(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
宇宙船用太陽エネルギーの集中装置であって、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するための第１の光電池と、該第１の光電池から離間した、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するための第２の光電池と、第１の光電池および第２の光電池の間にあり、第１の光電池および第２の光電池の少なくとも一方へ太陽放射を反射するための反射板と、太陽放射の受光後、第１の光電池および第２の光電池の少なくとも一方によって蓄積される熱エネルギーを低温ゾーンに輸送するための熱輸送手段とを含み、前記熱輸送手段が、前記光電池および反射板の支持パネルのプレートを覆う、前記集中装置内の熱勾配を低くするための熱伝導誘電体フィルムを備える、宇宙船用太陽エネルギーの集中装置。
【請求項２】
前記熱輸送手段が、毛細管熱輸送システムを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記熱輸送手段が、熱交換材料を含む微細伝熱管を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記熱伝導誘電体フィルムが光電池の直下に位置している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
反射板が、導電外壁を備え、該導電外壁が、太陽放射を受けた後に蓄積される熱を赤外線放射の形態で吸収するように、赤外線周波数域における光学吸収率特性を提供するよう構成されるとともに、可視光線の周波数域において太陽放射の反射特性を提供するよう構成され、反射板が、さらに宇宙空間への熱の放射効率を向上させるための表面処理による付着物を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
反射板の導電外壁が、支持パネルの電気アースに電気的に接続される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記熱輸送手段および／または導電手段が、前記光電池の支持パネルに組み込まれる、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記毛細管熱輸送システムが、微細伝熱管で形成される、請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記反射板のベースが、可視スペクトルにおいて高反射率を有する導電材料で作られており、太陽電池の端部から最短の放電トリガ距離の箇所にある、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記最短トリガ距離が、０．８ｍｍである、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の太陽エネルギーの集中装置を含む、太陽発電パネル。
【請求項１２】
前記集中装置が、対応する複数列の電池へ太陽放射を反射するための複数の反射板を備え、反射板と電池列とが交互に配置され、各電池列が、パネルの幅または長さ方向に沿って配置されている、請求項１１に記載の太陽発電パネル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に、特に宇宙空間適用のための太陽エネルギーの集中装置アレイの領域に関する。より詳細には、本発明は、太陽電池に用いるエネルギー集中装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静止衛星等の宇宙船に搭載される太陽発電パネルは、通常、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する同一のまたは異なる光電池アレイの支持パネルと、電池列を形成し電気的に接続され、支持パネルの表面を覆う同一のまたは異なる太陽電池アレイとを備える。
【０００３】
そのような太陽発電パネルは、極めて様々な構成で配置することができる。通常、これらは、宇宙船の本体から遠ざかる方向に平行な長手方向に連続して配置され、太陽発電パネルは、この長手方向を軸として太陽を追尾して回転するようになっている。しかしながら、利用可能な電気出力を高くするために、前述のパネルに加え、追加の側面パネルを配置することが提案された。また、横方向、すなわち太陽発電パネルを宇宙船の本体に接続するヨークが伸張する方向であり太陽発電パネルが太陽を追尾するために回転する上述の長手方向を横切る方向に、パネルが配置される構成も知られている。
【０００４】
上述の種類のエネルギー集中装置アレイは、たとえば文献ＵＳ  ６１８８０１２およびＷＯ００／７９５９３Ａ１に記述されている。
【０００５】
しかしながら、この種のアレイでは、太陽発電パネル部分の損失に対応する異常がみられた。
【０００６】
宇宙空間環境分析および地上試験から、宇宙空間環境は、パネルにおいて静電充電および静電放電現象を引き起こすことがあることがわかった。追加の分析および試験から、あるパネルの太陽電池とそのカバーガラスとの間の静電放電により、この電池と隣接する電池との間に短絡が生じ、太陽発電装置の出力電流がこれらの電池間を流れるようになる。この電流により運ばれるエネルギーが十分に多いとき、電池の支持絶縁基板（通常はＫａｐｔｏｎ（商標）により作られる）が、分解し導体になる。
【０００７】
より詳細には、観察された異常を発生させるシナリオは、図１ａから図１ｅを参照する以下の段階に従って展開する。
【０００８】
図１ａは、太陽発電パネル３の二列の電池１、２の概略図である。各列は、あらかじめ決められた数の太陽電池４、５を含み、各列の端子における電圧は、それぞれＶ１ボルトおよびＶ２ボルトである。
【０００９】
図１ｂを参照すると、宇宙空間環境により、衛星の電気アースに接続された太陽電池（たとえばセル４）と、このセルのカバーガラス６との間に、逆電圧勾配すなわちＩＶＧ（Ｉｎｖｅｒｔｅｄ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ）が発生する。光電子放出プロセスのため、このカバーガラスの負の充電量は、電池が接続されているフレーム７（パネルの後面、したがって陰になっている部分）の充電量よりも少ない。
【００１０】
太陽電池４とカバーガラス６との間の電圧が、あるしきい値を超えると、一次静電放電が現れ、図１ｃに示すような密なプラズマ８が発生する。この放電はほとんどエネルギーを含んでおらず、それ自体は太陽発電装置の動作に対しては無害である。このようにして発生するプラズマは、隣接する電池間の間隙を伝播する。
【００１１】
しかしながら、これらの電池間の電圧が、あるしきい値Ｖｔｈｒｅｓｈｏｌｄよりも高いと、その列の出力電流は、プラズマを介して電池間を流れることがある。太陽発電装置の出力電流により維持されるこのアーク（二次アーク）は、図１ｄに示すように数秒またはそれ以上の間、保持されることがある。
【００１２】
すると、この二次アークにより十分なエネルギーが放散されるので、高抵抗ポリマーが極めて抵抗の低い材料に変わる温度まで、絶縁基板９が加熱される。この熱分解プロセスにより、図において影を付けた部分１０が完全に導体になり、二つの電池４と５との間、すなわち図１ｅに示すような二つの電池列１と２との間、ならびに電池（４または５）と衛星の電気アースとの間に永続する短絡が生じる。そのため、太陽発電装置の一部分の永続する破壊が生じ、全出力電力を衛星の設備に供給するということが不可能になる。
【００１３】
一次放電の危険性を低減するための方法は、太陽発電装置の受光面に、導電性を有し衛星の電気アースに接続された表面を追加することである。また、隣接する列間での二次放電の危険性を低減するための方法は、光電池の列間の間隔を大きくすることである。しかしながら、このようにして作り出された空間により、パネルの電池充填率の減少をきたすことがあり、パネルの太陽エネルギー収集能力を制限することがある。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第６１８８０１２号明細書
【特許文献２】
国際公開第００／７９５９３号パンフレット
【特許文献３】
米国特許第５６６０６４４号明細書
【特許文献４】
欧州特許出願第１１７４３４２号明細書
【特許文献５】
米国特許第６１１１１９０号明細書
【特許文献６】
米国特許第６１１８０６７号明細書
【非特許文献１】
ＢＵＮＴＥ  Ｋ  Ｄその他著、「集中ＳＥＲＡ−ＬＯＵＶＥＲ太陽発電装置の構造的および動作的な態様（ＳＴＲＵＣＴＵＲＡＬ  ＡＮＤ  ＯＰＥＲＡＴＩＯＮＡＬ  ＡＳＰＥＣＴＳ  ＯＦ  ＴＨＥ  ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＩＮＧ  ＳＥＲＡ−ＬＯＵＶＥＲ  ＳＯＬＡＲ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ）」、欧州スペースパワー（ＥＵＲＯＰＥＡＮ  ＳＰＡＣＥ  ＰＯＷＥＲ）、マドリッド、１９８９年１０月２〜６日、ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ  ＯＦ  ＴＨＥ  ＥＵＲＯＰＥＡＮ  ＳＰＡＣＥ  ＰＯＷＥＲ  ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ，  ＮＯＯＲＤＷＩＪＫ，  ＥＳＡＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮＳ，  ＮＬ，第２巻、ｐ．５４９−５５６
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上で示した種類であって一次および二次静電放電の危険性の低減が可能な太陽電池を備える、宇宙船用のエネルギー集中装置を提供することにより、上記の問題を解消することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この目的のため、本発明は、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換するための太陽電池へ太陽放射を反射するための反射板と、太陽放射の受光後、電池によって蓄積される熱エネルギーを低温ゾーンに輸送することができる熱輸送手段とを備える、宇宙船用太陽エネルギーの集中装置を提供とする。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、前記熱輸送手段は、電池と接触している第一パネルを低温ゾーンに接続する。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、前記熱輸送手段は、毛細管熱輸送システムを含む。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、熱輸送手段は、熱交換材料を含む微細伝熱管を備える。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、熱輸送手段は、装置内の熱勾配を低くするための熱伝導誘電体を備える。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、反射板は、導電外壁を有し、該導電外壁は、太陽放射を受けた後に蓄積される熱を赤外線放射の形態で吸収するように、赤外線周波数域における光学吸収率特性を提供するよう構成されるとともに、可視光線の周波数域における反射特性を提供するよう構成される。内壁は、宇宙空間への熱排出の放射特性を有する。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、前記装置は、反射板の前記外壁をパネル（通常、宇宙船の電気的な構造体である）の電気アースに電気的に接続する導電手段も含む。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、前記熱輸送手段は、前記電池の支持パネルに組み込まれる。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、反射板の外壁は、たとえばアルミニウムのフィルムを付着させることにより、可視光線を反射することができる被覆で覆われ、反射板の内壁は、たとえば黒色塗料の高放射率の被覆で覆われる。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、可視スペクトルに対する高反射率の導電材料の反射板のベースは、太陽電池の端部から最短の放電トリガ距離の箇所にある。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、この距離は０．８ｍｍである。
【００２７】
本発明は、本発明による太陽エネルギーの集中装置を含む、太陽発電パネルにも関する。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、前記パネルは、対応する複数列の電池に太陽放射を反射するための複数の反射板を備え、反射板と電池列とが交互に配置され、各電池列がパネルの幅または長さ方向に沿っている。
【００２９】
本発明の他の特徴および長所は、添付の図面を参照して行なう特定の実施形態についての以下の記述を読むことにより、より明らかになろう。
【００３０】
図においては、同一の機能を果たす構成部品には同じ符号を付与することにする。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図２ａは、太陽発電パネル１１の概略斜視図である。
【００３２】
このパネル１１は、光源側に向けるようにされたその面上に、反射板１２および太陽電池１４の列１３を交互に連続して有する。反射板のこの実施形態においては、反射板は、のこぎりの歯状の構成を有していることに留意されたい。もちろん放物面型等、別の形状の反射板を採用することも可能である。反射板および電池は、支持パネル１５により支持される。
【００３３】
図２ａおよび図２ｂには、太陽光線１６を複数の矢印で示した。太陽光線１６のうちのいくつかのビーム２７は、電池１４に直接あたるが、他のビーム２６は、反射板に反射してから電池に到達する。
【００３４】
また、図２ａおよび図６（以降に説明される）において、電池および反射板は、パネルの幅方向に配置されているが、これは、アンテナまたは他の付属装置がパネルを覆った場合に、出力収支にかかる不利益を最小限に抑えることを目的とすることに留意されたい。もちろん電池および反射板は、これらを支持するパネルの長さ方向に配置することもできる。
【００３５】
図３は、図２ａのパネルの断面図である。このような構成の長所は、パネル全体への集中ではなく局部的な集中であるため、太陽電池パネルによってもたらされる出力への反射板の歪みの影響が低減されることである。それは集中係数（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｆａｃｔｏｒ）の向上という形となって現れる。
【００３６】
本発明の場合、集中係数Ｃｇｅｏｍｅｔｒｉｃは、支持パネルの面に対する反射板の傾斜角度θによって決まり、
【数１】
0004205956.tif 000002
の関係式に従う。
【００３７】
この係数の理論的限度値は、Ｃｇｅｏｍｅｔｒｉｃ＝３である。
【００３８】
図７ａに示すように、寸法Ｌの電池１４と比較して、反射板が長さ２Ｌを有する実際の場合には、「レイトレーシング（ｒａｙ  ｔｒａｃｉｎｇ）」法により得られる理論光学係数は、入射角θによって決まる理論光集中係数を示す図７ｂでわかるように、θ＝６８°に相当する入射角の場合には２．５に等しい最適値に達する。これは、反射板の反射率がＲ＝１であること、および反射板が完全に平面であることを条件とする。図７ｃは、両方向矢印２８（図７ａ）で示され、反射板の壁になされた湾曲または凹部の影響を示す図である。そのような矢印の長さは、サグ（ｓａｇ）または曲がりとして知られ、反射板の平面位置とその湾曲された位置との間の距離に相当する。１０ｍｍを超える曲がりは、光集中係数を急激に低下させる。
【００３９】
反射板に凹部があると、反射板への入射角が変化する。図７ｄは、初期には、Ｃｏｐｔｉｃ＝２．５の実際の場合の、様々な長さの曲がり、従って様々な入射角についての集中係数の変化を示す図である。最適値は、４ｍｍ近傍の長さ（Ｃｏｐｔｉｃ＞３であって、かつ初期の集中係数２．５より大きい）の曲がりの場合に得られることがわかる。実際には、反射板の傾斜が減少する時には、太陽から見えるこれらの反射板の表面積は増加し、受け取る可能性があるエネルギーも増加する。反射板が平面の場合、このエネルギーは電池には送り返されないが、反射板が湾曲を有する場合には、このエネルギーが電池に送り返され、その結果、集中係数が増加する。
【００４０】
４ｍｍの曲がりの場合、Ｃｏｐｔｉｃは、初期Ｃｏｐｔｉｃよりも高くなることがあるが、図７ｅに示すような入射角θに対し極めて敏感になる。
【００４１】
光集中係数は、反射材料の光効率Ｒによって異なる。すなわち、Ｃｏｐｔｉｃ＝１＋Ｒ（Ｃｏｐｔｉｃ  Ｒ＝１−１）である。たとえばＲ＝１の場合、Ｃｏｐｔｉｃ＝２．５であり、Ｒ＝０．８８の場合、Ｃｏｐｔｉｃ＝２．３２である。
【００４２】
一般的には、１０％以内の安定な光集中係数を得るためには、±４°の入射安定性および１２ｍｍ未満の曲がりの長さが必要である。
【００４３】
図４は、本発明の実施形態による太陽エネルギーの集中装置２０を具備したパネル１１の断面図である。この図では、反射板１２が図示されているが、図５で二つの方向から詳細に記述され、内壁および外壁に適した表面処理が施されている。この反射板は、宇宙空間環境（食の入／出、太陽圧、原子酸素、紫外線、…）の熱的および機械的要件を満たすため、極めてすぐれた機械的および熱的特性を有する、Ｋａｐｔｏｎ（商標）、Ｕｐｉｌｅｘ（商標）、または他の材料の数十ミクロンのフィルム１７で構成される。このフィルム１７は、電気化学的な付着により、たとえばアルミニウム（あるいは可視光線域において光学反射が極めて高く、導電性を有する他の光学付着材料）など、光学反射フィルム１８で被覆されている。フィルム１８は、太陽放射を受けた後に蓄積される熱を、赤外線放射の形態で吸収するため、赤外線周波数域における吸収率特性を提供するよう構成されるとともに、可視光線の周波数域において光学反射特性を提供するよう構成される。したがって内壁１９は、放射の形態で熱を宇宙空間に排出するようになっている。内壁は黒色の塗料の付着層とすることができる。これら二つの表面処理は、薄い支持体フィルム１７に行なわれる。この実施形態では、反射板の外壁にアルミニウムを付着させることにより、０．３の赤外線域放射率を得ることができる。反射板の内面は、赤外線域において高い放射率を有する黒色塗料で被覆される。宇宙空間では重力が微小であるため、対流が存在し得ず、もっぱら周囲との伝導および放射による交換によってのみ、太陽発電パネルの温度が制御されるから、これらの処置は適切である。
【００４４】
図４では、電池および反射板の支持パネル１５は、アルミニウム製ハニカム構造２３を、サンドイッチ状にはさむカーボンファイバー製の二つの同一のプレート２１および２２を含む。プレート２１は、誘電体フィルム２４（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）、Ｕｐｉｌｅｘ（登録商標）、あるいは高い熱伝導率を有する他の電気絶縁材料）で被覆されるので、太陽電池の短絡が防止される。プレート２１および２２を有するハニカム構造２３は、非常に優れた機械特性を有し、（アルミニウム製ハニカム構成に固有な）良好な横方向熱伝導性を有する。パネルの長手方向面内（すなわちパネル１５の面の方向）における熱輸送の効果を向上させ、その結果、本構成（電池の下側が高温で、反射板の下側が低温、図８を参照のこと）に固有の熱勾配を低くするために、アンモニアまたは水などの熱伝達媒体を通す微細伝熱管２５により、第一列１３の第一の電池１４が、隣接する列１３に属する対向する第二の電池１４に接続される。その結果、電池を支持するゾーンに対応する高温ゾーンからの熱が、太陽電池のすぐ下に位置する熱伝導誘電体フィルム（Ｋａｐｔｏｎ、Ｕｐｉｌｅｘ、…）を補足するものとしての微細伝熱管２５により輸送される。これらの微細伝熱管は、たとえば、反射板１２の下のゾーン、および、アルミニウム製の伝導セルにより熱が横方向に輸送される行先である熱散逸プレート２２など、パネル１５の低温ゾーンであるヒートマス側に熱エネルギーを運ぶ。
【００４５】
これらの微細伝熱管を使用することは、電池の下側の高温ゾーンと反射板の下側の低温ゾーンとの間の温度を均一化にするフィルム２４の使用を補足するものである。このように三つの要素（微細伝熱管、ヒートフィルム、ハニカムセル構造）を使用することにより、太陽光の集中の作用、したがって反射板１２によって反射され電池に吸収される赤外線光線の集中の作用による支持構造体１５内の熱勾配が、最小化される。こうして、本発明により、光学的に反射するだけでなく、特に導電性を有するフィルム１８で被覆された反射板１２を使用することにより、静電放電の危険性を低減する。
【００４６】
アルミニウムが導電性を有し、反射板が太陽電池パネルの受光面に設置されるので、光電子放出により、構造体（衛星の電気アース）内に蓄えられる電荷量を少なくすることができる。したがって構造体の負電位が小さくなり、一次静電放電の危険性が減少する。そのためには、反射板の被覆が導電性を有し、衛星のアース（構造体の導電部分）に電気的に接続されることが必須である。
【００４７】
また、本発明の利点は、反射板がスクリーンの役割を果たすため、一次放電によって生じるプラズマは、隣接する電池間を伝播することができないことにある。さらにこの構成により、二次放電の際に、放出個所と隣接する太陽電池との間の距離を大きくすることが可能である。太陽電池間の距離（０．８ｍｍ程度の間隔）は、反射板（この場合は放出個所）と隣接する電池との間の距離になり、この距離は数ミリメートルになりうる。二次アークが発生する上述の電池間の電圧しきい値が増加し、二次アークの危険性が低減される。実際は、これらの反射板について、パネルの電気アースに電気的に接続された導電被覆を使用することにより、一次静電放電の危険性および二次アークの危険性を低減させることができる。
【００４８】
もちろん、本発明は、本出願において記述した実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】従来技術の二列の太陽電池、より詳細には、一次および二次放電によりこれらの太陽電池が受ける可能性がある損害の過程を示す図である。
【図１ｂ】従来技術の二列の太陽電池、より詳細には、一次および二次放電によりこれらの太陽電池が受ける可能性がある損害の過程を示す図である。
【図１ｃ】従来技術の二列の太陽電池、より詳細には、一次および二次放電によりこれらの太陽電池が受ける可能性がある損害の過程を示す図である。
【図１ｄ】従来技術の二列の太陽電池、より詳細には、一次および二次放電によりこれらの太陽電池が受ける可能性がある損害の過程を示す図である。
【図１ｅ】従来技術の二列の太陽電池、より詳細には、一次および二次放電によりこれらの太陽電池が受ける可能性がある損害の過程を示す図である。
【図２ａ】太陽光発電パネルの一部分の概略斜視図である。
【図２ｂ】直接光線および反射板により反射される光線等、太陽発電装置が受ける光線の経路を示す図である。
【図３】図２のパネルの概略部分断面図である。
【図４】本発明の実施形態による太陽エネルギーの集中装置を具備したパネルの部分断面図である。
【図５】反射板を示す図である。
【図６】本発明による集中パネルを含む、中央パネルおよび側面パネルを組み込む実施形態を示す図である。
【図７ａ】両方向矢印で示す凹部を有する太陽電池に対向する反射板壁を示す図である。
【図７ｂ】所定構成の場合の入射角に応じた集中係数の変化を示す図である。
【図７ｃ】光集中係数Ｃｏｐｔｉｃに対する反射板の凹部の影響を示す図である。
【図７ｄ】光集中係数Ｃｏｐｔｉｃに対する反射板の凹部および入射角の組み合わされた効果を示す図である。
【図７ｅ】それ自身も凹部に関連する入射角の変化に応じた光集中係数Ｃｏｐｔｉｃの感度を示す図である。
【図８】太陽パネルの構造体内に熱勾配が存在することを示す、太陽電池の下および反射板の下の温度を示す図である。
【符号の説明】
１、２、１３  電池の列
３、１１  太陽発電パネル
４、５、１４  太陽電池
６  保護用上部壁
７  シャーシ
８  プラズマ
９  絶縁基板
１２  反射板
１５  支持パネル
１６  太陽光
１７  フィルム
１８  導電外壁
２０  太陽エネルギーの集中装置
２１、２２  ベースプレート
２３、２４、２５  熱輸送手段
２６、２７  ビーム
Ｌ  電池の寸法
Ｖ１、Ｖ２  電圧
【図１ａ】
0004205956.tif 000003
【図１ｂ】
0004205956.tif 000004
【図１ｃ】
0004205956.tif 000005
【図１ｄ】
0004205956.tif 000006
【図１ｅ】
0004205956.tif 000007
【図２ａ】
0004205956.tif 000008
【図２ｂ】
0004205956.tif 000009
【図３】
0004205956.tif 000010
【図４】
0004205956.tif 000011
【図５】
0004205956.tif 000012
【図６】
0004205956.tif 000013
【図７ａ】
0004205956.tif 000014
【図７ｂ】
0004205956.tif 000015
【図７ｃ】
0004205956.tif 000016
【図７ｄ】
0004205956.tif 000017
【図７ｅ】
0004205956.tif 000018
【図８】
0004205956.tif 000019