Решетка фотогальванических ячеек с механическим разъединением ячеек относительно их опоры - RU2518021C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение касается решетки фотогальванических ячеек с механическим разъединением ячеек решетки относительно их жесткой опорной подложки, при этом такие решетки, как правило, применяют для реализации панелей солнечных генераторов с целью обеспечения питания электрической энергией космических аппаратов, в частности спутников.

На фиг.1 схематично представлен пример реализации известного из уровня техники фотогальванического элемента 1 (называемого также “Covered Interconnected Cell” или “Solar Cell Assembly”), который входит в состав решетки, содержащей от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч таких элементов в зависимости от потребной на орбите мощности. Этот элемент 1 содержит фотогальваническую ячейку 2, закрепленную при помощи адгезивного слоя 3 на жесткой подложке 4, общей для нескольких ячеек.

В решетке этого типа фотогальванические ячейки являются очень хрупкими по причине их небольшой толщины и очень чувствительными к деформациям, которые в настоящее время действуют на них при их приклеивании на жесткую подложку. Действительно, как правило, подложка представляет собой многослойную структуру с внешними углеродными слоями, обладающую ограниченной стабильностью термоупругости: зоны, усиленные только в одном направлении, могут образовывать складки (явление, называемое “Wrinkles”), или внешние слои могут деформироваться с образованием выемок над отверстиями сотовой структуры (явление, называемое “Telegraphing”).

Кроме того, посадка на клей создает проблему возможного ремонта ячеек, который является трудоемким, поскольку следует очень осторожно удалять изоляционный материал, например, такой как Kapton®, нанесенный на подложку. Операция снятия ячейки с ее подложки может занять примерно целый рабочий день.

Приклеивание ячеек на подложку может привести к деформации ячеек. Один из способов механического разъединения ячейки с подложкой состоит в увеличении толщины слоя клея, но это приводит к значительному увеличению общей массы и к опасности неконтролируемого выделения газов из клея и даже к взрыву ячейки (явление, называемое “Pop-off”).

Мягкие системы крепления ячеек (типа «сетки», «тонкой пленки»,…) создают проблему существенного технологического разрыва архитектуры солнечных генераторов, а также проблемы, влияющие на систему AOCS (“Attitude on Orbit Control System” - система ориентации и орбитального маневрирования) управления спутником-носителем, когда крепление ячеек осуществляют на мягких крыльях.

Идея крепления ячейки на опорной подложке с возможностью механического разъединения без учета термического аспекта не годится, так как механическое разъединение приводит к потере проводящей связи и должно быть заменено радиационной связью. В случае потери термической связи "ячейка-подложка" подложка будет нагреваться и терять значительную часть своей эффективности.

Объектом настоящего изобретения является решетка элементов из фотогальванических ячеек с жесткой опорной подложкой, представляющая механическое разъединение между каждой ячейкой этой решетки и опорной подложкой, обеспечивая между ними хорошую теплопроводность, при этом указанную решетку используют, в частности, в качестве солнечного генератора для питания электрической энергией спутников.

Фотогальваническая решетка в соответствии с настоящим изобретением отличается тем, что каждый фотогальванический элемент решетки крепят на подложке при помощи мягкого самоклеящегося и легко отсоединяемого устройства крепления, при этом задняя сторона каждой ячейки и передняя сторона подложки содержат слой, улучшающий их свойства теплового излучения.

Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего подробного описания варианта осуществления, представленного в качестве не ограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 (уже упомянутая выше) - схематичный вид в разрезе элемента фотогальванической решетки солнечной панели согласно известному уровню техники;

Фиг.2 - схематичный вид в разрезе элемента фотогальванической решетки солнечной панели в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.3 - вид в проекции четырех смежных ячеек фотогальванической решетки солнечной панели в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.4 - более детальный, чем на фиг.2, схематичный вид в разрезе элемента фотогальванической решетки солнечной панели.

Изобретением предлагается решение для уменьшения механической связи фотогальванической решетки солнечного генератора по отношению к ее опорной подложке. Действительно, фотогальваническая ячейка является очень тонкой (толщина составляет всего несколько десятков микрон) и очень хрупкой. Когда ее приклеивают к подложке, она подвергается геометрическим деформациям, которые вызваны вибрациями и особенно термоупругими явлениями и могут привести даже к поломке ячеек. Идея состоит в креплении ячейки посредством мягкой системы, позволяющей разъединять ячейку с деформированными частями подложки и одновременно обеспечивать достаточную радиационную связь ячейки с подложкой, чтобы избегать ее нагрева в полете и потери ее эффективности. Решение состоит в использовании фотогальванических ячеек с задней стороной, обладающей высокой излучающей способностью (использование на ней сетки или покрытие каптоном подложки Ge или Ag), которую укладывают на подложку при помощи Velcro.

Фотогальванический элемент 5, схематично показанный на фиг.2, содержит фотогальваническую ячейку 6, закрепленную на соответствующей зоне подложки 7 (общей для нескольких ячеек) при помощи соединительных 8 пластинок из Velcro® или мягких самоклеящихся и легко отсоединяемых аналогичных устройств крепления. Более детальное выполнение этих различных элементов описано ниже со ссылками на фиг.3 и 4. Заднюю сторону 7А подложки 7 обрабатывают известным методом, а ее передняя сторона остается покрытой изолирующей пленкой типа Kapton разновидности, обладающей высокой излучающей способностью, чтобы обеспечить хорошую радиационную теплопроводность в сторону опоры (не показана), на которой крепят эту подложку. Коэффициент теплового излучения ε, получаемый благодаря этой пленке, составляет, например, 0,6-0,9.

На фиг.3 в верхней проекции показаны четыре прямоугольных смежных ячейки 9-12, входящие в состав фотогальванической солнечной панели (ее остальные ячейки не показаны). Каждую из ячеек 9-12 крепят на опорной подложке методом, описанным ниже, при помощи четырех пластинок 8 из Velcro, каждую из которых располагают под одним из углов ячейки. Ячейки одного столбца соединяют между собой при помощи внутренних электрических соединений 13.

На фиг.4 детально показаны различные компоненты фотогальванического элемента 5, показанного на фиг.2. Сама фотогальваническая ячейка 6 является, например, классического типа Si или AsGa. Ее заднюю сторону (находящуюся напротив ее опоры) покрывают пленкой 14 из самоклеющегося материала Kapton^TM, например, толщиной примерно 50 мкм. Как вариант это покрытие может быть слоем металлизации, например слоем серебра. Коэффициент теплового излучения ε Kapton составляет примерно 0,61, тогда как у серебра он примерно равен 0,05. Предпочтительно используют каптон, так как он дешевле, чем металлизация, хотя с термической точки зрения он менее эффективен, к тому же это позволяет не менять процесс изготовления ячеек, существующих на рынке.

Сторона подложки 7, напротив ячейки 6, является углеродным слоем 15, на который нанесен слой 16 Kapton, при этом, как правило, подложка 7 представляет собой «сотовую структуру» для повышенной теплопроводности между ее передней стороной и ее задней стороной.

Части 8А пластинок из Velcro, неподвижно соединенные с ячейкой 6, закреплены на ее слое 14 при помощи клея, а соответствующие части 8В пластинок из Velcro, неподвижно соединенные с подложкой 7, закреплены при помощи клея на слое 16 подложки, при этом Velcro предпочтительно является самоклеющимся.

Таким образом, благодаря изобретению, радиационная термическая связь между фотогальваническими ячейками и подложкой обеспечена за счет использования существующих фотогальванических ячеек и нанесения на заднюю сторону пленки Kapton. Кроме того, использование ячеек с зоной локального приклеивания сзади вместо приклеивания на всей поверхности позволяет получить на задней стороне ячейки такую же (хорошую) излучательную способность, как и на передней стороне ячейки.

Реферат

Использование: для реализации панелей солнечных генераторов с целью обеспечения питания электрической энергией космических аппаратов, в частности спутников. Сущность изобретения заключается в том, что каждый фотогальванический элемент решетки крепят на подложке при помощи мягкого самоклеящегося и легко отсоединяемого устройства крепления, при этом заднюю сторону каждой ячейки и переднюю сторону подложки покрывают слоем, улучшающим их свойства теплового излучения. Технический результат: уменьшение механической связи фотогальванической решетки солнечного генератора по отношению к ее опорной подложке с одновременным обеспечением достаточной радиационной связи ячейки с подложкой, чтобы избегать ее нагрева в полете и потери ее эффективности. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула