СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ Российский патент 2007 года по МПК H01L31/42 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию, и предназначено преимущественно для космического применения.

Известна солнечная батарея (а.с. СССР №1614717, опубл. в БИ №9, 2003 г.) на способ изготовления гибких модулей СБ, из описания которой следует, что гибкие модули предназначены для использования в СБ, выполненных в модульном варианте, с несущей (опорной) поверхностью в виде гибкой сетчатой мембраны, закрепленной на раме СБ. Модуль состоит из солнечных элементов (СЭ), последовательно соединенных с помощью металлических коммутационных шин. Изгибы-компенсаторы в шинах расположены в промежутках между СЭ. Один край цельной шины, расположенной между двумя смежными СЭ, соединен с лицевым контактом СЭ, а другой край этой же шины - с тыльным контактом другого СЭ. Проволочные шины выполняют параллельное соединение шин. На лицевую и тыльные стороны каждого СЭ установлены защитные стеклянные пластины.

Основными недостатками конструкции этой СБ являются:

- сложная технология сборки модуля, обусловленная прежде всего проблемой позиционирования стеклянных пластин относительно краев скоммутированных СЭ и необходимостью создания сложных приспособлений в виде многоместных кассет;

- низкая ремонтопригодность, особенно при замене поврежденного или некачественного СЭ после приклейки стеклянных пластин;

- удаление поврежденного или некачественного СЭ из состава модуля связано со сложным, исключительно ручным, процессом как демонтажа стеклянных пластин и коммутации на смежных СЭ, так и последующей заменой их на новые пластины и восстановление коммутации.

Признаки, общие СБ по а.с. №1614717 и предлагаемой батареи, следующие:

- использование каркаса в виде рамы;

- использование оптически прозрачных (стеклянных) защитных пластин с лица СЭ.

Известна также СБ (патент №2234166, опубл. 10.08.04), принятая за прототип. В соответствии с описанием вышеуказанного изобретения СБ состоит из рамы с натянутой гибкой сетчатой мембраной (сетеполотном), на которой установлены гибкие модули СЭ, скоммутированных между собой с помощью металлических шин и покрытых с лицевой и тыльной сторон защитными стеклянными пластинами. Причем на тыльной стороне модуля на краях стеклянных пластин, покрывающих смежные, последовательно соединенные солнечные элементы, преимущественно Ga-As/Ge-системы, установлены платы из пленочного фольгированного диэлектрика с несколькими, по крайней мере двумя, отверстиями, расположенными над промежутками между СЭ, и через отверстия в платах пропущены свободные концы разнополярных шин от контактов смежных СЭ и эти концы шин скоммутированы с металлизированым слоем платы, а диэлектрический слой платы соединен со стеклянными пластинами.

Данная конструкция имеет следующие недостатки:

- повышенная масса, обусловленная использованием сетеполотна;

- повышенная масса, обусловленная тем, что для обеспечения прочности соединения платы с тыльными пластинами необходима значительная площадь их клеевого соединения;

- повышенная механическая уязвимость (хрупкость) тыльной стеклянной пластины;

- отсутствие дистанцирующих элементов между соседними цепями СЭ, что требует увеличенных зазоров и, как следствие, потери полезной площади и мощности; параллельные цепи токопроводными шинами.

- каждая цепь СЭ не является самокомпенсированной по магнитному моменту и требуются дополнительные схемные решения в составе всей СБ;

- в СБ отсутствуют элементы шунтирования для защиты от затенений и трещин СЭ.

Признаки прототипа, общие с признаками предлагаемой солнечной батареи, следующие:

- каркас в виде трубчатой плоской рамы с регуляро расположенными ячейками и с установленными на нем модулями;

- на каждый солнечный элемент наклеены с лицевой стороны оптически прозрачная пластина и с тыльной стороны защитная пластина;

- солнечные элементы в составе модуля объединены в последовательные и параллельные цепи токопроводными шинами.

Технический результат, достигаемый в предлагаемой конструкции СБ, складывается из:

- снижения массы;

- повышения стойкости к механическим внешним воздействиям;

- повышения мощности;

- формирования последовательных цепей СЭ, имеющих магнитный момент, близкий к нулю;

- конструктивно и технологически простой организации цепи шунтирования;

- упрощения технологически простой организации сборки и ремонта СБ;

- возможности изготовления СБ с применением тонких СЭ на основе GaAs/Ge с минимальными технологическими потерями.

Достигается вышеуказанный технический результат тем, что в солнечной батарее, содержащей каркас в виде плоской трубчатой рамы с регулярно расположенными ячейками и с установленными в размер ячейки модулями, состоящими из солнечных элементов с наклеенными на каждый из них с лицевой стороны оптически прозрачной защитной пластиной и защитной пластиной с тыльной стороны, кроме того, солнечные элементы в составе модулей объединены в последовательные или параллельные цепи токопроводными шинами, на каркас с лицевой стороны натянуты струны из упругого материала, регулярно расположенные в соответствии с габаритами солнечных элементов, а защитные пластины, установленные с тыльной стороны, выполнены из радиационно-стойкого фольгированного материала в виде плат, в меллизирующем слое которых сформированы токопроводные площадки и дорожки, при этом каждый солнечный элемент имеет гальванически соединенные с ним токовыводы, выполненные в виде шин из токопроводного материала, которые гальванически соединены с токопроводными площадками плат. Кроме того, токопроводные шины, объединяющие солнечные элементы в составе модуля в последовательные или параллельные цепи, гальванически соединяют токопроводные площадки плат смежных солнечных элементов, причем последовательно установленные солнечные элементы в модуле механически соединены между собой продольными упругими элементами, приклеенными к тыльным пластинам и установленными между собой на расстоянии, равном расстоянию между параллельными им струнами, а солнечные элементы, установленные в модуле в параллельных цепях, соединены между собой с возможностью образования минимальных зазоров плоскими упругими скрепками, приклееными к тыльным пластинам смежных солнечных элементов, модуль же крепится к струнам нитями или проволокой путем привязки или примотки продольных упругих элементов к пересечению струн.

Кроме того, в предлагаемой СБ солнечные элементы могут быть выполнены с интегральными диодами, а на тыльных защитных пластинах (платах) дополнительно сформированы токопроводные площадки и дорожки, гальванически соединенные при помощи токопроводных токовыводов с интегральными диодами и при помощи токопроводных шин со смежными солнечными элементами, образуя шунтирующую цепь диодов, электрически параллельную цепи шунтирующих солнечных элементов.

Также в предлагаемой СБ продольные упругие элементы могут быть выполнены из упругих проводов, расположенных симметрично относительно соответствующей продольной цепи солнечных элементов, гальванически соединенных в электрическую цепь с концевыми солнечными элементами с одной стороны модуля, то есть с плюсом или минусом.

Отличительные признаки, обуславливающие соответствие предлагаемой СБ критерию "новизна", следующие:

- применение изоляционного радиационно-стойкого фольгированного материала в качестве тыльной защитной пластины;

- использование тыльной защитной пластины в качестве платы для обеспечения требуемой схемы коммутации СЭ в СБ;

- формирование на тыльных пластинах (платах) цепи шунтирования СЭ для защиты СБ от влияния затенений и повреждений СЭ;

- применение упругих скрепок и упругих элементов;

- изготовление упругих элементов из проводов с целью их использования для передачи генерируемого тока с одновременной компенсацией магнитного момента;

- соединение токовыводов СЭ с защитной тыльной пластиной (платой) и межэлементная коммутация отдельной шиной.

Вышеперечисленные признаки позволили обеспечить установку модулей на несущих струнах взамен сетеполотна и добиться нового весового качества, а также применить СЭ на основе GaAs/Ge, добившись нового качества по удельно-энергетическим параметрам.

Для обоснования соответствия предлагаемой конструкции СБ критерию "изобретательский уровень" был проведен анализ известных решений по литературным источникам. Отличительных признаков заявляемого решения в литературных источниках не обнаружено. Поэтому, по мнению авторов, предлагаемая конструкция СБ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и техническим результатом следующая:

- снижение массы произошло за счет замены сетеполотна на несущие струны, совмещения функций тыльной защитной пластины и платы в одном элементе;

- повышение стойкости к механическим внешним воздействиям за счет замены хрупкой стеклянной пластины на тыле СЭ на нехрупкий фольгированный материал (например, текстолит), а также за счет организации шунтирующей цепи интегральных диодов;

- повышение мощности за счет уменьшения зазоров;

- минимизация магнитного момента за счет использования упругих элементов в качестве обратных проводов;

- простота организации цепи шунтирования за счет формирования на платах токопроводных площадок и дорожек, позволяющих конструктивно просто включить интегральные диоды СЭ в общую цепь шунтирования;

- упрощение технологии сборки и ремонта СБ за счет гальванического соединения токовыводов СЭ на собственную тыльную защитную пластину упростило технологию сборки СБ и ее ремонт, связанный с необходимостью замены поврежденных СЭ;

- возможность отдельного изготовления сборочной единицы в составе: СЭ с токоотводами и защитных пластин, позволяет использовать СЭ на основе GaAs/Ge, требующего по условиям сварки тонких токовыводов, при этом для обеспечения стойкости СБ к механическим нагрузкам на участке выведения на орбиту имеется возможность коммутацию смежных СЭ производить шинами с компенсационным изгибом требуемой для этого толщины.

Конструкция предлагаемой СБ изображена на фиг.1, 2, 3. Предлагаемая СБ состоит из рамного каркаса 1 в виде плоских панелей 2 с регулярно расположенными ячейками 3 с натянутыми регулярно в соответствии с габаритами примененных солнечных элементов 4 струнами 5 и с установленными в размер ячейки 3 модулями 6, состоящими из солнечных элементов 4 с интегральными диодами 7 с токовыводами 8 из тонкого токопроводящего материала, защищенных с лицевой стороны оптически прозрачными пластинами 9 в размер СЭ 4, а с тыльной стороны - пластинами из радиационно-стойкого фольгированного материала в виде плат 10, выполненных также в размер СЭ 4. На платах 10 из фольгирующего слоя сформированы токопроводящие площадки 11 и 19 и дорожки 12 и 13, обеспечивающие необходимую схему коммутации модулей в общую электрическую сеть СБ.

Токовыводы 8 СЭ 4 гальванически (сварка или пайка) соединены с соответствующими площадками 13 плат 10. Соединение СЭ 4 в электрическую последовательную или параллельную, или последовательно-параллельную цепь осуществимо при помощи токопроводных шин или проводов 14 с компенсационным зигом 15, гальванически соединенным с токопроводными площадками 13 смежных плат 10. Для взаимного позиционирования и обеспечения максимально возможных зазоров между СЭ 4 в соседних последовательных цепях между ними путем приклейки устанавливаются тонкие упругие скрепки 16. Для механической интеграции СЭ 4 в составе модуля 6 и для крепления модуля 6 к несущим струнам 5 каркаса 1 к платам 10 приклеиваются упругие элементы 17, за которые модули 6 при помощи нитей 18 или проволоки пришиваются к перекрестиям струн 5. Упругие элементы 17 могут быть выполнены из проводов, обладающих достаточной упругостью. В этом случае они могут быть использованы для передачи генерируемого тока по обратной цепи. Если оба провода расположены симметрично относительно солнечных элементов 4 в последовательной цепи, происходит практически полная компенсация магнитного момента соответствующей цепи.

На платах 10 могут быть сформированы токопроводные площадки 19 и дорожки 13 для обеспечения коммутации в цепь шунтирующих интегральных диодов 7, обладающих высокой стойкостью к механическим повреждениям при минимальных весовых потерях.

Пример конкретного выполнения СБ

Каркас 1 может быть выполнен в виде рамки из углепластиковых труб с натянутыми струнами 5 из аримидных нитей. Используются арсенид-галиевые СЭ 4 производства фирмы RWE Space Solar Power GmbH (Германия) типа GAGET2-ID2L с интегральными диодами 7. К ним приварены токовыводы 8 из шин толщиной 16 мкм. Лицевые защитные пластины 9 выполнены из стекла К-208, а тыльные пластины - из фольгированного материала МИ 1222.8-1-35-02, 1 кл. ТУ 2296-005-00213060-96, из того же материала выполнены скрепки 16. Продольные упругие элементы выполнены из проводов в полиимидной изоляции МС26-15. Пришивка модуля 6 к струнам 5 выполнена аримидными нитями 18.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию, и предназначено преимущественно для космического применения. Технический результат изобретения: снижение массы, повышение механической стойкости в эксплуатации, повышение мощности, конструктивное и техническое упрощение при изготовлении и ремонте, снижение трудоемкости изготовления, формирование последовательных цепей СЭ, имеющих магнитный момент, близкий к нулю, обеспечение возможности изготовления солнечных элементов на основе GaAs/Ge/ с минимальными технологическими потерями. Сущность: солнечная батарея, содержащая каркас в виде плоской трубчатой рамы с регулярно расположенными ячейками и с установленными в ячейках модулями, состоящими из солнечных элементов, которые имеют с лицевой стороны оптически прозрачную защитную пластину, а с тыльной - защитную пластину. Солнечные элементы в составе модуля объединены в последовательные или параллельные цепи токопроводными шинами. На каркас с лицевой стороны натянуты струны. Защитные пластины, установленные с тыльной стороны, выполнены из радиационно-стойкого фольгированного материала в виде плат, в металлизирующем слое которых сформированы токопроводные площадки и дорожки. Каждый солнечный элемент имеет токовыводы, выполнение в виде шин, которые соединены с токопроводными площадками плат. Токопроводные шины, объединяющие солнечные элементы, соединяют токопрводные площадки плат смежных солнечных элементов, причем последовательно установленные солнечные элементы в модуле механически соединены между собой продольными упругими элементами, приклеенными к тыльным пластинам и установленными между собой на расстоянии, равном расстоянию между параллельными им струнами, а солнечные элементы, установленные в модуле в параллельных цепях, соединены между собой с возможностью образования минимальных зазоров плоскими упругими скрепками. Модуль же крепится к струнам нитями или проволокой. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Солнечная батарея, содержащая каркас в виде плоской трубчатой рамы с регулярно расположенными ячейками и с установленными в размер ячейки модулями, состоящими из солнечных элементов с наклеенными на каждый из них с лицевой стороны оптически прозрачной защитной пластиной и защитной пластиной с тыльной стороны, причем солнечные элементы в составе модуля объединены в последовательные или параллельные цепи токопроводными шинами, отличающаяся тем, что на каркас с лицевой стороны натянуты струны из упругого материала, регулярно расположенные в соответствии с габаритами солнечных элементов, а защитные пластины, установленные с тыльной стороны, выполнены из радиационно-стойкого фольгированного материала в виде плат, в металлизирующем слое которых сформированы токопроводные площадки и дорожки, при этом каждый солнечный элемент имеет гальванически соединенные с ним токовыводы, выполненные в виде шин из токопроводного материала, которые гальванически соединены с токопроводными площадками плат, кроме того, токопроводные шины, объединяющие солнечные элементы в составе модуля в последовательные или параллельные цепи, гальванически соединяют токопроводные площадки плат смежных солнечных элементов, причем последовательно установленные солнечные элементы в модуле механически соединены между собой продольными упругими элементами, приклеенными к тыльным пластинам и установленными между собой на расстоянии, равном расстоянию между параллельными им струнами, а солнечные элементы, установленные в модуле в параллельных цепях, соединены между собой с возможностью образования минимальных зазоров плоскими упругими скрепками, приклеенными к тыльным пластинам смежных солнечных элементов, модуль же крепится к струнам нитями или проволокой путем привязки или примотки продольных упругих элементов к пересечению струн.2. Солнечная батарея по п.1, отличающаяся тем, что солнечные элементы выполнены с интегральными диодами, а на тыльных защитных пластинах (платах) дополнительно сформированы токопроводные площадки и дорожки, гальванически соединенные при помощи токопроводных токовыводов с интегральными диодами и при помощи токопроводных шин со смежными солнечными элементами, образуя шунтирующую цепь диодов, электрически параллельную цепи шунтирующих солнечных элементов.3. Солнечная батарея по п.1, отличающаяся тем, что продольные упругие элементы выполнены из упругих проводов, расположенных симметрично относительно соответствующей продольной цепи солнечных элементов, гальванически соединенных в электрическую цепь с концевыми солнечными элементами с одной стороны модуля, то есть с плюсом или с минусом.