CN103280472B - 一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵及其研制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵，该太阳能电池阵以高效的刚性太阳能电池为基础，通过“鱼鳞化”的网状设计方式，将单片的高效刚性电池进行轻质化硬式封装形成单片太阳能电池模块，再将其安装在利用柔性织物编织的贴合于浮空器表面的软质网上，并将刚性电池间的串并联线缆及最终的主输电线缆内置于位于该软质网上的各管道中。该方案不仅达到了太阳能电池阵高效化使用的目的，还可使用于刚性太阳能电池挂装的软质网兼具安装基底、输电线缆管道、艇体加强部件三者作用于一身，在满足应用需求的同时，最大限度的降低了系统的组成和总重。此外，该柔性网状太阳能电池阵可根据实际应用需求设计为整体式或分段组合式。

Description

一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵及其研制方法

一、技术领域：

本发明提供一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵的研制方案，属于航空航天器能源系统技术领域。

二、背景技术：

平流层作为现有航空与航天领域的结合部，已受到众多航空航天大国的关注，成为目前技术开拓性研究的重点和热点。而作为平流层浮空器突出代表的平流层飞艇，由于其具有飞行高度高、使用时间长、可区域驻留、对环境污染小等优点，更是受到了美国的高度关注。NASA研究中心早在2003年就对高空长航时飞艇进行了深入的可行性研究，确定了高效太阳能电池阵、先进能源存储与管理系统、新型高空螺旋桨与电动推进系统以及轻质高强度囊体材料是实现高空长航时飞艇的几项主要关键技术，并一直为攻克上述技术做着不懈的努力。

针对高效太阳能电池阵的应用，目前首推刚性太阳能电池，可应用的主要有砷化镓太阳能电池和单晶硅太阳能电池，但由于平流层飞艇自身圆弧曲率表面的限制，刚性电池阵平面与艇体曲面合理结合的问题至今仍未得到有效解决。近年来，由于柔性薄膜太阳能电池技术的发展，虽然可通过柔性薄膜电池来替代，但由于其自身转换效率偏低，必然会导致飞艇设计尺寸的增加，进而给飞艇的加工、制造与释放/回收带来困难。

为此，通过对刚性太阳能的电池高效性与柔性薄膜电池的柔顺性的合理综合，本发明提供一种综合两者应用优势的、基于刚性太阳能电池阵的、具有轻质高效特点的平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵。

三、发明内容：

(1)目的：本发明的目的在于提供一种基于刚性太阳能电池的、具有轻质高效特点的平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵及其基本的研制流程，该太阳能电池阵可以在保持阵列电能转换效率高效的前提下，满足太阳能电池阵与平流层浮空器曲线表面有效接触与合理分布的需要，以解决现有刚性电池技术无法有效应用到平流层浮空器，尤其是平流层飞艇上的问题。

(2)技术方案：本发明一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵，该太阳能电池阵以高效的刚性太阳能电池为基础，通过“鱼鳞化”的网状设计方式，将单片的高效刚性电池进行轻质化硬式封装以形成单片太阳能电池模块，再将其安装在利用柔性织物编织的贴合于浮空器表面的软质网上，并将刚性电池间的串并联线缆及最终的主输电线缆内置于位于该软质网上的各管道中。

上述方案既达到了太阳能电池阵高效化使用的目的，又满足了平流层浮空器流线型曲面外形的安装需要，还可使用于刚性太阳能电池挂装的软质网兼具安装基底、输电线缆管道、艇体加强部件三者作用于一身，在满足应用需求的同时，最大限度的降低了系统的组成和总重。

所述单片太阳能电池模块主要由单片太阳能电池板、表面隔热涂层、隔热保护套、固定搭扣组成。

该单片太阳能电池板主要由表面封装膜、透明胶膜、刚性太阳能电池片、电极线、轻质胶膜A、绝缘基板所组成；而绝缘基板又是由按自上而下依次叠放的绝缘薄膜、碳纤维板、轻质胶膜B、蜂窝芯、轻质胶膜B、碳纤维板所组成。

该表面封装膜位于本发明中单片太阳能电池板的外表面，在满足足够透光率的情况下起保护太阳能电池片的作用；该透明胶膜填充于表面封装膜与刚性太阳能电池片上表面的间隙之中；该电极线主要用于输出刚性太阳能电池片所产生的电能；该轻质胶膜A填充于刚性太阳能电池片下表面与绝缘基板的间隙之中；该绝缘基板位于本发明中单片太阳能电池板的底层，为单片太阳能电池板提供足够的刚度支持。对于绝缘基板中的各层结构：绝缘薄膜起电气绝缘的作用；碳纤维板由碳纤维预浸料经预压实处理后获得，起支撑面板的作用；轻质胶膜B用于连接碳纤维板与蜂窝芯。

其中，该表面封装膜可采用改性的PET膜或透明TPT膜；

其中，该透明胶膜和轻质胶膜A、B可采用改性的EVA胶膜或环氧树脂胶膜，透明胶膜的透光率需达到90％以上；

其中，该刚性太阳能电池片可采用高效的砷化镓太阳能电池、高效的单晶硅太阳能电池或高效的多晶硅太阳能电池；

其中，该电极线可采用镀银的退火无氧铜、退火的纯银箔或退火的镀银纯铝；

其中，该绝缘膜可采用聚酰亚胺薄膜或PET薄膜；

其中，该碳纤维预浸料可采用密织型正交双向编织布或碳纤维单向布的叠层预浸而成；

其中，该蜂窝芯可采用铝蜂窝或NOMEX纸蜂窝。

该表面隔热涂层主要用于对太阳光中不被刚性太阳能电池有效吸收的红外光进行有效阻隔，可采用ITO膜的镀层方式形成，也可由纳米ZAO透明隔热涂层实现。

该隔热保护套主要用于对单片太阳能电池板背面的热能进行有效阻隔，最大限度的降低太阳能电池阵对浮空器蒙皮温度的影响，可采用外罩浮空器蒙皮材料的硅基隔热毡形成。

该安装搭扣主要用于单片太阳能电池模块的安装，可采用构成浮空器蒙皮的材料制成，并配上公母锁扣。

所述的软质网可由构成浮空器蒙皮的材料制成，也可由构成浮空器蒙皮加强结构的材料制成，如基于PBO织物的蒙皮材料或基于Vectran织物的蒙皮材料。应根据浮空器需铺设电池阵部分的外形和面积设计软质网的形状；根据单片太阳能电池模块间的串并联连接需要及连接线缆的线径设计纵横交错的安装带和输电线缆管道的宽度；根据单片太阳能电池模块在软质网上的连接方案和输电线缆的布置形式设计相关的连接接口，针对单片太阳能电池模块的挂装接口，可以设计为孔洞形式，也可以设计为搭扣形式。

所述的软质网可根据实际设计尺寸制作成整体式或分段组合式，针对分段组合式的软质网可通过锁扣的形式进行相互连接。

所述的软质网由于紧贴在浮空器表面，可在一定程度上起到承力加强筋的作用。

本发明平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵，其研制流程如下：

1.原材料采购、检验，包括研制单片太阳能电池模块和软质网所需的所有材料，保证所选材料满足使用要求；

2.进行单片太阳能电池板的制作；

3.与此同时，根据设计方案和加工余量要求进行制作软质网所用基于PBO织物蒙皮材料的裁剪；

4.在制作好的单片太阳能电池板上利用步进式喷涂机进行表面隔热涂层的喷涂；

5.与此同时，利用高频热合机对裁剪好的蒙皮材料按设计图纸进行软质网的加工，包括输电线缆管道的制作；

6.根据设计方案和加工余量要求进行制作隔热保护套用硅基纤维与基于PBO织物蒙皮材料的裁剪，并利用高频热合机对裁剪好的材料进行加工成型，形成隔热保护套，并将其安装到单片太阳能电池板上形成单片太阳能电池模块；

7.与此同时，按照既定的设计方案，在软质网各网口边沿的相应位置处开孔，用于单片太阳能电池模块的挂装；同时，根据设计方案要求进行电池阵串并联线缆的裁剪与制作；

8.按照既定的设计方案在单片太阳能电池模块的相应位置处开安装孔，根据设计方案和加工余量要求裁剪制作单片太阳能电池模块固定搭扣所用的基于PBO织物蒙皮材料，将蒙皮材料穿过安装孔并在其两侧安装不锈钢公母锁扣，最终形成单片太阳能电池模块固定搭扣；

9.与此同时，在软质网的各输电管道中，根据既定的设计方案进行单片太阳能电池模块串并联线缆的铺设；

10.按既定的设计方案将单片太阳能电池模块通过单片太阳能电池模块固定搭扣固定到软质网的各网口中；

11.按既定的设计方案进行太阳能电池阵各并联串的连接，并利用太阳能电池模组测试仪对每串的输电特性进行检测；

12.在步骤11的基础上将整个太阳能电池阵进行并联，并利用太阳能发电测试系统对整个太阳能电池阵的输电特性进行检测；

13.在步骤12正常完成的情况下，将柔性网状太阳能电池阵转入使用部门。

(3)优点及功效：本发明一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵，它可以在保持电池阵列电能转换效率高效的前提下，满足太阳能电池阵与平流层浮空器曲线表面有效接触与合理分布的需要。与此同时，该发明中用于安装刚性电池的软质网兼具安装基底、输电线缆管道、艇体加强部件三者作用于一身，在满足应用需求的同时，最大限度的降低了系统的组成和总重。

四、附图说明：

图1为本发明应用到某具体平流层浮空器太阳能电池阵实施例中的结构示意图，本实施例中采用的是整体式结构；

图2为柔性网状太阳能电池阵中单片太阳能电池板的结构示意图；

图3为柔性网状太阳能电池阵的基本研制流程图。

图中标号说明如下：

1.纬向单片太阳能电池模块安装带，2.经向单片太阳能电池模块安装带，

3.软质网，4.单片太阳能电池模块，5.单片太阳能电池板，

6.隔热保护套，7.表面隔热涂层，8.单片太阳能电池模块固定搭扣，

9.输电线缆，10.表面封装膜，11.透明胶膜，

12.电极线，13.高效单晶硅太阳能电池片，14.轻质胶膜A，

15.绝缘基板，16.绝缘膜，17.碳纤维板，18.轻质胶膜B，

19.蜂窝芯，20.轻质胶膜B，21.碳纤维板

五、具体实施方式：

下面结合图1、2、3对本发明中的柔性网状太阳能电池阵作进一步的说明：

本发明一种基于刚性太阳能电池的、具有轻质高效特点的平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵，如图1，2所示，它首先由基于PBO织物的蒙皮材料按既定的设计尺寸制作出纬向单片太阳能电池模块安装带1与经向单片太阳能电池模块安装带2，再根据既定的设计方案将纬向单片太阳能电池模块安装带1与经向单片太阳能电池模块安装带2按设计图纸交叉热合形成软质网3，最后再在软质网3上挂装单片太阳能电池模块4形成的。

该软质网3兼具安装基底、输电线缆管道、艇体加强部件三者作用于一身，可在满足应用需求的同时，最大限度的降低系统的组成和总重。

该单片太阳能电池模块4主要由利用高效单晶硅太阳能电池形成的单片太阳能电池板5、利用硅酸铝纤维与基于PBO织物蒙皮材料形成的隔热保护套6、利用纳米ZAO透明隔热涂层形成的表面隔热涂层7以及利用基于PBO织物蒙皮材料和不锈钢锁扣形成的单片太阳能电池模块固定搭扣8四部分构成。各单片太阳能电池模块4之间通过内埋于软质网3内部的输电线缆9进行串并联连接，最后形成柔性网状太阳能电池阵。

该单片太阳能电池板5又是由按自上而下依次叠放的表面封装膜10、透明胶膜11、电极线12、高效单晶硅太阳能电池片13、轻质胶膜A14、绝缘基板15所组成；而绝缘基板15又是由按自上而下依次叠放的绝缘膜16、碳纤维板17、轻质胶膜B18、蜂窝芯19、轻质胶膜B20、碳纤维板21所组成。

该表面封装膜10位于本发明电池组件的外表面，本实施例采用改性PET，可在满足足够透光率的情况下起保护高效单晶硅太阳能电池片13的作用；

该透明胶膜11填充于表面封装膜10与高效单晶硅太阳能电池片13上表面的间隙之中，本实施例采用改性EVA胶膜；

该电极线12焊接在高效单晶硅太阳能电池片13上下表面的主栅线上，起输出电能的作用，本实施例采用退火的镀银纯铝；

该轻质胶膜A14填充于高效单晶硅太阳能电池片13下表面与绝缘基板15的间隙之中，本实施例采用环氧树脂胶膜；

该绝缘基板15位于本发明中单片太阳能电池板5的底层，为整个电池板提供足够的刚度支持。对于绝缘基板15中的各层结构：绝缘膜16起电气绝缘的作用，本实施例采用聚酰亚胺薄膜；碳纤维板17、碳纤维板21由密织型正交双向碳纤维编织布预浸料经预压实处理后获得，起支撑面板的作用；轻质胶膜B18和轻质胶膜B20用于连接碳纤维板17、碳纤维板21与蜂窝芯19，本实施例采用环氧树脂胶膜；针对蜂窝芯19，本实施例采用NOMEX纸蜂窝。

本发明平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵，其研制流程如下：

整个研制流程如图3所示：

1.原材料采购、检验，包括研制单片太阳能电池模块4和软质网3所需的所有材料，保证所选材料满足使用要求；

2.进行单片太阳能电池板5的制作；

3.与此同时，根据设计方案和加工余量要求进行制作软质网3所用基于PBO织物蒙皮材料的裁剪；

4.在制作好的单片太阳能电池板5上利用步进式喷涂机进行表面隔热涂层7的喷涂；

5.与此同时，利用高频热合机对裁剪好的蒙皮材料按设计图纸进行软质网3的加工，包括输电线缆管道的制作；

6.根据设计方案和加工余量要求进行制作隔热保护套用硅酸铝纤维与基于PBO织物蒙皮材料的裁剪，并利用高频热合机对裁剪好的材料进行加工成型，形成隔热保护套6，并将其安装到单片太阳能电池板5上；

7.与此同时，按照既定的设计方案，在软质网3各网口边沿的相应位置处开孔，用于单片太阳能电池模块4的挂装；同时，根据设计方案要求进行电池阵串并联线缆的裁剪与制作；

8.按照既定的设计方案在单片太阳能电池模块4的相应位置处开安装孔，根据设计方案和加工余量要求裁剪制作单片太阳能电池模块固定搭扣8所用的基于PBO织物蒙皮材料，将蒙皮材料穿过安装孔并在其两侧安装不锈钢公母锁扣，最终形成单片太阳能电池模块固定搭扣8；

9.与此同时，在软质网3的各输电管道中，根据既定的设计方案进行单片太阳能电池模块4串并联线缆的铺设；

10.按既定的设计方案将单片太阳能电池模块4通过单片太阳能电池模块固定搭扣8固定到软质网3的各网口中；

11.按既定的设计方案进行太阳能电池阵各并联串的连接，并利用太阳能电池模组测试仪对每串的输电特性进行检测；

12.在步骤11的基础上将整个太阳能电池阵进行并联，并利用太阳能发电测试系统对整个太阳能电池阵的输电特性进行检测；

13.在步骤12正常完成的情况下，将柔性网状太阳能电池阵转入使用部门。

应当指出，本实例仅列示性说明本发明的应用方法，而非用于限制本发明。任何熟悉此种使用技术的人员，均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵，其特征在于：

以刚性太阳能电池为基础，具有轻质高效的特点，它是由软质网和单片太阳能电池模块两大部分组成，其中，单片太阳能电池模块主要由单片太阳能电池板、表面隔热涂层、隔热保护套、固定搭扣组成；软质网主要由浮空器蒙皮材料按既定的设计方案裁剪热合而成，并形成内置的输电线缆管道；所述的单片太阳能电池板主要由表面封装膜、透明胶膜、刚性太阳能电池片、电极线、轻质胶膜A、绝缘基板所组成；而绝缘基板又是由按自上而下依次叠放的绝缘薄膜、碳纤维板、轻质胶膜B、蜂窝芯、轻质胶膜B、碳纤维板所组成。

2.根据权利要求1所述的一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵：用于刚性太阳能电池挂装的软质网兼具安装基底、输电线缆管道、艇体加强部件三者作用于一身，在满足应用需求的同时，最大限度的降低系统的组成和总重。

3.根据权利要求1所述的一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵：用于安装单片太阳能电池模块的软质网根据实际尺寸的大小，制作成整体式或分段组合式，针对分段组合式的软质网通过锁扣的形式进行相互连接。

4.一种平流层浮空器用柔性网状太阳能电池阵的制作方法，其特征在于：其研制流程如下：

(1)原材料采购、检验，包括研制单片太阳能电池模块和软质网所需的所有材料，保证所选材料满足使用要求；

(2)进行单片太阳能电池板的制作；

(3)与此同时，根据设计方案和加工余量要求进行制作软质网所用浮空器蒙皮材料的裁剪；

(4)在制作好的单片太阳能电池板上利用步进式喷涂机进行表面隔热涂层的喷涂；

(5)与此同时，利用高频热合机对裁剪好的浮空器蒙皮材料按设计图纸进行软质网的加工，包括输电线缆管道的制作；

(6)根据设计方案和加工余量要求进行制作隔热保护套用硅基隔热毡与浮空器蒙皮材料的裁剪，并利用高频热合机对裁剪好的材料进行加工成型，形成隔热保护套，并将其安装到单片太阳能电池板上形成单片太阳能电池模块；

(7)与此同时，按照既定的设计方案，在软质网各网口边沿的相应位置处开孔，用于单片太阳能电池模块的挂装；同时，根据设计方案进行电池阵串并联线缆的裁剪与制作；

(8)按照既定的设计方案在单片太阳能电池模块的相应位置处开安装孔，根据设计方案和加工余量要求裁剪制作单片太阳能电池模块固定搭扣所用的浮空器蒙皮材料，将蒙皮材料穿过安装孔并在其两侧安装不锈钢公母锁扣，最终形成单片太阳能电池模块固定搭扣；

(9)与此同时，在软质网的各输电管道中，根据既定的设计方案进行单片太阳能电池模块串并联线缆的铺设；

(10)按既定的设计方案将单片太阳能电池模块通过单片太阳能电池模块固定搭扣固定到软质网的各网口中；

(11)按既定的设计方案进行太阳能电池阵各并联串的连接，并利用太阳能电池模组测试仪对每串的输电特性进行检测；

(12)在步骤11的基础上将整个太阳能电池阵进行并联，并利用太阳能发电测试系统对整个太阳能电池阵的输电特性进行检测；

(13)在步骤12正常完成的情况下，将柔性网状太阳能电池阵转入使用部门。