Brevet FR2137146A1 — publié le 19721229

Les cellules solaires, qu'elles soient du type photopiles ou cellules à couche d'arrêt ou encore cellules photovoltaques, se présentent habituellement sous la forme d'éléments extrtmement plats, fixés sur un support ou substrat qui en assure le groupement en panneaux tout en en permettant leurs connexions électriques aisées, par exemple par circuit imprim6. De tels panneaux solaires peuvent avoir de nombreuses applications parmi lesquelles celle qui paratt actuellement la plus importante semble être la constitution de batteries solaires destinées à la production d'énergie électrique à bord des satellites et des engins spatiaux en général. Toutefois, on connatt les difficultés rencontrées pour rendre compacts de tels panneaux avant leur déploiement du fait que les surfaces exposées peuvent être considérables et que la fragilité des éléments sensibles des cellules rend pratiquement impossible l'utilisation de la plupart des moyens d'emmagasinage connus actuellement. Dans la pratique les solutions proposées consistent soit à rouler un panneau lorsque celui-ci a été réalisé avec un substrat souple, soit à replier des panneaux élémentaires lorsque ceux-ci ont été réalisés à partir de substrats rigides. Dans le premier cas, le substrat utilisé peut être, par exemple, une feuille souple possédant les propriétés plastiques requises, conne il est indiqué dans le brevet français nO 1.180.449 du ler Aott 1957, et dans le deuxième cas, le substrat rigide utilisé peut être une structure en "nid d'abeilles" d'aluminium comme indiqué, par exemple, dans le brevet français n" 1.423.414 du 25 Janvier 1965. Lorsqu'on désire adapter de tels panneaux solaires aux conditions d'utilisation sur satellite, par exemple, et que l'on connatt le niveau d'ambiance existant en orbite et avant ou pendant le lancement de l'engin porte-satellite, on sait qu'il est nécessaire de prévoir alors des systèmes de protection des cellules ; ces systèmes de protection sont actuellement basés sur l'emploi de matériaux plastiques soit sous forme~de matelas élastique indépendant enroulé entre les couches successives, soit sous forme de bandes ou boutons élastiques fixés sur la face arrière du substrat. ne tels types de protection présentent toutefois divers inconvénients. Le matelas d'interposition élastique doit en effet être stocké, lors du déploiement du panneau, sur un tambour annexe, d'où un accroissement de poids ains * utune source de complication mécanique pour assurer la synchronisation de l'enroulement ou du déroulement dudit matelas avec la rentrée ou la sortie du panneau. De mAeme, si un tel matelas protège les cellules contre les vibrations, accélérations et chocs perpendiculaires à l'axe du cylindre d'enroulement, il n'est d'aucun secours contre les efforts perturbateurs parallèles à l'axe du cylindre d'enroulement ou tangentiels à sa surface, puisque les couches de protection ont tendance à se dSplacer par rapport aux couches du substrat souple qui, elles-mêmes, ont tendance à se déformer dans les régions intercellulaires. De tels déformations et déplacementB entraînent en général des dégradations des cellules et des interconnexions entre celles-ci. D'autre part, le système de protection élastique par matelas ou boutons ou bandes collées sur la face arrière du substrat expose le matériau de protection aux mimes conditions thermiques extrêmes que le substrat lorsque celui-ci est déployé sur orbite et une telle ambiance peut faire perdre audit matériau, momentanément ou dSfinitivement, ses qualités plastiques, donc sa fonction protectrice lors d'un reploiement postérieur du panneau. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients précités, que l'on ait affaire à des panneaux solaires souples, déroulables, ou à des panneaux solaires rigides repliables. Selon l'invention, les panneaux solaires, qu'ils se présentent sous la forme de substrat souple ou rigide à élasticité transversale, comportent en alternance dans leur structure des éléments souples plans et ondulés, les éléments ondulés étant associés de telle sorte que les ondulations se présentent parallèlement à l'axe d'enroulement dans le cas de substrat souple et que les ondulations se présentent perpendiculairement entre elles dans le cas de substrat rigide. Les substrats ainsi agencés ont une élasticité transversale telle que la face arrière en contact avec les cellules est très amortissante vis-à-vis de ces dernières en présentant le minimum de risque de détérioration des surfaces sensibles. De plus, le matériau d'amortissement est de même nature que le substrat lui-meme, ce qui évite les différences de dénaturation des matériaux précédemment mentionnés. La description qui va suivre en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs permettra de bien comprendre comment l'invention peut être mise en pratique6 La figure 1 est une vue schématique en coupe partielle montrant un panneau repliable à substrat rigide avec éléments plan et ondulés croisés conformes à l'inventione La figure 2 est une coupe schématique d'un panneau solaire déroulable à substrat souple conforme à l'invention. La figure 3 est une vue schématique partielle en perspective du substrat selon la figure 2. La figure 4 est une vue schématique partielle en perspective des éléments du substrat selon la figure 1. La figure 5 est une vue schématique partielle en perspective montrant à plus grande échelle, les éléments du substrat recevant les cellules. La figure 6 montre en perspective partielle un ensemble de panneaux solaires déroulables montés sur satellite. Selon les formes de réalisation préférées de l'invention, les éléments du substrat souple ou rigide à élasticité transversale recevant les cellules sont choisis de préférence en kapton, qui est la marque de polyimide déposée par la Société DUPONT DE AMOURS et le mode de formage des ondes est avantageusement celui exposé dans la demande de brevet français déposée par la demanderesse le 22 Janvier 1971 sous le n0 71/02076. Dans la forme de réalisation particulière d'un substrat souple élastique à un seul élément ondulé, comme représenté sur les figures 2 et 3, l'élément ondulé 1 est fixé à l'élément plan 2 par un moyen d'assemblage usuel tel que collage 3 par exemple et les cellules 4 sont fixées sur la partie externe de L'élément plan 2 par tout moyen approprié bien connu dans la technologie de l'électronique. Un moyen de fixation commode représenté sur la figure 5, permettant de réaliser en même temps les interconnexions électriques, peut être emprunté à la technologie des circuits imprimés si l'on a métallisé convenablement certaines parties de l'élément plan 2 (Polyimide cuivré, par exemple) et si l'on a prévu des moyens de fixation tels que des languettes flexibles conductrices représentées symboliquement et repérées 5 sur cette meme figure 5. Dans la forme de réalisation particulière d'un substrat rigide à élasticité transversale à deux éléments ondulés croisés comme cela est représenté sur les figures 1 et 4, l'élément ondulé 1 est encore fixé à l'élément plan 2 par un moyen d'assemblage usuel tel que collage 3 par exemple, tandis qu'un deuxième élément 6 également ondulé par le moyen avantageusement indiqué par la demanderesse, est fixé sur l'élément ondulé 1 à l'aide de points de fixation 7 tels que collage par exemple. Selon cette forme de réalisation, les moyens de fixation des cellules peuvent, bien entendu, être cieux déjà décrits dans la forme de réalisation précédente. Un mode de fabrication de substrats rigides conduisant directement à la réalisation de panneaux élémentaires repliables tel que cela est représenté sur la figure 1, peut être cozinodé- ment réalisé à partir d'un élément spécial ondulé 10 analogue à l'élément ondulé 6 de la figure 4, dans lequel des parties réservées sont restées planes de maniere à constituer, après liaison par collage par exemple dans les régions 9, des zones d'articu latipn 8 pour le pliage du substrat. Bien entendu, sur de tels panneaux, les cellules 4 peuvent être fixées de manière habituelle sur ltélément plan 2 et notamment par le procédé exposé à l'appui de la figure 5. I1 est évident que l'invention se rapporte à la réalisation de substrats élastiques rigides ou souples à éléments plans et ondulés et que le mode d'application de tels substrats peut être quelconque, notamment dans la recherche des moyens d'articulation de panneaux élémentaires rigides entre eux. Selon une application préférée qui est faite de tels substrats souples selon l'invention dans le domaine des satellites et qui est représentée schématiquement sur les figures 2 et 6, lesdits substrats souples qui comportent les éléments 1 et 2 collés entre eux et les cellules 4 convenablement connectées électriquement entre elles sont enroulés sur des tambours tournants Il solidaires du satellite 14 tandis que des moyens de déploiement bien connus constitués par des mâts rétractables 12 et d'extrémité 13 assurent la rigidité longitudinale de 1 'ensem- ble de ces panneaux. il est aisé de constater sur ces figures 2 et 6 que les substrats souples présentent une grande souplesse dans le sens d'enroulement et une grande rigidité dans une direction parallèle à 1'axe du tambour, ce qui permet au substrat stocké en position enroulée ,donc aux cellules 4,de supporter sans dommage les charges parallèles à 1 'axe du tambour avant et pendant le lancement du satellite.De plus, un tel substrat amène un amortissement important des mouvements relatifs des différentes couches du support enroulé sous l'effet, d'une part, des charges perpendiculaires à l'axe du tambour avant et pendant le lancement du satellite et d'autre part de la tension T exercée à l'extrémité du support enroulé au cours des opérations de déroulement et d'enroulement. Des considérations semblables seraient également valables pour le substrat rigide utilisé dans des conditions analoglP; Bien entendu, le nombre des éléments souples plans et ondulés associés selon l'invention peut être quelconque dans la mesure où les éléments souples ondulés, associés entre eux dans le sens de leurs ondes, conduisent à des substrats élastiques souples tandis que les éléments souples ondulés, associés entre eux dans le sens perpendiculaire de leurs ondes ou croisés sui vant un angle donné,conduisent A des substrats élastiques rigides. Diane manière générale, les cellules 4 peuvent posséder toutes dimensions, formes et dispositions convenables. De mime, les panneaux élémentaires selon la figure 1 peuvent être enroulés sur un tambour à faces potygonales et la nature des matériaux utilisés pour les éléments plans et ondulés ainsi que le mode de formage des ondulations de ces éléments peuvent 8trie quelconques. Il va de souque, sans sortir du cadre de l'invention, on pourra apporter des modifications aux formes d'exécution qui viennent d'être décrites. - REVENDICATIONS 1. Substrat à élasticité transversale pour cellules solaires, caractérisé par 11 association d'éléments souples plans et ondulés fixés entre eux 2. Substrat souple enroulable selon la revendica tion;,caractériaé par le fait que les ondulations des éléments souples ondulés sont disposées dans le mAeme sens que l'axe dten- roulement. 3. Substrat rigide selon a revendication 1, caracté- risé par le fait que les ondulations des éléments souples ondulés ibrit disposées perpendiculairement entre elles ou croisées suivant un angle prédéterminé. 4. Substrat rigide selon la revendication 3, constitué d'un élément plan et de deux. éléments ondulés croisés, caractérisé en ce que l'élément ondulé externe est aplati et réuni localement à l'élément plan de manière à constituer des panneaux élémentaires articulés dans les zones de runion. 5. Substrat selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément plan supportant les cellules est traité en circuit imprimé après métallisation. 6. Substrat à élasticité transversale selon l'une -des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau des éléments plans et ondulés est un polyimide et que le formage des ondes est réalisé après rigidification de ce matériau et élimination du produit de rigidirication. 7. Satellite caractérisé en ce qu'il porte des panneaux solaires comportant des substrats à élasticité transversale selon l'une des revendications précédentes.