СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СУБМОДУЛЬ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к устройствам энергопитания, предназначенным для преобразования солнечной энергии в электрическую, и может быть применена при изготовлении панели солнечной батареи для обеспечения электроэнергией космического летательного аппарата.
Известен солнечный фотоэлектрический субмодуль (см. патент RU 2411422, МПК F24J 2/08, опубл. 10.02.2011), содержащий концентратор солнечного излучения в виде линзы Френеля с концентрическим рабочим профилем, в фокальной плоскости линзы установлен фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), перед которым по ходу солнечных лучей расположен вторичный отражатель. ФЭП установлен на плоскости охлаждающего устройства. Линза Френеля состоит из четырех зон рабочего профиля, каждая из которых имеет свой точечный оптический фокус в плоскости высоковольтного квадратного ФЭП, причем фокусы расположены на диагоналях ФЭП между центральной точкой и вершинами его квадрата. Выходное отверстие вторичного отражателя имеет квадратную форму, по площади равную или большую площади ФЭП.
Известный солнечный фотоэлектрический субмодуль имеет повышенный КПД преобразования, но значительные массогабаритные параметры и высокий уровень концентрации солнечного излучения, требующий принудительного охлаждения фотоэлемента.
Известен солнечный фотоэлектрический субмодуль (см. Международная конференция "Conference record of the twenteighth IEEE photovoltaic specialists Conference-2000", Anhorage, Alaska, USA, 2000, p. 1169-1172), содержащий боковые стенки из силикатного стекла, на верхних кромках которых закреплена фронтальная панель из силикатного стекла с линзами Френеля, а на нижних кромках закреплена тыльная панель из силикатного стекла с солнечными ФЭП и теплоотводящими основаниями. Линзы Френеля выполнены из силикона, имеют квадратную форму, расположены вплотную друг к другу и прочно соединены с внутренней поверхностью стекла, выполняющего защитную и несущую функции. Каждой линзе Френеля соответствует свой солнечный ФЭП, закрепленный на металлическом теплоотводящем основании. Теплоотводящие основания располагаются на фронтальной стороне стекла тыльной панели таким образом, чтобы светоприемная поверхность ФЭП находилась в фокусном пятне соответствующей линзы Френеля. Металлическое теплоотводящее основание также является и одним из электрических контактов солнечного ФЭП. Вторым контактом является верхнее металлическое покрытие фольгированного стеклотекстолита, закрепленного на теплоотводящем основании, к которому подведен проволочный контакт, присоединенный другим концом к контактной сетке ФЭП. Коммутацию солнечных ФЭП осуществляют через контакты, прикрепленные к металлическому основанию и верхнему металлическому покрытию стеклотекстолита. С помощью стеклянных боковых стенок модуля обеспечивается параллельность фронтальной и тыльной панелей, а также расположение их относительно друг друга с учетом обеспечения точной фокусировки. Крепление стенок между собой и к панелям осуществляют клеем-герметиком, что обеспечивает герметизацию внутреннего пространства модуля от внешней атмосферы и обеспечивает защиту всех элементов фотоэлектрического модуля от внешних факторов.
Недостатком известного солнечного фотоэлектрического субмодуля является высокие массовые-габаритные характеристики, связанные с использованием длиннофокусных концентраторов и металлических теплоотводящих оснований, а также использование силикатного стекла в качестве боковых стенок каркаса, увеличивающих вес модуля.
Известен солнечный фотоэлектрический субмодуль (см. заявка WO 2010027018, МПК H01L 31/042, опубл. 02.02.2012), включающий линзовый блок, собирающий солнечное излучение, ФЭП, которые осуществляют преобразование солнечного излучения, приемную подложку, на которой расположены ФЭП, теплоотводящие основания, на которых расположены приемные подложки; корпус субмодуля и прикрепленные к нему линзовый блок и теплоотводящие основания, с расположенными на них ФЭП.
Недостатками известного солнечного фотоэлектрического субмодуля являются его значительные весовые характеристики, что является ключевым фактором для использования субмодуля в условиях космоса.
Известен солнечный фотоэлектрический субмодуль (см заявка TW 201338186, МПК H01L 31/052, опубл. 16.09.2013), содержащий оболочку, набор линз Френеля, сконфигурированных сверху оболочки, первый солнечный ФЭП, выполненный в нижней части корпуса в фокусе линз Френеля и, по меньшей мере, один второй солнечный ФЭП, сконфигурированный на периферийной стенке оболочки и/или на дне оболочки. Таким образом, настоящее изобретение может дать возможность области, не способной генерировать энергию, генерировать энергию, чтобы увеличить общую электрическую мощность на единицу площади солнечного фотоэлектрического субмодуля.
Недостатками солнечного фотоэлектрического субмодуля является то, что он предназначен для наземного использования и имеет значительные весовые характеристики, что является ключевым фактором для использования субмодуля в условиях космоса.
Известен солнечный фотоэлектрический субмодуль для космического аппарата (см. заявка US 2015022909, МПК G02B 07/02, G02B 19/00, опубл. 22.01.2015), содержащий фронтальную панель, по меньшей мере, с одной гибкой линейной силиконовой линзой Френеля на ее внутренней стороне, по меньшей мере одну линейку солнечных ФЭП, последовательно соединенных первой шиной, расположенных в фокальной области линейной линзы Френеля и установленных на прямоугольном теплоотводящем основании, по углам которого установлены стойки с верхними поперечными элементами в виде арок для закрепления фронтальной панели и с нижними поперечными элементами в виде балок, прикрепленными к прямоугольному теплоотводящему основанию. Субмодуль также включает механизм натяжения линзы в виде пластмассовых или металлических гибких тяжей, соединяющих противолежащие арки.
Недостатками солнечного фотоэлектрического субмодуля является то обстоятельство, что несущий каркас, выполненный в виде арочных держателей, не обеспечивает максимальную поддержку линейных линз Френеля, что, в свою очередь, влечет к усилению передачи механических воздействий к линзовому блоку и теплоотводящему основанию при термоциклировании и механических нагрузках в космосе. Для силиконовых линз Френеля на арочных держателях необходимы специальные устройства для раскрытия, натяжения гибких силиконовых линз Френеля, закрепленных на арочных держателях, и фиксации арочных держателей линз. Процессы монтажа арочных держателей на поверхности панелей и закрепление краев гибких силиконовых линз Френеля на арочных держателях требуют применения прецизионной технологической оснастки и существенно усложняют процесс сборки концентраторных солнечных батареи, а также увеличивают погрешность установки компонентов солнечных ФЭП в фокус линз Френеля.
Известен солнечный фотоэлектрический субмодуль (см заявка CN 102903704, H01L 25/04; H02S 40/42, опубликованный 30.01.2013), содержащий линзы Френеля, блок интегрированных солнечных ФЭП и подложку. Блок интегрированных солнечных ФЭП состоит из блока гибридных высокоэффективных полупроводниковых солнечных ФЭП и блока монокристаллических или поликристаллических, или аморфных солнечных ФЭП.
Известный солнечный фотоэлектрический субмодуль имеет высокую эффективность преобразования солнечного излучения в электроэнергию, но предназначен, прежде всего, для наземного использования, так как имеет значительные весовые характеристики, что является ключевым фактором для использования субмодуля в условиях космоса.
Известен солнечный фотоэлектрический субмодуль для космического аппарата (см. патент RU 184511, МПК H01L 31/042, опубликованный 29.10.2018), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Солнечный фотоэлектрический субмодуль-прототип содержит фронтальную панель по меньшей мере с одной линейной силиконовой линзой Френеля на ее внутренней стороне, по меньшей мере одну линейку солнечных ФЭП, последовательно соединенных первой шиной, расположенных в фокальной области линейной линзы Френеля и установленных на прямоугольном теплоотводящем основании. По углам прямоугольного теплоотводящего основания установлены стойки с верхними поперечными элементами для закрепления фронтальной панели и с нижними поперечными элементами, прикрепленными к прямоугольному теплоотводящему основанию. Верхние поперечные элементы выполнены в виде первой прямоугольной рамки, углами опирающейся на стойки. Нижние поперечные элементы выполнены в виде второй прямоугольной рамки. Стойки дополнительно закреплены подкосами. Первая и вторая прямоугольные рамки, стойки и подкосы выполнены из углепластика. Теплоотводящее основание может быть выполнено из пластины кремния n-типа проводимости толщиной (0,15-0,25) мм. Солнечные ФЭП могут быть выполнены на основе полупроводниковой структуры GaInP/GaAs/Ge толщиной (85-150) мкм.
Солнечный фотоэлектрический субмодуль-прототип имеет прочную конструкцию при сохранении его небольших массовых и габаритных характеристик, однако имеет относительно низкую выходную удельную электрическую мощность, величина которой имеет важное значение для космических летательных аппаратов.
Задачей настоящей полезной модели является разработка солнечного фотоэлектрического субмодуля для космического летательного аппарата, который бы имел большую, по сравнению с субмодулем-прототипом выходную удельную электрическую мощность при сохранении прочности конструкции и небольших массовых и габаритных характеристик субмодуля.
Поставленная задача достигается тем, что солнечный фотоэлектрический субмодуль для космического летательного аппарата содержит фронтальную панель по меньшей мере с одной линейной силиконовой линзой Френеля на ее внутренней стороне, по меньшей мере одну линейку первых солнечных ФЭП, последовательно соединенных первой шиной, расположенных в фокальной области линейной линзы Френеля и установленных на прямоугольном теплоотводящем основании из пластины кремния. По углам прямоугольного теплоотводящего основания установлены стойки с верхними поперечными элементами для закрепления фронтальной панели и с нижними поперечными элементами, прикрепленными к прямоугольному теплоотводящему основанию. Верхние поперечные элементы выполнены в виде первой прямоугольной рамки, углами опирающейся на стойки. Нижние поперечные элементы выполнены в виде второй прямоугольной рамки. Стойки дополнительно закреплены подкосами. Первая и вторая прямоугольные рамки, стойки и подкосы выполнены из углепластика. Новым в солнечном фотоэлектрическом субмодуле для космического летательного аппарата является то, что теплоотводящее основание выполнено из монокристаллического кремния р-типа проводимости, на поверхности которого вне линейки первых ФЭП нанесена пленка аморфного кремния, образующая с монокристаллическим кремнием р-типа проводимости вторые солнечные ФЭП (α-H:Si/c-Si) на основе гетероперехода аморфный кремний/монокристаллический кремний, а по боковым сторонам каждой линейки первых солнечных ФЭП установлены отражатели в виде наклоненных наружу пластин из углепластика с алюминиевой фольгой на обращенных друг к другу поверхностях пластин.
Прямоугольное теплоотводящее основание (ТО) может быть выполнено толщиной (0,25-0,30) мм.
Первые солнечные ФЭП могут быть выполнены на основе полупроводниковой структуры GaInP/Ga(In)As/Ge толщиной (50-90) мкм.
Фокусное расстояние используемых линейных силиконовых линз Френеля обеспечивает минимальную архитектурную высоту солнечного фотоэлектрического субмодуля не более 40 мм. ТО и ФЭП создают с максимальным утонением для снижения массогабаритных параметров субмодуля.
Настоящий солнечный фотоэлектрический субмодуль для космического аппарата поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 схематически изображен вид сбоку в разрезе на солнечный фотоэлектрический модуль для космического аппарата;
на фиг. 2 показан вид сверху на солнечный фотоэлектрический модуль для космического аппарата в разрезе по А-А;
2
На фиг. 1 - фиг. 2 указаны: 1 - линзовый блок (ЛБ) линейных концентраторов (линз Френеля), 2 - ТО на основе кремниевой подложки р-типа проводимости, 4 - первые токоведущие шины, 5 - электрогенерирующая линейка первых солнечных ФЭП из GaInP/Ga(In)As/Ge, 6 - первая прямоугольная углепластиковая рамка, 7 - углепластиковые стойки, 8 - силиконовая линза Френеля, 9 - защитная стеклянная фронтальная панель, 10 - соединительный проводник, 11 - диэлектрический слой на основе оксида кремния SiO, 12 - вторые токоведущие шины, 13 - подкосы, 14 - вторая прямоугольная углепластиковая рамка, 15 - сформированные с лицевой стороны ТО вторые солнечные ФЭП (α-H:Si/c-Si) на основе гетероперехода аморфный кремний/монокристаллический кремний, 16 - сформированные с тыльной стороны ТО вторые солнечные ФЭП (α-H:Si/c-Si) на основе гетероперехода аморфный кремний/монокристаллический кремний, 17 - отражатели в виде наклоненных наружу пластин из углепластика с алюминиевой фольгой на обращенных друг к другу поверхностях пластин.
2
Настоящий солнечный фотоэлектрический субмодуль для космического аппарата (см. фиг. 1 фиг. 2) содержит ЛБ 1 линейных концентраторов (линз Френеля), ТО 2, например, на основе прямоугольной кремниевой пластины р-типа толщиной (0,25-0,30) мм с нанесенным на ее поверхность диэлектрическим слоем 11 из SiO, сформированные с лицевой стороны ТО 2 вторые солнечные ФЭП 15 (α-H:Si/c-Si) на основе гетероперехода аморфный кремний/монокристаллический кремний, сформированные с тыльной стороны ТО 2 вторые солнечные ФЭП 16 (α-H:Si/c-Si) на основе гетероперехода аморфный кремний/монокристаллический кремний, электрогенерирующие линейки первых солнечных ФЭП 5 из GaInP/Ga(In)As/Ge, расположенные на первых токоведущих шинах 4. Вторые контакты первых солнечных ФЭП 5 соединены золотыми проводниками 10 с использованием вакуумной пайки и ультразвуковой сварки с вторыми токоведущими шинами 12. К прямоугольному ТО 2 прикреплена вторая прямоугольная углепластиковая рамка 14, по углам ТО 2 установлены углепластиковые стойки 7, соединенные первой прямоугольной углепластиковой рамкой 6 для закрепления на ней защитной стеклянной фронтальной панели 9 с ЛБ 1, содержащим на тыльной стороне две силиконовые линзы 8 Френеля. Стойки 7 дополнительно закреплены подкосами 13. Первая и вторая прямоугольные углепластиковые рамки 6, 14 и стойки 7 с подкосами 13 образуют прочную каркасную конструкцию, обеспечивающую взаиморасположение ЛБ 1 и ТО 2 с монтированными электрогенерирующими линейками первых солнечных ФЭП 5 на оптимальном фокусном расстоянии, например, 32 мм. К прямоугольной рамке 14, на которой закреплено, закреплены боковые отражатели 17 на основе углепластика с приклеенной алюминиевой отражающей пленкой.
2
2
Был изготовлен образец солнечного фотоэлектрического модуля для космического аппарата. В субмодуле теплоотводящее основание было выполнено из утоненной (0,25 мм) кремниевой пластины размером 104×54 мм с сформированными на ней с лицевой и тыльной стороны высокоэффективными HIT вторыми солнечными ФЭП (α-H:Si/c-Si) на основе гетероперехода аморфный кремний/монокристаллический кремний и двух электрогенерирующих линеек субмодуля состоящих из 18 GaInP/Ga(In)As/Ge первых солнечных ФЭП, каждый размером 5×6 мм и толщиной 50 мкм. Схему электрической коммутации ФЭП обеспечивали методом фотолитографии с последующим формированием золотых проводников. Электрогенерирующие линейки расположены на расстоянии 25 мм друг от друга, что соответствует положению фокальных линий линзового блока. Линзовый блок из сдвоенных линейных концентраторов субмодуля был изготовлен из силикона методом полимеризации на негативной матрице с профилем Френеля и нанесен на защитную стеклянную фронтальную панель типа К-208 толщиной 100 мкм. ЛБ имел ширину 50 мм и длину 100 мм.
Как показали результаты испытаний, настоящий солнечный фотоэлектрический субмодуль имеет большую по сравнению с прототипом выходную удельную мощность с сохранением прочности конструкции и небольших массовых и габаритных характеристик.