CN117352577A - 一种临近空间飞行器用自散热式光伏组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种临近空间飞行器用自散热式光伏组件，属于临近空间飞行器能源领域，包括光伏组件、发射电极、贴片电极、电压转换器、温度传感器。光伏组件包括单体电池、窗口封装材料、窗口封装胶、背板封装胶、隔热背板、汇流焊带、引出线缆、固定卡扣。其中，发射电极、贴片电极布设于光伏组件的上表面，发射电极与电压转换器输出正极相连，贴片电极与电压转换器输出负极相连。温度传感器内嵌在光伏组件中，实时显示光伏组件的温度值。通过电流体贴片散热器与光伏组件一体化设计实现光伏组件在临近空间飞行器上的主动散热，可大幅降低光伏组阵的温度，从而提升组阵转换效率。
Description
技术领域
本发明属于临近空间飞行器能源技术领域，具体涉及一种临近空间飞行器用自散热式光伏组件。
背景技术
平流层飞艇依靠搭载的光伏组件和储能电池组构成的能源系统，可在临近空间长期飞行和驻留完成地面观测、无线通信、军事侦察等任务，因而成为各国航空航天领域发展的热点之一。由于光伏组件能量转化效率仅20％-30％，大部分太阳光能量吸收后转化为热。这部分热传导到平流层飞艇囊体内部，将造成囊体内部气流紊乱，增加平流层飞艇的姿态控制难度，而温度升高引起的热应力甚至可能破坏光伏组件。目前，国内供应商的解决方案为在光伏组件背面增加隔热背板以降低向囊体传递的热量，但热量将停留在了光伏组件上表面，使光伏组件自身温度大幅升高，由于光伏组件转化效率随温度升高而降低，导致了光伏组件本就不高的转化效率进一步降低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种临近空间飞行器用自散热式光伏组件，摒弃了被动隔热的方法，通过电流体贴片散热器与光伏组件一体化设计实现光伏组件在临近空间飞行器上的主动散热，可大幅降低光伏组阵的温度，从而提升组阵转换效率。
本发明是这样实现的，一种临近空间飞行器用自散热式光伏组件，包括光伏组件，光伏组件由单体电池、窗口封装材料层、窗口封装胶、背板封装胶、隔热背板、汇流焊带、引出线缆、固定卡扣，在光伏组件的上表面布设有发射电极和贴片电极，在光伏组件中内嵌温度传感器，发射电极与电压转换器输出正极相连，贴片电极与电压转换器输出负极相连，电压转换器固定在光伏组件背面。
所述电压转换器为柔性电路板设计，将低电压转换为超高电压，转换比不低于400倍，转换效率不小于85％，通过结构胶与光伏组件复合固定。
所述发射电极为高导电率材质，为铜铝复合丝或碳纳米管丝，丝材直径0.1～0.3mm。
所述贴片电极为高导电率铜铝复合材料贴片，贴片面积不小于10mm×10mm。
所述温度传感器为芯片式设计，实时监测光伏组件内部温度变化。
所述光伏组件为半柔性或全柔性设计，弯曲半径不大于500mm，弯曲1000次后性能衰减不大于5％。
所述单体电池为晶体硅、砷化镓、钙钛矿，转换效率不低于20％。
所述窗口封装材料层为柔性薄膜或柔性玻璃，具有极高的耐电压特性、耐等离子腐蚀特性、高透光率、低透水汽率和极轻的面密度；窗口封装胶为薄膜设计，为POE、EVA或POE/EVA复合体，同时与单体电池、窗口封装材料有效粘接固定。
所述背板封装胶为薄膜设计，为POE、EVA或POE/EVA复合体，同时与单体电池、隔热背板有效粘接固定；所述隔热背板为轻质PMI隔热泡沫、气凝胶或轻质PMI隔热泡沫/气凝胶复合体，具有良好的隔热特性、较低的透水汽率和较好的可粘接特性。
所述汇流焊带为柔性PCB设计，在固定数量单体电池两端并联旁路二极管，在每并电池正极串联隔离二极管，实现故障隔离功能；所述引出线缆采用编织线缆和快装插件设计，能够在引出位置多次折叠并实现光伏组阵的快速装联；所述固定卡扣为背胶魔术贴设计，背胶侧与光伏组件背面固定，魔术贴侧与平流层飞艇表面预留的魔术贴侧配合，实现快速铺装。
本发明具有的优点和技术效果：当电压转换器开关启动后，发射电极施加上高电压，可电离发射电极周边气体粒子，在发射电极与贴片电极形成的强电场的静电力作用下已电离的气体粒子驱动环境气体形成定向流动的离子风团，可增强光伏组件表面的对流散热以降低光伏组件的表面温度。通过电流体贴片散热器与光伏组件一体化设计实现光伏组件在临近空间飞行器上的主动散热，可大幅降低光伏组阵的温度，从而提升组阵转换效率。
附图说明
图1为本发明的临近空间飞行器用自散热式光伏组件原理示意图。
图2为图1的剖面图。
图中，1-光伏组件、2-发射电极、3-贴片电极、4-电压转换器、5-温度传感器，11-单体电池、12-窗口封装材料、13-窗口封装胶、14-背板封装胶、15-隔热背板、16-汇流焊带、17-引出线缆、18-固定卡扣。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1、2所示，在本申请实施例中，本发明的临近空间飞行器用自散热式光伏组件，包括：光伏组件1、发射电极2、贴片电极3、电压转换器4、温度传感器4。光伏组件1包括：单体电池11、窗口封装材料12、窗口封装胶13、背板封装胶14、隔热背板15、汇流焊带16、引出线缆17、固定卡扣18。
在本申请实施例中，所述光伏组件1为半柔性、全柔性设计，弯曲半径500mm，弯曲1000次后性能衰减不大于5％；所述发射电极2为高导电率材质，为铜铝复合丝，丝材直径0.1mm。所述贴片电极3为高导电率材质，为铜铝复合材料贴片，贴片面积20mm×40mm。所述电压转换器4为柔性电路板设计，可将低电压转换为超高电压，转换比400倍，转换效率85％。可通过结构胶与光伏组件1复合固定。所述温度传感器4为芯片式设计，封装在光伏组件1内部，可实时监测光伏组件1内部温度变化。所述单体电池11为晶体硅，转换效率不低于20％。所述窗口封装材料12为柔性薄膜，具有极高的耐电压特性、耐等离子腐蚀特性、高透光率、低透水汽率和极轻的面密度。所述窗口封装胶13为薄膜设计，为POE材质，可同时与单体电池11、窗口封装材料12有效粘接固定。所述背板封装胶14为薄膜设计，为POE材质，可同时与单体电池11、隔热背板15有效粘接固定。所述隔热背板15，为气凝胶材质，具有良好的隔热特性、较低的透水汽率和较好的可粘接特性。所述汇流焊带16为柔性PCB设计，在固定数量单体电池11两端并联旁路二极管，在每并电池正极串联隔离二极管，能够实现故障隔离功能。所述引出线缆17采用编织线缆和快装插件设计，能够在引出位置多次折叠并实现光伏组阵的快速装联。所述固定卡扣18为背胶魔术贴设计，背胶侧与光伏组件1背面固定，魔术贴侧与平流层飞艇表面预留的魔术贴侧配合，实现快速铺装。
本申请提供的临近空间飞行器用自散热式光伏组件，发射电极2、贴片电极3布设于光伏组件1的上表面，发射电极2与电压转换器4输出正极相连，贴片电极3与电压转换器4输出负极相连。温度传感器4内嵌在光伏组件1中，实时显示光伏组件1的温度值。光伏组件1由单体电池11、窗口封装材料12、窗口封装胶13、背板封装胶14、隔热背板15、汇流焊带16、引出线缆17、固定卡扣18组成。当电压转换器4开关启动后，发射电极2施加上高电压，可电离发射电极2周边气体粒子，在发射电极2与贴片电极3形成的强电场的静电力作用下已电离的气体粒子驱动环境气体形成定向流动的离子风团，可增强光伏组件1表面的对流散热以降低光伏组件1的表面温度。
本发明摒弃了被动隔热的方案，通过电流体贴片散热器与光伏组件1一体化设计实现光伏组件1在临近空间飞行器上的主动散热，可大幅降低光伏组阵的温度，从而提升组阵转换效率。
本发明发射电极、贴片电极布设于光伏组件的上表面，发射电极与电压转换器输出正极相连，贴片电极与电压转换器输出负极相连。温度传感器内嵌在光伏组件中，实时显示光伏组件的温度值。当电压转换器开关启动后，发射电极施加上高电压，可电离发射电极周边气体粒子，在发射电极与贴片电极形成的强电场的静电力作用下已电离的气体粒子驱动环境气体形成定向流动的离子风团，可增强光伏组件表面的对流散热以降低光伏组件的表面温度。
本发明的电压转换器为柔性电路板设计，将光伏组件输出的100V级低电压通过一级或二级升压转换电路提升至40kV级，升压转换比不低于400倍，转换效率不小于85％，柔性电路板通过结构胶与光伏组件复合固定。
当温度传感器检测到的最高温度值超过30℃，平流层飞艇飞控机发送启动信号至高压转换器，高压转换器启动输出高电压至发射电极和贴片电极；当温度传感器检测最低温度低至0℃时，平流层飞艇飞控机发送停止信号至高压转换器，发射电极和贴片电极停止工作。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (10)
1.一种临近空间飞行器用自散热式光伏组件，包括光伏组件(1)，光伏组件(1)由单体电池(11)、窗口封装材料层(12)、窗口封装胶(13)、背板封装胶(14)、隔热背板(15)、汇流焊带(16)、引出线缆(17)、固定卡扣(18)组成，其特征在于，在光伏组件(1)的上表面布设有发射电极(2)和贴片电极(3)，在光伏组件中内嵌温度传感器(5)，发射电极(2)与电压转换器(4)输出正极相连，贴片电极(3)与电压转换器(4)输出负极相连，电压转换器(4)固定在光伏组件(1)背面。
2.根据权利要求1所述临近空间飞行器用自散热式光伏组件，其特征在于，所述电压转换器(4)为柔性电路板设计，将低电压转换为超高电压，转换比不低于400倍，转换效率不小于85％，通过结构胶与光伏组件复合固定。
3.根据权利要求1所述临近空间飞行器用自散热式光伏组件，其特征在于，所述发射电极(2)为高导电率材质，为铜铝复合丝或碳纳米管丝，丝材直径0.1～0.3mm。
4.根据权利要求1所述临近空间飞行器用自散热式光伏组件，其特征在于，所述贴片电极(3)为高导电率铜铝复合材料贴片，贴片面积不小于10mm×10mm。
5.根据权利要求1所述临近空间飞行器用自散热式光伏组件，其特征在于，所述温度传感器(5)为芯片式设计，实时监测光伏组件内部温度变化。
6.根据权利要求1所述临近空间飞行器用自散热式光伏组件，其特征在于，所述光伏组件(1)为半柔性或全柔性设计，弯曲半径不大于500mm，弯曲1000次后性能衰减不大于5％。
7.根据权利要求1所述临近空间飞行器用自散热式光伏组件，其特征在于，所述单体电池(11)为晶体硅、砷化镓、钙钛矿，转换效率不低于20％。
8.根据权利要求1所述临近空间飞行器用自散热式光伏组件，其特征在于，所述窗口封装材料层(12)为柔性薄膜或柔性玻璃；窗口封装胶(13)为薄膜设计，为POE、EVA或POE/EVA复合体，同时与单体电池、窗口封装材料有效粘接固定。
9.根据权利要求1所述临近空间飞行器用自散热式光伏组件，其特征在于，所述背板封装胶(14)为薄膜设计，为POE、EVA或POE/EVA复合体，同时与单体电池、隔热背板有效粘接固定；所述隔热背板(15)为轻质PMI隔热泡沫、气凝胶或轻质PMI隔热泡沫/气凝胶复合体。
10.根据权利要求1所述临近空间飞行器用自散热式光伏组件，其特征在于，所述汇流焊带为柔性PCB设计，在固定数量单体电池两端并联旁路二极管，在每并电池正极串联隔离二极管，实现故障隔离功能；所述引出线缆采用编织线缆和快装插件设计，能够在引出位置多次折叠并实现光伏组阵的快速装联；所述固定卡扣为背胶魔术贴设计，背胶侧与光伏组件背面固定，魔术贴侧与平流层飞艇表面预留的魔术贴侧配合，实现快速铺装。
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