(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の太陽電池セルを直列に接続した複数の直列回路を，人工衛星内の負荷の正極性端子及び負極性端子に正極側ライン及び負極側ラインを介してそれぞれ接続して電源装置を構成したことから成る太陽電池アレイにおいて，
前記直列回路の前記正極側ラインと前記負極側ラインとの間，又は予め決められた所定の前記直列回路間には，持続放電抑制用キャパシタンスが接続されており，
前記キャパシタンスは，前記正極性端子及び前記負極性端子に並列に複数個接続され，前記キャパシタンスの静電容量は，前記太陽電池アレイにおける電気回路システムや前記太陽電池アレイの発電容量によって，少なくとも３３ｎＦから１０μＦまでの範囲内に決定されており，
前記キャパシタンスは，持続放電で発生する電圧振動を充電して，前記太陽電池セル間の短絡を防止し，前記太陽電池セル間の電位差を維持して前記持続放電に供給される電流を無くし，前記持続放電の継続時間を短縮して前記持続放電を消滅させることを特徴とする太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，例えば，人工衛星に搭載されている太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，人工衛星では，電源装置として多数の太陽電池セルの直列回路から成る太陽電池アレイが搭載されており，人工衛星の電力が太陽電池アレイで発電されているのが一般的である。人工衛星での電力消費は，年々大電力化される傾向にあり，それに伴い発電電圧が１００Ｖを上回るようになってきている。即ち，人工衛星は，宇宙機として宇宙ステーションのような大型化となり，大型化に伴って高電圧化となっているのが現状である。
【０００３】
太陽電池アレイ上での放電は，サブストリーム，プラズマ等の周辺環境との相互作用により，カバーガラス等の絶縁体と宇宙機構体の導体との間に電位差が生じることにより発生する。太陽電池アレイ上の単発の放電は，一次アークと呼ばれ，太陽電池セルの劣化や搭載機器の誤動作を引き起こす。一次アークの放電エネルギーは，人工衛星構体とカバーガラスの間に溜まった電荷のエネルギーである。更に問題なのは，太陽電池アレイ上での一次アーク直後の放電プラズマは，高い電位差を有する太陽電池セル間を短絡させてしまうという現象であり，この現象は二次アーク即ち持続放電（ＳＡ）と呼ばれている。持続放電による短絡電流は，発電中の太陽電池アレイ自身により供給されるため，その間その回路の出力が失われることになる。
【０００４】
図９には，従来の人工衛星４に搭載された太陽電池アレイ３が示されている。太陽電池アレイ３は，太陽電池セル１が直列に接続された直列回路２が設けられ，直列回路２の正極側ライン５と負極側ライン６との間にギャップ８が存在しており，人工衛星４に搭載された各種の機器を作動する電気回路１３が人工衛星本体１１内に収容されている。太陽電池アレイ３において，ギャップ８において持続放電ＳＡが発生した際の電流経路が矢印方向に示されている。太陽電池アレイ３において，持続放電ＳＡが発生すると，強い光と熱を伴い，最悪の場合には，太陽電池は，永久的に発電出力を失うことになる。
【０００５】
人工衛星４に搭載された太陽電池アレイ３において発生する放電については，図１０の（Ａ）に示すような一次アークＰＡの放電波形，並びに図１０の（Ｂ），（Ｃ）及び（Ｄ）に示すような二次アーク即ち持続放電（ＳＡ）の放電波形がある。また，二次アークには，（Ｂ）に示す非持続放電であるＮＳＡ (Non sustained arc)，（Ｃ）に示す一時的持続放電であるＴＳＡ (Temporary sustained arc)，及び（Ｄ）に示す永久的持続放電であるＰＳＡ (Permanent sustained arc)がある。ＮＳＡは，一次アークＰＡの間だけ放電電流が流れている放電である。ＴＳＡは，一次アークの電流が流れ終わった後も放電電流が流れ続けるが，途中で消滅する放電である。ＰＳＡは，ＴＳＡと異なり，放電電流が永久的に流れ続ける放電である。図１０において，Ｉｓｔは短絡時に流れる電流である。持続放電ＳＡの発生条件は，太陽電池セル１のギャップ長，太陽電池セル１間の発電電圧（Ｖｓｔ），太陽電池セル１に流れている電流（Ｉｓｔ），一次アークＰＡの規模等に依存している。現在では，持続放電抑制手法として電位差の生じるギャップ８を全てＲＴＶ（室温硬化性）シリコン接着剤で埋める方法が用いられている。
【０００６】
従来，人工衛星では，太陽電池即ち太陽電池アレイを電力供給源とする人工衛星搭載用電源システムが知られている。該人工衛星搭載用電源システムは，太陽電池と，該太陽電池の発生電力により充電され，太陽電池の発生電力がなくなると，放電して負荷に電力を供給するスーパーキャパシタとを備えているものであり，負荷への出力電圧の上限を制限するツェナーダイオードをスーパーキャパシタに並列接続したものである。太陽電池は，スーパーキャパシタを充電し，出力端子から負荷へ電力を供給する。日陰時に太陽電池の発生電力がなくなると，スーパーキャパシタは放電して負荷に電力を供給する（例えば，特許文献１参照）。
【０００７】
また，人工衛星等の宇宙航行体の電源装置に使用されるバス電圧制御装置が知られている。該バス電圧制御装置は，太陽電池アレイの発電電力を人工衛星搭載機器への負荷へ供給するバスラインの電圧値から太陽電池アレイの余剰電力を検出する電圧制御器と，該電圧制御器の制御により発電電力を分流させるシャント回路とを備えており，負荷と並列に接続されたバス電圧調整用の分流抵抗器と，太陽電池アレイを高効率で使用するためにシャント回路をオフとするスイッチとを有するものである（例えば，特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特許文献１：  特開平５−３０６５６号公報
特許文献２：  特開平５−１２２８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら，人工衛星に搭載されている太陽電池アレイは，人工衛星の大型化，高電圧化に伴って，太陽電池アレイ上での放電事故が問題となっており，具体的には，太陽電池アレイは，高電圧発電によって発電電力自体での短絡電流により放電が維持される持続放電が発生するようになり，最悪の場合には，人工衛星の運用が不可能になる。太陽電池アレイに発生する持続放電は，上記のように人工衛星の事故となるので，持続放電の抑制が必要になる。現在，人工衛星に搭載されている太陽電池アレイにおける持続放電を防ぐための方法や装置の開発が急務となっている。
【００１０】
上記の持続放電抑制手法として，太陽電池アレイにおいて電位差の生じる太陽電池セル間のギャップを全てＲＴＶシリコン接着剤で埋める方法は，太陽電池アレイの重量を増加するだけでなく，熱サイクルによる劣化を招き，製作費を増大させ，或いはコンタミネーションの発生による発電効率低下等が発生し，種々の問題を有している。また，宇宙環境における熱サイクルによって絶縁材である樹脂が腐食し，トリプルジャンクションが現れ，持続放電に至る可能性が生じる。従って，太陽電池アレイにおける持続放電抑制手段としては，ギャップを全てＲＴＶシリコン接着剤で埋める方法を用いることは控えたいところである。
【００１１】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，宇宙における人工衛星に搭載された太陽電池アレイについてプラズマ環境や電位差の生じる太陽電池セル間のギャップをＲＴＶシリコン接着剤で埋めることなく，太陽電池アレイの重量を軽量化するため，太陽電池アレイの正極側と負極側との間にキャパシタンスを配設し，キャパシタンスを持続放電で発生する電圧振動で充電し，持続放電に供給される電流を無くし，持続放電の継続時間を短縮し，持続放電を消滅させ，太陽電池アレイの性能を確保することができる太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置を提供することである。即ち，太陽電池アレイにキャパシタンスを組み込んだ回路では，持続放電が発生した時に，太陽電池セル間のギャップにおいてアークプラズマによって両ラインが短絡するが，その時，ギャップ間のアーク電流，電圧が直流成分と高周波成分で形成され，アークプラズマの密度が薄くなってアーク電流が低下し，ギャップ間の電圧が回復することにより，アークプラズマ密度の増加を促し，ギャップ間に電圧がアーク電圧へ低下し，電流は増加し，高周波成分が形成され，このサイクルをアークが消滅するまで繰り返すことによって持続放電抑制を達成する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この発明は，複数の太陽電池セルを直列に接続した複数の直列回路を，人工衛星内の負荷の正極性端子及び負極性端子に正極側ライン及び負極側ラインを介してそれぞれ接続して電源装置を構成したことから成る太陽電池アレイにおいて，
前記直列回路の前記正極側ラインと前記負極側ラインとの間，又は予め決められた所定の前記直列回路間には，持続放電抑制用キャパシタンスが接続されており，
前記キャパシタンスは，前記正極性端子及び前記負極性端子に並列に複数個接続され，前記キャパシタンスの静電容量は，前記太陽電池アレイにおける電気回路システムや前記太陽電池アレイの発電容量によって，少なくとも３３ｎＦから１０μＦまでの範囲内に決定されており，
前記キャパシタンスは，持続放電で発生する電圧振動を充電して，前記太陽電池セル間の短絡を防止し，前記太陽電池セル間の電位差を維持して前記持続放電に供給される電流を無くし，前記持続放電の継続時間を短縮して前記持続放電を消滅させることを特徴とする太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置に関する。
【発明の効果】
【００１３】
この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置は，上記のように，太陽電池アレイの持続放電が発生する可能性が高い，電位差の高いギャップの正極側ラインと負極側ラインとの間にキャパシタンスを配設したので，キャパシタンスを挿入した付近のギャップで持続放電が発生した場合に，アークプラズマによってギャップ間が短絡すると，アークプラズマ密度の変化に伴ってキャパシタンスが充放電を繰り返すため，高周波成分のサイクルが潤滑に行うことができなくなり，アークが消滅し，持続放電抑制を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置の基本原理を説明する回路図の一例を示す概略説明図である。
【図２】この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置の基本原理を説明する回路図の別の例を示す概略説明図である。
【図３】この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置の一実施例を示す概略説明図である。
【図４】この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置を確認するための持続放電抑制装置を模擬している実験装置の回路図である。
【図５】図４の回路図の持続放電が発生していない通常時の電流経路を示す回路図である。
【図６】図４の回路図の持続放電時の電流経路を示す回路図である。
【図７】キャパシタンスが１００ｎＦの時のＳＡの波形を示すグラフである。
【図８】キャパシタンスが０ｎＦの時のＳＡの波形を示すグラフである。
【図９】従来の太陽電池アレイの基本的原理を示す概略説明図である。
【図１０】太陽電池アレイで発生する放電の種類によって異なる波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下，図面を参照して，この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置を説明する。図１及び図２には，この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置の基本原理が示されている。図３には，この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置の一実施例が示されている。
【００１６】
この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置は，図１及び図２に示すように，人工衛星４に搭載された電源装置を構成する太陽電池アレイ３を備えている。太陽電池アレイ３は，複数の太陽電池セル１が直列に接続された複数の直列回路２が複数並列に接続されたことから構成されている。この太陽電池アレイ上での持続放電防止装置は，特に，直列回路２の正極側ライン５と負極側ライン６との間に，持続放電で発生する電圧振動で充電される持続放電抑制用キャパシタンス７が接続されていることを特徴としている。ここで，キャパシタンス７を挿入した付近のギャップ８で持続放電が発生した場合，アークプラズマによってギャップ８間が短絡すると，アークプラズマ密度の変化に伴いコンデンサ即ちキャパシタンス７が充放電を繰り返すため，高周波成分のサイクルが潤滑に行うことができなくなり，アークが消滅してしまう。この太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置は，上記のような原理を用いてギャップ８間がアークプラズマによって短絡した場合でも，ＴＳＡやＰＳＡに至る前にアークプラズマを消滅させることができる。
【００１７】
図３に示すように，太陽電池アレイ３は，人工衛星４に搭載されており，太陽電池セル１が直列に接続された複数の直列回路２を並列に配列して構成されている。直列回路２は，途中が折れ曲がって正極側ライン５と負極側ライン６とが一方側へそれぞれ延びており，人工衛星４に搭載されている電気回路１３に接続されている。電気回路１３における出力側には，種々の機器を作動するための負荷１２に接続されている。この持続放電防止装置は，特に，正極側ライン５と負極側ライン６との間に，持続放電抑制用キャパシタンス７を接続したことに特徴を有している。正極側ライン５には，電流の流れ方向を規制するダイオード１６が組み込まれている。持続放電抑制用のキャパシタンス７は，持続放電が発生した際に，放電により電圧が振動し，その電圧振動で充電されることになり，その結果，持続放電に供給される電流を無くすことができる。これにより持続放電の継続時間が短くなり，持続放電を消滅させることができる。
【００１８】
この太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置を具現させるため，試験装置で地上試験を行った。試験装置では，直径１．０ｍで奥行き１．２ｍの円筒形状のチャンバー９を使用した。試験装置で宇宙プラズマ環境を模擬するためにキセノンガスを用いたプラズマ源を使用した。チャンバー９内のプラズマ点火時の真空度は，１×１０- 2 Ｐａであり，電子密度は，１×１０1 2 ／ｍ3 である。実験装置は，人工衛星４の発電状況を模擬することができる図４に示すような等価回路を使用して行った。図４では，実験装置の回路図と電流電圧測定箇所が示されている。電源Ｖ１，Ｖ２は，太陽電池アレイ３の発電状況を模擬しており，電源Ｖ１は太陽電池アレイ３を模擬した発電電力であり，電源Ｖ２は人工衛星４に搭載されたバッテリを模擬した蓄電電力である。ダイオードＤ１，Ｄ３は，電源Ｖ１，Ｖ２に電流が流れ込むのをそれぞれ抑制している。ダイオードＤ２は，持続放電時に電流がサンプル１０に流れ込むのを防いでいる。コンデンサＣ１は，持続放電抑制用のキャパシタンス７を構成している。また，バイアス電源Ｖbiasは，人工衛星４の周辺プラズマに対する電位差を模擬している。抵抗Ｒは，バイアス電源Ｖbiasの制限抵抗として用いている。外部コンデンサＣext は，一次アークＰＡのエネルギーを決定する。更に，可変抵抗ＲL は，人工衛星本体１１の負荷１２を模擬している。図４の回路図において，Ｖｓｔは１００Ｖ，Ｃext は２０ｎＦ，及びＲは１００ＫΩである。また，図４の回路図では，電流Ｉｓｔは１．５Ａであり，Ｈｏｔは電圧が高いことを意味し，Ｂｌｏｗ  ｏｆｆは，通常は電流が流れないが，持続放電が発生した瞬間に流れるように構成されていることを意味しており，また，電圧Ｖｂは，ＳＡを発生させるための雰囲気のプラズマ状態（＋イオンと−イオンが混在している状態）を創るための回路である。
【００１９】
図５には，太陽電池アレイ３上での持続放電抑制装置を模擬している実験装置の持続放電が発生していない通常時の電流経路を矢印で示し，また，図６には，持続放電発生時の電流経路を矢印で示している。実験装置では，通常時には，図５に示すように，太陽電池を模擬した太陽電池４を模擬した電源Ｖ１から供給された電流が人工衛星本体１１の負荷１２を模擬した可変抵抗ＲL に流れ，再び電源Ｖ１に戻って来る。実験装置の持続放電発生時には，図６に示すように，アークプラズマによってサンプル１０間が短絡するため，電源Ｖ１から供給される電流が負荷１２の可変抵抗ＲL には供給されず，負荷１２にはバッテリの電源Ｖ２から電流が供給される。この回路図は，１組の太陽電池アレイ３が短絡した場合も他の太陽電池アレイ３から電流が供給されることを模擬している。サンプル１０には，ケーブルの直径が１．１ｍｍ（被膜を含む）のものを用い，被膜の厚さは０．１５ｍｍのものを用いた。
【００２０】
本実験装置では，ケーブル１５で一次アークＰＡを発生させるためには，ケーブル芯線が露出することが必要条件である。また，持続放電を発生させるためには，ケーブル芯線が露出している箇所が接続していることが必要である。そこで，サンプル１０は，ケーブル１５の被膜１４の一部を剥いで作製した。サンプル１０を作製するのにケーブル１５を用いた理由としては，太陽電池アレイ３と違い，キャパシタンス成分やリアクタンス成分がないため，よりシンプルに持続放電抑制用キャパシタンス７の動作を確認することができると思料した。
【００２１】
実験装置による実験では，持続放電抑制用のキャパシタンスＣ１の値を，０ｎＦ，１１ｎＦ，３３ｎＦ，５０ｎＦ，１００ｎＦ，及び４７０ｎＦの６通りで放電試験を行った。キャパシタンスＣ１の静電容量が０ｎＦということは，キャパシタンス７が配設されていない状態である。また，全ての試験ケースで線間電圧Ｖｓｔは，１００Ｖであり，線間電流Ｉｓｔは，１．５Ａで統一して試験を行った。それぞれの試験ケースにおける一次アークＰＡの発生回数（Ａｒｃ−ｎｏ），ＰＡからＮＳＡ，ＴＳＡへの進展する確率，持続放電に持続時間の平均値と標準偏差の結果を，表１に示す。
【００２２】
【表１】
0005527699.tif 000002
【００２３】
本実験装置でのキャパシタンスＣ１の静電容量について，表１よりキャパシタンスＣ１の静電容量を増加させていくと，０ｎＦと１１ｎＦでは，ＰＳＡが発生したのに対し，３３ｎＦ以上ではＰＳＡは発生せず，ＰＳＡを抑制することができたことが分かった。また，キャパシタンスＣ１の静電容量を，１００ｎＦまで増加させると，ＴＳＡの発生確率が０％となり，ＴＳＡを抑制できることが分かった。キャパシタンスＣ１の静電容量が３３ｎＦから１００ｎＦまでの間では，キャパシタンスＣ１の静電容量の増加に伴い持続放電時間が短くなっていることが分かった。しかしながら，キャパシタンスＣ１の静電容量の１００ｎＦと４７０ｎＦとを比較すると，４７０ｎＦの方が持続放電時間，及びＴＳＡの発生確率が増加していることが分かった。
【００２４】
この太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置では，以上のことより，キャパシタンス７の静電容量は，太陽電池における電気回路システムや太陽電池の発電容量によって最適値を決定できることが分かった。即ち，本実験装置における実施例の条件では，例えば，キャパシタンス７の静電容量は，少なくとも３３ｎＦから４７０ｎＦの範囲であり，その範囲内では１００ｎＦが最適値となった。しかしながら，キャパシタンス７の静電容量は，太陽電池アレイの直列回路２の構成，及び発電電圧，電流によっても異なってくるものであり，一般的には，太陽電池アレイ３の使用状態では，キャパシタンス７の静電容量は，３３ｎＦから１０μＦまでの範囲が実用的に用いられ得ることが確認できた。
【００２５】
図７には，キャパシタンスＣ１の静電容量が１００ｎＦの放電波形の一例を示している。図７は，電流値が１倍の電流プローブを使用して測定しており，５Ａ以上の電流値を測定することができなかった。Ｈｏｔ−ｉｎからＨｏｔ−ｏｕｔを引いた電流値がアーク電流Ｉｓｔである。また，電流値は，１．５Ａに設定しているため，Ｈｏｔ−ｉｎの電流値が１．５Ａ以上流れている時はキャパシタンスＣ１が放電している時であり，１．５Ａ以下流れている時はキャパシタンスＣ１が充電している時である。図６より，放電が開始した直後，Ｖｓｔが低下し，それに伴いキャパシタンスＣ１が放電を開始していることが分かる。キャパシタンスＣ１の放電が完了すると，キャパシタンスＣ１が充電を開始し，アークに流れる電流Ｉｓｔは，全てキャパシタンスＣ１の充電に用いられるため，アークに流れる電流値が０になっていることが分かる。このような放電開始時のキャパシタンスＣ１の突入電流や，キャパシタンスＣ１の充電によるアーク電流の減少によってアークが不安定になり，持続放電が消滅したものと考えられる。
【００２６】
しかしながら，キャパシタンスＣ１の静電容量を増加していくと，キャパシタンスＣ１の突入電流のエネルギーも増加していき，そのエネルギーによって短絡時により濃いアークプラズマを生成するため，キャパシタンスＣ１が１００ｎＦと４７０ｎＦとのケースを比較すると，１００ｎＦのケースよりも４７０ｎＦのケースの方がＴＳＡの発生確率が増加し，放電持続時間が増加したものと考えられる。
【００２７】
図８には，キャパシタンスＣ１の静電容量が０ｎＦの放電波形の一例を示している。図８は，キャパシタンスＣ１の静電容量が０ｎＦであって，正極側ライン５と負極側ライン６との間にキャパシタンスＣ１が設けられていない状態の回路と同等であり，持続放電が発生するものであり，ＰＳＡの波形となる。Ｃ1 ＝０ｎＦの場合だと，アーク電流，アーク電圧のキャパシタンスＣ１による振動は少なく，安定したアークプラズマであることから分かる。
【００２８】
上記のとおり，この太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置は，正極側ライン５と負極側ライン６との間に持続放電抑止用のキャパシタンス７を接続することによって，持続放電の持続時間を短縮することができ，ＰＳＡ及びＴＳＡを抑制することができた。キャパシタンス７の静電容量Ｃ１を増加させ過ぎると，キャパシタンス７の突入電流によって，より濃いアークプラズマを生成してしまい放電持続時間が長くなってしまう場合があることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
この発明による太陽電池アレイ上での持続放電抑制装置は，宇宙空間で飛行する宇宙機，即ち，人工衛星に搭載した太陽電池アレイに適用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１    太陽電池セル
２    直列回路
３    太陽電池アレイ
４    人工衛星
５    正極側ライン
６    負極側ライン
７    持続放電抑制用のキャパシタンス
８    ギャップ
１１  人工衛星本体
１２  負荷
ＳＡ    持続放電
【図１】
0005527699.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0005527699.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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