солнечная батарея

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 8001778 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 320С, 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.