СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2004 года по МПК H01L31/45 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию, и предназначено для использования в конструкциях космических солнечных батарей (СБ), содержащих плоские панели с сотовым наполнителем.

Известна солнечная батарея [1], предназначенная для обеспечения электрической энергией космических аппаратов (КА). Каркас такой батареи состоит из сотовых панелей, поверхности которых образованы слоями углепластика и изоляционного материала, между которыми расположен сотовый наполнитель из алюминиевой фольги.

Недостатком данной конструкции каркаса СБ является достаточно большая удельная масса сотовых панелей (1,0-1,8 кг/м²) и их толщина (15-20 мм), что требует значительного свободного пространства под обтекателем ракеты-носителя.

Известна особо легкая солнечная батарея [2], предназначенная для обеспечения электрической энергией космической станции и космической платформы. СБ состоит из бескаркасных пленочных панелей, которые при транспортировании укладываются в специальный контейнер в виде гармошки. Для предотвращения повреждения солнечных элементов (СЭ) в сложенном положении пленочная подложка имеет специальные, регулярно расположенные U-образные пленочные демпферы. Разворачивание СБ в рабочее положение осуществляется с помощью специальной выдвижной фермы. U-образные пленочные демпферы фактически являются ребрами жесткости и расположены с двух сторон пленочных панелей взаимно перпендикулярно, придавая пленочной панели достаточную жесткость.

Недостатком данной конструкции СБ является необходимость укладки панелей в специальный контейнер для транспортировки, обеспечивающий сжатие и фиксацию панелей и наличие конструктивно сложной выдвижной фермы, имеющей значительную массу и требующей определенного объема для размещения под обтекателем.

Наиболее близкой, принятой за прототип, является СБ [3] для КА “GLOBALSTAR”, состоящая из 8 плоских панелей сотовой конструкции размером 800×1778 мм. Сотовый наполнитель выполнен из алюминиевой фольги и вклеен между двумя листами из углепластика. Для обеспечения электроизоляции на углепластик наклеена полиимидная пленка Kapton. СЭ приклеиваются к полиимидной пленке Kapton с помощью силиконового клея RTV-S 691. Масса СБ с каркасом составляет 45 кг.

Недостатком данной СБ являются достаточно большая масса СБ и значительный объем, занимаемый сотовыми панелями в сложенном положении, что ограничивает количество панелей (1), которые можно разместить в пространстве между космическим аппаратом (2) и обтекателем (3) (фиг 1). Тем самым накладываются ограничения на возможную площадь и мощность СБ.

Технический результат, достигаемый в предлагаемой конструкции СБ, заключается в улучшении удельных характеристик СБ, обусловленный уменьшением удельной массы каркаса и занимаемого полезного объема за счет использования наряду с базовыми сотовыми панелями дополнительных бескаркасных пленочных панелей, а также в существенном упрощении конструкции СБ за счет исключения необходимости применения специального контейнера и выдвижной фермы для бескаркасных пленочных панелей.

Достигается это тем, что в предлагаемой конструкции СБ совмещаются конструкции сотовых и бескаркасных пленочных панелей, при этом в конструкции СБ должно быть не менее двух сотовых панелей, по периметру которых устанавливается до 5 пленочных панелей. В рабочем (развернутом) положении сотовые панели играют роль силовой базы для крепления пленочных панелей и управления их ориентацией на Солнце. В транспортном (сложенном) положении пленочные панели укладываются между сотовыми панелями, которые играют роль жесткого контейнера на участке выведения, при этом сотовые панели сжимаются с определенным усилием, обеспечивая фиксацию пленочных панелей.

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

- каркас солнечной батареи является комбинированным и содержит не менее двух плоских сотовых панелей и несколько полужестких бескаркасных пленочных панелей;

- в сложенном (транспортном) положении пленочные панели укладываются между сотовыми панелями, которые играют роль жесткого контейнера на участке выведения и силовой базы для управления их ориентацией после разворачивания в рабочее положение. При этом в транспортном (сложенном) положении сотовые панели сжимаются с определенным усилием, обеспечивая фиксацию пленочных панелей;

- пленочные панели выполнены в виде трехслойной подложки с полукруглыми ребрами жесткости;

- для установки шарниров и придания пленочным панелям дополнительной жесткости предусмотрены две (или более в зависимости от габаритных размеров панели) углепластиковые площадки, от которых отходят углепластиковые спицы, вклеенные в полости ребер жесткости трехслойной подложки.

Для доказательства соответствия предлагаемой конструкции 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 улучшении удельных характеристик СБ (уменьшение удельной массы и объема за счет использования бескаркасных пленочных панелей), в литературных источниках не обнаружено. Таким образом, по мнению авторов предлагаемая конструкция СБ соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Для увеличения площади СБ возможно использование трех и более сотовых панелей с соответствующим увеличением числа пленочных панелей.

На фиг.2 схематично показана предлагаемая солнечная батарея, каркас которой состоит из двух сотовых панелей 1 и пяти пленочных панелей 2. В транспортном положении (фиг.3) пленочные панели 2 укладываются между сотовыми панелями 1.

Основой пленочных панелей 2 является полиимидная пленка 3 (фиг.4) со слоем фторопласта. Между двумя слоями полиимидной пленки 3 находится стеклоткань 4. На пленке 3 сформированы полукруглые ребра жесткости 5. Расстояние между соседними ребрами 5 жесткости L должно равняться ширине солнечного элемента. Ребра жесткости 5 на полиимидных пленках 3 располагаются под углом 90°. Полиимидные пленки 3 и стеклоткань 4 укладываются специальным образом и спекаются при определенной температуре и давлении, при этом фторопласт играет роль клея. Для установки шарниров предусмотрены две (или более) углепластиковые площадки 6 (фиг.5), от которых отходят углепластиковые спицы 7, вклеенные в полости ребер жесткости 5.

Пример конкретного исполнения солнечной батареи

В конструкции пленочных панелей 2 используется полиимидная пленка 3 толщиной 110 мкм со слоем фторопласта. При укладке пленки 3 обеспечивается формирование полукруглых ребер жесткости 5 радиусом 2 мм. Расстояние между соседними ребрами 5 жесткости L должно равняться ширине солнечного элемента, например 60 мм. Слой фторопласта направлен наружу. Между двумя полиимидными пленками 3 укладывается стеклоткань 4 толщиной 40 мкм. Процесс формирования панели 2 происходит при давлении до 8 кг/см² и нагреве до ≈320°С, при этом фторопласт играет роль клея. Ребра жесткости 5 на полиимидных пленках 3 располагаются под углом 90°.

При складывании панелей 2 ребра жесткости 5 играют роль амортизаторов, предохраняющих СЭ от разрушения при воздействии вибрации. В целях улучшения амортизационных свойств, аналогичные по конструкции ребра жесткости 5 формируются и на лицевой поверхности сотовых панелей 1, предназначенной для наклейки СЭ.

Для установки шарниров и придания пленочным панелям 2 дополнительной жесткости предусмотрены две (или более в зависимости от габаритных размеров панели) углепластиковые площадки 6, от которых отходят углепластиковые спицы 7, вклеенные в полости ребер жесткости 5.

Для обеспечения плотного складывания на пленочных панелях 2 не должно быть никаких объемных элементов, поэтому при необходимости диодные блоки переносятся на тыл сотовых панелей 1, а цепочки СЭ укладываются "змейкой" с четным количеством колен так, чтобы все "+" и "-" генераторов выходили на одну сторону пленочной панели 2, прилежащую к сотовой панели 1.

Толщина трехслойной пленочной панели 2 (без учета высоты ребер жесткости 5) составляет не более 260 мкм, плотность полиимида - 1600 кг/м³. Плотность углепластика - 1550 кг/м³. Соответственно удельная масса пленочных панелей 2 с учетом площадок и спиц 7 из углепластика составит не более 0,45 кг/м².

Источники информации

[1] Gunther la Roche. Solargeneratoren fur die Raumfahrt. Braunschweig; Wiesbaden: Vieweg, Germany, 1997. ISBN 3-528-06945-7.

[2] Unaited States Patent Number: 4,384,163. Date of Patent: May 17, 1983.

[3] GLOBALSTAR. Solar Generator Design And Layout For Low Earth Orbit Application In Consideration Of Commercial Aspects And Quantity Production. D-81663 Munich, Germany.

[4] Unaited States Patent Number: 4,554,038. Date of Patent: Nov. 19, 1985.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию, и предназначено для использования в конструкциях космических солнечных батарей, содержащих плоские панели с сотовым наполнителем. Технический результат, достигаемый в предлагаемой солнечной батарее, заключается в улучшении удельных характеристик солнечной батареи, обусловленных уменьшением ее удельной массы и объема за счет использования бескаркасных пленочных панелей. Сущность: солнечная батарея имеет каркас, состоящий из не менее чем двух плоских сотовых панелей и дополнительно снабженный несколькими полужесткими пленочными панелями, уложенными в транспортном положении между сотовыми панелями с возможностью фиксации. Пленочные панели выполнены в виде трехслойной армированной пленки с полукруглыми ребрами жесткости, в полость которых вклеены углепластиковые спицы, соединенные с углепластиками площадками, на которых установлены шарниры. 5 ил.

Солнечная батарея, каркас которой состоит из не менее чем двух плоских панелей сотовой конструкции, отличающаяся тем, что каркас солнечной батареи дополнительно снабжен несколькими бескаркасными пленочными панелями, уложенными в транспортном положении между сотовыми панелями, выполненными с возможностью фиксации пленочных панелей, а также в рабочем положении, выполненными в виде силовой базы для крепления пленочных панелей и управления их ориентацией на Солнце, при этом пленочные панели выполнены в виде трехслойной армированной пленки с полукруглыми полыми ребрами жесткости, расположенными с обеих сторон пленки взаимно перпендикулярно друг другу и сторонам панели, кроме того, в пленочных панелях предусмотрены две или более углепластиковые площадки для установки шарниров, от которых отходят углепластиковые спицы, вклеенные в полости ребер жесткости пленочных панелей.