СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ
SOLAR CELL BATTERY

Предлагаемое изобретение относится к солнечным батареям (СБ), предназначенным для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотопреобразователей. СБ используются, в основном, для электроснабжения космических аппаратов (КА) и подвергаются различным внешним воздействиям как на участке выведения КА на орбиту, так и в процессе длительного полета в условиях космического пространства. Требования по ресурсу к современной СБ - работа более 10,0 лет на космической орбите в условиях глубоких термоциклов и других воздействий космического пространства.
Весьма важными являются требования, предъявляемые к конструкции СБ по технологичности ее изготовления и по ремонтопригодности на всех этапах наземной эксплуатации (возможность ремонта и замены фотопреобразователей до выведения КА на орбиту).
Современная солнечная батарея состоит из отдельных плоских панелей, рамы каркасов которых изготовлены из стержней различного сечения, например из углепластовых труб.
На раму каркаса натянута подложка, которая является поверхностью, предназначенной для закрепления на ней пластин (модулей) полупроводниковых фотопреобразователей (ФП). Подложка может быть изготовлена из редкой стеклоткани и стеклосетеполотна, натягиваемых на каркас [1], или образована отдельными нитями (струнами), также натянутыми на каркас [2] и образующими редкую сетку. Модули, прикрепленные к подложке, не должны отрываться от нее и не должны перемещаться вдоль плоскости подложки при весьма значительных механических нагрузках на участке выведения КА на орбиту.
Крепление модулей к подложке осуществляется различными держателями, например, [3] которые имеют клеевое соединение с тыльной поверхностью модулей ФП. Такой держатель представляет собой сварной «грибок», ножка которого приварена встык к центру «шляпки». «Шляпка» приклеена к тыльному стеклу модуля ФП.
Недостатком такой конструкции является невозможность предотвратить проскальзывание держателя вдоль нити, даже в случае крепления в месте пересечения нитей, образующих редкую сетку. Сложность технологии изготовления таких держателей обусловлена необходимостью сварки встык «ножки» и «шляпки».
Электрическая коммутация плоских модулей ФП во всех случаях осуществляется с помощью гибких перемычек, изготовленных из многожильного провода.
Подложка из отдельных нитей [2] имеет дополнительные преимущества, т.к. она меньше, чем стеклоткань или стеклосетеполотно загораживает тыльную сторону модулей ФП, что улучшает теплосброс в условиях космического пространства, при этом снижается равновесная рабочая температура модулей и повышается КПД фотопреобразования. Также подложка из отдельных нитей (струн) [2] делает возможным использование ФП с двухсторонней чувствительностью, которые на низких орбитах (высота полета 200÷500 км) позволяют получать дополнительную энергию за счет использования отраженного от Земли солнечного излучения. Недостатком такой подложки является сдвиг ФП вдоль нитей, из-за чего приходится устанавливать перегородки (7) [2].
Если подложка изготовлена из отдельных взаимно перпендикулярных нитей, не скрепленных между собой в местах пересечения, то возникает проблема соединения нитей между собой в местах пересечения и прикрепления к ним модулей ФП. При установке модулей ФП на такую подложку возникает проблема точности взаимного расположения узлов (мест пересечения) нитей и модулей ФП.
Известен способ установки (монтажа) модулей на такую подложку путем приклейки к тыльной стороне модулей ФП специальных пластмассовых держателей, сквозь которые пропускаются нити (струны), образующие подложку.
Технологическая операция приклеивания таких держателей осуществляется во время окончательной сборки при установке модулей ФП на подложку.
Такое склеивание не обеспечивает прочности и надежности крепления, так как невозможно использовать термокомпенсационные методы склеивания и практически невозможен контроль качества и прочности клеевого соединения.
Критически рассмотрев существующие конструкции крепления модулей ФП к подложке из отдельных нитей, авторы предлагают следующую отличающуюся, по их мнению, новизной конструкцию держателей, исключающую недостатки существующих конструкций в солнечной батарее, содержащей каркас, несущую поверхность, образованную ортогональными нитями, и скоммутированные электрические модули полупроводниковых фотопреобразователей, прикрепленные к подложке с помощью держателей, приклеенных к тыльному стеклу модулей, согласно изобретению для повышения надежности и упрощения монтажа модулей фотопреобразователей и скрепления нитей подложки в местах их пересечения, металлические держатели выполнены в виде пластин с четырьмя отгибаемыми при монтаже лепестками.
Предлагаемая конструкция держателя, приклеиваемого к тыльному стеклу модуля ФП, изображена на фиг.1 и представляет собой фигурную пластину, изготовленную из металла (например, стали 12Х18Н10Т-3А) с коэффициентом линейного термического расширения (КЛТР), близким к КЛТР тыльного стекла модуля ФП.
Пластина (Фиг.1) состоит из центральной части 1 (заштриховано) и 4-х лепестков 2. Центральная часть приклеивается к тыльному стеклу, для позиционирования при приклеивании имеется отверстие 3. Отгибаемая часть лепестков 2 должна быть защищена от попадания клея.
Тыльное стекло с установленными пластинами-держателями по обычной технологии приклеивается к нерабочей (тыльной) стороне модуля ФП (например, силиконовым каучуком).
Размеры и конфигурация отгибаемых лепестков 2 позволяют надежно закреплять модуль ФП встречным загибом двух лепестков вокруг одной нити 4 (фиг.1 и 2) при различных положениях нитей относительно держателя в пределах поля допусков (размер 6, фиг.1). Таким образом при установке модуля держатель скрепляет нити в месте их пересечения (фиг.2).
Качество и прочность клеевого соединения держателя и тыльного стекла может быть проверена до установки тыльного стекла на модуль ФП как инструментально, так и визуально сквозь прозрачное тыльное стекло.
При увеличении длины лепестков (2) соответственно увеличивается поле допуска (6), т.е. снижаются требования по точности расположения нитей при изготовлении панели с подложкой из отдельных нитей.
Дополнительным преимуществом предлагаемой конструкции является то, что механическое крепление модулей ФП к подложке из нитей делает возможным (упрощает) замену модулей при изготовлении и наземной эксплуатации, чем обеспечивается ремонтопригодность солнечной батареи.
Пример конкретного выполнения предлагаемой конструкции СБ.
Предлагаемая СБ состоит из прямоугольных панелей, имеющих каркас из труб. На каркасе с определенным шагом натянуты отдельные нити, образующие редкую сетку. В местах пересечения нити не скреплены между собой. Модули необходимо закрепить на эту сетку, так, чтобы держатели располагались в местах пересечения нитей и при загибании лепестков прикрепляли модули к нитям и одновременно соединяли нити между собой.
Для этого на заготовленные заранее тыльные стекла в определенных заранее местах в соответствии с шагом нитей приклеивают пластины-держатели, защитив лепестки от попадания на них клея. Процесс может быть осуществлен термокомпрессионным способом, например, в ламинаторе. Далее после проверки качества и прочности клеевого соединения держателя с тыльным стеклом полученный сборочный узел, состоящий из тыльного стекла и держателей, приклеивают к тыльной стороне модуля ФП, например, с помощью кремнийорганического каучука типа СКТНФ.
Для установки модуля ФП на редкую сетку модуль прикладывают к ней с лицевой стороны панели СБ, затем с тыльной стороны лепестки загибают навстречу друг другу вокруг нитей в соответствующем месте их пересечения.
Электрическая коммуникация модулей ФП осуществляется с помощью гибких перемычек, изготовленных, например, из провода типа МГТФ, спаиваемых между собой на тыльной стороне СБ.
В случае замены модуля ФП на любой стадии изготовления СБ необходимо разогнуть лепестки держателей на этом модуле и снять его, чтобы затем установить другой модуль. При этом электрическая коммутация разъединяется и соединяется обычным образом.
Этим полностью обеспечивается ремонтопригодность конструкции СБ.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №473472, кл. H01L 15/04, заявлено 28.12.73 г.
2. Авторское свидетельство СССР №562155, кл. H01L 31/02. Опубликовано в Б.И. №17 за 1995 г.(с.288).
3. Авторское свидетельство СССР №1245185, кл. H01L 31/04. Заявлено 18.12.84 г.