CN107026598B - 柔性太阳能发电机、包括该太阳能发电机的航天器和卫星 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性太阳能发电机、包括该太阳能发电机的航天器和卫星。太阳能发电机包括柔性支撑部、太阳能电池阵列、电传输导体、阻断二极管，太阳能电池沿着不同的横向串形成，设置于相同串的太阳能电池串联电连接，每一串包括两个相对的端部，分别具有正极性和负极性。每一太阳能电池串的正极性端通过专用于所述串的电传输导体单独地连接到各自的阻断二极管，专用于不同串的电传输导体彼此之间相互独立，阻断二极管被设置在太阳能发电机的近端、在太阳能电池阵列的外部。

Description

柔性太阳能发电机、包括该太阳能发电机的航天器和卫星

技术领域

本发明涉及一种柔性太阳能发电机，其针对来自天体的撞击对包括至少一个该太阳能发电机的航天器和卫星提供电气保护。其应用于任何包括柔性支撑部的太阳能发电机，更特别的是，应用到太阳能发电机被安装在轨道运行的卫星或者航天器的空间应用领域。

背景技术

安装在航天器(例如卫星)上的太阳能发电机，一般包括互相电连接并且电连接到卫星上的太阳能电池阵列，该太阳能电池覆盖支撑板的表面，适宜于将太阳能转换为电能，电能传输到卫星的电气设备元件上。太阳能电池能被形成在大量的刚性太阳能板上或者形成在柔性支撑部(例如，柔性膜)上，柔性支撑部的厚度远远薄于刚性太阳能板的厚度。实际上，柔性太阳能发电机通常包括柔性支撑部，柔性支撑部包括安装了太阳能电池的前面，电导体和至少一层绝缘材料(例如聚酰亚胺)形成在其上的后面，其中每一个太阳能电池具有玻璃保护窗(覆盖玻璃)，至少一层绝缘材料设置于太阳能电池和电导体之间。

正如图1的电路图所示的那样，形成在柔性支撑部10上并且设置在太阳能发电机的同一串上的太阳能电池通常串联电连接，每一串11包括分别具有正极性和负极性的两个端部12、13。数个串的分别具有正负极性的端部12、13然后彼此之间电连接以形成几个不同的部分15、16，每个部分包括一组并联电连接的几个串。图1中示出了两个部分，每个部分包括并联连接的三个串，但是，一般来说，每一部分的串的数量和部分的数量更多。然后每一部分15、16通过分别具有正极性和负极性的两个电功率导体15a、15b、16a、16b(也称为电传输导体，专门用于将由部分产生的电功率传输给卫星)连接到卫星20。专门用于部分15、16的电传输导体15a、15b、16a、16b一般形成在太阳能电池下方，在太阳能发电机柔性支撑部10的后面。因为不同的部分沿太阳能发电机的同一纵向彼此并排形成，所以专用于不同部分的电功率导体在连接到卫星20之前从相邻部分的太阳能电池下方路过并且从所有的太阳能发电机10的翼下方经过。例如，在图1中，部分15的电传输导体15a、15b从部分16的太阳能电池下方经过。

问题是，在柔性太阳能发电机的情况下，安装在柔性支撑部前面的太阳能电池和安装在柔性支撑部后面的电功率导体之间分离的距离是非常小的，也就是说小于毫米。这样小的距离使得太阳能发电机对于来自天体、特别是来自碎片和来自微小陨石的撞击是非常敏感的。实际上，例如来自碎片或者来自微小陨石的撞击能局部穿透一个或多个太阳能电池以及设置在太阳能电池下方的绝缘材料和电力导体。该撞击产生了等离子体泡，当受撞击的太阳能电池和电导体之间的电压足够大时，例如大于50伏特，该等离子体泡能在所述受撞击的太阳能电池和设置在该太阳能电池下方的电导体之间产生电弧14。如果在撞击点上有效的电流足够高，例如大于1.5安培，该电弧能够自保持，这就会具有在太阳能发电机的部分中产生永久短路的后果并且最后损失部分电功率。

为了保护太阳能电池不受任何来自该部分其他串的放电电流的影响，每个串通常在其正极性端具有阻断二极管17，其使得串与串之间彼此绝缘并且将每一串的电流强度限制到1.5安培以下的值成为可能。然而，由于这些阻断二极管位于柔性支撑上，并且尽可能的靠近太阳能电池，他们针对在相邻串的太阳能电池之间产生的电弧提供保护，但是不针对在太阳能电池和电传输导体之间产生的电弧提供保护，电传输导体特别是具有正极性的电传输导体，其从太阳能电池下方路过并且被连接在太阳能发电机的部分的输出上。现在，在撞击点上，具有正极性的电传输导体的电压远远大于被撞击的电池的电压，例如对于包括50个串联连接的太阳能电池的串，具有正极性的电传输导体的电压可以达到100伏特，而串的第一电池的负极性端的电压等于0伏特。进一步地，在连接在部分的输出上的电传输导体中循环的电流强度比较高，一般来说要远大于1.5安培。当微小陨石经过太阳能发电机并且使太阳能电池以及太阳能电池与在太阳能电池下方设置的具有正极性的电传输导体之间的绝缘材料中产生一个洞时，就会产生电弧并且在电功率导体和被撞击的太阳能电池之间自保持。然后在被撞击的电池和从下方路过所述被撞击电池的具有正极性的电传输导体15a之间产生短路。电弧电流I然后从具有正极性的电传输导体15a循环到连接在撞击发生的太阳能电池串的负极性端的具有负极性的电传输导体16b。因为在卫星20中具有负极性的电传输导体都连接在一起，电弧电流I以相反方向，通过具有负极性的电传输导体，返回到在所撞击的电池下方路过的部分15的电路中。所述部分15然后短路，不再能为太阳能发电机供电。与损失的太阳能发电机整个部分15对应的这部分功率的损失对于在卫星上的设备元件的电功率供给来说是不利的。

为了避免在太阳能电池和电传输导体之间产生电弧，可能需要传输导体在太阳能发电机边缘经过而不是使其在后面位于太阳能电池之下经过。然而，电传输导体也为太阳能发电机的后面提供防护的作用，使其不受辐射，尤其是电子流和光子流，这些会降低太阳能电池的电气性能水平从而使得可用的电功率减少。结果，如果电传输导体被移动到太阳能发电机的边缘，那么他们就不再能确保起到防护的作用，因此必须增加特定的防护设备以保护太阳能发电机的后面，这就增加了太阳能发电机的重量。

发明内容

本发明的一个目标是弥补已知柔性太阳能发电机的缺陷并且制造一种针对来自天体(特别是碎片和微小陨石)的撞击提供电气保护的柔性太阳能发电机，其可以限制太阳能电池和设置在太阳能电池下方的电传输导体之间的电流强度，而不牺牲由太阳能发电机产生的电功率，从而增强太阳能发电机的持久力并且避免在由于撞击而产生黑洞的太阳能电池和在所撞击的太阳能电池之下经过的电传输导体之间产生永久电弧时产生功率损失。

本发明的另一个目标是制造一种柔性太阳能发电机，其可针对来自天体的撞击提供电气保护，进一步地使得能够确保对太阳能发电机的后面进行防护而不增加太阳能发电机的重量或者体积(与已知的柔性太阳能发电机相比)。

为此，本发明涉及一种太阳能发电机，其意图固定在航天器上，该太阳能发电机包括沿着纵向部署轴Y延伸并且具有意图连接到航天器的近端和与近端相对的远端的柔性支撑部，形成在柔性支撑部前面的太阳能电池阵列以及阻断二极管。太阳能电池沿着彼此间隔开并且彼此电气独立的不同的横向串设置，被设置在相同横向串的太阳能电池串联电连接，每一横向串包括分别具有正极性和负极性的两个相对的端部。柔性支撑部包括配置了在横向串下方经过的电传输导体的多层衬底。每一横向串的正极性端单独、直接地连接到专用的电传输导体，不同的横向串专用的电传输导体彼此之间相互独立，连接到横向串正极性端的每一电传输导体包括在太阳能电池阵列的外部、连接到设置在太阳能发电机近端的阻断二极管的近端。

有利地，多层衬底包括位于电传输导体和粘在柔性支撑部前面上的太阳能电池之间的至少两层电绝缘材料，电传输导体可以形成在柔性支撑部的后面上。

可选择地，多层衬底可以包括至少两层电绝缘材料和包括至少一层夹在两层电绝缘材料之间的蚀刻导电迹线的柔性印刷电路，电传输导体包括蚀刻导电迹线。

可选择地，多层衬底能包括三层电绝缘材料和包括具有蚀刻导电迹线的两个叠层的柔性印刷电路，蚀刻导电迹线的每一层分别为第一层和第二层并且分别被夹在柔性支撑部的两层电绝缘材料之间，电传输导体包括蚀刻导电迹线。

有利地，设置在两个叠层的第二层中的蚀刻导电迹线与设置在两个叠层的第一层中的蚀刻导电迹线可以被交错设置。

可选择地，设置在两个叠层的第二层中的蚀刻导电迹线与设置在两个叠层的第一层中的蚀刻导电迹线可以彼此部分重叠。

有利地，阻断二极管可以在太阳能发电机的近端被设置在柔性支撑部上的没有太阳能电池的清除区域中。

可选择地，太阳能发电机可以进一步包括柔性支撑部固定其上的机械接口，并且阻断二极管能被设置在机械接口上、在柔性支撑部外部。

有利地，太阳能发电机能包括位于柔性支撑部外部的功率调节装置，用于管理由所有横向串传输的电能，功率调节装置被连接到所有的电传输导体，功率调节装置包括电连接装置，其用于并联连接分别连接到不同对应横向串的正极性端的多个电传输导体，以形成不同的太阳能电池部分。

有利地，阻断二极管能被设置于功率调节装置之内，电连接装置被连接在阻断二极管的输出端。

本发明也涉及包括至少一个这样的太阳能发电机的航天器和卫星。

附图说明

参考所附的示意图，在下文通过纯说明式的、非限制性的示例的方式给出的描述中，本发明的其他详细特征和优势将变得清楚明显，示意图示出：

-图1：根据现有技术的太阳能发电机的太阳能电池的电气接线的示例的图；

-图2：示出了根据本发明的在部署位置上具有柔性太阳能发电机的卫星的图；

-图3：根据本发明第一实施例的太阳能发电机的太阳能电池的电气接线的示例的图，其中阻断二极管安装在柔性支撑部上；

-图4：根据本发明第二实施例的太阳能发电机的太阳能电池的电气接线的变形的图，其中阻断二极管安装在柔性支撑部外部；

-图5：根据本发明，由包括包含在两层绝缘材料之间的单层印刷电路的多层衬底组成的柔性支撑部的示例的横截面图；

-图6a和图6b：根据本发明，由包括具有两层蚀刻导电迹线的印刷电路的多层衬底组成的柔性支撑部的示例的两种横向截面视图，分别是a)无轨道重叠，b)具有轨道重叠；其中每一层蚀刻轨道被夹在两层绝缘材料之间。

具体实施方式

一般来说，航天器，例如卫星，包括太阳能发电机机翼，太阳能发电机机翼用于为安装在卫星上的设备元件的操作提供必须的电能。太阳能发电机机翼的数量根据由航天器执行的任务所确定。通常，两个太阳能发电机机翼被对称安装在航天器的每一侧，在航天器的两个相对侧面。为了优化太阳能发电机机翼的照明，每一机翼的太阳能发电机一般固定在旨在固定到航天器的侧面上的轭的端部。在图2的示例中，为了简化本发明的说明，示出单个太阳能发电机机翼，但是很明显，太阳能发电机机翼的数量可以大于一个。

根据本发明，太阳能发电机沿着纵向部署轴Y延伸并且具有用于连接航天器的近端6和与近端相对的远端7。太阳能发电机包括配装有电传输导体120、130的平面柔性支撑部10和形成在柔性支撑部前面上的太阳能电池5的阵列。柔性支撑部可以被直接固定到轭40上或者，可选择地，固定到安装在轭40第一端的机械接口30上，轭40包括第二端，用于被固定到航天器20的侧面21上。在部署位置上，柔性支撑部10包括沿着平面XY延伸的平面表面，方向Y与轭40固定在其上的航天器20的侧面21正交。安装在柔性支撑部10的前面的太阳能电池5的阵列位于太阳能发电机的近端6和远端7之间。在本发明的一个实施例中，太阳能电池的阵列不能延伸到近端，从而在柔性支撑部的前面，在近端离开无太阳能电池的清除区域8。

图3和图4的图示出了根据本发明的太阳能电池的电气接线的示例。正如这些示例所示的那样，阵列的太阳能电池能够沿着不同的横向串11、彼此之间间隔开地形成。太阳能电池的串11彼此之间相互平行并且平行于方向X，但是这不是必须的。位于太阳能发电机的相同串11的太阳能电池被串联电连接，太阳能电池的不同串彼此之间电气独立并且包括分别具有正极性和负极性的两端12、13。太阳能电池的每一串11的两端分别连接到两个专用的电传输导体120、130，用于将由太阳能电池的串11产生的分别具有正极性和负极性的能量传输到位于柔性支撑部外部(例如如图4所示的机械接口30上，或者位于航天器20中)的功率调节装置31。电传输导体120、130被纵向放置在横向串11的下方。电传输导体120、130因此相对于太阳能电池串11横向经过并且连续经过形成在柔性支撑部前面上、位于相关的串11和近端6之间的太阳能电池阵列的不同串11的下方。每一横向串11的正极性端12单独、直接地连接到专用的电传输导体120。专用于太阳能电池的每一串11的电传输导体120、130直接连接到设置在柔性支撑部10外部的功率调节装置。每一横向串11因此被单独地连接到功率调节装置31，这使得能够在柔性支撑部10的外部处理由太阳能发电机产生的电功率，并且限制在设置在柔性支撑部的后面、具有正极性的传输导体120中循环的电流的强度，因为该电流对应于由太阳能发电机的单个串产生的电流。在功率调节装置31中，专用于每一横向串、具有正极性的传输导体120被连接到各自的阻断二极管17，每一阻断二极管专门用于保护太阳能发电机的横向串不受来源于其他横向串的放电电流的破坏。为了提供冗余，每一太阳能电池串可具有两个专用的电传输导体以及一个连接到两个相应的电传输导体的阻断二极管。不同的阻断二极管被设置在太阳能发电机的近端6，在太阳能电池阵列的外部。例如，图3中所示的那样，阻断二极管17能被放置在柔性支撑部10之上，在太阳能发电机的近端6，在无太阳能电池的清除区域8中，在柔性支撑部的前面或后面或者外部(可选择地)，例如如图4所示的那样在机械接口30上，或者在航天器20中。在阻断二极管17的输出端，功率调节装置包括第一和第二连接装置32、33，适宜于将太阳能电池的串11组合在一起形成不同的部分，每一部分包括并连连接的几个太阳能电池串。在每一部分，第一连接装置32连接专用于该部分的串的正极性的电传输导体。在功率调节装置31中，负极性的电传输导体130通过第二连接装置33都连接在一起。

柔性支撑部包括包含电传输导体和至少两层电绝缘材料(例如聚酰亚胺)的平面多层衬底，电绝缘材料位于电传输导体与粘在柔性支撑部前面的太阳能电池之间。电传输导体可以包括形成在柔性支撑部10的后面上的电缆。可选择地，电传输导体可以包括蚀刻在柔性印刷电路上的导电迹线(例如为银)，该印刷电路可被包含在柔性支撑部10的多层衬底中。印刷电路可以是如图5所示的单层，或者如图6a和图6b所示的多层。当印刷电路是单层时，印刷电路的层50被夹在柔性支撑部的两层电绝缘材料51、52之间并且层50的不同迹线54、55彼此之间由间隔58进行绝缘。由于迹线54、55之间的间隔58，该配置使其不可能确保柔性支撑部的后面完全得到防护。当印刷电路是多层时，如图6a中所示，印刷电路的迹线54、55、56、57能被交错设置在两个不同层59、50(分别是下层和上层，一层叠在另一层上)中，蚀刻迹线的每一层59、50被夹在柔性支撑部的两层电绝缘材料51、52、53之间。在该配置中，如图6b所示，可能在印刷电路的上层50的迹线和印刷电路的下层59的迹线之间出现部分重叠。该配置因此使得确保柔性支撑部的后面得到完全防护成为可能。

相互独立的串11，在柔性支撑部10上的部分中没有成组，在太阳能电池下方经过的具有正极性的每一电传输导体120将太阳能电池的单串产生的电能运送到机械接口30。所有的具有正极性的电传输导体120，其专用于不同的串，因此彼此之间相互独立。在电传输导体中循环的电流因此较低，也就是说小于1.5安培。因此，在受到例如碎片或者微小陨石的撞击的情况下，在太阳能电池的串11上，由该撞击产生的电弧14将熄灭，这是因为由于专门用于保护该受撞击的串11的阻断二极管17，放电电流被限制到受撞击的单串11的电流。

进一步地，因为阻断二极管17被设置在太阳能电池阵列的外部，所有的太阳能发电机的表面被保护不受任何源于任意串11的放电电流的破坏。在太阳能发电机的串中存在撞击洞的情况下，单串将可能被短路并且不再提供功率，图3和图4中示出表示短路电流I的路径的箭头。太阳能发电机的功率损耗(受限于由串11所产生的损耗)将因此远远小于目前柔性太阳能发电机的功率损耗。

在两个叠加的电导体(绝缘的并具有不同极性、位于适当保护的太阳能发电机的表面上)上存在撞击洞的情况下，电流在正极性电导体和负极性电导体之间存在电弧的情况下也受到限制。该保护对太阳能电池和电导体之间的电弧是有效的，对于不同极性的电导体之间的电弧也是有效的。

机械接口30能够例如被安装在连接到航天器20的轭40上，如图2所示，或者被直接安装在航天器20上。

设置在柔性支撑部的后面或者包含在柔性支撑部的衬底中、并且相对于太阳能电池串11横向经过的电传输导体120、130，进一步确保了对太阳能发电机的后面进行防护的功能而不需增加另外的特定防护，由此太阳能发电机的重量和体积被优化。

尽管本发明结合特定实施例被描述，很明显并没有将其限制于此并且其包括所述装置的所有技术上的等价装置以及他们的组合(如果后者落入到本发明的范围内)。

Claims (11)

1.一种太阳能发电机，其用于固定在航天器上，其中太阳能发电机包括柔性支撑部，所述柔性支撑部包括配置有电传输导体的多层衬底，所述柔性支撑部沿着纵向部署轴Y延伸并且具有用于连接到航天器的近端和与近端相对的远端，太阳能电池包括形成在柔性支撑部前面上的太阳能电池阵列以及阻断二极管，太阳能电池阵列沿着彼此间隔开并且彼此电气独立的不同的横向串形成，设置在相同横向串的太阳能电池串联电连接，每一横向串包括分别具有正极性和负极性的两个相对的端部，其中每一横向串的正极性端单独、直接地连接到专用的电传输导体，专用于不同横向串的电传输导体彼此之间是独立的，并且其中连接到横向串的正极性端的每一电传输导体连接到在太阳能电池阵列的外部、在太阳能发电机的近端位于柔性支撑部上的阻断二极管，或者连接到位于柔性支撑部外部的阻断二极管，所述太阳能发电机包括位于柔性支撑部外部并用于管理由所有横向串传输的电能的功率调节装置，功率调节装置被连接到所有的电传输导体，功率调节装置包括电连接装置，电连接装置适用于将分别连接至不同对应横向串的正极性端的多个电传输导体并联连接，以形成不同的太阳能电池部分，与太阳能电池的第一部分的横向串的正极性连接的每一个电传输导体在位于太阳能电池的第一部分和近端之间的太阳能电池的另一部分的横向串下方经过。

2.根据权利要求1所述的太阳能发电机，其中多层衬底包括位于电传输导体和粘在柔性支撑部前面上的太阳能电池之间的至少两层电绝缘材料，电传输导体被形成在柔性支撑部的后面上。

3.根据权利要求1所述的太阳能发电机，其中多层衬底包括至少两层电绝缘材料和柔性印刷电路，柔性印刷电路包括夹在两层电绝缘材料之间的至少一层蚀刻导电迹线，电传输导体包括蚀刻导电迹线。

4.根据权利要求3所述的太阳能发电机，其中多层衬底包括三层电绝缘材料和包括具有蚀刻导电迹线的两个叠层的柔性印刷电路，蚀刻导电迹线的每一层分别为第一层和第二层并且分别被夹在柔性支撑部的两层电绝缘材料之间，电传输导体包括蚀刻导电迹线。

5.根据权利要求4所述的太阳能发电机，其中位于两个叠层的第二层中的蚀刻导电迹线与位于两个叠层的第一层中的蚀刻导电迹线交错设置。

6.根据权利要求5所述的太阳能发电机，其中位于两个叠层的第二层中的蚀刻导电迹线与位于两个叠层的第一层中的蚀刻导电迹线彼此部分重叠。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的太阳能发电机，其中阻断二极管在太阳能发电机的近端位于柔性支撑部上的无太阳能电池的清除区域中。

8.根据权利要求1到6中任一项所述的太阳能发电机，进一步包括固定柔性支撑部的机械接口，阻断二极管位于机械接口上、处于柔性支撑部外部。

9.根据权利要求1到6中的任一项所述的太阳能发电机，其中阻断二极管位于功率调节装置之内，并且其中电连接装置被连接在阻断二极管的输出端。

10.一种航天器，包括至少一个根据权利要求1到9中任一项所述的太阳能发电机。

11.根据权利要求10所述的航天器，包括卫星。

Images