ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ГИБКАЯ ПАНЕЛЬ
PHOTOELECTRIC FLEXIBLE PANEL

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к гибким фотоэлектрическим панелям, которые могут быть использованы, в частности, в качестве элементов энергетических установок (например, для быстроразвертываемых портативных систем энергообеспечения, для располагаемых на крышах транспортных средств систем дополнительного энергообеспечения, для модулей, служащих крышами обособленных объектов и одновременно обеспечивающих их автономное электрообеспечение, и т.п.).
Однако основное назначение изобретения относится к области энергообеспечения сверхлегких беспилотных летательных аппаратов.
Беспилотные летательные аппараты могут быть применены для решения множества задач, выполнение которых пилотируемыми летательными аппаратами, в силу различных причин, не всегда целесообразно. В число таких задач входят мониторинг воздушного пространства, земной и водной поверхностей, экологический контроль, управление воздушным движением, контроль морского судоходства, развитие систем связи и др.
Все перечисленное характеризует широкий круг задач, которые весьма эффективно и экономично могут быть решены в случае применения беспилотных летательных аппаратов.
В настоящее время наиболее распространены беспилотные летательные аппараты самолетного и вертолетного типов. Каждый из них решает свой круг задач:
1) беспилотные летательные аппараты самолетного типа применяются преимущественно для создания ортофотопланов территорий, цифровых моделей местности, мониторинга протяженных объектов.
Основные преимущества: высокая крейсерская скорость, значительная дальность полета и автономность;
2) беспилотные летательные аппараты вертолетного типа (вертолеты, квадро- и гексакоптеры) применяются в основном для перспективной съемки, мониторинга небольших территорий или обследования сложных конструкций (например, опор моста, в том числе и под дорожным полотном) и воздушной лидарной съемки (лазерного сканирования).
Основные преимущества: малые размеры, взлет и запуск с любых площадок, возможность зависания над объектом обследования, увеличенная полезная нагрузка, позволяющая устанавливать на него оборудование для проведения воздушного лазерного сканирования и тепловизионной съемки.
Для применения фотоэлектрических гибких панелей в качестве энергетических установок для беспилотных летательных аппаратов необходимо максимально обеспечить следующие условия:
- достаточную гибкость панели (для того, чтобы вписаться в общий конструктивный дизайн плоскости крыла/фюзеляжа малогабаритного беспилотного летательного устройства);
- приемлемую жесткость конструкции панели, способной сопротивляться распределенным (ветровым) или сосредоточенным нагрузкам, например удару ледяных градин или случайному столкновению с мелкой птицей (или насекомым);
- малый вес и гладкую наружную поверхность для обеспечения оптимальных аэродинамических свойств крыла беспилотного летательного аппарата, имеющего в своем составе фотоэлектрическую гибкую панель.
Если для беспилотных летательных аппаратов вертолетного типа реализация перечисленных требований не носит критического характера, то в случае использования фотоэлектрической гибкой панели для беспилотных летательных аппаратов самолетного типа ситуация носит обратный характер (особенно это касается аэродинамических свойств поверхности фотоэлектрической гибкой панели).
Известна фотоэлектрическая гибкая панель, выполненная из углепластика (крыла) и покрытого сверхтонкой пленкой аморфного кремния. Указанная конструкция является элементом энергетической установки, размещенной на сверхлегком беспилотном летательном аппарате «Silent Falcon», совместно разработанном компаниями «Sfuas», «Вуе Aerospace» и «Ascent Solar» [1].
Простота, небольшой вес и невысокая стоимость производства делает модули из аморфного кремния весьма привлекательными для беспилотных летательных аппаратов, однако при этом фотоэлектрические гибкие панели имеют невысокую эффективность (их КПД составляет 8÷11%, что существенно ниже, чем КПД для модулей на основе монокристаллического кремния, который достигает 30%).
К тому же фотоэлектрические гибкие панели из аморфного кремния менее долговечны из-за значительной деградации электрофизических свойств аморфного кремния при длительном воздействии солнечного света, что резко ограничивает их использование в качестве источника энергии для беспилотных летательных аппаратов, особенно на больших высотах.
Известна фотоэлектрическая гибкая панель, представляющая собой единую конструкцию близко расположенных между собой солнечных элементов на гибком основании из синтетического материала («Кантона»), в котором солнечные элементы соединяются с основанием посредством твердеющего полимерного адгезионного слоя, в котором имеются металлические частицы, обеспечивающие эффективное соединение солнечных элементов в единую электрическую цепь [2].
Недостатком такой конструкции является ее малая жесткость. Гибкость фотоэлектрической панели обеспечивается, в первую очередь, возможностью упругой деформации ее основания. При малой толщине слоя основания фотоэлектрическая панель обладает малой жесткостью, что неприемлемо в случае использования ее в беспилотных летательных аппаратах.
Увеличение жесткости конструкции панели возможно лишь за счет увеличения толщины основания, а это приводит к увеличению веса фотоэлектрической панели, что также является неприемлемым решением.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является фотоэлектрическая гибкая панель, представляющая собой последовательно расположенные нижнюю несущую пленку, нижний армирующий слой, нижнюю скрепляющую пленку, электрически соединенные между собой солнечные элементы, верхнюю скрепляющую пленку, верхний армирующий слой и верхнюю несущую пленку, причем нижние и верхние несущие и скрепляющие пленки выполнены из прозрачного для солнечного света материала, а в качестве армирующих слоев используют сетки из прозрачных для солнечного света высокопрочных искусственных нитей [3].
Толщина верхней и нижней несущих пленок ~0,4 мм. Толщина верхней и нижней скрепляющих пленок вместе с введенными в них сетками из высокопрочных искусственных нитей составляет ~0,3 мм. Толщина кремниевых монокристаллических солнечных элементов составляет 100÷250 мкм. Общая толщина фотоэлектрического гибкого модуля составляет ~1,4÷1,5 мм. При этом радиус максимально возможной кривизны под действием изгибающих напряжений, при которых еще не происходит разрушение кремниевых солнечных элементов, составляет ~25÷30 см.
Указанная панель закрепляется на верхней плоскости крыла беспилотного летательного аппарата посредством клея (например, эпоксидного), что обеспечивает высокую надежность крепления и плотность прилегания к поверхности крыла.
Хотя конструктивные и весовые параметры такой панели вполне удовлетворяют требованиям использования в большинстве типов беспилотных летательных аппаратов, указанная фотоэлектрическая панель имеет недостаточную гладкость лицевой поверхности, и это не позволяет использовать ее в качестве элементов крыла беспилотников, предназначенных для полетов с большими скоростями и выполняющих резкие повороты и маневры.
Недостаточная гладкость лицевой поверхности панели (в случае ее поверхностного монтажа на крыло беспилотного летательного аппарата) не обеспечивает требуемых аэродинамических характеристик, что не позволяет беспилотному летательному аппарату развивать высокие скорости при маневрах и резких поворотах.
Это обусловлено тем, что армирующая сетка, расположенная над цепочкой кремниевых солнечных элементов, является причиной наличия микробугорков на поверхности верхней скрепляющей пленки, которые образуются при ее термоусадке после процесса ламинирования панели. Эти бугорки придают волнистость поверхности панели и представляют собой регулярную структуру, топология которой повторяет топологию пересечения волокон армирующей сетки. Хотя высота этих бугорков незначительна и не превышает 0,1 мм, при прохождении вдоль поверхности панели параллельного воздушного потока возникают локальные микрозавихрения, что отрицательно сказывается на аэродинамических свойствах беспилотного летательного аппарата.
Задачей изобретения является обеспечение гладкости рабочей плоскости фотоэлектрической гибкой панели.
Это достигается за счет того, что в фотоэлектрической гибкой панели, представляющей собой последовательно расположенные нижнюю несущую пленку, нижний армирующий слой, нижнюю скрепляющую пленку, электрически соединенные между собой кремниевые солнечные элементы, верхнюю скрепляющую пленку, верхний армирующий слой и верхнюю несущую пленку, причем нижние и верхние несущие и скрепляющие пленки выполнены из прозрачного для солнечного света материала, верхний армирующий слой отсутствует, а в качестве нижнего армирующего слоя используют слой бальсы толщиной от 0,5 до 2,0 мм.
При толщине слоя бальсы менее 0,5 мм в процессе ламинирования после термоусадки несущей и скрепляющей пленок может произойти деформация модуля, а при толщинах слоя бальсы более 2,0 мм термоусадка несущей и скрепляющей пленок не обеспечивает требуемый уровень вдавливания цепочки солнечных элементов в слой бальсы, вследствие чего поверхность фотроэлектрической панели получается волнистой (за счет провалов, возникающих в местах, соответствующих промежуткам между соседними солнечными элементами цепочки), что отрицательно сказывается на аэродинамических характеристиках летательного аппарата, на крыле которого размещают модуль.
При закреплении такой панели на верхней плоскости крыла беспилотного летательного аппарата турбулентные потоки воздуха вдоль плоскости фотоэлектрической панели будут минимизированы (или даже полностью исключены), что обеспечивает высокие аэродинамические характеристики беспилотного аппарата.
В известных науке и технике решениях аналогичной задачи не обнаружено использование в фотоэлектрических гибких модулях, используемых в беспилотных летательных аппаратах, в качестве армирующего слоя слоя бальсы толщиной 0,5÷2,0 мм.
Реализация предлагаемой конструкции фотоэлектрического гибкого модуля осуществляется следующим образом.
На монтажном столе раскладывается пленка первого пластика (прозрачная этилен-тетрафлюроэтиленовая пленка «TEFZEL» заданной площади). На нее сверху укладывается этиленвинилацетатная пленка «ЭВА». На нее сверху укладывают армирующий слой из бальсы толщиной от 0,5 до 2,0 мм, выполненный в виде рельефа верхней плоскости крыла беспилотного летательного аппарата, затем поверх этой стопки укладывается распаянная цепочка солнечных элементов из монокристаллического кремния. Толщина каждого солнечного элемента составляет ~200 мкм.
Поверх солнечных элементов последовательно укладывают сетку из прозрачных капроновых нитей, пленку «ЭВА» и пленку «TEFZEL».
Сформированный таким образом пакет подвергают ламинированию в последующей программе.
-3
1. Снижение давления в камере ламинатора до 2×10 атм (время откачки ~10,0 мин).
2. Подъем температуры до 140°C в течение 30 мин.
3. Выдержка при T=140°C в течение 24 час.
4. Натекание в камеру и остывание до комнатной температуры в течение 5 час.
В результате получают облегченную фотоэлектрическую панель с гладкой верхней плоскостью, поскольку в процессе ламинирования за счет термоусадки несущей и скрепляющей пленок цепочки солнечных элементов вдавливаются в плоскость армирующего слоя из бальсы практически под уровень плоскости слоя и без какой-либо деформации.
Указанный модуль может быть наклеен на верхнюю плоскость крыла беспилотного летательного аппарата.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции, заключается в обеспечение гладкости рабочей плоскости фотоэлектрической гибкой панели.
Источники информации:
1. First Flight for Production Solar-Powered Silent Falcon Unmanned Aircraft. - «Unmanned Systems Technology Magazine», May 20, 2014.
2. Патент США №4043834.
3. Патент РФ №2416056 – прототип.