(57)【要約】【課題】集光型太陽光発電機を装備し、かつ飛行時に前記気球に動力を供給するための最適化された太陽電池セル配列を用いる気球を提供する。【解決手段】気球（２０２）は、浮揚ガス（６）を収容している気嚢（４）と、集光型太陽光発電機（８）とを備える。太陽光発電機（８）は、反射鏡（１０）と、反射鏡（２１０）の方向に向いた第１の活性面（２０８）および気球の気嚢（４）の外部の方向に向いた第２の活性面（３６）を形成する、太陽電池セルの１つまたは２つのアレイ（２０４）とを含む。反射鏡（１０）、光起電力セル（２０６）のアレイ（２０４）の第１の活性面（２０８）および第２の活性面（２１０）は、反射鏡（１０）のロール方向の太陽の位置合わせ不良が絶対値で１０度以下であれば、アレイ（２０４）の第１の活性面（２０８）および第２の活性面（２１０）の両方が確実に発電するように構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
浮揚ガス（６）を収容している気嚢（４）と、集光型太陽光発電機（８）とを備える集光型太陽光発電機を装備した気球であって、前記太陽光発電機（８）が、
太陽光線の反射鏡（１０）であって、前記気嚢（４）の内側の前記気嚢（４）の第１の区域（１４）に配置される反射鏡と、
前記太陽光線を前記反射鏡（１０）に通過させるために、前記太陽光線に対して透明である、前記気嚢（４）の第２の区域（１６）と、
光起電力セル（２４；２０６）の第１のアレイ（２２；２０４）であって、前記気嚢の第３の区域（２６）に配置され、前記反射鏡（１０）の方向に向いた第１の活性面（２８；２０８）を有するアレイと
を含み、前記反射鏡（１０）が太陽の位置合わせ位置に配置されると、前記反射鏡（１０）が、前記光起電力セル（２４；２０６）の第１のアレイ（２２；２０４）の前記第１の活性面（２８；２０８）に前記太陽光線を集光するように、前記光起電力セル（２４；２０６）の第１のアレイ（２２；２０４）および前記反射鏡（１０）が構成されている、気球において、
−  前記太陽光発電機（８）が、光起電力セルの第２のアレイ（３２）であって、前記気嚢の第４の区域または前記気嚢の前記第３の区域（２６）に配置され、および前記気嚢（４）の外部の方向に向いた第２の活性面を有するアレイをさらに含むか、または
−  前記太陽光発電機（８）が、単一の第１のアレイ（２０４）であって、その太陽電池セルが両面受光太陽電池セルであり、および前記単一の第１のアレイ（２０４）が前記気嚢（４）の前記外部の方向に向いた第２の活性面（２１０）を含む、単一の第１のアレイ（２０４）を含み、かつ
−  前記反射鏡（１０）、前記両面受光光起電力セル（２０６）の単一の第１のアレイ（２０４）、または前記光起電力セル（２４、３４）の第１および第２のアレイ（２２、３２）は、前記反射鏡（１０）のロール方向の太陽の位置合わせ不良が絶対値で１０度以下であれば、前記第１の活性面（２８；２０８）および前記第２の活性面（３６；２１０）の両方が確実に発電するように構成されていることを特徴とする、気球。
【請求項２】
前記反射鏡（１０）、前記両面受光光起電力セル（２０６）の単一の第１のアレイ（２０４）、または前記光起電力セル（２４、３４）の第１および第２のアレイ（２２、３２）は、前記第２の活性面（３６；２１０）の前記ロール方向の太陽の位置合わせ不良が８０度以下であれば、前記第２の活性面（３６；２１０）が照射され続けるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項３】
前記光起電力セルの第１および第２のアレイ（２２、３２）が、別個であり、かつ異なる第３および第４の区域にそれぞれ配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項４】
前記光起電力セルの第１および第２のアレイ（２２、３２）が、かつ別個であり、かつそれぞれが片面受光光起電力セルを含み、ならびに
前記第１および第２のアレイが、前記同一の区域（２６）の前記気嚢上かつ前記気嚢の外側に配置され、
前記第１および第２のアレイ（２２、３２）が、相互に重ね合わせられ、前記第２のアレイ（３２）が、前記気嚢（４）から最も外側に配置され、かつ前記第１および第２のアレイ（２２、３２）の前記光起電力セルの前記活性面が反対の方向に指向されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項５】
前記第１のアレイ（２２）および前記第２のアレイ（３２）が、前記気嚢の変形の点において前記気嚢から機械的に分離され、かつ／または前記気嚢から、および前記気嚢が収容する前記浮揚ガスから熱的に分離されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項６】
前記光起電力セルの第１のアレイ（２０４）が、両面受光光起電力セル（２０６）のアレイであって、前記気嚢（４）の前記第３の区域（２６）の上方に位置するアレイであり、
各両面受光セル（２０６）が第１の電気的バイアスに関連付けられた第１の表面と、第２の電気的バイアスに関連付けられた第２の表面とを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項７】
前記両面受光セル（２０６）の製造に使用される技術が、ＰＥＲＴ（不動態化エミッタリアトータル拡散）シリコン技術、シリコンヘテロ接合（ＨＴＪ）技術、およびＩＢＣ（櫛形裏面電極）シリコン技術からなる群から選択される技術であることを特徴とする、請求項６に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項８】
前記両面受光セル（２０６）の製造および接続に使用される前記技術が、ＳｍａｒｔＷｉｒｅまたはＳＷＣＴ接続技術と組み合わせた両面受光ヘテロ接合光起電力セル製造技術であることを特徴とする、請求項７に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項９】
前記両面受光セル（２０６）が、両面受光ヘテロ接合光起電力セルであって、直列に電気的に接続された太陽電池セルの１つまたは複数のストリングを生成するように、かつ前記セルの対応する表面が、前記アレイ（２０４）の表面（２０８、２１０）の一方からもう一方へと前記アレイ（２０４）の厚さを貫通する相互接続を使用する必要なしに、平面相互接続を介してともに接続されることを可能にするように、互いに対して配列された両面受光ヘテロ接合光起電力セルであることを特徴とする、請求項７または８に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項１０】
前記反射鏡による前記第２の活性面の照射の均一性不良につながる温度上昇から１つまたは複数の光起電力セルを保護するために、光起電力セルのアレイ（５０２）が、複数（５０４）の保護電子スイッチ（５０６、５０８、５１０）であって、前記１つまたは複数のセルを保護するためのダイオードを形成する少なくとも１つの接合をそれぞれ備える、複数（５０４）の保護電子スイッチ（５０６、５０８、５１０）を含むことを特徴とする、請求項６〜９のいずれか一項に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項１１】
前記両面受光太陽電池セル（２０６）のアレイ（２０４）が、前記セルのアレイを保持し、かつ前記気嚢から間隔をあけるための構造（４０）によって、前記気嚢（４）および前記気嚢（４）が収容する前記浮揚ガス（６）から熱的に分離され、
前記間隔をあけて保持する構造（４０）が、前記第３の区域（２６）で前記気嚢に固定され、および前記両面受光太陽電池セル（２０６）のアレイ（２０４）が、前記間隔をあけて保持する構造（４０）に固定され、かつ
前記気嚢（４）、前記構造（４０）、および前記セルのアレイ（２０４）と境界を接する空間（４８）が、自然対流または強制対流によって前記両面受光太陽電池セル（２０６）を冷却するための空気流路を形成することを特徴とする、請求項６〜１０のいずれか一項に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項１２】
前記流路に空気流を通して、前記光起電力セル（２０６）のアレイ（２０４）を冷却するための１つまたは複数のファン（５２、５４、５６、５８）を含む、請求項１１に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項１３】
前記間隔をあけて保持する構造（４０）が、前記気嚢の熱力学的な変形を吸収し、かつ／または前記セルを冷却できるだけの十分な大きさの隔離を前記気嚢と前記セルのアレイとの間で維持するために、変形可能であることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【請求項１４】
前記太陽光線に対して透明である前記気嚢の前記第２の区域（１６）が、前記反射鏡から前記太陽光線を受光することを意図された前記光起電力セルの第１のアレイが位置する前記第３の区域（２６）を部分的にまたは完全に取り囲み、および
前記第１のアレイの前記光起電力セルの十分な照射を確保し、かつ前記太陽電池セル、および／または前記気嚢（４）、および／または前記気嚢（４）が収容する前記浮揚ガス（６）の過度の加熱を防ぐために、前記第２の区域（１６）の面積が調節されることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の集光型太陽光発電機を装備した気球。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光型太陽光発電機を装備し、かつ飛行時に前記気球に動力を供給するための最適化された太陽電池セル配列を用いる気球に関する。
【０００２】
本発明は、特に、成層圏で航行することを意図され、および１つまたは複数の搭載されたペイロードを運搬する下方に固定されたゴンドラを支持する高高度気球に関する。
【背景技術】
【０００３】
概して、気球は、人工衛星と比較して低コストであるという理由だけでなく、その高度、とりわけ、気球が１２〜４５ｋｍに及ぶ成層圏の高度を航行して有効に活用できるという理由でもまた、大きい利用可能性を秘めている。
【０００４】
成層圏は、人工衛星ではアクセスできず、探査ロケットはあまりにも速く通過するが、気球または科学用語を用いれば軽航空機は、この大気の「中間」層内を長時間航行することができ、ある特定用途の要件に関して、なかでも電気通信分野で特に有望視されている。
【０００５】
従来、高高度気球は、
−  一方では、高高度気球は十分な揚力を供給しなければならないため、気球の気嚢は適度な容積を有する必要があり、および
−  他方では、気球を操縦して所望の経路をたどることができるように、推力を供給しなければならない
という２つの要件を満たさなければならない。このため、十分な動力源が利用可能であることが必要である。
【０００６】
概して、および従来、操縦可能な高高度気球が数か月間、そのステーションを自律的に維持することが可能であるためには、気球は光起電力セルを使用して、自らの動力を生み出すことが必要である。成層圏の風の条件下（通常風速が１０ｍ／ｓを超える）で、恒久的かつ連続的な飛行任務の間、日中に生み出された電力が夜間に使用するために気球内に蓄えられる。昼間の発電は、急速に数十キロワットに達するため、広い面積の光起電力セルが必要であり、これは気球の許容重量に大きい、かつ不利な影響を及ぼす。
【０００７】
所与の飛行任務の間、十分な発電を行うのに必要な光起電力セルの数を減らすために、したがって、気球の総重量を減らすために、仏国特許出願公開第２  ９８２  ８４０号明細書は、集光型太陽光発電機を装備した気球について記載している。気球は、太陽光線を受光することを意図された活性面を有する光起電力手段を使用し、および気嚢を含む。気嚢は、太陽光線に対して透明である少なくとも１つの第１の区域と、前記太陽光線を反射する第２の区域と、前記光起電力手段を備える第３の区域とを備える。第２の区域および第３の区域は、太陽光線を前記第３の区域の方向に向きを変えるように位置決めされ、相互に作用し合う。
【０００８】
このような、集光型太陽光発電機を装備した気球は、少なくとも局所的に温度が上昇し、これにより、特に浮揚ガスが可燃性の場合には、気嚢および／または気嚢が収容する浮揚ガスに対する損害のリスクが生じる。
【０００９】
加えて、集光型太陽光発電機を使用することは、集光装置または反射手段を絶えず制御して、集光装置または反射手段が太陽の方向に向くように、位置合わせしなければならないことを意味する。例えば、特定の飛行任務要件（アンテナまたはセンサの方向決め）による要求、または気象条件もしくは太陽の追跡そのものの限界による太陽の位置合わせ不良の場合には、日射の入射角度が気球に対して変動するときに、集光型太陽光発電機によって送電される電力が急速に減少しないようにすることが推奨される。
【００１０】
さらに、太陽電池セルまたは光起電力セルの温度の上昇は、日射が集中することによって誘発され、この上昇により、太陽エネルギーの電力への変換の点において太陽電池セルの効率が下がる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】仏国特許出願公開第２  ９８２  ８４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
第１の技術的問題は、気嚢および気嚢に収容されている浮揚ガスに対するリスクを低減するために、集光システムの温度を低下させることである。
【００１３】
第２の技術的問題はさらに、太陽の位置合わせ不良の場合に、日射の入射角度の関数としての太陽電池パネルによって送電される電力が急速に低下しないようにすることである。
【００１４】
第３の技術的問題はさらに、太陽電池セルをさらに効率良く動作させるために、太陽電池セルの温度を低下させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的で、本発明の主題は、浮揚ガスを収容している気嚢と、集光型太陽光発電機とを備える集光型太陽光発電機を装備した気球であって、この太陽光発電機が、
−  太陽光線の反射鏡であって、気嚢の内側の気嚢の第１の区域に配置される反射鏡と、
−  太陽光線を反射鏡に通過させるために、太陽光線に対して透明である、気嚢の第２の区域と、
−  光起電力セルの第１のアレイであって、気嚢の第３の区域に配置され、反射鏡の方向に向いた第１の活性面を有するアレイと
を含み、反射鏡が太陽の位置合わせ位置に配置されると、反射鏡が、光起電力セルの第１のアレイの第１の活性面に太陽光線を集光するように、光起電力セルの第１のアレイおよび反射鏡が構成されている、気球において、
−  太陽光発電機が、光起電力セルの第２のアレイであって、気嚢の第４の区域または気嚢の第３の区域に配置され、および気嚢の外部の方向に向いた第２の活性面を有するアレイをさらに含むか、または
−  太陽光発電機が、単一の第１のアレイであって、その太陽電池セルが両面受光太陽電池セルであり、および単一の第１のアレイが気嚢の外部の方向に向いた第２の活性面を含む、単一の第１のアレイを含み、かつ
−  反射鏡、両面受光光起電力セルの単一の第１のアレイ、または光起電力セルの第１および第２のアレイは、反射鏡のロール方向の太陽の位置合わせ不良が絶対値で１０度以下であれば、第１の活性面および第２の活性面の両方が確実に発電するように構成されていることを特徴とする、気球である。
【００１６】
特定の実施形態によれば、集光型太陽光発電機を装備した気球は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備える。すなわち、
−  反射鏡、両面受光光起電力セルの単一の第１のアレイ、または光起電力セルの第１および第２のアレイは、第２の活性面のロール方向の太陽の位置合わせ不良が８０度以下であれば、第２の活性面が照射され続けるように構成されている。
−  光起電力セルの第１および第２のアレイが、別個であり、かつ異なる第３および第４の区域にそれぞれ配置されている。
−  光起電力セルの第１および第２のアレイが、別個であり、かつそれぞれが片面受光光起電力セルを含み、ならびに第１および第２のアレイが、同一の区域の気嚢上かつ気嚢の外側に配置され、第１および第２のアレイが、相互に重ね合わせられ、第２のアレイが、気嚢から最も外側に配置され、かつ第１および第２のアレイの光起電力セルの活性面が反対の方向に指向されている。
−  第１のアレイおよび第２のアレイが、気嚢の変形の点において気嚢から機械的に分離され、かつ／または気嚢から、および気嚢が収容する浮揚ガスから熱的に分離されている。
−  光起電力セルの第１のアレイが、両面受光光起電力セルのアレイであって、気嚢の第３の区域の上方に位置するアレイであり、各両面受光セルが第１の電気的バイアスに関連付けられた第１の表面と、第２の電気的バイアスに関連付けられた第２の表面とを有する。
−  両面受光セルの製造に使用される技術が、ＰＥＲＴ（不動態化エミッタリアトータル拡散）シリコン技術、シリコンヘテロ接合（ＨＴＪ）技術、およびＩＢＣ（櫛形裏面電極）シリコン技術からなる群から選択される技術である。
−  両面受光セルの製造および接続に使用される技術が、ＳｍａｒｔＷｉｒｅまたはＳＷＣＴ接続技術と組み合わせた両面受光ヘテロ接合光起電力セル製造技術である。
−  両面受光セルが、両面受光ヘテロ接合光起電力セルであって、直列に電気的に接続された太陽電池セルの１つまたは複数のストリングを生成するように、かつセルの対応する表面が、アレイの表面の一方からもう一方へとアレイの厚さを貫通する相互接続を使用する必要なしに、平面相互接続を介してともに接続されることを可能にするように、互いに対して配列された両面受光ヘテロ接合光起電力セルである。
−  反射鏡による第２の活性面の照射の均一性不良につながる温度上昇から１つまたは複数の光起電力セルを保護するために、光起電力セルのアレイが、複数の保護電子スイッチであって、１つまたは複数のセルを保護するためのダイオードを形成する少なくとも１つの接合をそれぞれ備える、複数の保護電子スイッチを含む。
−  両面受光太陽電池セルのアレイが、セルのアレイを保持し、かつ気嚢から間隔をあけるための構造によって、気嚢および気嚢が収容する浮揚ガスから熱的に分離され、間隔をあけて保持する構造が、第３の区域で気嚢に固定され、および両面受光太陽電池セルのアレイが、間隔をあけて保持する構造に固定され、かつ気嚢、構造、およびセルのアレイと境界を接する空間が、自然対流または強制対流によって両面受光太陽電池セルを冷却するための空気流路を形成する。
−  気球が、流路に空気流を通して、光起電力セルのアレイを冷却するための１つまたは複数のファンをさらに含む。
−  間隔をあけて保持する構造が、気嚢の熱力学的な変形を吸収し、かつ／またはセルを冷却できるだけの十分な大きさの隔離を気嚢とセルのアレイとの間で維持するために、変形可能である。
−  太陽光線に対して透明である気嚢の第２の区域が、反射鏡から太陽光線を受光することを意図された光起電力セルの第１のアレイが位置する第３の区域を部分的にまたは完全に取り囲み、および第１のアレイの光起電力セルの十分な照射を確保し、かつ太陽電池セル、および／または気嚢、および／または気嚢が収容する浮揚ガスの過度の加熱を防ぐために、第２の区域の面積が調節される。
【００１７】
本発明は、純粋に例として述べられる複数の実施形態についての以下の記述を読むことにより、および図面を参照することにより、さらに良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による、集光型太陽光発電機および２つの片面受光太陽電池セルのアレイを装備した気球の第１の実施形態の図であり、気球が第１の作動構成に配置され、集光反射鏡が、１０度以下のそれほど大きくない太陽の位置合わせ角度をなしている。
【図２】図１に示された本発明による気球の図であり、気球が第２の作動構成に配置され、片面受光太陽電池セルの第２のアレイの活性面が、大きい太陽の位置合わせ角度、厳密には１０度よりも大きく、かつ８０度以下の太陽の位置合わせ角度をなしている。
【図３】本発明による、集光型太陽光発電機および両面受光太陽電池セルの２つの対向する面を有する単一のアレイを装備した気球の第２の実施形態の図であり、気球が第１の作動構成に配置され、集光反射鏡が、１０度以下のそれほど大きくない太陽の位置合わせ角度をなしている。
【図４】図３に示された本発明による気球の図であり、気球が第２の作動構成に配置され、両面受光太陽電池セルの単一のアレイの第２の活性面が、大きい太陽の位置合わせ角度、厳密には１０度よりも大きく、かつ８０度以下の太陽の位置合わせ角度をなしている。
【図５】ヘテロ接合シリコン技術を用いた両面受光光起電力セルまたは太陽電池セルの概略図である。
【図６】ヘテロ接合シリコン技術をＳｍａｒｔＷｉｒｅまたはＳＷＣＴ接続技術と組み合わせて用いた、図５に示されるような両面受光太陽電池セルの図である。
【図７】図３および図４にともに示される両面受光太陽電池セルのアレイの太陽電池セルの平面相互接続の概略図であり、前記相互接続は直列に電気的に接続された太陽電池セルのストリングを形成し、前記アレイはここでは前記ストリングに限定されている。
【図８】太陽電池セルの厚みを貫通する図７の太陽電池セルのストリングの部分断面図であり、本図は、セルの配列およびそれらの相互接続のレイアウトを図示している。
【図９】図７の太陽電池セルのアレイのともに相互接続された縮尺図である。
【図１０】集光された光線による照射の急激な変動から太陽電池セルを保護するための保護装置の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１および図２に示されるように、および第１の実施形態によれば、気球２は、ここでは高高度気球であるが、浮揚ガス６、例えばヘリウムを充填された、陽圧加圧された膨張した気嚢４を備え、集光型太陽光発電機８を備える。
【００２０】
太陽光発電機８は、太陽光線１２の反射鏡１０を含む。この反射鏡は、気嚢４の内側の、気嚢の第１の区域１４および気嚢４の第２の区域１６に配置され、太陽光線１２を反射鏡１０に通過させるために太陽光線に対して透明である。
【００２１】
気嚢４は、例えば、強化ポリウレタン複合材料で作られている。気嚢４の第２の区域１６は、太陽光線に対して透明なポリウレタンを気嚢に使用することにより、また、日射の通過を遮断することになるコーティングで気嚢の第２の区域１６を被覆しないことにより製造することができる。
【００２２】
太陽光発電機８は、片面受光光起電力セル２４の第１のアレイ２２もまた含む。このアレイは、気嚢４の第３の区域２６に配置され、セルの活性面はすべて、反射鏡１０の方向に向いて指向されており、第１のアレイ２２の第１の活性面２８を形成する。
【００２３】
反射鏡１０の反射面の形状は、第１のアレイ２２の片面受光光起電力セル２４に太陽光線を集光するのに適しており、反射された太陽光線のビーム光束が、第１のアレイ２２の片面受光光起電力セル２４の活性面上で集光される角度を設定する。
【００２４】
集光反射鏡１０は、反射コーティングで被覆されたファブリックで作り、気嚢４の第１の区域１４の前記ポリウレタン気嚢に貼り合わせてもよい。第１のアレイ２２の光起電力セル２４上に太陽の光線が幾何学的に集中することにより、このように光起電力セル２４の第１のアレイ２２の面積を大幅に減少することが可能になり、したがって関連する重量を減少することが可能になる。集光された太陽エネルギーは、このように気嚢の第２の透明な区分を貫通する。この区分は、気嚢４の第３の区域２６の一部またはすべてに相当する。
【００２５】
太陽光発電機８は、光起電力セル３４の第２のアレイ３２もまた含む。このアレイは、気嚢４の第３の区域２６の、第１のアレイ２２の上方に配置される。第２のアレイ３２のセル３４の光起電力活性面は、気嚢４の外部の方向に向いて指向されており、第２のアレイ３２の第２の活性面３６を形成する。
【００２６】
変形形態として、片面受光光起電力セルの第２のアレイが、気嚢の第３の区域から離れた第４の区域に配置され、この第２のアレイのセルの光起電力活性面は、気嚢の外部の方向に向いて指向されている。
【００２７】
概して、反射鏡１０、気嚢の第２の区域１６、片面受光光起電力セル２４の第１のアレイ２２および片面受光光起電力セル３４の第２のアレイ３２は、集光反射鏡１０のロール方向の太陽の位置合わせ不良△θ１が絶対値で１０度以下であれば、光起電力セルの第１のアレイ２２および第２のアレイ３２がいずれも、確実に発電するように構成されており、この照射構成の一例が図１に示されている。
【００２８】
図１に示されるように、集光反射鏡１０のロール方向の太陽の位置合わせ不良△θ１は、反射鏡１０の光軸３７と太陽の現在の方向３８との間でなされた角度である。
【００２９】
図１および図２に示されるように、気球２は、気球２の重心Ｇを貫通する長手方向３９の軸を有するものと仮定する。この軸は、図１および図２の一端から示され、図１および図２では前方に指向されており、この軸を中心にして気球２は、ロール角度θの分だけ回転することができる。
【００３０】
図１および図２に示されるように、気球２の機首方向の姿勢は、反射鏡１０の光軸３７および太陽の方に向いた気球２の現在の位置合わせ方向が、法線として気球２の長手方向３９を有する平面を形成するように設定されていると仮定する。
【００３１】
加えて、および特に、集光反射鏡１０、気嚢の第２の区域１６、片面受光太陽電池セルの第１のアレイ２２、および第２のアレイ３２は、第２のアレイ３２の第２の活性面３６のロール方向の太陽の位置合わせ不良△θ２が８０度以下であれば、第２のアレイ３２の光起電力セル３４が照射され続けるように構成されている。この照射構成の一例が図２に示されている。
【００３２】
図２に示されるように、第２のアレイ３２の第２の活性面３６のロール方向の太陽の位置合わせ不良△θ２は、第２のアレイ３２の第２の活性面３６の位置合わせの法線３７’と太陽の現在の方向３８’との間でなされた角度である。
【００３３】
第１のアレイ２２および第２のアレイ３２は、まったく同一の第３の区域２６の、気嚢の上方かつ気嚢の外側に配置される。
【００３４】
第１のアレイ２２および第２のアレイ３２は、ともに重ね合わせられ、第２のアレイ３２は、気嚢４から最も外側に配置され、第１のアレイ２２の第１の活性面２８および第２のアレイ３２の第２の活性面３６は、反対の方向に指向されている。
【００３５】
この構成は、第１のアレイ２２の光起電力セル２４および第２のアレイ３２の光起電力セル３４の冷却を促進する。なぜなら、光起電力セルが気嚢の外側に位置し、したがって、気嚢の外側で加熱されることで、自然通気または強制通気の恩恵を受けるからである。
【００３６】
一方では光起電力セルの第１のアレイ２２および第２のアレイ３２と、他方では気嚢４および気嚢４が収容する浮揚ガス６の熱的な分離が、太陽電池セル２４のアレイ２２および太陽電池セル３４のアレイ３２を保持し、かつ気嚢４から間隔をあけるための構造４０によって得られる。
【００３７】
ここで図１および図２では、２つの柱４２および４４は、上記の間隔をあけて保持する構造４０の一部を表している。保持する構造４０は、第３の区域２６で気嚢４に固定され、片面受光光起電力セル２４の第１のアレイ２２および片面受光光起電力セル３４の第２のアレイ３２が、保持する構造４０に固定されている。気嚢４、構造４０、およびセル２４、３４のアレイと境界を接する空間４８は、強制対流または自然対流によってセル２４、３４を冷却するための空気流路を形成する。
【００３８】
ここで図１および図２では、対流が、４つのファン５２、５４、５６、５８によって強制的に、かつ、確実に生じている。
【００３９】
さらに、間隔をあけて保持する構造４０は、気嚢の熱力学的な変形を吸収し、かつ／またはセルを冷却できるだけの十分な大きさの隔離を気嚢とセルのアレイとの間で維持するために変形可能である。
【００４０】
図３および図４に示されるように、および本発明による気球の第２の実施形態によれば、集光型太陽光発電機を装備した気球２０２は、図１および図２の気球２の構造に類似した構造を有する。図３および図４について、気球２０２の姿勢構成および太陽による気球の照射は、図１および図２における気球の姿勢構成および太陽による気球の照射とそれぞれ同一である。
【００４１】
気球２０２は、光起電力セルの第１のアレイ２２および第２のアレイ３２が、まったく同一の両面受光光起電力セル２０６の単一のアレイ２０４を形成し、このアレイが、気嚢の第３の区域２６の上方に位置している点で気球２とは異なっている。
【００４２】
両面受光太陽電池セル２０６のアレイ２０４は、集光反射鏡１０の方向に指向された第１の活性面２０８と、気嚢４の外部の方向に指向され、かつ、第１の面２０８の位置合わせ方向と反対の位置合わせ方向を有する第２の活性面２１０とを有する。
【００４３】
概して、集光反射鏡１０、気嚢４の第２の区域１６、両面受光光起電力セル２０６のアレイ２０４の第１の活性面２０８および第２の活性面２１０は、集光反射鏡１０のロール方向の太陽の位置合わせ不良△θ１が絶対値で１０度以下であれば、両面受光光起電力セルのアレイ２０４の第１の活性面２０８および第２の活性面２１０がいずれも確実に発電するように構成されており、この照射構成の一例が図３に示されている。
【００４４】
加えて、および特に、集光反射鏡１０、気嚢の第２の区域１６、両面受光太陽電池セルのアレイ２０４の第１の活性面２０８および第２の活性面２１０は、アレイ２０４の第２の活性面２１０のロール方向の太陽の位置合わせ不良△θ２が８０度以下であれば、アレイ２０４の第２の活性面２１０が照射され続けるように構成されており、この照射構成の一例が図４に示されている。
【００４５】
図１および図２の気球２と同様に、両面受光太陽電池セル２０６のアレイ２０４は、間隔をあけて保持する構造４０によって、気嚢４および気嚢４が収容する浮揚ガス６から熱的に分離されている。太陽電池セルが気球の気嚢から分離されていることで、両面受光太陽電池セルの自然対流または強制対流による冷却が可能になることにより、太陽電池セルは低温において効率が良くなるため、太陽電池セルの効率が向上する。
【００４６】
図３および図４に示されるように、対流は、ここでは４つのファン５２、５４、５６、５８によって強制的に、かつ、確実に生じている。
【００４７】
さらに、間隔をあけて保持する構造４０は、気嚢４の熱力学的な変形を吸収し、かつ／またはセルを冷却できるだけの十分な大きさの隔離を気嚢４と両面受光太陽電池セル２０６のアレイ２０４との間で維持するために変形可能である。
【００４８】
両面受光セル２０６の製造に使用される技術は、ＰＥＲＴ（不動態化エミッタリアトータル拡散）シリコン技術、シリコンヘテロ接合（ＨＴＪ）技術、および櫛形裏面電極（ＩＢＣ）シリコン技術からなる群から選択される技術である。
【００４９】
図５に示されるように、およびヘテロ接合シリコン技術を使用する従来の両面受光太陽電池セル構造によれば、両面受光光起電力セルまたは太陽電池セル３０２は、重ね合わせられた層のセットを含む。
【００５０】
太陽電池セル３０２は、第１の表面３１０および第２の表面３１２上に高品質のｎ型単結晶シリコン基板を形成する中心層３０４を含み、第１の表面３１０および第２の表面３１２のナノスケールの厚さのアモルファスシリコン層３０６、３０８が堆積されて接合を生成し、したがって、優れた表面パッシベーションを確保する。電荷の横方向の伝導を確保し、光閉じ込めの向上を可能にする透明酸化物層３１４、３１６が、アモルファスシリコン層３０６、３０８上に堆積されている。発生した電荷を確実に効果的に収集するために、グリッドフィンガー電極の第１のセット３２４およびグリッドフィンガー電極の第２のセット３２６を形成する金属化合物３２２が、表面３１８、３２０上にそれぞれ堆積されている。
【００５１】
このため、太陽電池セル３０２のこの対称的な構造により、両方の表面または両方の側が照射下で電気的に活性であることが可能になる。
【００５２】
両面受光セルの製造、接続に使用される技術は、ＳｍａｒｔＷｉｒｅまたはＳＷＣＴ接続技術と組み合わせた両面受光ヘテロ接合光起電力セル製造技術であることが好ましい。
【００５３】
ＳＷＣＴプロセスでは、金属ワイヤが、太陽電池セルの金属化された表面に直接施されるポリマーシートに埋め込まれている。次に、太陽電池セルおよび金属化されたワイヤがはめ込まれたポリマーシートによって形成された組立体が貼り合わせられる。金属ワイヤは、このようにセルの金属層に固定され、電気接点を形成する。
【００５４】
両面受光太陽電池セルのそれぞれの表面を横断して伸びる母線の数が増え、前記母線の厚さが減少することにより、グリッドフィンガー電極の抵抗損の減少と、太陽電池セル表面の陰影の減少との間での妥協点の向上が可能になる。
【００５５】
ＳｍａｒｔＷｉｒｅまたはＳＷＣＴ接続技術の使用は、このような進化の最終的な結果であり、図６の典型的なセル３５２によって図示されるように、金属化が太陽電池セルの表面全体にわたって分布している。
【００５６】
シリコンヘテロ接合ＨＴＪ技術と互換性を有するＳＷＣＴ技術を使用することにより、太陽電池セルの抵抗および陰影が減少し、機械的ストレスがセルの表面全体にわたって分散し、母線を使用する技術と比較して熱サイクルへの接続の抵抗が増加するという利点がある。
【００５７】
太陽電池セル３５２と同一形式の太陽電池セルは、組立体の対応する活性面を介してともに相互接続されることにより、第１のセルの表面であって、アレイの第１の表面と同じ側に位置する表面と、第１のセルに隣接した第２のセルの表面であって、アレイの第２の表面と同じ側に位置する表面との間に接続を通す必要をなくすことが好ましい。
【００５８】
プレーナープロセスと呼ばれる両面受光ヘテロ接合太陽電池セルを相互接続するためのプロセスは、第１のステップおよび第２のステップを含む。
【００５９】
第１のステップでは、直列に電気的に接続されることを意図されたセルの所与のストリングの両面受光ヘテロ接合セルは、アレイの第１の活性面上に、第１の極性および第２の極性からなる第１の交互の分布を実現するように互いに対して配列され、両面受光セルがそれぞれ、第１の極性に関連付けられた第１の表面および第２の極性を有する第２の表面を有する。極性に関して補足すると、太陽電池セルの同一のストリングは、アレイの第２の活性面上に、第２の極性および第１の極性からなる第２の交互の分布を有する。
【００６０】
次に、第２のステップでは、両面受光セルのアレイのそれぞれの表面について、ならびに１つまたは複数のストリングを形成することを意図されたセルの配列に応じて、セルの対応する表面は、平面相互接続を介してともに接続され、活性面の一方からもう一方へとアレイの厚さを貫通する相互接続を使用する必要がない。
【００６１】
平面相互接続により、熱サイクル間の損傷のリスクが減少し、両面受光太陽電池セルのアレイの製造プロセスが簡素化される。
【００６２】
共通するベーキング段階において、ＳＷＣＴ技術の貼り合わせステップおよび相互接続プロセスの実際の相互接続をする第２のステップを同時に行なうことにより、平面相互接続プロセスおよびＳＷＣＴ技術を実施するためのプロセスを組み合わせてもよいという利点がある。
【００６３】
図７に示されるように、および例示的なセル相互接続レイアウトによれば、両面受光太陽電池セルのアレイ４０２は、複数の両面受光太陽電池セル、本例では６つの太陽電池セル４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４を備える。これら６つの太陽電池セルは、金属リボン４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４３４によってともに接続され、本例では光起電力セルのストリングを形成する。この光起電力セルのストリングは、第１の極性、本例では正の極性で第１の電気端子４４２と、第２の極性、本例では負の極性で第２の電気端子４４４との間で直列に電気的に接続されている。
【００６４】
各両面受光太陽電池セル４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４はそれぞれ、第１の極性で第１の表面４５４、４５６、４５８、４６０、４６２、４６４を含み、第２の極性で第２の表面４７４、４７６、４７８、４８０、４８２、４８４を含む。
【００６５】
リボン４２２は第１の電気端子４４２を第１の表面４５４に、リボン４２４は第２の表面４７４を第１の表面４５６に、リボン４２６は第２の表面４７６を第１の表面４５８に、リボン４２８は第２の表面４７８を第１の表面４６０に、リボン４３０は第２の表面４８０を第１の表面４６２に、リボン４３２は第２の表面４８２を第１の表面４６４に、およびリボン４３４は第２の表面４８４を第２の電気端子４４４にそれぞれ接続する。
【００６６】
したがって、第１の電気端子と第２の電気端子との間で太陽電池セルを直列に配置することにより生成される起電力は、太陽電池セル４０４、４０６、４０８、４１０、４１２および４１４の起電力の和に等しい。
【００６７】
太陽電池セルのアレイ４０２は、１つの太陽電池セルのサイズよりも明らかに大きい曲率半径を有する太陽電池セルのパネルまたはモジュールであって、気球の外部の方向に指向され、太陽によって直接照射されることを意図された第１の表面４９２と、気球の内部の方向に指向され、集光反射鏡によって照射されることを意図された第２の表面４９４とを有するパネルまたはモジュールを形成する。
【００６８】
図８では、図７のアレイ４０２の単一のストリングの一部を形成する太陽電池セル４１０、４１２および４１４の相互接続レイアウトが示され、アレイ４０２の部分断面図によって図示されている。
【００６９】
一方の活性面からもう一方の活性面まで、アレイの厚さを貫通する相互接続がセル間に存在しないことが、図８では明確に見てとることができる。
【００７０】
図９は、図７および図８に図示された相互接続レイアウトに従って、ともに相互接続された太陽電池セル４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４からなるアレイ４０２を示す上から見た縮尺図である。
【００７１】
概して、両面受光太陽電池セルのアレイが、太陽電池セルの単一のストリングに限定されていないことに注目されたい。
【００７２】
図１０に示されるように、および両面受光太陽電池セルのアレイの１つの例によれば、光起電力セルのアレイ５０２は、少なくとも１つのダイオードを形成する接合をそれぞれが備える、複数５０４の保護電子スイッチ５０６、５０８、５１０を含む。
【００７３】
複数５０４の保護電子スイッチ５０６、５０８、５１０は、集光反射鏡によるアレイ５０２の第１の活性面の照射の均一性不良につながる温度上昇から、１つまたは複数の光起電力セル５２２、５２４、５２６を保護するように構成されている。
【００７４】
電子スイッチは、例えば、別々のダイオードもしくはトランジスタ、またはダイオードおよび／もしくはトランジスタの結合体である。
【００７５】
片面受光太陽電池セルの第２のアレイまたは両面受光太陽電池セルの単一のアレイの第２の活性面を使用することにより、名目上の基準位置合わせにおいて所与の電力の送電に寄与することで、アレイの加熱に対する緩和効果が得られることに加えて、上述した諸実施形態の１つの変形形態では、第２の表皮が太陽光線の集光されたビームを受光する限りにおいて、第２の表皮について気嚢を保護するための対策を講じることができることに注目されたい。特定のポリウレタンフィルムをこの目的のために使用してもよい。
【００７６】
いずれの変形形態を用いても、気嚢の第２の区域の反射区域は、気嚢の形状を有することができる。この場合、気嚢の形状は、気球の浮力および、光起電力セルに向けた太陽光線の光集束の両方を最適化するように選択される。
【００７７】
本発明の１つの変形形態によれば、反射鏡の反射区域が気嚢の形状に対して異なる形状を有することができるように、気嚢は、反射鏡の反射区域を備える第１の表皮および第２の表皮を備えてもよい。この場合、気嚢の形状および反射鏡の反射面の形状は独立して選択してもよい。単に光学的な理由のために反射面の形状を選択しながら、浮力を最適化するように気嚢の形状を適合させることができる。この場合、反射区域は、太陽光線の入射角度もまた考慮してその形状を最適化するように、変形可能であると有利である。この角度は時刻、季節、気球の高度および地理的な位置によって変動してもよい。
【００７８】
概して、気嚢の形状は、軸対象であることが好ましい。楕円形の気嚢形状は、特に反射面の形状が気嚢の形状と同じである場合には、満足な浮力および光学性能を確保するのに適している。あるいは、気嚢は放物線状であってもよい。
【００７９】
特に反射区域の形状が気嚢の形状から独立している場合には、従来の気球の形状を用いてもよい。従来の形状は、放物線状と同様に球形であってもよい。
【００８０】
反射区域は、形状が放物線状であることが好ましい。
【００８１】
概して、気嚢の構成により、気嚢の一部を形成する反射区域に、光起電力セルの方向に太陽光線集光力が付与される。集光係数は、通常１よりも大きく、５よりも小さく調節することが可能であり、太陽光線の角度θが時刻とともに変動するため、集光係数は時刻とともに変動することもある。
【００８２】
概して、本発明による気球のすべての実施形態では、太陽電池セルが名目上位置合わせされているとき、太陽電池セルは、集光によって気球内部から、および太陽からの直接放射によって気球外部から照射されることにより、所与の発電電力で、集光装置を単独で使用する解決策と比較して、集光装置の放射力を制限することが可能になる。集光装置の放射力は、気嚢および／または気嚢に収容されている浮揚ガスを加熱する可能性があるため、気球に対する損傷のリスク源となるおそれがある。
【００８３】
ロール方向の位置合わせ不良が十分な、すなわち、約１０度の場合には、集光装置から放射を受光するように構成された太陽電池セルは、もはや気球の内部から照射されなくなるが、気球の外部の方向に指向された太陽電池セルは、気球のロール方向の位置合わせ不良が８０度未満のままであれば、依然として太陽によって直接照射されることにより、搭載された電力貯蔵システム、例えば燃料電池スタックの使用を制限することが可能になる。さらに、このシステムは、あらゆるヨー方向の位置合わせ不良に対して、すなわち機首方向の変化に対してロバストである。
【００８４】
この解決策の利点は、位置合わせ不良の場合には、たとえ集光が動作可能でなくとも、直接太陽の方向に指向された表面が、とりわけ、気球の遷移段階および／または機動段階の間に依然として動作可能であるという点である。
【００８５】
均等な結果および均等な性能を得るために、両面受光セルは、片面受光太陽電池セルの対と置き換えられてもよい。または実際に、内部で集光して、外部で集光しない太陽光発電機の２つの機能を分離して別々の場所に配置してもよい。
【００８６】
これらの解決策は、両面受光セルを使用する解決策と比較すると次善の解決策である。なぜなら、これらの場合では、２つのアレイを形成する太陽電池セルの総数が実質上２倍になることによって、重量が増加し、さらに複雑になるからである。
【００８７】
概して、上述した高高度気球は、本発明の特徴が同じままであれば、大気の他の層を航行することを意図された任意の他の種類の気球と置き換えることができる。
【符号の説明】
【００８８】
２  気球
４  気嚢
６  浮揚ガス
８  太陽光発電機
１０  反射鏡
１２  太陽光線
１４  第１の区域
１６  第２の区域
２２  第１のアレイ
２４  光起電力セル
２６  第３の区域
２８  第１の活性面
３２  第２のアレイ
３４  光起電力セル
３６  第２の活性面
３７  光軸
３７’  位置合わせの法線
３８  太陽の現在の方向
３８’  太陽の現在の方向
３９  長手方向
４０  構造
４２  柱
４４  柱
４８  空間
５２  ファン
５４  ファン
５６  ファン
５８  ファン
２０２  気球
２０４  単一のアレイ
２０６  光起電力セル
２０８  第１の活性面
２１０  第２の活性面
３０２  太陽電池セル
３０４  中心層
３０６  アモルファスシリコン層
３０８  アモルファスシリコン層
３１０  第１の表面
３１２  第２の表面
３１４  透明酸化物層
３１６  透明酸化物層
３１８  表面
３２０  表面
３２２  金属化合物
３２４  グリッドフィンガー電極の第１のセット
３２６  グリッドフィンガー電極の第２のセット
３５２  太陽電池セル
４０２  太陽電池セルのアレイ
４０４  太陽電池セル
４０６  太陽電池セル
４０８  太陽電池セル
４１０  太陽電池セル
４１２  太陽電池セル
４１４  太陽電池セル
４２２  金属リボン
４２４  金属リボン
４２６  金属リボン
４２８  金属リボン
４３０  金属リボン
４３２  金属リボン
４３４  金属リボン
４４２  第１の電気端子
４４４  第２の電気端子
４５４  第１の表面
４５６  第１の表面
４５８  第１の表面
４６０  第１の表面
４６２  第１の表面
４６４  第１の表面
４７４  第２の表面
４７６  第２の表面
４７８  第２の表面
４８０  第２の表面
４８２  第２の表面
４８４  第２の表面
４９２  第１の表面
４９４  第２の表面
５０２  アレイ
５０４  複数
５０６  保護電子スイッチ
５０８  保護電子スイッチ
５１０  保護電子スイッチ
５２２  光起電力セル
５２４  光起電力セル
５２６  光起電力セル
Ｇ  重心
△θ１  太陽の位置合わせ不良
△θ２  太陽の位置合わせ不良
【図１】
2017024708.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017024708.tif 000009
【図８】
2017024708.tif 000010
【図９】
2017024708.tif 000011
【図１０】
2017024708.tif 000012
【外国語明細書】
2017024708000001.pdf