一它包含发电、电能储存、电源控制、电源电压变换、 供配电等全部硬件 负责航天器在各个飞行阶段为卫星的用电负载提供功率，直至卫星寿命终止典型的电源系统的构 型如图 6-1 所示 发电装置：负责发电 种类很多：一次化学蓄电池、核电源、太阳电池阵等 基本原理：是通过物理变化或化学变化将化学能、核能或光能转变成电能 当前，国际上使用各种能源作为航天器的发电装置的分配比例大约是：太阳电池阵占 90%，化学电 池 5%、温差电占 3％～4% 在轨道的航天器用太阳电池阵占大多数因为在轨道卫星大部分时间都处于光照期，尤其是地球同 步轨道卫星，每年 99％的时间都有光照太阳光是取之不尽、用之不竭的能源，太阳电池阵就是用 太阳电池作为光电转换器件、利用物理变化将光能转化为电能，是目前卫星的首选发电装置 图 6-1 电源系统基本构型 电能储存装置 必要性：当卫星运行在轨道的地影期时，太阳电池阵因无光而不能发电，必须由电能储存装置为卫 星的用电负载供电 储存装置：可重复充电的蓄电池组、飞轮和电容等。
作用：在光照期间将能量储存起来，到卫星地影期将能量释放出来给卫星供电蓄电池组充电时将 电能转化为化学能，放电时由化学能转化为电能；飞轮是实现电能-机械能-电能转化的储能装置，而 电容器则直接将电能存储起来 目前蓄电池组仍然为卫星的首选储能装置 在过去全世界发射的两千多个卫星中，绝大部分都是太阳电池阵/蓄电池组系统 太阳电池阵/蓄电池组电源系统是本章介绍的重点 卫星轨道对电源分系统设计的影响 由于目前大部分航天器工作在近地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道，虽然对太阳电池阵/蓄电池 组而言，上述轨道的飞行器设计思路和特点都是相通的，但是在某些方面还是各有各的特点，某些 设计因素的影响程度也不一样，有的对太阳同步轨道卫星的电源分系统设计影响很大而对地球同步 轨道卫星的电源分系统却可能丝毫没有影响 表 6-1 简略介绍了太阳同步轨道（包括近地轨道）和地球同步轨道太阳电池阵设计条件的不同特点 和差异 表 6-1 太阳同步轨道和地球同步轨道卫星电源系统设计特点比较 6.2 发电发电 6.2.1 能源转换器件及发电装置的选择能源转换器件及发电装置的选择 目前应用较为广泛的空间能源：化学能、核能和太阳能三种。
不同的能源必须依靠不同的能量转换器件才能将其转换成能源典型转换器件如表 6-2 所示 不同寿命的卫星对能源的种类要求不同： 仅几天到十几天寿命的航天器选择银锌蓄电池或锂电池； 执行短期飞行任务的大功率（几千瓦至几十千瓦）飞行器，尤其是载人飞船，氢氧燃料电池组是最 好的选择，化学反应排出的水分还可供航天员使用； 核电源适用于在光照条件差、温度高或有尘埃流的恶劣空间环境条件下工作的卫星，多用于行星探 测和某些长寿命的军事卫星； 寿命为几个月、几年、十几年的卫星来说，功率为几千瓦到上万瓦的卫星来说，往往选择太阳电池 阵，可以在规定的设计寿命时间内和环境条件下预测己知衰减的情况及输出功率 表 6-2 能源及其转换器件 能源 转换器件 在电源系统中的用途 化学能 锌银电池、锂电池、燃料电池、锂离子蓄电 池、镉镍电池、氢镍电池等 作为发电装置或储能装 置部件 太阳能 硅（Si）太阳电池、砷化镓（GaAs）太阳 电池、磷化铟太阳电池等 作为太阳电池阵的光电 转换器件 核能 （同位素、 核 反应堆） 温差电偶变换器、热离子变换器等 作为核电源的热电转换 部件 6.2.2 锌银蓄电池锌银蓄电池 负极：锌；正极：氧化银。
单体电压：约 1.4～1.5V；单体比量较高，可达 156～238W·h/kg 满足母线电压要求：锌银蓄电池组用锌银蓄电池单体串联而成 满足卫星的功率要求：足够的电池容量，根据卫星需要容量一般设计成 20～650A·h 能量转化方式：锌银蓄电池组在地面充电，将电能以化学能的形式储存在锌银蓄电池组中，在轨道 运行蓄电池组放电时，将化学能转变为电能 用途：锌银蓄电池组作为主电源用于短期飞行的卫星，也可以作为应急电源或火工装置的辅助起爆 电源 中国所有返回式卫星都以锌银蓄电池组作为发电装置 6.2.3 锂电池锂电池 锂电池是近年发展起来的新型一次蓄电池组其负极为金属锂，正极为液体亚硫酰氯 优点：高达 3.3V 单体电池电压、高放电倍率（1 小时放电制） 、长寿命（5~7 年） 、低维修费用、低 重量、高比能量（200～500W·h/kg）等 使用锂电池时要十分注意安全 6.2.4 氢氧燃料电池氢氧燃料电池 这是一种将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的电化学装置 其负极为氢气（燃料） ，正极为氧气（氧化剂） 燃料和氧化剂分别储存在两个容器中，只要将燃料和氧化剂源源不断地输送到反应器中，并将反应 生成的水不断地排出，就可持续地发电。
氢氧燃料电池的单体电压为 0.5～0.9V转换效率约为 51%～67% 要使氢氧燃料电池持续地运行，池组必须配备下列辅助系统：氢氧供给子系统、排水子系统、排热 子系统、自动控制和电压调节子系统 氢氧燃料电池组是一个比较复杂的发电系统 6.2.5 核电源核电源 核电源是一种利用放射性同位素蜕变或放射性元素裂变所释放的热量通过热电转换器件转换成为电 能的发电装置 组成：核电源系统主要由热源、热电转换器和散热器等主要部件组成 热源：放射性同位素源和核反应堆 热电转换器：种类比较多，常用的有温差电偶和热离子二极管 目前已经进入实用阶段的核电源系统有放射性同位素温差电源系统和核反应堆热离子电源系统前 者属于仅几百瓦的小功率发电系统，后者的发电功率可达几千瓦 补充图 核反应堆的构造和原理图 1-释热元件；2-壳体；3-反射层；4-调节系统；5-下盖；6-上盖；7-载热质进口；8-载热质出口；9- 固定释热元件的栅阵 1、放射性同位素温差电源系统(RTG) 构成：放射性同位素热源、温差电换能器和热辐射器 从放射性同位素衰变时发射出来的高能带电粒子和 射线通过物质相互作用，最终被阻止和吸收， 射线的动能被转变为热能，使与之作用的物质温度升高。
放射性同位素热源采用 238Pu（半衰期 89 年） 温差电换能器是一种将放射性同位素的衰变热直接转换成电能的换能器件 补充图 温差电偶示意图 1-N 型半导体；2-P 型半导体；a-金属整流板；3、6-绝缘；4-供热设备壁；5-排热设备壁 温差电换能材料分为低温、中温和高温三大类，相应的热端工作温度在 300℃、700℃和 700℃以上 一个有实用价值的温差电往往由几对乃至几十对以上的温差电单体串联或并联组成 在换能器中单体、热源盒和外壳三者间相互绝缘，并使热源、温差电元件及附件、散热器组成的热 路上的热阻最小通常温差电换能器采用两种结构，一种是以热源为中心温差电元器件辐射状排列 的结构；另一种是将温差电元器件压紧在热源一侧的平板式结构 辐射散热器：在 RTG 中只有一小部分热量转换成电能，大部分废热将通过热辐射方式排到空间因 此辐射散热器也是空间 RTG 的一个重要组成部分 放射性同位素温差电输出功率较小，一般几瓦到几百瓦，最高效率达 6.7%，比能量达 5.36W·h/kg， 设计寿命 5～10 年早期装在航天器上的 RTG 在轨道的工作寿命已超过 26 年 2、核反应堆热离子电源系统 定义：用核反应堆作为热源、热离子能量转换器作为能量转换系统的核电源。
原理：将核反应堆裂变产生的热能转变为电能 组成：反应堆活性区、反应堆控制系统、冷却系统、核辐射防护屏蔽和辅助系统等 反应堆活性区是可控核裂变反应发生的地方，主要部件是热离子燃料元件和氢化锆慢化剂 反应堆控制系统由转动控制鼓、传动机构、自动控制系统组成 冷却系统由电磁泵、冷却剂(NaK 合金)、管道和热辐射器组成 辐射防护屏蔽层由屏蔽中子的氢化锂(LiH)和屏蔽 射线的钨材料组合而成 辅助系统包括铯系统、氦系统、蓄电池组等 补充图 热离子发电器工作原理图 1-发射极；2-集电极；3-铯贮存器；4-负载 热离子能量转换器实际上就是充有铯蒸气的真空二极管，又称为热离子二极管 电极空间的铯正离子是由热电离和体积电离产生的当中性铯原子轰击高温金属表面时，原子失去 电子而成为离子，称为热电离 换能方式：空间热离子反应堆采用热离子发射方法，使裂变产生的热量通过热离子二极管能量转换 器直接转换为电能 热离子能量转换器利用核裂变放出的热量加热二极管的发射极到 1500℃以上，发射极发射出的电子 穿过电极空间为接收极所接收，流经负载形成回路；裂变能就直接变为电能 在二极管的电极空间充有一定压力的艳蒸气，以中和空间电荷和提高发射电子的能力，从而提高热 离子能量转换器的效率。
用钨作发射极，Mo 或 Nb 多晶作接收极，发射极温度 1600℃时，效率在 10％左右用钨 W(l10)作 发射极和接收极，当温度为 1680℃时，效率为 15%；温度为 1800℃时，效率可达 18% 6.2.6 太阳动力系统太阳动力系统 使用太阳能的另一种方法就是用太阳能去加热一种流动工质以驱动一个涡轮交流发电机 动力变换部件的技术是很成熟的，这些部件的研制和试验在美国均超过 20 年的历史 NASA 的 Lewis 研究中心已经实施了世界第一个全尺寸的太阳动力演示系统这个具有 2kW 级的演 示系统全部按空间环境要求实施，所进行的环境全部试验包括发射、转移轨道、静止轨道运行、热 接收机和热的起动和停止试验的结果表明，这个太阳动力装置在轨道的效率（轨道期间产生的电 能与吸收太阳能之比）为 14％～16％这个系统效率比传统的光伏太阳电池阵／蓄电池组系统高 4 ％～6% 为了在地影期间提供连续的电源，太阳动力电源系统用热能储存系统代替化学能储存系统，热能储 存系统是融熔盐 当进入地影时热能量储存系统驱动涡流交流发电机为负载提供电能 热能储存系统比在用的蓄电池组寿命更长，蓄电池组在中低轨道往往都受到寿命的限制。
在空间站 上实施的结果显示，太阳动力系统的寿命循环消耗比光伏太阳系统低技术先进的接受机和变换器 的系统额定功率可以达到 10W/kg所达到的指标与光伏系统几乎是一样的 6.2.7 太阳电池阵太阳电池阵 太阳电池阵是利用光电转换器件组合成的发电系统太阳电池阵/蓄电池组电源系统是当前绝大部分 卫星的首选电源本章的重点 1、太阳电池：是一种将光能直接转换成电能的半导体器件 可应用于卫星的太阳电池的种类很多：非晶体硅太阳电池、单晶硅太阳电池及Ⅲ-Ⅴ元素的化合物电 池 目前在卫星上用得最普遍的：硅太阳电池和锗为衬底的单、双结砷化镓电池 常规硅电池（浅结、密栅、背反射体 BSR）的光电转化效率，生产水平可以达到 12%～12.5%，加 背场工艺达到 15% 低阻背场、绒面硅电池可以达到 16.7% 已经进入空间飞行阶段的大面积 GaAs/Ge 电池，转换效率约为 18.5% 双结的 GaInP/GaAs/Ge 电池，转换效率达 21.6%由于电池的材料和结构不同，在轨道耐辐照的性 能也不一样，从图 6-11 所示的一组曲线明显地看出，不同种类的电池在 1MeV 相等效通量下的损失 因子不同，砷化镓太阳电池明显地高于硅太阳电池。
补充图 1 硅太阳电池工作原理图 1-光子；2-N 型半导体；3-P 型半导体；4-在光子作用下生成的电子-空穴对；5-上电极；6-下电极 图 6-11 太阳电池辐照曲线 2、太阳电池参数 太阳电池的输出 I-V 特性曲线可以用图 6-12 来表示 转换效率是太阳电池的另一个重要参数，通常用转换效率来衡量太阳电池。