СОЛНЕЧНЫЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СУБМОДУЛЬ

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.
В процессе создания фотоэлектрического субмодуля важным этапом является выбор конструктивных вариантов исполнения его основных элементов (линзового блока, фотоэлементов, теплоотводящего основания и корпуса субмодуля) и их взаиморасположения для обеспечения надежной, согласованной и эффективной работы в условиях космического полета.
Известен солнечный фотоэлектрический субмодуль (см. патент RU 2411422, МПК F24J 2/08, опубликован 10.02.2011), состоящий из концентратора солнечного элемента в виде линзы Френеля, которая состоит и четырех зон рабочего профиля, каждая зона имеет свой точечный оптический фокус; фотоэлемента, установленного на плоскости охлаждающего устройства.
Недостатками известного солнечного фотоэлектрического субмодуля является значительные массогабаритные параметры.
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 фотоэлементами и теплоотводящими основаниями. Линзы Френеля выполнены из силикона, имеют квадратную форму, расположены вплотную друг к другу и прочно соединены с внутренней поверхность стекла, выполняющего защитную и несущую функции. Каждой линзе Френеля соответствует свой солнечный фотоэлемент, закрепленный на металлическом теплоотводящем основании. Теплоотводящие основания располагаются на фронтальной стороне стекла тыльной панели таким образом, чтобы светоприемная поверхность фотоэлемента находилась в фокусном пятне соответствующей линзы Френеля. Металлическое теплоотводящее основание также является и одним из электрических контактов солнечного фотоэлемента. Вторым контактом является верхнее металлическое покрытие фольгированного стеклотекстолита, закрепленного на теплоотводящем основании, к которому подведен проволочный контакт, присоединенный другим концом к контактной сетке фотоэлемента. Коммутацию солнечных фотоэлементов 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. Модуль-прототип превосходит по своим показателям все другие известные фотоэлектрические модули с концентраторами, включая рассмотренные выше аналоги.
Недостатком известного солнечного фотоэлектрического субмодуля является высокие массовые и габаритные характеристики, связанные с использованием 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, H01L 31/042, опубликована 11.03.2010). Солнечный фотоэлектрический субмодуль включает линзовый блок, собирающий солнечное излучение; фотоэлементы, которые осуществляют преобразование солнечного излучения; приемную подложку, на которой расположены фотоэлементы (ФЭП); теплоотводящие основания, на которых расположены приемные подложки, корпуса субмодуля и прикрепленные к нему линзовый блок и теплоотводящие основания, с расположенными на них фотоэлементами.
Недостатками солнечного фотоэлектрического субмодуля являются значительные весовые характеристики субмодуля, что является ключевым фактором для использования субмодуля в условиях космоса.
Известен солнечный фотоэлектрический субмодуль (см заявка USUS 2015022909, МПК G02B 07/02, G02B 19/00, опубликованный 22.01.2015), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Солнечный фотоэлектрический субмодуль, содержащий фронтальную панель по меньшей мере с одной гибкой линейной силиконовой линзой Френеля на ее внутренней стороне, по меньшей мере одну линейку солнечных фотоэлементов, 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-прототип также включает механизм натяжения линзы в виде пластмассовых или металлических гибких тяжей, соединяющих противолежащие арки.
Недостатками солнечного фотоэлектрического субмодуля-прототипа является то, 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. 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 батарей, а также увеличивают погрешность установки компонентов солнечных фотоэлементов в фокус линз Френеля.
Задачей настоящей полезной модели является разработка солнечного фотоэлектрического субмодуля, который бы имел более прочную конструкцию и позволял упростить процесс его сборки при сохранении его небольших массовых и габаритных характеристик.
Поставленная задача достигается тем, что солнечный фотоэлектрический субмодуль содержит фронтальную панель по меньшей мере с одной линейной силиконовой линзой Френеля на ее внутренней стороне, по меньшей мере одну линейку солнечных фотоэлементов, 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 для закрепления фронтальной панели и с нижними поперечными элементами, прикрепленными к прямоугольному теплоотводящему основанию (ТО). Новым в представленной полезной модели является выполнение верхних поперечных элементов в виде первой прямоугольной рамки, углами опирающейся на стойки, выполнение нижних поперечных элементов в виде второй прямоугольной рамки, дополнительное закрепление стойки подкосами, при этом первая и вторая прямоугольные рамки, стойки и подкосы выполнены из углепластика.
Теплоотводящее основание может быть выполнено из кремниевой пластины толщиной 0,15-0,25 мм.
Теплоотводящее основание может быть выполнено из керамической пластины на основе нитрида алюминия (AIN) толщиной 0,3-0,4 мм.
Солнечные фотоэлементы могут быть выполнены на основе полупроводниковой структуры GalnP/GaAs/Ge толщиной 85-150 мкм.
Фокусное расстояние используемых линейных силиконовых линз Френеля обеспечивает минимальную архитектурную высоту солнечного фотоэлектрического субмодуля - 32 мм. Теплоотводящее основание и фотоэлементы создают утоненными для снижения массогабаритных параметров субмодуля.
Настоящая полезная модель фотоэлектрического субмодуля поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематически изображен вид сбоку на первый вариант реализации заявляемого фотоэлектрического модуля с частичным разрезом,
на фиг. 2 показан вид сверху на первый вариант реализации заявляемого фотоэлектрического модуля в разрезе по А-А;
на фиг. 3 изображена фотография фотоэлектрического субмодуля;
2
На фиг. 1 - фиг. 3 указаны: 1 - линзовый блок линейных концентраторов, 2 - ТО на основе кремниевой подложки n-типа или на основе нитрида алюминия (AIN), 4 - первые токоведущая шины, 5 - электрогенерирующая линейка из солнечных фотоэлементов GalnP/GaAs/Ge, 6 - верхняя углепластиковая прямоугольная рамка, - 7 углепластиковые стойки, 8 - силиконовые линзы Френеля, 9 - защитная стеклянная фронтальная панель, 10 - соединительный проводник, 11 - диэлектрический слой на основе оксида кремния SiO, 12 - вторые токоведущие шины, 13 - подкосы.
2
Настоящий солнечный фотоэлектрический субмодуль (см. фиг. 1, фиг. 2) содержит линзовый блок (ЛБ) 1 линейных концентраторов, теплоотводящее основание 2, например, на основе кремниевой подложки n-типа с нанесенным на ее поверхность диэлектрическим слоем 11 оксида SiO или нитрида алюминия с монтированными с использованием вакуумной пайки и ультразвуковой разварки золотых проводников 10 на вторые токоведущие шины 12 электрогенерирующих линеек фотоэлементов 5 на основе GalnP/GaAs/Ge и несущую облегченную конструкцию каркасного типа 6 на основе углепластика с боковыми углепластиковыми планками 7, обеспечивающую взаиморасположение ЛБ 1 и ТО 2 с монтированными электрогенерирующими линейками 5 на оптимальном фокусном расстоянии с архитектурной высотой - 32 мм. Линзовый блок представляет собой единую двухкомпонентную панель 8, изготовленную из силикона методом полимеризации на негативной матрице с профилем Френеля и нанесенную на защитное стекло типа К-208 толщиной 100-150 мкм - 9. Линзовый блок имеет размер 104 мм × 54 мм с учетом технологических закраин, предназначенных для крепления блока к корпусу модуля. Профиль Френеля линейных концентраторов формируется на нижней стороне блока. Каждая линза Френеля имеет ширину 25 мм и длину 100 мм.
Теплоотводящие основания, предназначенные для объединения электрогенерирующих линеек длиной 100 мм каждая, выполнялись из облегченных керамической на основе нитрида алюминия пластины, толщиной 0,35 мм, а также кремниевой пластины n-типа проводимости, толщиной 0,2 мм. Габаритные размеры, ТО составляли 104 мм × 54 мм. Использование утоненных (0,2 мм) кремниевой пластины и керамической (AIN) пластины (0,35 мм) для изготовления ТО, позволяет снизить удельные весовые характеристики фотоэлектрического субмодуля. Электрогенерирующие линейки располагаются на расстоянии 25 мм друг от друга, что соответствует положению фокальных линий линзового блока. Единичная электрогенерирующая линейка состоит из 6 ФЭП размером 4.0 мм × 16.0 мм и толщиной 90 мкм или 18 ФЭП размером 5.5 мм × 6.4 мм и толщиной 150 мкм, объединенных на печатной плате керамической (AIN) или кремниевой подложке с контактным рисунком изготовленным с использованием фотолитографии) которая обеспечивает коммутацию ФЭП в параллельную цепь. Схема электрической коммутации ТО формируется методом фотолитографии с последующим осаждением золота 10 (см. фиг. 2).
Изготовленный образец (см. фиг. 3) солнечного фотоэлектрического субмодуля имеет жесткую и прочную конструкцию при небольших массо-габаритных характеристик за счет использования теплоотводящих оснований на основе утоненной кремниевой пластины (толщиной 0,15-0,25 мм) или керамического ТО на основе нитрида алюминия (толщиной 0,3-0,4 мм), утоненных ФЭП, смонтированных в электрогенерирующие линейки, ЛБ с уменьшенным фокусным расстоянием, что позволило снизить архитектурную высоту и облегчить несущую конструкцию. Для снижения удельных весовых характеристик фотогенерирующей части субмодуля на утоненные кремниевое и керамическое теплоотводящее основание смонтированы электрогенерирующие линейки, состоящие из 6 фотоэлементов размером 4,0 мм × 16,0 мм и толщиной 85-95 мкм или 18 фотоэлементов размером 5,5 мм × 6,4 мм и толщиной 140-150 мкм.