СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2004 года по МПК H01L31/42 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам - солнечным батареям (СБ), осуществляющим прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотопреобразователей (ФП) и используемым преимущественно в космической технике в качестве первичных источников электрической энергии космических аппаратов (КА).

Известна СБ по авторскому свидетельству СССР № 272989 (кл. 21q, 11/02, МПК Н 011, опубл. 14.07.1970, БИ № 23), содержащая ФП и модули из них, несущую панель с тканевой или сеточной основой, проволочные шины с ответвлениями в виде петель-скобок, которые соединены пайкой с тыльной стороной ФП, а ответвления пропущены через основу и загнуты с тыльной стороны основы. С помощью проволочных шин осуществляется коммутация ФП в модули, а также крепление модулей к несущей панели.

Основной недостаток этого технического решения - малая термоциклическая стойкость модулей в условиях периодических изменений температуры их в диапазоне от минус 80...140 до 60...70°С. Возникающие в спаях проволочных шин с ФП термические напряжения, величина которых пропорциональна разности термических коэффициентов линейного расширения (ТКРЛ) спаиваемых материалов, разрушают коммутацию ФП, что приводит к снижению мощности СБ.

Известна также СБ по патенту РФ № 2156522 (кл. H 01 L 31/042, опубл. 20.09.2000, БИ № 26), принятая за прототип. СБ состоит из плоских панелей, выполненных в виде каркаса с натянутым на него сетеполотном, разделенного на ячейки. В каждой ячейке установлен модуль, состоящий из: последовательно или последовательно-параллельно соединенных ФП с помощью коммутационных молибденовых шин с многослойным металлическим покрытием; защитных стеклянных пластин на лицевой и тыльной сторонах ФП; пленочной подложки, установленной между тыльной стороной ФП и тыльной стеклянной пластиной и приклеенной к ФП через перфорацию в ней; пленка в свою очередь пришита к сетеполотну через силовые неметаллические элементы крепления; элементы крепления расположены в местах схождения ФП, имеющих прямоугольную форму с четырьмя угловыми срезами. Коммутационные молибденовые шины проходят по всей длине ФП на лицевой и тыльной сторонах, закреплены пайкой (сваркой) в отдельных точках, при этом точки крепления шин смещены относительно друг друга на лицевой и тыльной сторонах ФП. Молибденовые шины в зонах угловых срезов ФП имеют площадки и термокомпенсационные изгибы как в последовательных, так и в параллельных цепях коммутации ФП.

Описанной конструкции СБ присущи несколько недостатков. Увеличение промежутков между ФП из-за необходимости размещения в них изгибов в молибденовых шинах (компенсаторов термических и механических деформаций) по каждой стороне ФП, а также срезы по углам ФП приводят к уменьшению фотоактивной поверхности и соответственно к снижению основного параметра СБ - удельной мощности (Вт/м²).

Наличие в СБ двух подложек - из сетеполотна и из пленки, причем размеры последней идентичны с размерами модуля, приводит к увеличению массы СБ и снижению другого параметра СБ - Вт/кг.

Необходимо также отметить недостаточную надежность СБ, обусловленную тем, что при отказе по крайней мере одного ФП (обрыв шины, разрушение ФП от соударения с микрометеоритом и других причин) или при затенении ФП элементами конструкции КА происходит отключение всей цепи из последовательно соединенных ФП и ступенчатое снижение мощности СБ.

Техническим результатом, достигаемым в предлагаемой конструкции СБ, является: более высокая удельная мощность СБ (Вт/м²), обусловленная увеличением фотоактивной поверхности в СБ; снижение удельной массы СБ (кг/м²); более высокая надежность СБ, обусловленная возможностью сохранения мощности СБ при отказах и затенении отдельных ФП за счет установки на тыльной стороне модулей шунтирующих диодов и коммутационных шин.

Достигается это тем, что СБ состоит из плоских панелей, выполненных в виде каркаса с натянутым на него сетеполотном, разделенным перегородками на ячейки. В каждой ячейке установлены модули (группы), содержащие ФП прямоугольной формы, соединенные последовательно и последовательно-параллельно с помощью металлических коммутационных шин, в том числе с изгибами-компенсаторами на них, защитные стеклянные пластины на лицевой и тыльной сторонах ФП, подложку между тыльной стороной ФП и стеклянными пластинами, элементы крепления модуля к сетеполотну.

Отличительные признаки, обуславливающие соответствие предлагаемой СБ критерию “новизна” следующие: стеклянные пластины на лицевой и тыльной сторонах модуля покрывают во взаимно перпендикулярных направлениях несколько, по крайней мере, два, последовательно или параллельно соединенных ФП и образуют цельные блоки с минимальными внутренними промежутками между ФП, а подложка, выполненная в виде отдельных полос, соединяет края этих блоков с промежутком между ФП, в котором размещены изгибы-компенсаторы коммутационных шин; на стеклянных пластинах на тыльной стороне модуля установлены шунтирующие диоды, элементы крепления модуля к сетеполотну в виде стержня с площадкой, соединенной со стеклянной пластиной, а свободный конец стержня пропущен через сетеполотно и загнут на ближайшую нить сетеполотна и шины вблизи краев модуля, скоммутированные с выводами концевых ФП, диодов и модулей; наружная сторона безкорпусного шунтирующего диода покрыта защитной стеклянной пластиной; подложка соединяет края блоков по наружной стороне стеклянных пластин на тыльной стороне модуля.

Исполнение блоков ФП в виде цельной сборки с требуемой прочностью на изгиб позволяет использовать такую конфигурацию коммутационных шин, которая сочетается с минимальными промежутками между ФП (например, Z-образной формы при ширине промежутка между ФП ~0,3...0,4 мм). Благодаря этому качеству конструкции СБ представляется возможность увеличить размеры ФП, соответственно фотоактивную поверхность модуля и мощность СБ.

Установка элементов крепления модулей к сетеполотну на тыльной стороне модуля позволяет исключить угловые срезы на ФП и за счет этого увеличить мощность СБ.

Расчетная оценка показывает, что за счет увеличения фотоактивной поверхности модуля, увеличение мощности для предлагаемой СБ составляет ~1,8-2%.

Достаточная прочность соединения подложки с краем блока ФП обеспечивается при величине нахлеста подложки в пределах 8...10 мм. При этом условии площадь подложки в предлагаемой СБ в ~7,5 раза меньше по сравнению с прототипом, а это приводит к снижению массы СБ.

Установка шунтирующих диодов и шин вблизи краев на тыльной стороне модуля наиболее просто решает проблему создания резервных электрических цепей в пределах каждого модуля с помощью шунтирующих диодов. При этом резервные цепи пропускают электрический ток только в случае повреждений, затенении ФП и рассогласования электрических характеристик их. В результате снижается вероятность отказов всей цепи из последовательно соединенных ФП (~80...100 ФП), соответственно повышается надежность СБ.

Кроме того, эксплуатационные условия диодов (температурный диапазон, радиационная защита и т.д.) аналогичны модулям, что также повышает надежность шунтирующих цепей и СБ.

Для доказательства соответствия предлагаемой конструкции СБ критерию “изобретательский уровень” была проанализирована вся совокупность признаков, а также отдельно отличительные признаки. Установлено, что применение вышеуказанных отличительных признаков, дающих в совокупности с известными признаками технический результат, заключающийся в повышении удельной мощности СБ (Вт/м²), снижении удельной массы СБ (кг/м²), повышении надежности СБ в литературных источниках не обнаружено. Таким образом, по мнению авторов, предлагаемая конструкция СБ соответствует критерию “изобретательский уровень”.

На фиг.1...6 представлена конструкция СБ. На фиг.1 показана отдельная плоская панель, из которых состоит СБ. Панель содержит каркас 1, на который натянуто сетеполотно 4, разделенное на ячейки 2, в каждой из которых установлены модули 3.

На фиг.2 в увеличенном масштабе показан угловой фрагмент панели (в аксонометрической проекции) и на нем обозначены места расположения разрезов Б-Б, В-В и вида Г (на тыльную сторону панели).

На фиг.3 приведен разрез Б-Б вдоль ряда последовательно соединенных ФП, на фиг.4 разрез В-В вдоль ряда параллельно соединенных ФП.

На фиг.3 видно, что коммутация ФП 5 выполнена с помощью шин 6, 7, 8, 9, при этом для соединения шин с контактами ФП используется односторонняя точечная микросварка 10. Стеклянные пластины 12, 13 склеены с ФП прозрачным клеящим составом 11 на основе кремнийорганического каучука.

С помощью цельных стеклянных пластин 12, покрывающих каждая, например, по 2 шт. параллельно соединенных ФП и цельных пластин 13, покрывающих каждая, например, по 3 шт. последовательно соединенных ФП, образован цельный плоский блок 14 (см. фиг.3, 4). Его прочность на изгиб обеспечивает фиксированное положение шин в промежутках 16 между ФП, что позволяет: исключить касание шины с торцами ФП и короткое замыкание ФП; уменьшить промежуток 16 между ФП до 0,3-0,4 мм, достаточный для размещения вертикального участка Z-образной шины из фольги толщиной 30 мкм. В промежутке 15 между блоками ФП расположены изгибы-компенсаторы в шине 7. Для сохранения конфигурации этих изгибов и размеров промежутка 15 при деформациях сетеполотна от механических нагрузок и термических деформаций края блоков 14 соединены подложкой 17. Подложка 17 размещена в слое клеящего состава 11 и величина нахлеста ее на край ФП составляет 8-10 мм.

Держатель 18 состоит из площадки и проволочного стержня, соединенных между собой контактной сваркой. Площадка соединена с пластиной 13 клеем 19, а конец проволочного стержня загибается на ближайшую нить 20 сетеполотна после размещения модуля на панели. Направления отгиба конца стержня выбирается таким образом, чтобы исключались перемещения модуля по сетеполотну вдоль и поперек панели, а также в направлении от сетеполотна.

На фиг.5 показано размещение шунтирующих диодов 21, шин 9 и держателей 18 на тыльной стороне модуля. Шунтирующий диод (фиг.6) состоит из пластины 22 (из полупроводникового материала, например кремния), выводов 24 (из металлической фольги) и защитной стеклянной пластины 23, клеящего состава 11. Крепление диода 21 к пластине 13 выполняется теплопроводящим клеящим составом на основе герметиков. Один вывод шунтирующего диода электрически соединен с “+” шиной 9, второй вывод диода с помощью провода 25 с “-” шиной 9.

Таким образом, шины 9 электрически объединяют выводы 8 концевых ФП, выводы 24, 25 от диодов и выводы 26 междумодульной коммутации. Одновременно шины 9 выполняют параллельное соединение рядов из последовательно соединенных ФП в модуле.

Описанная конструкция СБ прошла полный комплекс испытаний, в том числе в составе КА.

Результаты испытаний подтверждают вышеприведенные преимущества предлагаемой СБ по сравнению с прототипом, а также ресурс работоспособности на уровне мировых достижений - 12-15 лет.

Изобретение относится к солнечным батареям (СБ), осуществляющим прямое преобразование солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотопреобразователей (ФП) и используемых преимущественно в системах электропитания космических аппаратов (КА). Сущность: СБ состоит из плоских панелей в виде каркаса и натянутого на него сетеполотна, разделенного на ячейки. В ячейках размещены модули. Модули содержат: ФП прямоугольной формы, коммутационные металлические шины, защитные стеклянные пластины, подложку, элементы крепления модуля к сетеполотну, шунтирующие диоды, вблизи краев модуля. Стеклянные пластины покрывают во взаимно перпендикулярных направлениях несколько ФП и образуют цельные блоки. Промежутки между ФП внутри блока минимизированы. Края блоков соединены подложкой в виде полос, в промежутках между ФП смежных блоков размещены объемные изгибы-компенсаторы в шинах. Элементы крепления, шунтирующие диоды и шины, вблизи краев модуля установлены на наружной поверхности стеклянных пластин на тыльной стороне модуля. Элементы крепления выполнены в виде площадки со стержнем, при этом площадка соединена со стеклянной пластиной, а конец стержня пропущен через сетеполотно и загнут на нить сетеполотна. Технический результат - повышение мощности СБ за счет увеличения фотоактивной поверхности в модуле, снижение массы СБ за счет уменьшения размеров подложки и повышение надежности СБ за счет резервных шунтирующих цепей и упрощения электромонтажа на тыльной стороне модуля. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Солнечная батарея, состоящая из плоских панелей, выполненных в виде каркаса с натянутым на него сетеполотном, разделенным перегородками на ячейки, в которых установлены модули (группы), содержащие фотопреобразователи прямоугольной формы, соединенные последовательно и последовательно параллельно с помощью металлических коммутационных шин, в том числе с изгибами-компенсаторами на них, защитные стеклянные пластины на лицевой и тыльной сторонах фотопреобразователей, подложку между тыльной стороной фотопреобразователей и стеклянными пластинами, элементы крепления модуля к сетеполотну, отличающаяся тем, что стеклянные пластины на лицевой и тыльной сторонах модуля покрывают во взаимно перпендикулярных направлениях несколько, по крайней мере два, последовательно или параллельно соединенных фотопреобразователя и образуют цельные блоки с минимальными внутренними промежутками между фотопреобразователями, а подложка, выполненная в виде отдельных полос, соединяет края этих блоков с промежутком между фотопреобразователями, в котором размещены изгибы-компенсаторы коммутационных шин, и на стеклянных пластинах на тыльной стороне модуля установлены шунтирующие диоды, элементы крепления модуля к сетеполотну в виде стержня с площадкой, соединенной со стеклянной пластиной, а свободный конец стержня пропущен через сетеполотно и загнут на нить сетеполотна, и шины вблизи краев модуля, скоммутированные с выводами концевых фотопреобразователей, диодов и модулей.2. Солнечная батарея по п.1, отличающаяся тем, что наружная сторона бескорпусного шунтирующего диода покрыта защитной стеклянной пластиной.3. Солнечная батарея по п.1, отличающаяся тем, что подложка соединяет края блоков по наружной стороне стеклянных пластин на тыльной стороне модуля.