Brevet FR2026582A1 — publié le 19700918

L'invention se rapporte à une batterie solaire dans laquelle une cellule solaire éclairée est connectée en parallèle avec une cellule solaire à l'ombre. Dans de nombreuses applications spatiales, la puissance est engendrée 5 par des batteries de cellules solaires à jonction p-n. Chaque cellule individuelle d'une telle batterie comporte un matériau dopé du type H au-dessus de la surface exposée et est pourvue de lignes conductrices formant une grille et d'une borne de connexion électrique. Sur la surface du dessous non exposée de la cellule se trouve situé un matériau dopé de type P. La lumière incidente 10 crée une tension telle que la surface exposée passe à une tension négative et que la surface de dessous devient positive. Si un ensemble de telles cellules est connecté en série pour former une batterie solaire, la surface supérieure de chaque cellule étant connectée à la surface du dessous de la cellule adjacente, un courant se produit et circule de la polarité positive à la polarité 15 négative, c'est-à-dire de la surface du dessous d'une cellule vers la surface du dessus de la cellule adjacente. Cependant, si l'une des cellules est mise hors service, soit en raison d'une malfaçon ou en raison d'une ombre passagère, le flux de courant est interrompu. Ainsi, une cellule mise hors service devient l'équivalent d'une jonction p-n polarisée en sens inverse, empêchant de la 20 sorte le courant de s'établir à travers le reste de la..série des cellules connectées. Dans l'art antérieur, une solution a été tentée pour résoudre ce problème en connectant en parallèle une diode polarisée en sens inverse avec chaque cellule solaire. En pratique, la diode formait une jonction p-n polari-25 sée pour la conduction de sorte que l'on annulait l'effet de la jonction p-n polarisée en sens inverse de la cellule déconnectée. Cependant, en raison de l'utilisation des composants de circuits additionnels, il en résultait un accroissement du coftt et une diminution de la fiabilité. La présente invention pallie ces problèmes et fait usage de la pratique 30 bien connue consistant à prévoir un ensemble de batteries solaires dans un enfin spatial ou dans d'autres applications où des batteries orientées vers le soleil sont éclairées tandis que celles qui se trouvent de l'autre c8té sont à l'ombre. Selon l'invention, chacune des cellules de la batterie solaire obscurcie eu à l'ombre est interconnectée en parallèle, et avec une polarité 35 inverse, avec une cellule correspondante de la batterie solaire située sur le côté éclairé de 1*enfin spatial. Chaque cellule solaire non éclairée fournit ainsi une jonction p-n équivalente polarisée pour le passage du courant qui se trouve en parallèle avec chacune des cellules éclairées. Si une cellule de batterie éclairée se trouve mise hors service, la jonction p-n équivalente 40 polarisée pour le passage du courant de la cellule correspondante sur le cdté 69 44091 2 2026582 non éclairé fournit le passage d'un courant autour de la cellule hors service permettant à la batterie solaire dont la cellule hors service fait partie de pouvoir continuer à fournir du courant. Lorsque l'engin spatial tourne de 180*t les cellules qui ont été éclairées passent dans l'ombre et de la sorte agissent 5 corne des diodes de shuntage pour les cellules maintenant éclairées qui étaient préalablement sur la surface du véhicule spatial orientée à l'ombre. Ainsi, l'invention pallie la nécessité de prévoir une diode séparée pour chaque cellule solaire* La figure 1 représente deux panneaux de connexion portant chacun un 10 ensemble de batteries solaires, les cellules individuelles de toutes les batteries de l'un des panneaux de connexion étant interconnectées en parallèle avec les cellules individuelles correspondantes des batteries solaires sur l'autre panneau de connexion. La figure 2 représente une aile solaire pourvue d'un ensemble de 15 panneaux solaires montés sur les surfaces latérales extérieures et partiellement arrachées pour montrer une connexion reliant des cellules solaires sur différents panneaux, La figure 3 représente un véhicule spatial dont le couvercle supérieur est retiré pour montrer un mode de réalisation différent. 20 La figure 4 représente un ensemble de cellules solaires connectées en \ série peur former une batterie de cellules solaires. La figure 5 montre le circuit équivalent d'une cellule individuelle de la batterie de la figure 4 mise hors circuit, et la figure 6 représente la batterie de cellules solaires de la figure 5 25 dont les cellules individuelles sont connectées en parallèle avec une seconde batterie similaire selon les principes de l'invention et le circuit équivalent ainsi prévu. La figure 4 montre un ensemble de cellules solaires 19, 21, 23 et 25 Connectées en série pour former une batterie solaire 10. Chaque cellule possè-30 de un matériau dopé de type X sur la partie supérieure de sa surfatce exposée 12 qui porte une plage conductrice 14 et des lignes formant une grille 16, ainsi qu'une borne positive connectée à la plage 14. Par exemple, la cellule 19 est pourvue d'une borne positive 18 connectée à sa plage correspondante 14. Chaque dessous de surface de cellule (non représenté) possède un matériau dopé 35 de type P et une borne négative qui s'y trouve fixée. Par exemple, la cellule 19 possède une borne négative 20 passant au-dessous de la surface inférieure de la cellule et s'y trouve fixée comme illustré en pointillés en 21a. La borne 20 fait également partie de l'interconnexion en série entre la cellule 19 et la cellule 21 qui lui est immédiatement adjacente. D'une' façon similaire, 40 les cellules restantes sont pourvues respectivement de bornes 22 et 24 69 44091 3 2026582 interconnectant des cellules voisines. La cellule 25 est pourvue d'une borne négative 26. Les cellules interconnectées en série fournissent une batterie solaire qui, lorsqu'elle est éclairée, fournit une source de tension continue et un courant correspondant circulant de la borne positive 18 en passant par 5 la surface supérieure de chaque cellule, puis les surfaces inférieures et les bernes d*interconnexions 20, 22 et 24, le courant émergeant de la batterie à la borne 26. La figure 5 montre le circuit équivalent de la-batterie représentée à la figure 4 où la cellule 21 a été obscurcie par l'ombre 28. Dans ces condi-10 tiens, la cellule 21 est incapable d'engendrer une tension ou d'assurer la conduction d'un courant. Plus spécialement, la surface supérieure de la cellule 21 est à un potentiel positif tandis que la surface inférieure de la cellule est à un potentiel négatif. Puisque la cellule 21 est une jonction de type p-n, son circuit équivalent est celui d'une diode, illustrée schématique-15 meut en 30. Bn raison de sa connexion entre les bornes 20 et 22, la diode équivalente est polarisée en sens inverse, empêchant de la sorte la circulation du courant à travers la cellule et mettant hors service la batterie entière 10 dont la cellule 21 fait partie. Sur la figure 6, chaque cellule solaire individuelle de la batterie 10 20 est interconnectée, selon l'invention, en parallèle avec une cellule correspondante d'une batterie 32 de configuration similaire. La batterie 32 possède «m ensemble de cellules connectées en série 34, 36, 38 et 40. La cellule 34 possède une borne 42 fixée à sa surface inférieure. Un ensemble de bornes 44, 46 et 48, connectent respectivement les cellules 34, 36, 38 et 40 de la 25 batterie 32 en série. La cellule 40 est pourvue d'une borne 50. La cellule 19 de la batterie 10 est interconnectée en parallèle et en opposition avec la cellule 34 de la batterie 32 par une paire de conducteurs électriques 52 et 54. D'une façon similaire, chacune des cellules restantes 21, 23 et 25 de la batterie 10 est connectée respectivement en parallèle et en opposition avec 30 les cellules 36, 38 et 46 de la batterie 32 par les conducteurs 56, 58 et 60. Pour exposer le fonctionnement des batteries interconnectées telles que décrites ci-dessus, on supposera que la batterie 32 se trouve dans l'ombre comme indiqué par les lignes pointillées 62 et que la batterie 10 est éclairée. Ainsi, une source de tension continue est fournie par la batterie 10 avec un 35 courant dont le sens correspond à la direction allant de haut en bas, comme décrit ci-dessus. La batterie dans l'ombre 32 n'engendre aucun courant puisqu'elle n'est pas éclairée. Ainsi, chacune des cellules correspond à une diode équivalente montée en parallèle avec une cellule éclairée correspondante de la batterie 10. Plus particulièrement, la cellule 34 est représentée schéma-40 tiquoment par le circuit équivalent d'une diode 64, la cellule 36 par la 69 44091 4 2026582 diode 66, la cellule 38 par la diode 68 et la cellule 40 par la diode 70. Le courant ne s'écoule pas à travers la batterie 32 puisque chaque cellule de la batterie 10 engendre une tension d'une polarité telle qu'elle se trouve en opposition avec la diode équivalente connectée en parallèle avec elle dans la 5 batterie 32. Si la cellule 21, par exeaple, devient inopérative ou se trouve hors service de n'importe quelle façon, par exemple en tombant dans une zone d'ombre 28, la cellule devient l'équivalent d'une diode qui est polarisée en sens inverse par le restant de la batterie éclairée 10. Cette diode équivalent 10 te, représentée en 30, provoquerait normalement la coupure de la batterie e solaire 10, comme décrit précédemment. Cependant, selon l'invention, l'équivalence de la cellule connectée en parallèle 36 est une diode 66 polarisée maintenant en sens direct fournissant un passage shunt pour la circulation du courant engendré par les cellules éclairées restantes 19, 23, et 25 de la 15 batterie 10. Le seul inconvénient est qu'une chute de tension de 0,6 volts est requise pour rendre la diode 66 conductrice, chute à laquelle s'ajoute la perte de 0,5 volts à la sortie de la cellule 21 entraînant au total une chute de tension d'1,1 volt. Le courant des cellules 19, 23 et 25 est plus que suffisant pour rendre la diode 66 conductrice. 20 La figure 1 montre une application pratique de la configuration d'une batterie de cellules solaires représentée schématiquement à la figure €. Vn panneau de connexion 72 supporte la batterie solaire 10, dont les cellules individuelles 19, 21, 23 et 25 sont connectées en série à l'aide de connexions à mailles 74, 76, 78 et 80 qui correspondent aux bornes 18, 20, 22 et 24* Les 25 connexions à mailles ne seront pas décrites en détail puisqu'elles sent bien connues dans cet art. Chacune des connexions à mailles se prolonge pour incorporer les batteries de cellules solaires additionnelles 82, 84 et 86 composées d'un ensemble de cellules solaires correspondant aux cellules 19, 21, 23 et 25 de la batterie 10. Les batteries 10, 82, 84 et 86 sont connectées en 30 parallèle par les connexions à mailles dont chaque batterie produit un courant ayant une direction verticale descendante. Ces batteries fournissent un réseau de cellules solaires dont la borne commune 74 est fixée à une barre conductrice 88 fixée au panneau de connexion 72. D'une façon similaire, un second panneau de connexion 90 supporte la batterie de cellules solaires correspondant 35 à la batterie 32 de la figure 6. En outre, les connexions 42, 44, 46 et 48 correspondent aux connexions à mailles de fils 92, 94, 96 et 98. Ces connexions sont prolongées pour interconnecter un ensemble de batteries additionnelles 100, 102 et 104 en parallèle avec la batterie 32. La borne commune 92 des batteries est connectée à une barre conductrice allongée 106 montée sur le 40 panneau de cellules solaires 90* 69 44091 5 2026582 La connexion 74 est pourvue d'une connexion terminale 108 s*étendant complètement à travers le panneau de bornes 72. D'une façon semblable, la connexion 76 est pourvue d'une connexion terminale 110, la connexion 78 d'une connexion terminale 112 et la borne 80 d*une connexion terminale 114. Les 5 batteries montées sur le panneau de cellules solaires 90 sont pourvues de connexions terminales similaires 116, 118, 120 et 122. Pour interconnecter les batteries en parallèle, comme décrit à la figure 6, des conducteurs 124, 126, 128 et 130 sont connectés entre les connexions terminales opposées, cornue représenté. Ainsi, chacune des cellules connectées en série sur le panneau 72 10 est interconnectée en parallèle avec une cellule correspondante sur le panneau 90. Les panneaux de cellules solaires 72 et 90 peuvent former des côtés opposés d'un véhicule spatial ou d'une aile solaire, conte représenté à la figure 2, où une aile solaire, possédant un couvercle supérieur 134, a été 15 indiquée à titra d'exemple en 132. Avec les panneaux 72 et 90, montés corne représenté à la figure 2 et interconnectés conme représenté à la figure 1, les cellules montées sur le panneau de cellules solaires non éclairées 90 procurent des diodes de shuntage pour les cellules correspondantes montées sur le panneau de cellules solaires éclairé 72. On comprendra que si le panneau 132 20 tourne de 180* sur son orbite, les cellules solaires des panneaux respectifs 72 et 90 auront des rôles inversés, les cellules sur le panneau 90 devenant éclairées et les cellules sur le panneau 72 étant à l'ombre. La figure 3 représente un véhicule spatial 136 dont le couvercle supérieur a été retiré pour illustrer un antre mode de réalisation pour l'in-25 terconnexion de panneaux de cellules solaires montés sur les côtés opposés d'un véhicule spatial. Dans la figure 3, les panneaux opposés 72 et 90 sont connectés par um cible 140 fixé sur les faces opposées et intérieures de chaque panneau à la jonction des boîtiers 142. Le câble tourne autour du côté arrière des panneaux 144» 146 et 148 et y est fixé pair des clips 150. Le 30 cSble 140 peut comporter le faisceau de tous les conducteurs d'interconnexion réunis 124, 126, etc... Cette configuration laisse l'intérieur du véhicule spatial libre de supporter les moyens de guidage nécessaires ou les empaquetage d'instrumentations et de commandes. 69 44091 6 2026582 8EVEMBICATI0I3 1*) Réseau solaire comportant au moins deux batteries, chacune étant composée d'un ensemble de cellules solaires à jonction p-n, connectées en série, où l'une des batteries est à l'ombre lorsque l'autre batterie est 5 éclairée, caractérisé par des circuits connectant chaque cellule solaire de l'une des batteries en parallèle et en opposition avec une cellule solaire de l'autre batterie et dans lequel, si une cellule solaire d'une batterie éclairée devient hors service, la cellule solaire de la batterie qui se trouve à l'ombre et connectée en parallèle avec elle agit came une diode polarisée en 10 sens direct en servant de shunt autour de la cellule hors service. 2*) Séseau solaire tel que défini à la revendication 1 dans lequel les batteries sont montées sur les panneaux que forment les parties latérales opposées d'une aile solaire ou d'un véhicule spatial. 3*) Réseau solaire tel que défini aux revendications 1 ou 2 dans 15 lequel lesdits circuits comportent : a) des connexions terminales connectant chacune des cellules solaires en série dans chacune des batteries et b) un ensemble de conducteurs connectés entre les connexions terminales des deux batteries. \