临近空间太阳电池组件热力学特性仿真分析

张 圳，陆鸣雷，杨 洋，宋琳琳，叶晓军

（1.华东理工大学 材料科学与工程学院，上海 200237；2.上海空间电源研究所，上海 200245）

0 引言

平流层是指海拔高度约20～50 km 的临近空间空域，其大气结构稳定，具有稳定的气象条件和良好的电磁特性，因此成为对地观测、通信传输和空中警报预警等活动的理想区域。高空气球应运而生，可在平流层巡航，携带一定载荷执行对应任务。高空气球具有驻留时间长、造价低廉、覆盖区域广、响应速度快等优点，是近年来发展的热点之一。高空气球要想长时间飞行，必须提供足够的能源以满足其动力飞行和载荷用电，太阳能是高空气球最常用的能源之一。因此，采用太阳电池构成完全自主的光伏发电系统，是高空气球能够长期稳定工作的关键技术之一［1-4］。

随着军事和科学技术的发展，计算机模拟仿真已成为各种复杂系统研制必不可少的手段，尤其是在航空航天领域，仿真技术已是飞行器和卫星运载工具研制必不可少的手段，可节省成本，具有很高的经济效益。本文结合高空气球实际飞行环境，通过仿真模拟，掌握太阳电池实际工作状态，得到电池组件温度场和热应力场的分布，进而对高空气球组件的结构进行优化。仿真采用ANSYS 有限元分析。ANSYS 是一款融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、能源、机械制造、石油化工等领域。通过ANSYS 实体组件建模、网格划分构建有限元模型，分析计算太阳电池组件在工作条件下的稳态温度场分布，耦合分析应力场分布，得到组件等效应力与形变值，完成对电池实际工作下的状态评估［5-7］。……