Настоящее изобретение относится к солнечному генератору, в частности к космическому солнечному генератору, используемому для формирования солнечной панели.
На космических летательных аппаратах (КЛА) в качестве первичного источника энергии используют, как правило, солнечные элементы, которые располагают и ориентируют таким образом, чтобы они воспринимали солнечное излучение.
На КЛА со стабилизацией корпуса в пространстве солнечные элементы расположены обычно в виде ряда плоскостей и размещены на солнечных крыльях, отходящих от противоположных сторон корпуса КЛА. Предпочтительно, чтобы солнечные крылья могли поворачиваться, чтобы поддерживать их в максимально возможной степени перпендикулярно к солнечному излучению. Поскольку солнечные крылья в развернутом положении имеют довольно большую протяженность, они формируются, как правило, из множества планарных солнечных панелей, которые соединены друг с другом либо "гармошкой" (одномерное развертывание), либо в виде "брусчатки" (двухмерное развертывание), с тем чтобы обеспечить возможность их компактной укладки при запуске КЛА.
Количество солнечных элементов, установленных на КЛА, зависит от расчетной потребности КЛА в энергии и коэффициента полезного действия солнечных элементов. Использование солнечных элементов с высоким КПД позволяет уменьшить общее количество элементов, необходимых для данного конкретного КЛА, но они чрезвычайно дороги. Учитывая, что с увеличением количества солнечных элементов возрастает их вес и связанные с этим затраты, возникает большая заинтересованность в уменьшении количества элементов, подлежащих установке на КЛА.
Поэтому усилия исследователей были направлены на то, чтобы сконцентрировать солнечное излучение на солнечных элементах посредством применения отражающих поверхностей, которые расположены рядом с солнечными панелями и сориентированы таким образом, что отражают на эти элементы дополнительное излучение. Благодаря этому солнечное излучение, которое в противном случае проходило бы мимо солнечного крыла, так меняет направление, что снова попадает на солнечные элементы. Несмотря на то, что эффективность действия солнечного элемента по преобразованию такого дополнительного отраженного излучения в полезную энергию, как правило, меньше, чем в случае прямо падающего излучения (в основном из-за повышения температуры элемента и острого угла падения), концентрация солнечной энергии позволяет значительно уменьшить количество устанавливаемых на КЛА солнечных элементов и, соответственно, добиться экономии в весе и стоимости КЛА. Для концентрации солнечного излучения предлагались как жесткие, так и гибкие отражатели, при этом преимуществом вторых является их меньший вес. Пример конструкции гибкого отражателя описан в патентах США №6017002 и 6050526, а жесткого - в патенте США №5520747.
Хотя такие отражающие конструкции и обеспечивают концентрацию солнечного излучения, их размещение рядом с солнечной панелью вызывает ряд негативных явлений.
Так, происходит повышение температуры солнечного элемента и, следовательно, снижается эффективность преобразования энергии. Кроме того, ошибки наведения являются причиной недостаточной равномерности потока на солнечную панель, а также усложняется управление энергетической системой, что ведет к уменьшению производимой электрической мощности панели.
В случае с развертываемыми отражателями положение этих отражателей и их развертывание хорошо сочетаются только с одномерной структурой панелей ("гармошкой") и плохо - с их двухмерным расположением (в виде "брусчатки"). Для отражателей, описанных в патенте США 5520747, характерен другой недостаток. Отражатели складываются на той стороне панелей, где находятся солнечные элементы. Соответственно, они будут препятствовать использованию солнечных панелей во всякое время (например, на переходной орбите), когда эти панели находятся в убранном положении, мешая развертыванию отражателей. Кроме того, под угрозой может оказаться весь процесс генерации энергии для КЛА в случае сбоя во время развертывания отражателей.
Еще один способ концентрации с помощью отражателей заключается в распределении небольших отражателей по солнечной панели. Отражатели поочередно укладывают между рядами солнечных элементов, что позволяет ослабить действие вышеупомянутых недостатков или полностью устранить их. Второй признак настоящего изобретения касается как раз такой конфигурации. Некоторые варианты осуществления, основанные на этом геометрическом принципе, описаны также в документах USP 6188012 и WO 00/79593 А1.
Конструкция, описанная в документе USP 6188012, относится только к развертываемому концентратору. Развертывание обеспечивается здесь благодаря пружинам нескольких типов. После развертывания пружина используется для поддержания натяжения отражающей пленки. Основной недостаток этого устройства состоит в механической усталости, имеющей место после длительного пребывания в космосе (с тепловым циклом после каждого затмения). На КЛА, применяемых в области связи, панель солнечных батарей должна оставаться в полностью работоспособном состоянии в течение 15-летнего пребывания на геостационарной орбите. За сутки происходит по одному затмению. Таким образом, результатом более чем 5000 ежедневных затмений будут более 5000 тепловых циклов. Если натяжение отражателя постепенно изменяется из-за ослабления пружины, то происходит ухудшение оптических характеристик и равномерности освещения. Имеет место резкое снижение действующего коэффициента концентрации с существенной потерей генерации энергии для КЛА. По этой причине после развертывания требуется применение специального фиксатора отражающих пленок, с тем чтобы их подвижность больше не приводила к ослаблению натяжения. Кроме того, в рассматриваемом патенте предложены недостаточно обоснованные принципы развертывания и хранения. Действительно, в сложенном положении длина отражателей кажется меньшей, чем в развернутом. На реальном чертеже должно быть, несомненно, видно, что в сложенном положении отражающая пленка частично затеняет солнечные элементы. В случае сбоя при развертывании отражателя отражающие пленки затеняют солнечные элементы, так что соответствующая генерация энергии прекращается. Это еще один недостаток, который устраняется в соответствии с одним из признаков настоящего изобретения.
В документе WO 00/79593 А1 предложена идея использования саморазвертывающихся отражателей. В сложенном положении они будут, совершенно определенно, затенять элементы. После развертывания не используется никакого фиксирующего механизма. В период хранения солнечные панели традиционным способом располагаются в стопку с небольшими промежутками между ними. Это имеющееся пространство используется для сложенных отражателей, но поскольку в сложенном положении не имеется фиксирующих механизмов, отражатели панели i складываются с отражателями соседней панели (i+1).
Достоинства описанной конструкции довольно сомнительны, так как вибрация (например, в процессе транспортировки и запуска) способна привести к появлению царапин на отражающих пленках, результатом чего является ухудшение оптических характеристик, а впоследствии - снижение эффективности концентрации солнечного излучения с уменьшением генерации энергии.
В пункте 1 формулы изобретения определены признаки солнечного генератора в соответствии с первым вариантом изобретения. Цель изобретения состоит в создании компактной и механически прочной конструкции, жесткость которой получена благодаря применению сочетания клиновидных отражателей и сотовой ячеистой панели, что дает также более высокую эффективность охлаждения.
Остальные предпочтительные варианты осуществления данной конструкции приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
При использовании жестких отражателей (без развертывания) геометрическую концентрацию целесообразно уменьшить до соотношения 1,6:1, что позволит значительно уменьшить высоту отражателя (46% высоты отражателя с концентрацией 2:1). Высота получаемой таким образом солнечной панели остается все еще очень близкой к высоте панели без концентрации (без отражателей), так что не происходит опасного развертывания и, соответственно, существенно повышается надежность конструкции.
Солнечный генератор в соответствии с первым вариантом изобретения состоит из жесткой солнечной панели, имеющей ряды солнечных элементов, и отражателей (клиновидной формы), поочередно прикрепленных к панели. Отражатели могут быть сориентированы под углом 30 градусов относительно перпендикуляра к панели для отражения потока солнечного излучения на солнечные элементы с коэффициентом концентрации 2:1. Размер отражателя зависит от размера солнечных элементов и коэффициента концентрации. При коэффициенте концентрации 2:1 его ширина будет такой же, как и ширина элемента, а длина равна длине одной панели.
Согласно второму варианту изобретения, пилообразные (или клиновидные) отражатели выполнены развертываемыми и в сложенном положении не перекрывают ряды солнечных элементов.
После развертывания отражатели собирают и концентрируют поток солнечного излучения на солнечные элементы. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, перед развертыванием отражатели сложены на подложке панели таким образом, чтобы сохранялась столь же компактная складная конструкция, как и в традиционных жестких панелях без концентратора.
Согласно первому или второму варианту изобретения, отражатели могут быть выполнены в виде тонкой пленки с нанесенным поверх нее слоем металла. В соответствии с одним из вариантов осуществления, пленка может быть плотно закреплена на жесткой легкой рамке и находится в состоянии предварительного натяжения. Согласно другому варианту, только половина отражателя выполнена из пленки, плотно закрепленной на жесткой рамке. Согласно еще одному варианту, отражатели выполняются из жесткого легкого материала типа полимера, армированного углеродным волокном, или в виде тонкой никелевой пластины. В соответствии с еще одним вариантом, отражатели выполняются в виде тонкой пленки без жесткой рамки, которая приклеивается по краям к подложке панели или встраивается в конструкцию панели. Форму пленки получают натяжением благодаря наличию элементов (по возможности развертываемых), приклеенных к панели и доходящих до ″конька″ клиновидного(ых) отражателя(ей).
В соответствии с настоящим изобретением, отражатели заменяют собой ряды солнечных элементов. Удельный вес солнечного элемента типа GaAs составляет порядка 0,85 кг/м2. Вместе со стеклянным покрытием, соединительными элементами и проводами удельный вес одного ряда солнечных элементов равен примерно 1,2 кг/м2. Тонкопленочный же отражатель намного легче. Так, например, пленка марки Kapton® толщиной 50 микрон (2 мила) весит всего лишь 71 г/м2, а пластинка из никелевого сплава толщиной 10 микрон - 89 г/м2. Даже с учетом деталей конструкции и механизма, используемых для закрепления в сложенном положении, развертывания и окончательного фиксирования, установка отражателей согласно изобретению ни в коем случае не приведет к увеличению веса солнечной панели. Отражающая пленка может быть выполнена с подложкой не только из Kapton, но и из другого материала - так, вполне подходящей заменой могут послужить Mylar® или LaRC СР-1.
С точки зрения стоимости, солнечные отражатели дешевле, чем солнечные элементы равной площади, что составляет еще одно преимущество конструкции согласно изобретению.
Поскольку на КЛА со стабилизацией корпуса в пространстве предусмотрена возможность одноосного слежения, в плоскости восток-запад достигается относительно точное наведение (порядка ±2 градусов). В плоскости север-юг слежение не производится. Это приводит к сезонным изменениям ориентации панели относительно солнца. По оси север-юг происходят отклонения порядка ±23,5 градуса. По этой причине концентраторы часто выполняются линейными с концентрацией солнечного света в направлении, в котором осуществляется слежение. Для этой цели предлагаемые ряды отражателей ориентируют вдоль оси север-юг, в результате чего они концентрируют поток солнечного излучения только по оси слежения. При использовании отражателей лоткового типа с геометрической концентрацией 2:1 и отражателей, ориентированных под углом 60 градусов относительно солнечной панели, потеря эффективности улавливания излучения достигает 10% при отклонении наведения по оси слежения, равном ±6,5 градусов. Этого никогда не происходит, если только не утерян контроль за положением в пространстве. Учитывая, что по второй оси концентрация не осуществляется, сезонные изменения не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на улавливание солнечного излучения по сравнению с солнечной панелью без концентрации.
Благодаря применению отражателей солнечного излучения, встроенных в панель, удается получить более гибкую модульную конструкцию развертываемой солнечной панели по сравнению с известными системами, где отражатели примыкают к панелям (концентраторы лоткового типа). Действительно, в этом последнем случае развертывание солнечной панели легко осуществимо только при одномерном исполнении ("гармошкой"). В результате создается большой размах крыльев, что затрудняет выравнивание и регулировку. Конструкция же согласно настоящему изобретению пригодна и для более сложных конфигураций развертывания - типа двухмерного расположения в виде "брусчатки". Как следствие этого, существенно повышается степень ее модульности по сравнению с известными системами.
Одним из важных параметров солнечной панели является ее тепловое поведение. В известных концентраторах лоткового типа (см., например, фиг.2) имеет место усиление потока солнечного излучения к панели, однако не существует простого способа отвода дополнительного тепла. Температура элемента повышается на 30-40 градусов, что ведет к нежелательному снижению его КПД. Это вызвано, главным образом, тем обстоятельством, что хотя вследствие применения отражателей поверхность улавливания потока увеличена, охлаждение обеспечивается все той же площадью - задней и передней поверхностями панели, обращенными к холодному космическому пространству.
В конструкции же согласно изобретению отражатели установлены на панели, а поток солнечного излучения по-прежнему концентрируется в том же количестве на рядах солнечных элементов. Однако здесь нет значительного увеличения поверхности улавливания - она остается практически такой же, как поверхность панели без концентрации, где поверхность охлаждения та же, что и поверхность, освещаемая солнцем. Можно ожидать лишь незначительного повышения температуры. Эффективность же преобразования энергии здесь выше, чем при работе с лотковыми концентраторами.
В случае с одноосным слежением обычно имеет место отклонение наведения порядка 1-2 градусов, при этом нарушается распределение потока солнечного излучения, которое перестает быть равномерным.
В панелях с концентраторами лоткового типа отклонение наведения приводит к избыточному освещению некоторых рядов элементов и недостаточному освещению других рядов. Фотоэлектрические элементы обеспечивают преобразование световой энергии в электрическую. Произведенный электрический ток прямо пропорционально связан с поглощенным потоком солнечного излучения. Некоторые ряды элементов дают ток большей величины, чем остальные. При таких колебаниях тока последовательное соединение элементов недопустимо. Если не предусмотреть существенных усовершенствований в плане управления генерацией и сбором энергии, подобная неравномерность приведет к снижению мощности, собираемой от всей панели.
Настоящее изобретение свободно от указанного недостатка, заключающегося в нарушении равномерности. Поскольку каждая пара отражателей воздействует на один ряд элементов, отклонение наведения будет создавать неравномерный поток, распределенный по ширине каждого элемента и одинаковый для каждого солнечного элемента. Влияние на преобразование энергии в элементе будет одинаковым в каждом элементе и в каждом ряду элементов. Индуцированный электрический ток будет тоже одинаковым для каждого солнечного элемента. Устраняется опасность ухудшения отбора мощности при последовательном соединении. Не требуются никакие изменения в управлении генерацией и сбором энергии по сравнению с панелью без концентрации, а также отсутствуют дополнительные потери вследствие ошибок наведения.
Отражатели демонстрируют высокую отражательную способность, обусловленную применением алюминиевого слоя, полученного вакуумным напылением, или, в более предпочтительном варианте, серебряных покрытий с дополнительной защитой. Можно использовать и другие покрытия при условии получения высокой способности к отражению солнечного света. В диапазоне чувствительности элемента средняя отражательная способность алюминиевой пленки при угле падения 60 градусов относительно нормали к отражателю составляет порядка 89%. Серебряное покрытие, защищенное, например, оптимизированным тонким слоем SiO2, позволяет в тех же условиях увеличить среднюю отражательную способность до 97%. Дополнительные затраты легко компенсируются более интенсивным улавливанием потока солнечного излучения.
Предлагаемые отражатели имеют вид узкой ленты. Ее ширина примерно равна ширине солнечного элемента (40 мм). Такие свойства пленки как степень шероховатости или точность формы имеют больший допуск или легче поддаются регулированию, чем в больших отражателях, применяемых в концентраторах лоткового типа (типовая ширина ˜2 м). В результате упрощаются проектирование и изготовление пленки и основы. Кроме того, становится возможным уменьшение веса отражателей.
Ниже приводится более детальное описание изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой схематическое изображение солнечного генератора в соответствии с первым признаком изобретения. Отражатели выполнены в виде зубьев пилы (или "шатров"), расположенных рядами, с размещенными между ними рядами солнечных элементов. Для данного варианта коэффициент концентрации равен 2:1;
фиг.2 представляет собой изображение известного устройства по патентам США №5520747, 6017002 или 6050526, то есть лоткового концентратора с отражателями, установленными рядом с солнечной панелью. Коэффициент концентрации равен 2:1;
фиг.3А и 3В иллюстрируют, соответственно, КПД улавливания - СЕ в зависимости от ошибки слежения в концентраторах, показанных на фиг.1 и 2, и распределение света по солнечной панели при отклонении наведения, равном 3 градусам, при этом на фиг.3А приведена зависимость КПД - Е от угла падения α, что дает кривую КПД улавливания СЕ (где CL - кривая косинуса угла, a CF - скорректированный поток), а на фиг.3В приведена зависимость нормализованного потока NF от нормализованной ординаты NO по оси отклонения наведения;
фиг.4 иллюстрирует отражательную способность R отражающей пленки при угле падения 60 градусов относительно нормали к отражателю для неполяризованного света как функцию длины волны WL. Показаны также типичная характеристика CR многопереходного солнечного элемента GaAs/Ge и спектр солнечного излучения SSP. Для сравнения даны отражательная способность REF алюминиевого слоя, полученного вакуумным напылением, и отражательная способность PREF серебряного покрытия с дополнительной защитой (SiO2 толщиной 160 нм);
фиг.5А-5Е иллюстрируют различные варианты осуществления конструкции согласно изобретению в развернутом положении:
5А - клиновидный отражатель, выполненный в виде тонкой пленки на жесткой легкой алюминиевой рамке,
5В - одна половинка клиновидного отражателя, аналогичная конструкции по фиг.5А, и вторая половинка, выполненная только из натянутой тонкой пленки,
5С - клиновидный отражатель, выполненный только из тонкой пленки, причем натяжение достигается фиксированными жесткими элементами, доходящими до ″конька″,
5D - жесткая панель, состоящая из клиновидных отражателей, без возможности развертывания. Коэффициент концентрации равен здесь 1,6:1,
5Е - клиновидный отражатель, выполненный в виде надувной конструкции. Развертывание до нужной формы достигается благодаря надуванию мембранного отражателя. На материал мембраны нанесено отражающее покрытие;
фиг.6А-6С иллюстрируют различные варианты осуществления конструкции согласно изобретению в сложенном положении (для запуска):
6А - конструкция согласно фиг.5 В с демонстрацией отражателей, зафиксированных в сложенном положении,
6В - конструкция согласно фиг.5С с демонстрацией отражателей, зафиксированных в сложенном положении,
6С - конструкция согласно фиг.5D с двумя смежными солнечными панелями в сложенном положении;
фиг.7А и 7В иллюстрируют улучшение теплообмена внутри слоистой сотовой ячеистой конструкции солнечной панели:
7А - тонкая дополнительная сотовая ячеистая конструкция с открытыми окрашенными в черный цвет (или имеющими черное покрытие) элементами, установленными на заднем листе солнечной панели,
7В - вид заднего листа с открытой (срезанной) зоной под рядами солнечных элементов, для экспонирования сотовых ячеистых элементов непосредственно в холодное космическое пространство;
фиг.8 иллюстрирует зависимость максимальной температуры (в °С) на лицевом листе под солнечными элементами (ТMAX) и под отражателями (Т'MAX) в зависимости от средней теплопроводности С листа CFRP (полимера, армированного углеродным волокном) при полном освещении солнечной панели в условиях работы на геостационарной орбите. Улучшение теплопроводности объясняется включением медных нитей в текстуру углеродного волокна или в специальный "высокотеплопроводный" CFRP.
На фиг.1 показан солнечный генератор согласно изобретению. Здесь видны ряды клиновидных отражателей 3 с двумя плоскими или изогнутыми сторонами 31 и 32, чередующиеся с рядами солнечных элементов 2. Они установлены на панель 1, имеющую сотовую ячеистую структуру. Эта сотовая ячеистая панель 1 выполнена в виде сотовой ячеистой алюминиевой решетки, расположенной между двумя лицевыми листами из полимера, армированного углеродным волокном (CFRP). Клиновидный профиль образован наклонными сторонами 31 и 32, разделенными плоскими участками, в каждый из которых входит один ряд 2 солнечных элементов. На эти наклонные стороны нанесено отражающее покрытие. Солнечное излучение падает на переднюю сторону панели. Оно попадает на солнечные элементы либо непосредственно, либо после отражения от отражающего покрытия клиновидных профилей 3. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, ширина ряда элементов 2 равна ширине ряда клиновидных отражателей 3. Угол наклона сторон отражателя может составлять 30 градусов относительно перпендикуляра к основанию панели 1. В этом случае коэффициент геометрической концентрации составляет 2:1. Это означает, что два квадратных метра солнечного излучения концентрируются на одном квадратном метре солнечных элементов. Учитывая, что высокоэффективные солнечные элементы чрезвычайно дороги, такая концентрация очень привлекательна с точки зрения снижения расходов.
Наклонные отражатели 3 солнечного излучения выполнены в виде тонкой пленки, на которую нанесено отражающее (например, металлическое) покрытие. Тонкая пленка может быть выполнена из материалов типа Mylar®, Kapton®, LaRC CP-1 или любого другого легкого материала с достаточной механической прочностью. Толщина пленки зависит от требуемой механической прочности. Типовая толщина находится в пределах от 13 до 125 микрон и такие пленки сейчас существуют. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, в качестве материала отражающей пленки использован Kapton® толщиной 50 микрон, что обеспечивает ее достаточную собственную жесткость.
Согласно одному из вариантов осуществления, предусмотрен предварительно отформованный лист из CFRP с плоскими поверхностями, на которых располагаются ряды солнечных элементов 2, и клиновидными участками с покрытием в виде отражающего слоя или пленки, образующими отражатели 3.
Благодаря применению отражателей солнечного излучения, встроенных в солнечную панель, удается получить более гибкую модульную конструкцию развертываемой солнечной панели по сравнению с известными системами, где отражатели примыкают к панелям. Действительно, в этом последнем случае развертывание солнечной панели легко осуществимо только при использовании одномерного расположения ("гармошкой"). Для сравнения на фиг.2 показана традиционная лотковая конструкция отражателя с солнечными панелями SP и солнечными элементами SC, характеризующаяся таким же коэффициентом концентрации - 2:1. Ее развертывание осуществляется в соответствии с принципом, описанным в патентах США №5520747, 6017002 или 6050526.
Конструкция согласно настоящему изобретению пригодна и для более сложных конфигураций развертывания - типа двухмерного расположения в виде "брусчатки". Как следствие, существенно повышается модульность конструкции и становится возможным без труда регулировать уровень генерации энергии.
В конструкции согласно изобретению нет значительного увеличения поверхности улавливания - она остается практически такой же, как поверхность солнечной панели без концентрации. Поверхностью охлаждения служит задняя поверхность панели, которая обращена к холодному космическому пространству. Поскольку сохраняются близкие значения для площади поверхности, освещаемой солнцем, и площади поверхности охлаждения, можно ожидать лишь незначительного повышения температуры. Эффективность преобразования энергии здесь выше, чем при работе с лотковыми концентраторами. Действительно, в известных конструкциях поверхность улавливания практически удваивается, тогда как поверхность охлаждения остается неизменной. Наблюдается значительное повышение температуры (30-40 градусов Цельсия), снижается КПД элементов, ухудшается генерация энергии.
Тепловой баланс в предлагаемой конструкции можно оптимизировать, добиваясь максимального охлаждения элементов благодаря эффективной передаче лучистой теплоты на заднюю сторону панели. Это обеспечивается посредством использования сотовой ячеистой структуры солнечной панели 1. Эта сотовая структура образована решеткой 4 из сотовых ячеек, расположенной между двумя лицевыми листами 5 и 6. Целесообразно нанести на сотовые элементы черное покрытие для увеличения излучающей способности. В этом случае усиливается теплоотдача с задней стороны солнечной панели в холодное пространство, причем ее можно усилить еще больше, применив дополнительную решетку 8 сотовой ячеистой структуры с открытыми элементами, которая крепится просто к задней стороне панели (фиг.7А) и обращена к холодному пространству, действуя как излучающий теплообменник. Целесообразно нанести на указанные открытые элементы покрытие с высокой излучающей способностью в инфракрасном диапазоне типа известного под названием Martin Black™. В соответствии с другим вариантом осуществления, показанным на фиг.7В, задний лист 6, выполненный, например, из CFRP, в некоторых местах снимают с образованием отверстий 7, благодаря чему некоторые элементы решетки 4 слоистой панели 4, 5, 6 оказываются открытыми непосредственно в холодное пространство. Целесообразно, чтобы эти отверстия 7 и, следовательно, открытые элементы были размещены под рядами солнечных элементов 2 и покрыты слоем с высокой излучающей способностью в ИК диапазоне. Разумеется, при реализации этого варианта конструкции необходимо принимать во внимание жесткость панели. На фиг.7В в качестве примера приведен вариант осуществления, согласно которому задняя сторона панели выполнена в виде контура из полосок CFRP, обеспечивающего лучший теплообмен с холодным пространством и достаточную жесткость. Кроме того, как видно из представленного на фиг.5D варианта осуществления, благодаря конструктивной жесткости отражателей 3 удается увеличить жесткость сотовой ячеистой панели. Таким образом, требования к механическим характеристикам панели могут быть удовлетворены при использовании сотовой ячеистой структуры меньшей толщины, и/или также можно допустить снятие части заднего листа 6, как показано на фиг.7В. Сказанное справедливо для неразвертываемых отражателей или для таких развертываемых отражателей, которые в развернутом положении способствуют увеличению жесткости солнечного генератора при наличии также доли влияния механизма развертывания.
Возможны уменьшение веса и интенсификация охлаждения солнечных элементов благодаря лучшему рассеянию тепла от передней к задней стороне сотовой ячеистой структуры солнечной панели 1.
Прямое влияние на конструкцию солнечного генератора оказывает точность ориентации КЛА. Отражатели следует конструировать с учетом диапазона изменения направления солнечных лучей относительно солнечной панели. На КЛА со стабилизацией корпуса в пространстве не предусмотрено средств слежения по оси север-юг. Сезонные изменения составляют ±23,5 градуса. По этой причине при конструировании концентраторов не предусматривается возможность концентрации по этой оси. Слежение за солнцем осуществляется по оси восток-запад с точностью порядка ±2 градуса. Предполагается, что для обеспечения достаточной надежности концентраторы должны выполнять свои функции даже при несколько более значительных ошибках слежения.
На фиг.3А и 3В проиллюстрированы последствия ошибок наведения. Такое моделирование справедливо как для клиновидного концентратора по фиг.1, так и для лоткового концентратора по фиг.2 с коэффициентом геометрической концентрации, равным 2:1. Ось отклонения наведения соответствует только крену КЛА по линии восток-запад. На фиг.3А показана зависимость КПД улавливания Е от угла α падения солнечного излучения. Первая причина потери эффективности состоит в действии закона косинуса. С увеличением угла падения происходит уменьшение освещенной зоны по закону косинуса. Это справедливо для любой поверхности, наклоненной относительно направления на солнце, и не связано с концентрацией. Сказанное является главной причиной необходимости слежения за солнцем для любого стабилизированного КЛА.
Второй фактор, влияющий на потерю эффективности, связан с концентрацией. Имеет место падение эффективности до 50% при отклонении наведения солнечного генератора относительно солнца на 30 градусов. При 60-градусном отклонении улавливание становится равным нулю. На фиг.3В показана зависимость нормализованного потока NF от нормализованной ординаты NO по оси отклонения наведения для реального случая с отклонением наведения всего лишь в 3 градуса. Здесь дано отображение распределения света между двумя отражателями. Эта зона занята солнечными элементами. В случае, согласно данному изобретению, согласно конструкции на фиг.1, эта зона занята одним рядом солнечных элементов. Нормализованная ордината NO, показанная на фиг.3В, соответствует ширине каждого отдельного солнечного элемента. Для известных систем (см. фиг.2) указанной зоне соответствует ширина солнечной панели, включая несколько смежных солнечных элементов. Нормализованная ордината NO, показанная на фиг.3В, соответствует ширине солнечной панели. Любая неравномерность распределения отражается на смежных солнечных элементах. Некоторые из элементов будут получать около 65% номинального потока NF. Влияние на преобразование энергии будет оказано в той же пропорции. Электрический ток, генерируемый этими элементами, будет составлять 65% от номинального тока. Последовательное соединение элементов требует высокой степени равномерности генерируемого тока с тем, чтобы можно было собрать мощность от всей солнечной панели. Неравномерность светового излучения приводит к значительному уменьшению поступающей в распоряжение КЛА энергии.
В конструкции согласно изобретению (фиг.1) неравномерность тоже имеет место, но лишь по ширине элемента. Потери в улавливании света, обусловленные отклонением наведения, составляют порядка 4,5%. Примерно ту же величину имеют и потери генерации энергии солнечными элементами. Для каждого элемента характерен один и тот же коэффициент потерь, так что сохраняется равномерность генерации энергии от элемента к элементу. Таким образом в каждом ряду по-прежнему идеально работает схема последовательного соединения и каких-либо дополнительных потерь не ожидается.
Потери улавливания, имеющие место при отклонении наведения, зависят также от коэффициента концентрации. При концентрации менее чем 2:1 (например, 1,6:1 для варианта осуществления, показанного на фиг.5D) потери демонстрируют меньшую чувствительность к отклонению наведения.
В качестве отражающего покрытия для клиновидных (или шатровых) отражателей используют предпочтительно слой металла - например алюминия или серебра - либо любое эффективное покрытие или пленку, способные отражать солнечное излучение. Широкое употребление алюминиевых покрытий объясняется легкостью их изготовления и их высокой стойкостью к воздействию космической среды (главным образом, радиации). Поскольку серебро не обладает достаточной радиационной стойкостью, требуется покрывать его дополнительным прозрачным слоем, в качестве которого целесообразно использовать MgF2, TiO2 и SiO2, причем из трех названных соединений последнее является самым недорогим и идеально отвечает требованиям, накладываемым спектром солнечного излучения. Учитывая указанную необходимость в дополнительном покрытии, с серебром работать не так просто, как с алюминием. Однако отражающие пленки с серебряным покрытием обладают и определенным достоинством - это их более высокая отражающая способность в видимой области спектра. Известно, что пленка, полученная вакуумным напылением алюминия, имеет отражающую способность 89-91%, а отражающая способность серебряной пленки в видимой области спектра достигает 96-98% при падении излучения перпендикулярно поверхности. Спектральный диапазон не ограничивается видимой областью - многопереходные солнечные элементы из GaAs/Ge демонстрируют чувствительность в диапазоне от 350 до 900 нм. Интенсивность потока солнечного излучения в этой области спектра неравномерна - на уровне 450-500 нм достигается максимальная интенсивность, в УФ-диапазоне происходит исчезновение потока, а в красной области и ИК-области наблюдается несколько меньшее его ослабление.
В одном из случаев конкретного применения интерес вызывает отражающая способность при угле падения, равном не 0° (нормальное падение), а 60°. На фиг.4 проиллюстрирована отражающая способность R при угле падения 60° (относительно нормали к отражателю) для алюминиевой пленки RAR и защищенной серебряной пленки Rps (неполяризованный свет). В качестве защиты для серебряного покрытия использован слой SiO2 толщиной 160 нм. Для большей ясности и простоты расчетов показаны также спектр потока солнечного излучения и характеристика чувствительности фотоэлектрического элемента (нормализованные с применением произвольных единиц). Были выполнены интегральные вычисления для определения средней отражающей способности металлических пленок с использованием в качестве весовых множителей спектра потока солнечного излучения и чувствительности фотоэлектрического элемента. Как показывает анализ, средняя отражающая способность составляет 89% для Al и 97% для Ag+SiO2. На этом основании можно оценить выигрыш в улавливании солнечной энергии как равный 4% для всей солнечной панели. Это справедливо как для конструкции согласно изобретению (фиг.1), так и для панелей известных систем (фиг.2) с одинаковым отражающим покрытием.
Существует несколько способов крепления пленки на солнечной панели. Выбор конкретного способа определяется требованиями к развертыванию отражателей, так как от этого непосредственно зависит вес панели. Ниже приводится детальное описание крепления пленки, которое иллюстрируется чертежами на фиг.5А-5Е.
На фиг.5А для простоты показан (без соблюдения масштаба) только один клиновидный отражатель, представляющий собой отражающую пленку 21, прикрепленную к жесткой рамке 22, например, посредством приклеивания. Рамка 22 обеспечивает жесткость и натяжение пленки 21. Для получения достаточной ровности отражающей пленки 21 требуется ее предварительное натяжение. В качестве материала для рамки может быть взят, например, алюминий или никель. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, использован алюминий как из соображений оптимального теплового режима (его тепловое расширение хорошо согласуется с материалом пленки - Kapton®), так и по причине его небольшого веса (плотность ˜2,7 г/см3). Пленка 21 прикрепляется к рамке 22 с помощью клея. Двухкомпонентный эпоксидный клей надежно крепит алюминиевую пленку. Предварительное натяжение создается благодаря разности температур пленки 21 и металлической рамки 22 в процессе склеивания - температура рамки 22 поддерживается на более низком уровне, чем температура пленки 21. Благодаря термической усадке происходит незначительное уменьшение размеров рамки 22. После затвердевания клея рамка 22 и пленка 21 снова приобретают температуру окружающей среды, при этом размеры рамки слегка увеличиваются, что создает заданное натяжение пленки 21 вследствие ее упругости.
На фиг.5В представлен другой вариант осуществления с использованием того же концентратора, но здесь жесткой рамкой 22 снабжена лишь одна наклонная плоскость. Вторая образована только отражающей пленкой 21. В этом случае натяжение пленки поддерживается благодаря верхнему креплению к жесткой рамке 22 и нижнему креплению к солнечной панели. Для достижения надежного крепления целесообразно в качестве клеящего вещества использовать двухкомпонентную эпоксидную смолу. Отражатели фиксируются в штатном открытом положении (под расчетным углом). В случае с развертываемыми концентраторами отражающая пленка может быть сложена в компактном положении под жесткой частью.
Возможно применение и иных средств крепления типа ультразвуковой пайки или лазерной сварки. В любом случае материал рамки и подложки отражающей пленки 21 следует выбирать таким образом, чтобы были соблюдены необходимые для этих операций условия (локальный температурный градиент, адгезионные свойства и пр.).
В третьем варианте, показанном на фиг.5С, натяжение отражающей пленки 31 поддерживается в пределах, соответствующих требуемой ровности, с помощью специальных жестких элементов 30 (по возможности развертываемых/телескопических элементов), например, как описано в документе US 5244508, однако в полностью вытянутом расправленном положении. Края отражающей пленки приклеиваются к солнечной панели. Легкие жесткие элементы или изогнутые дуги обеспечивают необходимое предварительное натяжение посередине ширины пленки. После развертывания описанный механизм фиксируется для сохранения натяжения отражающей пленки в течение длительного срока службы (без ослабления). Сложенная конфигурация, соответствующая этому варианту, показана на фиг.6В. Пленку укладывают на солнечную панель, предварительно сложив ее. Специальный фиксирующий механизм (не показан) предотвращает скольжение пленки по солнечным элементам, так что при отказе развертывания не происходит затенения последних. При необходимости развертывания фиксирующий механизм освобождается, и жесткие элементы (или изогнутые дуги) полностью разворачиваются в вертикальное положение, предпочтительно совместно с операцией развертывания солнечной панели.
Фиг.5D иллюстрирует вариант осуществления с использованием жестких клиновидных отражателей 3, для которых возможность развертывания не предусмотрена. Жесткий отражатель 3 выполняют обычно из CFRP, который является предпочтительным материалом для сотового ячеистого лицевого листа солнечной панели. Типичная толщина отражателя из CFRP-100 микрон, хотя можно предусмотреть и любую другую в пределах от 50 до 200 микрон. Такой отражатель чрезвычайно легок и отличается большой жесткостью. На клиновидные отражатели может быть наклеена отражающая пленка из материала типа Kapton® толщиной 25 микрон. Данный вариант характеризуется высокой жесткостью, хорошей совместимостью материалов и высокой надежностью (ввиду отсутствия развертывания). Вес отражателей здесь несколько больше, чем в ранее описанных конструкциях, однако, учитывая отсутствие механизма развертывания и фиксирующих устройств, общий вес остается вполне удовлетворительным. Он легко может оставаться меньшим, чем вес эквивалентного ряда солнечных элементов.
В показанном на фиг.5Е новом варианте осуществления изобретения используется надувная конструкция 40, обеспечивающая развертывание с получением во время надувания нужной конфигурации отражателя. Имеется возможность оптимизации формы отражателя для получения большей равномерности освещения в случае незначительного отклонения наведения.
Боковые стороны отражателя 31 и 32 могут быть плоскими или искривленными. Оптимизация формы влияет на равномерность освещения и эффективность концентрации в случае незначительного отклонения наведения (часто происходит ошибка слежения за солнцем порядка 2 градусов). При использовании жестких отражателей точную форму получить легче, чем работая с развертываемыми отражателями.
Поскольку при встраивании жестких отражателей толщина солнечной панели увеличивается, в предпочтительном варианте, показанном на фиг.5D, концентрация солнечного излучения получается равной не 2:1, как для описанных выше вариантов, а 1,6:1. Благодаря такому снижению концентрации становится возможным уменьшение аспектного отношения. При ширине рядов солнечных элементов, равной 40 мм, высота отражателя уменьшается до уровня 41% этой ширины (16,4 мм). Для получения коэффициента концентрации 2:1 она была равна 87% (34,7 мм). Угол установки отражателя также согласовывается с такой геометрией (36,3 градуса вместо 30 градусов относительно перпендикуляра к солнечной панели).
При работе без концентратора общая толщина солнечной панели равна, как правило, 20 мм. В соответствии же с данным вариантом осуществления (фиг.5D), общая толщина увеличивается до 36 мм.
Когда солнечные панели находятся в сложенном положении, панель i сложена со следующей панелью (i+1) с образованием между ними свободного пространства, равного обычно 10-15 мм. Общая толщина двух сложенных панелей составляет, например, 50 мм (=20+10+20 мм) для случая с развертываемыми или надувными отражателями (типа отражателей 40, показанных на фиг.5Е). Предусмотрено применение специальных амортизирующих прокладок (не показаны) для сохранения указанного свободного пространства в условиях сильных вибрационных нагрузок (например, при запуске). Благодаря этому предотвращаются соударения между сложенными панелями, которые могли бы привести к поломке солнечных элементов.
Имеется возможность изменять конфигурацию в сложенном положении с учетом увеличения толщины солнечной панели при использовании, главным образом, жестких (неразвертываемых) отражателей. На фиг.6С показана сложенная конфигурация с использованием двух шарнирно соединенных (поз.45) сложенных одна на другую ячеистых панелей SP1 и SP2 с соответствующими чередующимися отражателями 3. Учитывая такое чередующееся расположение отражателей, общая толщина увеличивается лишь на небольшую величину. Если по соображениям безопасности между верхней частью отражателей и примыкающей солнечной панелью будет поддерживаться свободное пространство в 5 мм, то общая толщина двух сложенных панелей будет составлять, например, 61 мм (=20+16+5+20 мм). Для двух сложенных панелей требуется увеличение толщины всего лишь на 11 мм (22%).
Более того, отражатели 3 действуют также в качестве усиливающих деталей солнечной панели. При условии соответствующей модернизации конструктивного исполнения панели (например, уменьшения толщины сотовой ячеистой структуры) общая толщина сложенной панели может остаться еще более близкой к исходному варианту (без концентраторов). Так, например, при уменьшении толщины сотовой ячеистой структуры с 20 до 18 мм общая толщина двух сложенных панелей концентратора по фиг.6С становится равной 57 мм (=18+16+5+18 мм). В этом случае для двух сложенных панелей требуется увеличение толщины всего лишь на 7 мм (14%).
При такой конфигурации отражатели будут обеспечивать более эффективное охлаждение элементов. При уменьшении толщины сотовой ячеистой структуры повышается удельная теплопроводность между задней и передней сторонами солнечной панели. Благодаря меньшей температуре солнечных элементов они будут обеспечивать более эффективное фотоэлектрическое преобразование.
Одним из важных аспектов настоящего изобретения является достижение теплового баланса. Возможно дополнительное повышение эффективности охлаждения благодаря выравниванию температур на передней стороне солнечной панели, то есть на той стороне, которая обращена к солнцу. Поскольку температура элементов выше, чем температура панели за рядами отражателей, можно использовать CFRP с высокой теплопроводностью для переднего листа 5 и/или для заднего листа 6. Удельная теплопроводность стандартного CFRP находится в области около 35 Вт/м·К, тогда как у высокотеплопроводных CFRP она может достигать 370-700 Вт/м·К и они демонстрируют гораздо более высокую жесткость - 490-560 ГПа по сравнению с 93 ГПа для обычного CFRP. Поэтому данный материал оказывается также предпочтительным при необходимости получения более высокой общей жесткости панели. Таким образом также достигается повышение поперечной удельной теплопроводности лицевой поверхности солнечной панели. Можно просто добавить к листу из обычного CFRP слой высокотеплопроводного CFRP, что позволит повысить теплопроводность, а кроме того, это привлекательно с точки зрения сочетаемости их коэффициентов тепловых расширений. Другой способ может заключаться в добавлении нитей с высокой удельной теплопроводностью внутрь или поверх обычного CFRP, сориентированных в среднем перпендикулярно продольной оси рядов солнечных элементов, в результате чего создаются своего рода тепловые мосты между более теплой зоной под элементами и более холодной зоной под отражателями. Такие нити можно либо добавить в CFRP в процессе изготовления, либо позже. В качестве примера можно указать, что благодаря добавлению нитей из меди или другого теплопроводного материала на передней стороне солнечной панели можно повысить эффективность солнечных элементов, как показано на фиг.8, где приведены графики максимальных температур лицевого листа под элементами и под отражателями, вычисленные как функция от общей теплопроводности лицевого листа. Такого улучшения, пусть и незначительного, можно добиться без сколько-нибудь заметного увеличения веса. Например, как видно на фиг.8, использование высокотеплопроводного CFRP позволяет снизить температуру элементов более чем на 5°.
В сложенном положении элементы отражателей укладываются друг на друга на поверхности солнечной панели. Не предусматривается хранение отражателей над солнечными элементами, с тем чтобы обеспечить возможность генерации энергии на первых этапах после запуска или в случае отказа развертывания. Таким образом с помощью данного изобретения решается одна из проблем, существующая в известных конструкциях.
В соответствии со вторым вариантом изобретения, характеризующимся развертываемыми отражателями, предотвращается затенение солнечных элементов (см. фиг.6А). Требуется применение специального фиксирующего механизма (не показан) для предотвращения даже малейшего ослабления пружин, что характерно для известных систем. Вес пленки может быть очень незначительным (как правило, 71 г/м2 для толщины 50 микрон). В варианте, показанном на фиг.6А, самыми тяжелыми частями являются жесткая рамка 22 и механические детали, необходимые для фиксации в сложенном положении, развертывания и окончательной блокировки. Благодаря использованию только одной рамки 22 (фиг.5В) и очень простого механизма развертывания удается получить меньший вес для этого второго варианта. Механизм развертывания может представлять собой пружину без фиксации в сложенном положении, как уже было описано в известной конструкции (WO 00/79593 А1). Однако в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, добавлено фиксирующее устройство. Здесь отражатели уже не являются саморазвертывающимися, для них требуется внешняя сила (предпочтительно связанная с механизмом развертывания солнечной панели), которая позволила бы выполнить разблокировку и начать развертывание. Надежность такого механизма может быть очень высокой, особенно в случае, когда его работа привязана к циклу развертывания панели. Дополнительный вес оказывается очень небольшим, так как используются материалы с низкой плотностью, пригодные для работы в космических условиях, типа алюминия. Основное преимущество при сравнении известными системами состоит в том, что, когда солнечная панель находится в сложенном положении, отражатели не касаются друг друга, что предотвращает появление царапин на отражающем покрытии.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СОЛНЕЧНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР | 2005 |
|
RU2346355C1 |
| УБИРАЕМЫЙ ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ КОНЦЕНТРАТОР ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА (ВАРИАНТЫ) | 1998 |
|
RU2192070C2 |
| РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ | 2007 |
|
RU2336544C1 |
| КОСМИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО И СПОСОБ ЕГО РАЗВЕРТЫВАНИЯ В КОСМОСЕ (ВАРИАНТЫ) | 2009 |
|
RU2424162C2 |
| ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ | 2023 |
|
RU2812093C1 |
| Всенаправленный приёмник-преобразователь лазерного излучения (2 варианта) | 2016 |
|
RU2630190C1 |
| РАЗВЕРТЫВАЕМЫЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ОТРАЖАТЕЛЬ | 2003 |
|
RU2237268C1 |
| Солнечная батарея космического аппарата | 2015 |
|
RU2632677C2 |
| СКЛАДНАЯ РАДИОЧАСТОТНАЯ МЕМБРАННАЯ АНТЕННА | 2017 |
|
RU2748242C2 |
| СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ | 2021 |
|
RU2763386C1 |
Изобретения относятся к системам энергоснабжения, в частности модульным солнечным электрогенераторам космических аппаратов. Модуль предлагаемого генератора содержит по меньшей мере одну панель (1) сотовой ячеистой структуры, имеющую передний лицевой лист, задний лицевой лист и расположенную между ними сотовую ячеистую решетку. На переднем листе установлены чередующиеся ряды солнечных элементов (2) и клиновидные отражатели (3). Последние м.б. развертываемыми (наприм., из тонкой пленки, натягиваемой на жесткую рамку) и не перекрывающими в сложенном положении солнечных элементов (2). В одном из вариантов модуль генератора может содержать дополнительную решетку сотовой ячеистой структуры, прикрепленную к заднему лицевому листу. По меньшей мере один из лицевых листов панели выполнен из полимера, содержащего нити с высокой удельной теплопроводностью, ориентированные в среднем перпендикулярно продольной оси рядов солнечных элементов (2). В состав модуля могут входить по меньшей мере две шарнирно соединенные, складываемые по оси шарнира ячеистые сотовые панели, отражатели (3) которых (наприм., неразвертываемые) в сложенном положении чередуются без контакта друг с другом. Конструкция панели сохраняет равномерность распределения потока солнечного излучения на все элементы модуля генератора при небольших отклонениях его наведения на Солнце. На отражатели м.б. нанесен вакуумным напылением слой алюминия или, еще лучше, серебряное покрытие с дополнительной защитой. Технический результат изобретений состоит в повышении компактности, прочности и жесткости панели солнечного генератора, уменьшении массы пассивной конструкции, в улучшении теплоотвода от рабочих элементов панели. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.
| US 3232795 A, 01.02.1966 | |||
| US 5076700 А, 31.12.1991 | |||
| US 5286553 А, 15.02.1994 | |||
| US 5520747 А, 28.05.1996 | |||
| ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ | 1996 |
|
RU2106042C1 |
| US 5288337 А, 22.02.1994. | |||
