УБИРАЕМЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК H01L31/42 H01L31/52 H01L31/45 B64G1/44 

Изобретение в широком смысле относится к солнечным концентраторам, а более конкретно к маломощному солнечному концентратору, имеющему тонкопленочные отражающие панели и предназначенному для использования на космическом аппарате.

Большинство спутников вырабатывают электрическую энергию в космическом пространстве путем открывания панелей солнечных батарей - плоских панелей фотовольтаических элементов - действию солнечного излучения. Одним из способов увеличения мощности, получаемой от панелей солнечной батареи, является использование рефлекторов для направления дополнительного светового потока от Солнца на панель солнечной батареи. Например, если удвоить количество солнечного света, падающего на панель, то это приблизительно удваивает выходную электрическую мощность панели (это увеличение мощности всегда менее чем прямо пропорционально увеличению падающего светового потока от Солнца, так как увеличение светового потока поднимает температуру элементов, что, в свою очередь, понижает их к. п. д. ). Мерой эффективности является увеличение удельной мощности, то есть выходной мощности солнечной батареи, оснащенной концентратором, деленной на массу панелей солнечной батареи плюс рефлекторов. Это отношение должно быть существенно больше, чем мощность панели без концентратора, деленная на ее собственную массу. Отсюда следует, что добавляемые рефлекторы должны быть очень легкими.

Солнечные концентраторы, используемые на космических аппаратах, могут быть разделены на три категории в зависимости от их коэффициента концентрации света, то есть отношения площади сбора солнечного света к площади фотовольтаических элементов, на которых этот солнечный свет собирается. Во-первых, это параболические рефлекторы, которые используются в системах с высокой концентрацией (таких, где коэффициент концентрации света составляет приблизительно 50: 1 или более). Во-вторых, это линзы Френеля для использования в системах со средней концентрацией (коэффициенты концентрации в диапазоне от 10:1 до 25:1), и в-третьих, это корытообразный тип, описываемый в настоящем изобретении, для использования в низкоэнергетических концентраторах с коэффициентом концентрации света менее чем 3:1. Из-за выделяемого тепла первые два типа требуют специальных средств охлаждения для фотовольтаических элементов.

При нормальной работе панели солнечной батареи можно складывать и во время запуска укладывать к сторонам космического аппарата, чтобы уменьшить объем космического аппарата и защитить хрупкие панели от нагрузок и вибраций при запуске. Когда космический аппарат оказывается на орбите, панели и рефлекторы разворачивают, что в третьем случае соответствует образованию корытообразной конфигурации.

Известен, в частности, концентратор по патенту США 552074, для космического аппарата, содержащий совокупность фотовольтаических элементов, объединенных с образованием прямоугольной панели солнечной батареи для выработки электрической энергии, некоторое число панелей рефлекторов, которые перед запуском космического аппарата находятся в сложенном положении, и средства выпуска панелей рефлекторов после запуска космического аппарата для установки указанных панелей рефлекторов с обеих сторон панели солнечной батареи в виде корыта с получением заданного коэффициента концентрации света.

Чтобы обеспечить равномерное распределение освещенности по панели солнечной батареи, рефлектор должен быть плоским, так как любая неравномерность снижает энергетический выход панели. В известном концентраторе, который является ближайшим аналогом настоящего изобретения, как и в других известных концентраторах третьего типа, плоскостность достигается использованием жестких рефлекторов, что приводит к избыточной массе системы. Кроме того, в случае корытообразной конструкции рефлекторов известные концентраторы лимитированы тем, что ширина жесткого рефлектора ограничена сверху шириной панели солнечной батареи, так как во время запуска жесткая панель рефлектора должна складываться поверх панели фотовольтаических элементов. Это ограничивает коэффициент концентрации света. Кроме того, если панель рефлектора покрывает наружную сторону убранной панели солнечной батареи, панель солнечной батареи не может вырабатывать электрическую энергию до тех пор, пока она не развернется после выхода на конечную орбиту. Более высокие коэффициенты концентрации света могут быть достигнуты, если имеются рефлекторы двойного сложения (как в концентраторе по указанному патенту США 552074, но это увеличивает массу и сложность системы.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции солнечного концентратора, позволяющей образовывать плоский солнечный рефлектор, который можно убирать и укладывать.

Другой задачей является создание солнечного концентратора, панели рефлекторов которого на время запуска космического аппарата можно убирать, не снижая эффективности панелей солнечной батареи, и который является более легким, чем стандартная корытообразная система рефлекторов.

Эти и прочие задачи решаются путем использования в солнечном концентраторе, содержащем совокупность фотовольтаических элементов, объединенных с образованием прямоугольной панели солнечной батареи для выработки электрической энергии, некоторое число панелей рефлекторов, которые перед запуском космического аппарата находятся в сложенном положении, и средства выпуска панелей рефлекторов после запуска космического аппарата для установки указанных панелей рефлекторов с обеих длинных сторон панели солнечной батареи, гибких панелей рефлекторов, предпочтительно выполненных из тонкого полимерного материала, покрытого алюминием или серебром. В альтернативном варианте панели рефлекторов изготовлены из алюминия.

Кроме того, концентратор дополнительно содержит штанги, установленные под некоторым углом к плоскости панели солнечной батареи в углах панели солнечной батареи, причем перед запуском космического аппарата панели рефлекторов свернуты вокруг штанг или вокруг самих себя и сложены таким образом, чтобы дать возможность панели солнечной батареи вырабатывать электрическую энергию без выпущенных панелей рефлекторов.

При этом чтобы получить плоский рефлектор и равномерное распределение освещенности фотовольтаической панели, гибкую панель рефлектора туго растягивают вокруг ее четырех краев посредством нитей подвески, расположенных по внешнему периметру панелей рефлекторов и прикрепленных к штангам. В результате две панели рефлекторов, располагаясь вдоль длинной стороны панели солнечной батареи, образуют корыто и наклонены так, чтобы направлять отраженный солнечный свет на панель солнечной батареи таким образом, чтобы луч от наружного края панели рефлектора падал на край противоположной стороны панели солнечной батареи.

Во время запуска гибкие панели рефлекторов укладывают, сворачивая их вокруг штанг или сворачивая их вокруг самих себя и заключая между штангами. Для запуска космического аппарата штанги и свернутые панели рефлекторов укладывают вплотную к длинным краям панели солнечной батареи. Средства выпуска панелей рефлекторов предпочтительно представляют собой комбинацию тросов и шкивов, приводимых в действие из космического аппарата посредством штанги или торсионных пружин, установленных между секциями панелей солнечной батареи. После запуска космического аппарата штанги первыми развертываются на некоторый угол по отношению к панели солнечной батареи, а затем комбинация шкивов и тросов удерживает штанги параллельно друг другу, чтобы поддерживать натяжение нитей подвески панелей рефлекторов, по мере того как панели рефлекторов развертываются, когда совокупность секций панелей солнечной батареи выпускается к плоскому положению.

Фиг. 1 изображает тонкопленочный солнечный концентратор в полностью развернутом положении.

Фиг. 2а изображает зависимость коэффициента концентрации света, D/S, от коэффициента размера рефлектора, L/S.

Фиг. 2b изображает зависимость коэффициента концентрации света, D/S, от угла наклона рефлектора в градусах.

Фиг. 2с изображает обозначения размеров для вычисления коэффициента размера рефлектора и угла наклона рефлектора.

Фиг. 3 изображает тонкопленочный солнечный концентратор в частично развернутом положении.

Убираемый тонкопленочный солнечный концентратор 10 для использования на космическом аппарате, показанный на фиг.1, представляет собой концентратор малой мощности. По форме он имеет вид корыта, состоящего из прямоугольной панели 12 солнечной батареи, содержащей совокупность фотовольтаических элементов (не показаны) с гибкими плоскими панелями 14 рефлекторов вдоль длинных сторон панели 12 солнечной батареи, наклоненными так, чтобы направлять отраженный солнечный свет на панель 12 солнечной батареи, так что луч от наружного края панели 14 рефлектора падает на край противоположной стороны панели 12 солнечной батареи. Это приводит к равномерному распределению отраженного солнечного света на панели 12 солнечной батареи, что является существенным для получения оптимальных характеристик.

Эффективность концентратора характеризуется коэффициентом концентрации света, который в общем виде определяется как отношение площади сбора солнечного света к площади фотовольтаических элементов, на которых этот солнечный свет концентрируется (т.е. к площади панели 12 солнечной батареи). Как можно видеть из фиг.2с, для концентраторов корытообразного типа коэффициент концентрации света численно равен соотношению D/S. Здесь S - это ширина панели солнечной батареи, D - ширина поперек панелей рефлекторов между их крайними точками. Из фиг.2с также видно, что значение D зависит от ширины рефлектора L и угла φ наклона панели 14 рефлектора по отношению к панели 12 солнечной батареи.

Пользуясь графиками зависимости коэффициента концентрации света D/S от коэффициента размера рефлектора US и угла φ в градусах, представленными соответственно на фиг.2а и 2b, можно определить значения L/S и φ для желаемого коэффициента концентрации света D/S. Например, для коэффициента концентрации света D/S, равного 2,5, значение L/S равняется приблизительно 2,2, а угол φ равняется приблизительно 22 градусам. Из приведенных графиков видно также, что максимальный теоретический коэффициент концентрации света для концентратора согласно изобретению составляет 3:1.

В убираемом тонкопленочном солнечном концентраторе 10 панель 14 рефлектора представляет собой тонкую полимерную пленку (приблизительно 0,025 мм), на одной из поверхностей которой, для придания ей отражающих свойств, имеется тонкое алюминиевое или серебряное покрытие (толщиной от 0,8 до 1 мкм).

Альтернативно, панель 14 может быть выполнена из алюминия. Система нитей 16 подвески по внешнему периметру панелей 14 рефлекторов поддерживает ее форму и обеспечивает равномерное натяжение во всех направлениях, чтобы сохранять плоскую форму тонкой полимерной пленки. Нити подвески, изготовленные из кевлара или подобного материала, в четырех углах панели 14 рефлектора поддерживаются штангами 18, выполненными из композитных материалов. Штанги 18, в свою очередь, установлены на краях панели 12 солнечной батареи.

Во время запуска космического аппарата гибкие панели 14 рефлектора укладывают путем их сворачивания вокруг штанг 18 в направлении, указанном стрелками 28, подобно сворачиванию вверх оконных штор, как показано на фиг. 3. Затем штанги 18 со свернутой таким образом рефлекторной панелью 14 укладываются вдоль длинных краев панели 12 солнечной батареи, когда секции панели складываются друг с другом. Рефлекторы могут также быть уложены путем их сворачивания вокруг самих себя и удержания в замыкающих пальцах между парой штанг на каждой стороне солнечной батареи. После запуска космического аппарата штанги 18 выпускают на некоторый угол по отношению к панели 12 солнечной батареи, при этом комбинация шкивов 22 и тросов 24 удерживает штанги параллельно друг другу и поддерживает натяжение на панелях 14 рефлекторов, по мере того как панели 14 рефлекторов развертываются, когда совокупность секций панели 12 солнечной батареи выпускается к плоскому положению посредством торсионных пружин, установленных между секциями панели, или посредством выдвигаемой мачты (штанги) 26, приводимой в движение исполнительными механизмами (не показаны), установленными на космическом аппарате.

Так как панели 14 рефлекторов и штанги 18 укладываются вдоль длинных краев панели 12 солнечной батареи, а не в направлении ширины панели 12 солнечной батареи, как рекомендовано в известных образцах корытообразной системы, панели 14 рефлекторов могут быть шире, чем панель 12 солнечной батареи, что приводит к более высокому коэффициенту концентрации, чем был достигнут в известных системах. Панели 14 рефлекторов в уложенном положении не загораживают солнечный свет от внешней панели 12 солнечной батареи, как это было в известных системах, в которых рефлектор складывается поверх панели 12 солнечной батареи. Это дает возможность панели 12 солнечной батареи вырабатывать некоторую энергию для космического аппарата, прежде чем произойдет развертывание солнечной батареи. Панели 12 солнечной батареи, используемые в настоящем изобретении, имеют стандартную конструкцию, хорошо известную специалистам в данной области.

Хотя настоящее изобретение было описано на примерах предпочтительных вариантов, для специалистов в данной области будет понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения.

Изобретение относится к маломощному солнечному концентратору, имеющему тонкопленочные отражающие панели и предназначенному для использования в космическом аппарате. Технический результат - создание конструкции солнечного концентратора, позволяющей образовывать плоский солнечный рефлектор, который можно убирать и укладывать. Достигается тем, что в солнечном концентраторе корытообразной формы, имеющем гибкие убираемые панели рефлекторов из тонкой полимерной пленки с алюминиевым или серебряным покрытием, данные панели расположены вдоль длинных сторон панели солнечной батареи и наклонены так, чтобы направлять отраженный солнечный свет на панель таким образом, что луч от внешнего края панели рефлектора падает на край противоположной стороны панели солнечной батареи, обеспечивая равномерное распределение отраженного солнечного света на панели солнечной батареи для получения оптимальных характеристик. Во время запуска космического аппарата гибкие панели рефлекторов уложены путем их сворачивания вокруг штанг или вокруг самих себя. Для запуска штанги со свернутыми панелями рефлекторов уложены вдоль длинных краев панели солнечной батареи. После запуска штанги выпускаются и устанавливаются под определенным углом к панели солнечной батареи посредством системы шкивов и тросов, которые поддерживают натяжение панелей рефлекторов в процессе их выпуска, когда совокупность секций панели солнечной батареи выдвигается к плоскому положению. 3 с. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Солнечный концентратор для космического аппарата, содержащий совокупность фотовольтаических элементов, объединенных с образованием прямоугольной панели солнечной батареи для выработки электрической энергии, некоторое число панелей рефлекторов, которые перед запуском космического аппарата находятся в сложенном положении, и средства выпуска панелей рефлекторов после запуска космического аппарата для установки указанных панелей рефлекторов с обеих длинных сторон панели солнечной батареи в виде корыта с получением заданного коэффициента концентрации света, отличающийся тем, что перед запуском космического аппарата панели рефлекторов свернуты вокруг штанг, установленных в углах панели солнечной батареи, или вокруг самих себя и сложены таким образом, чтобы дать возможность панели солнечной батареи вырабатывать электрическую энергию без выпущенных панелей рефлекторов. 2. Солнечный концентратор по п.1, отличающийся тем, что панели рефлектора изготовлены из полимерного листа, покрытого алюминием. 3. Солнечный концентратор по п.1, отличающийся тем, что панели рефлектора изготовлены из полимерного листа, покрытого серебром. 4. Солнечный концентратор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что панели рефлекторов дополнительно содержат нити подвески, расположенные по внешнему периметру панелей рефлекторов и прикрепленные к штангам, чтобы поддерживать форму панелей рефлекторов и обеспечивать равномерное натяжение во всех направлениях для поддержания плоской формы панелей рефлекторов. 5. Солнечный концентратор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что средства выпуска панелей рефлекторов представляют собой комбинацию тросов и шкивов, приводимых в действие из космического аппарата посредством торсионных пружин, установленных между секциями панели солнечной батареи. 6. Солнечный концентратор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что средства выпуска панелей рефлекторов представляют собой комбинацию тросов и шкивов, приводимых в действие из космического аппарата посредством мачты. 7. Солнечный концентратор для космического аппарата, содержащий совокупность фотовольтаических элементов, объединенных с образованием прямоугольной панели солнечной батареи для выработки электрической энергии, некоторое число панелей рефлекторов, которые перед запуском космического аппарата находятся в сложенном положении, и средства выпуска панелей рефлекторов после запуска космического аппарата для установки указанных панелей рефлекторов с обеих длинных сторон панели солнечной батареи в виде корыта с получением заданного коэффициента концентрации света, отличающийся тем, что панели рефлекторов изготовлены из алюминия, средства выпуска панелей рефлекторов представляют собой комбинацию тросов и шкивов, приводимых в действие из космического аппарата посредством торсионных пружин, установленных между секциями панели солнечной батареи, и концентратор дополнительно содержит штанги, установленные в углах панели солнечной батареи, и нити подвески, расположенные по внешнему периметру панелей рефлекторов и прикрепленные к штангам, чтобы поддерживать форму панелей рефлекторов и обеспечивать равномерное натяжение во всех направлениях для поддержания плоской формы панелей рефлекторов, когда эти панели находятся в выпущенном положении, при этом перед запуском космического аппарата панели рефлекторов свернуты вокруг штанг и сложены таким образом, чтобы дать возможность панели солнечной батареи вырабатывать электрическую энергию без выпущенных панелей рефлекторов. 8. Солнечный концентратор для космического аппарата, содержащий совокупность фотовольтаических элементов, объединенных с образованием прямоугольной панели солнечной батареи для выработки электрической энергии, некоторое число панелей рефлекторов, которые перед запуском космического аппарата находятся в сложенном положении, и средства выпуска панелей рефлекторов после запуска космического аппарата для установки указанных панелей рефлекторов с обеих длинных сторон панели солнечной батареи в виде корыта с получением заданного коэффициента концентрации света, отличающийся тем, что панели рефлекторов изготовлены из алюминия, средства выпуска панелей рефлекторов представляют собой комбинацию тросов и шкивов, приводимых в действие из космического аппарата посредством торсионных пружин, установленных между секциями панели солнечной батареи, и концентратор дополнительно содержит штанги, установленные в углах панели солнечной батареи, и нити подвески, расположенные по внешнему периметру панелей рефлекторов и прикрепленные к штангам, чтобы поддерживать форму панелей рефлекторов и обеспечивать равномерное натяжение во всех направлениях для поддержания плоской формы панелей рефлекторов, когда эти панели находятся в выпущенном положении, при этом перед запуском космического аппарата панели рефлекторов свернуты вокруг себя и сложены вокруг себя таким образом, чтобы дать возможность панели солнечной батареи вырабатывать электрическую энергию без выпущенных панелей рефлекторов.