Солнечная батарея

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию. Технический результат заключается в повышении стойкости солнечной батареи (СБ) к воздействию механических и термомеханических нагрузок, в уменьшении деградации электрических характеристик СБ в процессе ее эксплуатации, в повышении энергетических характеристик СБ, в упрощении коммутационной системы, в повышении надежности, снижении массы, в обеспечении равномерного распределения массы СБ по поверхности каркаса. Сущность: СБ содержит панели с приклеенными на них модулями, состоящими из последовательно или последовательно-параллельно соединенных с помощью коммутационных шин солнечных элементов (СЭ). Коммутационные шины снабжены термомеханическими компенсаторами, а к лицевой поверхности каждого СЭ приклеена защитная стеклянная пластина, которая снабжена дополнительно приклеенными к плоской или криволинейной поверхности каркаса имеющими заданную форму и размер эластичными элементами. Внутренний объем эластичных элементов заполнен герметиком с образованием выпуклого мениска. СЭ прижимаются к эластичным элементам и фиксируются неподвижно до полной полимеризации герметика. Коммутационные шины с термомеханическими компенсаторами и шунтирующие диоды приварены или припаяны к тыльным контактам солнечных элементов в зонах, свободных от герметика. Термомеханические компенсаторы расположены между тыльной стороной солнечных элементов и несущей поверхностью каркаса также в зонах, свободных от герметика. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем светового излучения в электрическую, и предназначено для использования в конструкциях солнечных батарей (СБ).

Известна солнечная батарея (Gunter la Roche, Solargeratoren fur die Raumfahrt, Braunschweig, Wiesbaden Vieweg, Germany, 1997, JSBN 3-528-06945-7), предназначенная для обеспечения энергией космических аппаратов. СБ состоит из солнечных элементов (СЭ), соединенных друг с другом гибкими межэлементными соединителями, и из сотовых панелей, поверхность которых образована слоями углепластика и изоляционного материала, между которыми расположен сотовый наполнитель из алюминиевой фольги.

Электрогенерирующая часть СБ (модули), состоящая из СЭ с защитными покрытиями, приклеивается к плоской поверхности панели с помощью эластичных герметиков, при этом клеящий состав наносится сплошным слоем.

Признаки данной конструкции СБ, общие с признаками предлагаемой СБ, следующие:

- панели;

- СЭ, соединенные друг с другом гибкими межэлементными соединителями;

- СЭ снабжены защитными покрытиями и приклеены к поверхности панели.

Недостатком СБ - аналога является следующее:

- повышенная деградация характеристик СБ в процессе эксплуатации, обусловленная наличием клеящего состава в межэлементных промежутках, который подвергается распылению из-за воздействия факторов электризации и последующему осаждению на лицевую поверхность СБ.

- технологическая сложность обеспечения межэлементных зазоров при наклейке СЭ на поверхности панелей.

Наиболее близкой и принятой за прототип является СБ (GLOBASTAR. Solar Generator Desigh And Layout For Low Earth Orbit Application in Consideration Of Commercial Aspects And Quanlity Production. D-81663 Munich Germany), расположенная на углепластиковой сотовой панели. Несущая часть сотовой панели состоит из двух слоев углепластика, между которыми расположен сотовый наполнитель из алюминиевой фольги. На углепластиковую поверхность, предназначенную для наклейки СЭ, наклеивается электроизоляционная пленка. Электрогенерирующая часть СБ (модули) состоит из СЭ, соединенных друг с другом с помощью коммутационных элементов с термомеханическими компенсаторами. На лицевую поверхность каждого СЭ наклеивается стеклянная пластина.

Признаки прототипа, общие с признаками предлагаемой СБ, следующие:

- панели с приклеенными на них модулями;

- модули состоят из СЭ, последовательно или последовательно-параллельно соединенных друг с другом с помощью коммутационных шин с термомеханическим компенсаторами;

- к лицевой поверхности каждого СЭ приклеена защитная стеклянная пластина;

- модули приклеены к панелям с помощью эластичного клеящего состава (герметика).

Недостатками прототипа является следующее:

- высокая вероятность повреждения межэлементной коммутации, выступающей над лицевой поверхностью СБ, в процессе ее изготовления и проведения регламентных работ;

- технологическая сложность изготовления межэлементной коммутации, обусловленная необходимостью размещения термомеханических компенсаторов в узких межэлементных зазорах;

- технологическая сложность обеспечения заданных межэлементных зазоров;

- ограниченная стойкость СБ к воздействию термических и механических нагрузок, обусловленная тонким слоем эластичного клеящего состава (герметика);

- высокая вероятность наличия неконтролируемых дефектов в клеящем слое (так называемые “воздушные пузыри”), обусловленная его значительной площадью и ограниченной толщиной;

- ограниченная возможность наклейки модулей СБ на криволинейной поверхности.

Технические результаты, достигаемые в предлагаемой СБ, следующие;

- повышенная стойкость СБ к воздействию механических и термомеханических нагрузок за счет гарантированного слоя эластичного герметика заданной толщины и конфигурации;

- отсутствие клеящего состава в зазорах между СЭ и другим элементами конструкции, что существенно уменьшает деградацию электрических характеристик СБ в процессе ее эксплуатации и исключает необходимость проведения очистки межэлементных зазоров, при которой велика вероятность повреждения межэлементной коммутации;

- обеспечивается возможность применения крупногабаритных СЭ на криволинейных поверхностях, что способствует повышению энергетических характеристик СБ;

- обеспечивается возможность размещения шунтирующих (байпасных) диодов на тыльной стороне СЭ, чем существенно упрощается коммутационная система и снижается масса СБ;

- обеспечивается возможность размещения термомеханических компенсаторов коммутационных шин между тыльной стороной СЭ и каркасом, чем обеспечивается их надежная защита от механических повреждений в процессе изготовления и наземной эксплуатации;

- обеспечивается равномерное распределение массы СБ по поверхности каркаса;

- исключатся возможность образования воздушных полостей (“пузырей”) в герметике, в результате чего повышается качество приклеивания и исключатся возможность повреждения СЭ при эксплуатации СБ в условиях космического вакуума.

Достигается вышеупомянутый технический результат следующим образом: солнечная батарея, состоящая из последовательно или последовательно-параллельно соединенных СЭ и шунтирующих (байпасных) диодов, наклеивается на сплошную плоскую или криволинейную поверхность не всей площадью, а только в зоне, ограниченной эластичным элементом, который размещается под каждым СЭ, при этом в случае применения крупногабаритных СЭ для их крепления может быть использовано два и более эластичных элемента. Эластичный элемент изготавливается заранее из полимеризованного клеящего вещества, которым в последствии будет осуществляться приклеивание СЭ к каркасу. Эластичный элемент может быть изготовлен любой формы и размера применительно к конкретной конструкции путем заливки клеящего вещества (герметика) в специальные формы. Эластичные элементы наклеиваются на поверхность каркаса по предварительно проведенной разметке и их внутренний объем заполняется клеящим веществом (герметиком) до образования выпуклого мениска, СЭ прижимаются к эластичным элементам и фиксируются в заданном положении до полной полимеризации клеящего состава. Наличие выпуклого мениска гарантирует необходимую площадь приклеивания без образования замкнутых полостей (так называемых “пузырьков”) с воздухом. Имеющийся при этом незначительный избыток клеящего вещества равномерно выдавливается и остается в виде манжеты между тыльной стороной СЭ и эластичным элементом, не попадая в зазоры между СЭ. Для обеспечения механической прочности клеевого соединения обычно достаточно ограничить зону приклейки 20-40% от площади СЭ. Это позволяет увеличить толщину герметика без увеличения его общей массы и даже при некотором уменьшении массы герметика относительно традиционного варианта. Увеличение толщины герметика существенно повышает стойкость СБ к термическим и механическим нагрузкам. Кроме этого, наличие полостей между тыльной стороной СЭ и каркасом, свободных от герметика, позволяет разместить шунтирующие (байпасные) бескорпусные диоды и термомеханические компенсаторы коммутационных шин между тыльной стороной СЭ и каркасом, тем самым исключив возможность их повреждения при работах с СБ.

Отличительные признаки предлагаемой СБ, обуславливающие ее соответствие критерию “новизна”, следующие:

- СБ содержит приклеенные к плоской или криволинейной поверхности эластичные элементы, имеющие заданную форму и размер;

- внутренний объем эластичных элементов заполнен герметиком до образования выпуклого мениска;

- СЭ прижаты к эластичным элементам и зафиксированы на них;

- коммутационные шины с термомеханическими компенсаторами и шунтирующие (байпасные) диоды приварены или припаяны к тыльным контактам СЭ в зонах, свободных от герметика;

- термомеханические компенсаторы коммутационных шин расположены между тыльной стороной СЭ и несущей поверхностью каркаса также в зонах, свободных от герметика.

Для доказательства соответствия предлагаемой СБ критерию “изобретательский уровень” была проанализирована вся совокупность признаков и отдельно отличительные признаки. Установлено, что применение вышеуказанных отличительных признаков, дающих в совокупности с известными признаками технический результат, заключающийся в повышенной стойкости СБ к воздействию механических и термомеханических нагрузок, в уменьшении деградации электрических характеристик СБ в процессе ее эксплуатации, в возможности применения крупногабаритных СЭ на криволинейных поверхностях, в упрощении коммутационной системы и снижении массы СБ, в надежной ее защите от механических повреждений в процессе изготовления и наземной эксплуатации, в равномерном распределении массы СБ по поверхности каркаса, а также в повышении надежности эксплуатации СБ в условиях космического вакуума, в литературных источниках не обнаружено.

Таким образом, по мнению авторов, предлагаемая СБ соответствует критерию “изобретательский уровень”.

На фиг.1-3 схематично изображена конструкция предлагаемой СБ, расположенной на плоской поверхности каркаса и состоящей из каркаса 1, на поверхности которого по трафарету (шаблону) наклеены эластичные элементы 2, ограничивающие растекание клеящего состава (герметика) 3, с помощью которого приклеивается электрогенерирующая часть (модули) СБ к каркасу 1, и обеспечивающие заданный зазор между тыльной стороной СЭ 4 и каркасом 1. СЭ 4 соединены друг с другом с помощью коммутационных шин 5 с термомеханическими компенсаторами 6. На лицевую поверхность каждого СЭ 4 наклеена защитная стеклянная пластина 7. С тыльной стороны к СЭ 4 подпаян (приварен) шунтирующий (байпасный) диод 8.

Пример конкретного выполнения предлагаемой СБ.

Предлагаемая СБ состоит из цилиндрических верхнего и нижнего каркасов 1 диаметром 900 мм и длиной 605 и 710 мм, соответственно. Верхний каркас 1 закрыт одной крышкой, в которой имеется центральное отверстие диаметром 320 мм. На цилиндрическую поверхность каждого каркаса 1 устанавливается 16 модулей из СЭ 4. Кроме того, на плоскую крышку верхнего каркаса 1 устанавливается 3 модуля. В каждом модуле используются СЭ толщиной 200 мкм и размером 23×43,4 мм. СЭ 4 соединены последовательно друг с другом с помощью молибденовых коммутационных шин 5 толщиной 50 мкм, имеющих многослойное специальное покрытие, обеспечивающее низкое сопротивление прохождению тока. Молибденовые коммутационные шины 5 приварены или припаяны к контактам СЭ 4. Коммутационные шины 5 имеют термомеханические компенсаторы 6 S-образной формы, расположенные между тыльной поверхностью СЭ 4 и каркасом 1. К лицевой поверхности каждого СЭ 4 приклеена защитная стеклянная пластина 7. Цепочка последовательно соединенных СЭ 4 с наклеенной защитной стеклянной пластиной 7 укладывается в специальное приспособление, обеспечивающее заданные размеры модуля и зазоры между СЭ 4. На лицевую сторону защитной стеклянной пластины 7 наклеивают специальный материал (например, полотно клееное прокладочное, ГОСТ 25.441-82), не позволяющий изменять заданные размеры модулей - размеры СЭ 4.

На цилиндрическую поверхность каркасов 1 по трафарету (шаблону) наклеивают эластичные элементы 2 под каждым СЭ 4, и внутренняя полость их заполняется клеящим составом (герметиком) 3 до образования выпуклого мениска. Модули прижимаются к эластичным элементам 2 и фиксируются грузами в заданном положении до полной полимеризации клеящего состава 3. В качестве клеящего состава 3 используется герметик УФ 7-21.

Солнечная батарея, содержащая панели с приклеенными на них модулями, состоящими из последовательно или последовательно-параллельно соединенных с помощью коммутационных шин солнечных элементов, причем коммутационные шины снабжены термомеханическими компенсаторами, а к лицевой поверхности каждого солнечного элемента приклеена защитная стеклянная пластина, отличающаяся тем, что солнечная батарея содержит приклеенные к плоской или криволинейной поверхности каркаса, имеющие заданную форму и размер эластичные элементы, внутренний объем которых заполнен герметиком, образующим выпуклый мениск, причем солнечные элементы прижаты к эластичным элементам и зафиксированы на них, кроме того, коммутационные шины с термомеханическими компенсаторами и шунтирующие диоды приварены или припаяны к тыльным контактам солнечных элементов в зонах, свободных от герметика, при этом термомеханические компенсаторы расположены между тыльной стороной солнечных элементов и несущей поверхностью каркаса также в зонах, свободных от герметика.