DE102012112080B3 - Solar generator for e.g. spacecraft, has light source and light sensors connected to evaluation unit to determine disorder of total reflection properties of internal reflection layer due to collision with space object - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Solargenerator für Raumfahrzeuge oder Satelliten.The invention relates to a solar generator for spacecraft or satellites.
Bekanntermaßen nutzen Raumfahrzeuge und Satelliten Solargeneratoren zur Energieerzeugung im All. Solargeneratoren umfassen typischerweise große, zumeist im All entfaltbare Solarpaneele mit Solarzellen, die Licht in elektrische Energie umwandeln, eine Steuerelektronik und eine entsprechende Verkabelung. Trotz umfangreicher Bodentests fallen einzelne oder mehrere Solarzellen der Solargeneratoren während Raummissionen aus. Die Ursachen sind fehlerhafte oder während des Startvorgangs beschädigte Solarzellen, Alterungsprozesse der Solarzellen bzw. des Solargenerators (bei längeren Raumflugmissionen), und insbesondere Kollisionen mit Raumobjekten.As is known, spacecraft and satellites use solar generators to generate energy in space. Solar generators typically include large, generally deployable solar panels with solar cells that convert light into electrical energy, control electronics, and corresponding cabling. Despite extensive soil tests, single or multiple solar cells of the solar generators fail during space missions. The causes are faulty solar cells or damaged during the starting process, aging processes of the solar cells or of the solar generator (for longer space flight missions), and in particular collisions with spatial objects.
Aufgrund ihrer großen flächigen Ausdehnung sind insbesondere die Solarpaneele einer potentiellen Kollisionsgefahr mit Raumobjekten, d. h. natürlich vorkommenden Mikrometeoriten und mit aufgrund menschlicher Raumfahrt-Aktivitäten erzeugten Weltraumtrümmerteilen (engl. „Space Debris”) ausgesetzt. Während die Gefährdung durch natürlich vorkommende Mikrometeoriten zeitlich annähernd gleich bleibt, hat sich das Risiko einer Kollision mit dem sogenannten Space Debris zumindest in Erd-Orbits in den letzen Jahrzehnten kontinuierlich erhöht. Mikrometeoriten und Space Debris werden vorliegend zusammenfassend als „Raumobjekte” (engl. MMOD = „micro-meteoroid and orbital debris”) bezeichnet. Die durch Kollisionen mit derartigen Raumobjekten entstehender Schäden an Solargeneratoren können aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeit (mehrere Kilometer pro Sekunde) bereits bei klein dimensionierten Raumobjekten erheblich sein und bis zum Missionsverlust führen. Häufig durchschlagen kollidierende Raumobjekte die Solarpaneele und zerstören dabei einzelne oder mehrere Solarzellen.Due to their large areal extent, the solar panels are in particular a potential danger of collision with spatial objects, i. H. naturally occurring micrometeorites and space trauma generated by human space activities ("space debris"). While the threat of naturally occurring micrometeorites remains approximately the same in time, the risk of a collision with the so-called space debris, at least in earth orbits, has increased steadily in recent decades. In the present case, micrometeorites and space debris are referred to collectively as "space objects" (MMOD = "micro-meteoroid and orbital debris"). Due to the high relative speed (several kilometers per second), the damage to solar generators resulting from collisions with such spatial objects can be substantial even for small-sized spatial objects and lead to the loss of a mission. Colliding spatial objects often penetrate the solar panels, destroying individual or multiple solar cells.
Zur Risikoabschätzung von Raumfahrtsmissionen wurden Simulationsmodelle entwickelt (bspw. MASTER, ORDEM), die Aussagen über die Verteilung von Raumobjekten erlauben. Die Verifikation der analytischen Methoden zur orbitalen Weltraummüllumgebung spielt dabei eine essentielle Rolle. Die meisten Raumobjekte sind zu klein für bodengestützte Ortungs-Methoden, die Häufigkeit der Raumobjekte ist reziprok zu deren Größe. Es besteht ein großer Bedarf darin, die Space-Debris-Verteilung vor Ort experimentell zu bestätigen und damit auch die tatsächlichen Ursachen von Solarzellenausfällen an Solargeneratoren zu ermitteln.For risk assessment of space missions, simulation models have been developed (eg MASTER, ORDEM) that allow statements about the distribution of spatial objects. The verification of the analytical methods for the orbital space debris environment plays an essential role. Most spatial objects are too small for ground-based locating methods, the frequency of spatial objects is reciprocal to their size. There is a great need to experimentally validate the on-site space debris distribution and to identify the actual causes of solar cell failure at solar generators.
Aus der
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Solargenerator für Raumfahrzeuge oder Satelliten anzugeben, der eine verbesserte Auswertung von Ausfallereignissen einzelner oder mehrerer Solarzellen ermöglicht.The object of the invention is to provide a solar generator for spacecraft or satellite, which allows an improved evaluation of failure events of individual or multiple solar cells.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.The invention results from the features of the independent claim. Advantageous developments and refinements are the subject of the dependent claims. Other features, applications and advantages of the invention will become apparent from the following description, as well as the explanation of embodiments of the invention, which are illustrated in the figures.
Die Aufgabe ist mit einem Solargenerator für Raumfahrzeuge oder Satelliten gelöst, der umfasst: zumindest eine Solarpaneele mit einer Solarzellenschicht, die eine Vielzahl von flächig nebeneinander angeordneten Solarzellen, die auftreffende elektromagnetische Strahlung in elektrischen Strom wandeln, und die eine über der Solarzellenschicht angeordnete für optische Strahlung transparente und durch Totalreflexion Licht leitende Schicht aufweist; zumindest eine Lichtquelle, mit der in die Licht leitende Schicht Licht einkoppelbar ist; mehrere an einem Umfangsrand der Licht leitenden Schicht angeordnete Lichtsensoren zur Erfassung einer Intensität des in die Licht leitende Schicht eingekoppelten und total reflektierten Lichts; und ein mit der zumindest einen Lichtquelle und den Lichtsensoren verbundenes erstes Auswertemittel, mit dem eine durch eine Kollision mit einem Raumobjekt verursachte Störung von Totalreflexionseigenschaften innerhalb der Licht leitenden Schicht ermittelbar ist.The object is achieved with a solar generator for spacecraft or satellites, which comprises: at least one solar panel with a solar cell layer, which converts a multiplicity of solar cells arranged side by side, which convert incident electromagnetic radiation into electrical current, and the one arranged above the solar cell layer for optical radiation having transparent and total reflection light-conducting layer; at least one light source with which light can be coupled into the light-guiding layer; a plurality of light sensors arranged on a peripheral edge of the light-conducting layer for detecting an intensity of the light which is coupled into the light-conducting layer and totally reflected light; and a connected to the at least one light source and the light sensors first evaluation means, with which a caused by a collision with a space object disturbance of total reflection properties within the light-conducting layer can be determined.
Der Begriff „Störung” wird vorliegend als jegliche Änderung (Veränderung) der Total reflexionseigenschaften der Licht leitenden Schicht verstanden. Insofern werden durch einen ersten Aufschlag/Einschlag eines Raumobjekts die Totalreflexionseigenschaften der Licht leitenden Schicht geändert, die durch einen Aufschlag/Einschlag eines weiteren Raumobjekts wiederum geändert (gestört) werden. Die Störung bezieht sich gleichsam immer auf eine Änderung der Totalreflexionseigenschaften der Licht leitenden Schicht. Da sich die Störung der Totalreflexionseigenschaften aufgrund lokaler Beschädigungen der Licht leitenden Schicht ergibt, ist die Störung der Totalreflexionseigenschaften weiterhin lokal verortbar.The term "disturbance" is understood in the present case as any change (change) of the total reflection properties of the light-conducting layer. In this respect, by a first impact / impact of a spatial object, the total reflection properties of the light-conducting layer are changed, which are in turn changed (disturbed) by an impact / impact of another spatial object. The disturbance always refers to a change in the total reflection properties of the light-conducting layer. Since the disturbance of the total reflection properties due to local damage of the light-conducting layer results, the disturbance of the total reflection properties is still locally locatable.
Mit dem erfindungsgemäßen Solargenerator ist es bspw. möglich, die Auswirkungen eines auf den Solargenerator mit hoher Relativgeschwindigkeit auftreffenden Raumobjekts, das die Licht leitende Schicht durchschlägt oder zumindest mechanisch beschädigt, zu erfassen. So ist es möglich, bei einem Ausfall einer oder mehrerer Solarzellen diejenigen Ausfallereignisse zu ermitteln, die auf eine Kollision der Solarpaneele mit Raumobjekten zurückzuführen sind.With the solar generator according to the invention, it is, for example, possible to detect the effects of an impinging on the solar generator with high relative speed spatial object that strikes the light-conducting layer or at least mechanically damaged to capture. It is thus possible, in the event of a failure of one or more solar cells, to determine those failure events which are due to a collision of the solar panels with spatial objects.
Hierzu umfasst die Solarpaneele die Licht leitende Schicht, die bevorzugt an der Oberseite der Solarpaneele angeordnet ist. Die Rückseite der Solarpaneele weist typischerweise eine Strukturschicht auf, die der Solarpaneele die erforderliche Strukturfestigkeit verleiht. Die Licht leitende Schicht besteht aus einem elektrisch isolierenden optisch transparenten Material. Die Licht leitende Schicht ist bevorzugt direkt anschließend an die Solarzellenschicht angeordnet, wobei eine haftvermittelnde Klebeschicht zwischen Solarzellenschicht und der Licht leitenden Schicht vorhanden sein kann. Weiterhin ist zwischen der Solarzellenschicht und der Licht leitenden Schicht bevorzugt eine Trennschicht angeordnet, die weiterhin bevorzugt ein elektrisch leitendendes Gewebe zur elektrischen Abschirmung aufweist. Die elektrische Abschirmung dient insbesondere zur Abschirmung elektrischer Felder, wie sie durch elektrostatische Entladungen entstehen.For this purpose, the solar panels comprises the light-conducting layer, which is preferably arranged on the upper side of the solar panels. The backside of the solar panels typically has a structural layer that provides the solar panels with the required structural strength. The light-conducting layer consists of an electrically insulating optically transparent material. The light-conducting layer is preferably arranged directly adjacent to the solar cell layer, wherein an adhesion-promoting adhesive layer may be present between the solar cell layer and the light-conducting layer. Furthermore, a separating layer is preferably arranged between the solar cell layer and the light-conducting layer, which further preferably has an electrically conductive tissue for electrical shielding. The electrical shield is used in particular for shielding electric fields, such as those caused by electrostatic discharges.
Die durch das Auftreffen eines Raumobjekts auf der Licht leitenden Schicht entstehenden (mechanischen) Beschädigungen sind insbesondere ein entstehendes Durchschlagsloch oder zumindest eine Beschädigung der Oberfläche oder eines Teilbereichs der Licht leitenden Schicht. Insbesondere werden die Totalreflexionseigenschaften der Schicht dadurch verändert/gestört, dass bspw. an der Beschädigungsstelle Licht aus der Schicht ausgekoppelt wird, was zu einer Reduzierung, der Intensität des innerhalb der Schicht geleiteten Lichts führt. Weiterhin können durch eine Beschädigung der Licht leitenden Schicht die Ausbreitungswege von Licht innerhalb der Schicht verändert werden, so können bspw. bestimmte Licht-Ausbreitungsrichtungen durch die Beschädigung in der Schicht blockiert werden und/oder es tritt an der Beschädigungsstelle Lichtstreuung und/oder Lichtreflexionen auf. Weiterhin können sich aufgrund der Beschädigung Interferenzmuster oder Änderungen von Interferenzmustern ergeben. Die Auswirkungen einer solchen Störung der Totalreflexionseigenschaften werden mittels der zumindest einen Lichtquelle und des zumindest einen Lichtsensors erfasst.The (mechanical) damage resulting from the impact of a spatial object on the light-conducting layer is, in particular, an emerging breakdown hole or at least a damage to the surface or a portion of the light-conducting layer. In particular, the total reflection properties of the layer are changed / disturbed in that, for example, light is coupled out of the layer at the point of damage, which leads to a reduction in the intensity of the light conducted within the layer. Furthermore, the propagation paths of light within the layer can be changed by damaging the light-conducting layer, for example certain light propagation directions can be blocked by the damage in the layer and / or light scattering and / or light reflections occur at the point of damage. Furthermore, due to the damage, interference patterns or changes of interference patterns may result. The effects of such a disturbance of the total reflection properties are detected by means of the at least one light source and the at least one light sensor.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solargenerators ist die zumindest eine Lichtquelle derart ausgeführt und angeordnet, dass damit am Umfangsrand der Licht leitenden Schicht ein oder mehrere (gebündelte, gerichtete, oder gefächerte) Lichtstrahlen in die Schicht einkoppelbar sind. Diese Lichtstrahlen werden in der Licht leitenden Schicht, sofern diese nicht beschädigt ist, durch Totalreflexion geradlinig geführt. Bevorzugt ist die Lichtquelle ein Laser oder eine LED mit entsprechender Bündelungsoptik.In a preferred embodiment of the solar generator according to the invention, the at least one light source is designed and arranged so that one or more (bundled, directed, or fan-shaped) light beams can be coupled into the layer at the peripheral edge of the light-conducting layer. These light rays are in the light-conducting layer, if this is not damaged, guided in a straight line by total reflection. Preferably, the light source is a laser or an LED with appropriate bundling optics.
Besonders bevorzugt sind am Umfangsrand mehrere derartige, bevorzugt voneinander gleich beabstandete Lichtquellen angeordnet, so dass die von den Lichtquellen ausgehenden Lichtstrahlen die Schicht bevorzugt mit parallelen Strahlengängen bzw. auch bevorzugt rasterförmig angeordneten Strahlengängen durchlaufen. Solche Raster weisen bevorzugt ein rechteckiges Muster oder ein Rautenmuster auf. Mit der Dimensionierung der Abstände benachbarter Strahlengänge im Muster wird ein unteres Dimensions-Limit für den Nachweis von Raumobjekten festgelegt. Raumobjekte deren Dimension kleiner als dieses Limit ist, können nicht aufgelöst und damit nachgewiesen werden.More preferably, a plurality of such, preferably equally spaced light sources are arranged at the peripheral edge, so that the rays emanating from the light sources preferably pass through the layer with parallel beam paths or preferably arranged in a grid-shaped beam paths. Such screens preferably have a rectangular pattern or a diamond pattern. The dimensioning of the distances of adjacent beam paths in the pattern defines a lower dimension limit for the detection of spatial objects. Room objects whose dimension is smaller than this limit can not be resolved and therefore detected.
Kollidiert ein Raumobjekt mit der Solarpaneele hängt der entstehende Schaden von der Größe, dem Auftreffwinkel, und der Relativgeschwindigkeit des Raumobjekts ab. Häufig ist die Relativgeschwindigkeit von Raumobjekten ausreichend groß, dass diese selbst mit Dimensionen im Bereich von 1 Mikrometer bis einigen Millimetern die Solarpaneele durchschlagen.If a room object collides with the solar panel, the resulting damage depends on the size, the angle of incidence, and the relative speed of the room object. Frequently, the relative velocity of spatial objects is sufficiently large that they penetrate the solar panels even with dimensions in the range of 1 micrometer to several millimeters.
Bei einem Durchschlag des Raumobjekts durch die Licht leitende Schicht werden im Aufschlagbereich unterhalb der Schicht angeordnete Solarzellen der Solarzelleschicht ggf. mechanisch zerstört und fallen dadurch aus. Weiterhin kann durch eine unterschiedliche elektrostatische Aufladung benachbarter Bereiche der Oberfläche der Solarpaneele bei dem Aufschlag durch einen am Aufschlagsort entstehenden Materialauswurf eine Plasmaentladung erfolgen, die auch umliegende Solarzellen, d. h. Solarzellen, die durch die Kollision mit dem Raumobjekt nicht mechanisch getroffen sind, in ihrer Funktion stört oder gar zerstört, so dass diese durch die Kollision bzw. den Aufschlag ebenfalls ausfallen. Die benachbarten Bereiche müssen dabei ein unterschiedliches elektrisches Potential besitzen. Durch den Einschlag wird dann lokal elektrisch leitendes Plasma gebildet, das die Bereiche unterschiedlichen Potenzials leitend verbindet, so dass es zum Kurzschluss kommt.In the case of a breakdown of the spatial object by the light-conducting layer, solar cells of the solar cell layer arranged in the impact area underneath the layer are possibly mechanically destroyed and thereby fall out. Furthermore, by a different electrostatic charge of adjacent areas of the surface of the solar panels at the impact caused by a material ejection occurring at the impact site, a plasma discharge, the surrounding solar cells, ie solar cells that are not mechanically affected by the collision with the space object, disturbs in their function or even destroyed, so that these by the collision or the impact also fail. The adjacent areas must have a different electrical potential. As a result of the impact, locally electrically conductive plasma is formed, which conductively connects the regions of different potential, so that short circuit occurs.
Außerdem kann es sein, dass durch den Einschlag selbst Kurzschlüsse an der Einschlagstelle entstehen z. B. Kohlenstofffasern (leitendes Material). Durch die Plasmaentladungen können die Zahl vom Ausfall betroffener Solarzellen bzw. deren Solarzellenfläche um ein Vielfaches größer sein als eine Querschnittsfläche des Durchschlagskanals.It may also be that by the impact itself short circuits occur at the impact point z. As carbon fibers (conductive material). Due to the plasma discharges, the number of solar cells affected by the failure or their solar cell area can be many times greater than a cross-sectional area of the breakdown channel.
Bevorzugt ist ein zweites Auswertemittel vorhanden, mit dem das Funktionieren der Solarzellen überwacht bzw. ein Ausfall einer oder mehrerer Solarzellen erkannt wird. Die Solarzellen sind hierzu bevorzugt einzeln oder als Solarzellengruppen (bspw. als einzelne Spalten oder Reihen) mit dem zweiten Auswertemittel verbunden. Die zur Überwachung bzw. zur Ausfalldetektion nutzbaren elektrischen Schaltungen sind dem Fachmann bekannt. Das zweite Auswertemittel erfasst somit lediglich den Ausfall einer oder mehrerer Solarzellen, die Ausfall-Ursache wird vom zweiten Auswertemittel nicht ermittelt. Diese kann darin liegen, dass die betroffene Solarzelle selbst aufgrund bspw. von Alterung ausfällt oder dass der Ausfall durch eine Kollision mit einem Raumobjekt verursacht wird.Preferably, a second evaluation means is provided with which the functioning of the solar cells is monitored or a failure of one or more solar cells is detected. For this purpose, the solar cells are preferably connected individually or as solar cell groups (for example as individual columns or rows) to the second evaluation means. The electrical circuits which can be used for monitoring or for failure detection are known to the person skilled in the art. The second evaluation means thus detects only the failure of one or more solar cells, the failure cause is not determined by the second evaluation. This may be due to the fact that the affected solar cell itself fails due to, for example, aging or that the failure is caused by a collision with a room object.
Zur Verdeutlichung sei angenommen, dass bei einer Kollision der Solarpaneele mit einem Raumobjekt, das Raumobjekt die Solarpaneele vollständig durchschlägt und dabei in der Solarpaneele einen Durchschlagskanal ausbildet. Beim Durchschlag wird in der Licht leitenden Schicht eine lokale Störung der Totalreflexionseigenschaften erzeugt, die mit dem ersten Auswertemittel bevorzugt hinsichtlich Position und Dimension des Durchschlagskanals ermittelt bzw. von der damit verbundenen Lichtquelle und dem Lichtsensor erfasst wird.For clarification, it is assumed that in the event of a collision of the solar panels with a room object, the room object completely penetrates the solar panels and thereby forms a breakdown channel in the solar panels. During breakdown, a local disturbance of the total reflection properties is generated in the light-conducting layer, which is preferably determined with respect to the position and dimension of the breakdown channel by the first evaluation means or detected by the light source and the light sensor connected thereto.
Um nicht bei jedem Kollisionsereignis lokale Störungen in der gesamten Licht leitenden Schicht analysieren zu müssen, ist in einer bevorzugten Weiterbildung das erste Auswertemittel mit dem zweiten Auswertemittel verbunden und derart ausgeführt und eingerichtet, dass im Falle eines vom zweiten Auswertemittel festgestellten Ausfalls einer oder mehrerer Solarzellen, die Analyse der Licht leitenden Schicht hinsichtlich weitere lokaler Störungen der Totalreflexionseigenschaften nur noch für die Bereiche der Licht leitenden Schicht durchgeführt wird, die oberhalb von unbeschädigten Solarzellen angeordnet sind. Dies reduziert den zur Überwachung und Analyse erforderlichen Energiebedarf erheblich.In order not to have to analyze local disturbances in the entire light-conducting layer at each collision event, in a preferred embodiment the first evaluation means is connected to the second evaluation means and designed and arranged such that in the event of a failure of one or more solar cells detected by the second evaluation means, the analysis of the light-conducting layer is carried out with respect to further local disturbances of the total reflection properties only for the areas of the light-conducting layer which are arranged above undamaged solar cells. This significantly reduces the energy required for monitoring and analysis.
Insbesondere wenn die Licht leitende Schicht mittels einer Vielzahl von dicht benachbarten und sich kreuzenden Lichtstrahlen (Scanstrahlen) auf lokale Veränderungen der Totalreflexionseigenschaften gescannt wird, lässt sich die Dimension eines Raumobjekts, dass die Schicht durchschlagen hat abschätzen, Diese Informationen können gespeichert und/oder an eine Zentrale (bspw. eine Bodenkontrollstelle oder ein Raumfahrzeug) zur weiteren Auswertung übermittelt werden. Es gibt eine Vielzahl von möglichen Mustern der Strahlführung der Scanstrahlen in der Licht leitenden Schicht. Dabei gilt: je kleiner der Abstand einzelner Scanstrahlen in der Schicht und je kleiner deren Durchmesser ist, desto größer ist die lokale Auflösung zur Erfassung von Raumobjekten bzw. der Dimension der von ihnen erzeugten Durchschlagskanäle.In particular, when the light-conducting layer is scanned for local changes in the total reflection properties by means of a plurality of closely adjacent and intersecting light beams (scanning beams), the dimension of a spatial object that has penetrated the layer can be estimated. This information can be stored and / or sent to one Central (for example, a ground control center or a spacecraft) are transmitted for further evaluation. There are a variety of possible patterns of beam guidance of the scanning beams in the light-conducting layer. The following applies: the smaller the distance between individual scanning beams in the layer and the smaller their diameter, the greater is the local resolution for detecting spatial objects or the dimension of the breakdown channels generated by them.
Bevorzugt ist gegenüberliegend zur Position einer jeweiligen Lichtquelle in Einkoppelrichtung des jeweiligen Lichtstrahls am Umgangsrand der Licht leitenden Schicht ein Lichtsensor angeordnet, mit dem eine Intensität des in die Licht von der jeweiligen Lichtquelle eingekoppelten Lichtstrahls zeitabhängig ermittelbar ist.Preferably, opposite to the position of a respective light source in the coupling-in direction of the respective light beam, a light sensor is arranged at the peripheral edge of the light-conducting layer, with which an intensity of the light beam coupled into the light from the respective light source can be determined in a time-dependent manner.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solargenerators ist die zumindest eine Lichtquelle in die Licht leitende Schicht integriert und derart ausgeführt, dass sie bevorzugt ungerichtetes Licht in diese Schicht einkoppelt. Beispielsweise ist die Lichtquelle möglichst geometrisch zentral in der flächig ausgedehnten Licht leitenden Schicht angeordnet. In diesem Fall sind bevorzugt eine Vielzahl von Lichtsensoren verteilt am Umfangsrand der Licht leitenden Schicht angeordnet.In a further embodiment of the solar generator according to the invention, the at least one light source is integrated into the light-conducting layer and embodied such that it preferably couples undirected light into this layer. By way of example, the light source is arranged as geometrically as possible centrally in the areally extended light-conducting layer. In this case, a plurality of light sensors are preferably arranged distributed on the peripheral edge of the light-conducting layer.
Die Lichtsensoren weisen bevorzugt eine Apertur (Blende) auf, die dazu dient, nur Licht aus einer gegebenen Einfallsrichtung zu erfassen. Somit können die Totalreflexionseigenschaften entlang eines Strahlengangs überwacht werden. Bevorzugt sind die einen Öffnungswinkel des Lichtsensors begrenzenden Aperturblenden zwischen den Lichtsensoren und dem Umfangsrand angeordnet.The light sensors preferably have an aperture (aperture) which serves to detect only light from a given direction of incidence. Thus, the total reflection properties can be monitored along a beam path. The aperture diaphragms delimiting an aperture angle of the light sensor are preferably arranged between the light sensors and the peripheral edge.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solargenerators ist die Lichtquelle als Linienlichtquelle ausgebildet, die entlang eines Teils des Umgangsrandes der Licht leitenden Schicht Licht in diese einkoppelt. Auch in diesem Fall sind bevorzugt eine Vielzahl von Lichtsensoren am Umfangsrand der Schicht, bevorzugt am der Linienlichtquelle gegenüberliegenden Umfangsrand der Schicht angeordnet.In a further embodiment of the solar generator according to the invention, the light source is designed as a line light source which couples light into this along a part of the peripheral edge of the light-conducting layer. Also in this case, a plurality of light sensors are preferred at the peripheral edge of the layer, preferably at the Line light source opposite peripheral edge of the layer arranged.
Durch eine geeignete Anordnung von Lichtquellen und Lichtsensoren an der Schicht können eine Vielzahl von Strahlengängen von in die Schicht eingekoppelten Lichts überwacht werden. Bevorzugt kreuzen sich die Strahlengänge in Art eines regelmäßiges Musters (rechteckiges oder quarderförmiges oder rautenartiges Muster). Die Aktivierung der Lichtquellen erfolgt dabei bevorzugt derart, dass zu einer Zeit nur eine Lichtquelle aktiv ist, und das von dieser Lichtquelle in die Licht leitende Schicht eingekoppelte Licht von dem zumindest einen Lichtsensor, bevorzugt von mehreren oder allen Lichtsensoren empfangbar ist. Bevorzugt werden die Lichtquellen seriell aktiviert, d. h. eine Lichtquelle nach der anderen, so dass die Totalreflexionseigenschaften entlang der verschiedenen Strahlengänge seriell abgetastet werden.By a suitable arrangement of light sources and light sensors on the layer, a plurality of beam paths of light coupled into the layer can be monitored. Preferably, the beam paths intersect in the manner of a regular pattern (rectangular or quarter-shaped or diamond-like pattern). The activation of the light sources is preferably carried out in such a way that only one light source is active at a time, and the light coupled from this light source into the light-conducting layer can be received by the at least one light sensor, preferably by several or all light sensors. Preferably, the light sources are serially activated, i. H. one light source after the other, so that the total reflection properties along the different optical paths are serially scanned.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solargenerators zeichnet sich dadurch aus, dass das erstes Auswertemittel zur Ermittlung einer Laufzeit eines von der Lichtquelle ausgesandten Lichtimpulses bis zu dessen Erfassung durch den Lichtsensor ausgebildet ist, um auf Basis einer auftretenden Änderung der Laufzeit eine Änderung der Totalreflexionseigenschaften zu ermitteln. Diese Weiterbildung nutzt den Umstand, dass durch eine Beschädigung der Schicht, bspw. durch ein Durchschlagsloch, eine Ausbreitung eines Lichtstrahls von der Lichtquelle auf geradem Wege zu einem entsprechenden Lichtsensor unterbrochen ist, und der Lichtstrahl ggf. durch Streuung und/oder Reflexion über einen längeren Weg zum Lichtdetektor gelangt, was eine längere Laufzeit des Lichtstrahls im Vergleich zum kürzesten Weg bedingt. Ändert sich somit die Laufzeit für einen von der Lichtquelle ausgesandten Lichtpuls zu einem zugeordneten Lichtsensor, so ist dies ein Hinweis auf eine Veränderung/Störung der Totalreflexionseigenschaften der Licht leitenden Schicht.A further preferred refinement of the solar generator according to the invention is characterized in that the first evaluation means is designed to determine a transit time of a light pulse emitted by the light source until it is detected by the light sensor in order to determine a change in the total reflection properties on the basis of an occurring change in the transit time , This development makes use of the circumstance that a damage of the layer, for example. By a breakdown hole, a propagation of a light beam from the light source is interrupted in a straight path to a corresponding light sensor, and the light beam, if necessary by scattering and / or reflection over a longer Path to the light detector passes, which causes a longer duration of the light beam compared to the shortest path. Thus, changes the duration for a light pulse emitted from the light source to an associated light sensor, this is an indication of a change / disturbance of the total reflection properties of the light-conducting layer.
Der erfindungsgemäße Solargenerators zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass am Umfangsrand mehrere mit dem ersten Auswertemittel verbundene Lichtsensoren an der Licht leitenden Schicht angeordnet sind. Weiterhin besonders bevorzugt ist das erste Auswertemittel dabei zur Ermittlung einer Position einer durch eine Kollision mit einem Raumobjekt verursachten Störung in der Licht leitenden Schicht ausgeführt und eingerichtet ist.The solar generator according to the invention is particularly characterized in that a plurality of light sensors connected to the first evaluation means are arranged on the light-conducting layer at the peripheral edge. In a particularly preferred embodiment, the first evaluation means is designed and set up for determining a position of a disturbance in the light-conducting layer caused by a collision with a spatial object.
Weist die Licht leitende Schicht bspw. einen rechteckigen Umfangsrand auf, so werden die Lichtquellen bevorzugt an zwei aneinandergrenzenden Seiten des Umfangsrandes angeordnet. Die Lichtsensoren werden am Umfangsrand entsprechend den Lichtquellen gegenüberliegend angeordnet. Sofern die Lichtquellen dabei in die Licht leitende Schicht jeweils Lichtstrahlen senkrecht zum Umfangsrand einkoppeln ergibt sich in dieser Ausführungsform ein rechteckiges Gitter von Lichtwegen durch die Licht leitende Schicht.If, for example, the light-conducting layer has a rectangular peripheral edge, then the light sources are preferably arranged on two adjoining sides of the peripheral edge. The light sensors are arranged at the peripheral edge opposite to the light sources. If the light sources in the light-conducting layer in each case couple light rays perpendicular to the peripheral edge, a rectangular grid of light paths through the light-conducting layer results in this embodiment.
Wird durch eine Kollision mit einem Raumobjekt an einer Position der Solarpaneele, und damit an einer Position der Licht leitenden Schicht, eine lokale Beschädigung der Schicht, bspw. ein Durchschlagsloch erzeugt, so kann diese Position, bei entsprechend enger Anordnung benachbarter Lichtquellen/Lichtsensoren, durch die Unterbrechung jeweiliger Lichtwege, die durch das Durchschlagloch führen, ermittelt werden. Je kleiner die Gitterkonstante des vorgenannten Gitters ist, desto höher ist die Ortsauflösung bei der Ermittlung der Position der Beschädigung durch das Raumobjekt.If a collision with a spatial object at a position of the solar panels, and thus at a position of the light-conducting layer, a local damage of the layer, eg. Produced a breakdown hole, this position, with a correspondingly close arrangement of adjacent light sources / light sensors, by the interruption of respective light paths passing through the punch-through hole are detected. The smaller the lattice constant of the aforementioned lattice, the higher the spatial resolution in determining the position of the damage by the spatial object.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das erste Auswertemittel zur Ermittlung einer Dimension der Beschädigung der Licht leitenden Schicht ausgeführt und eingerichtet. Die Begriff „Dimension” bezieht sich vorliegend auf die Größe/Ausdehnung (Länge und Breite) der in der Licht leitenden Schicht vorhandenen Beschädigung. Insbesondere ist es somit möglich, bspw. den Durchmesser eines Durchschlaglochs durch die Licht leitende Schicht zu ermitteln.In a further preferred embodiment, the first evaluation means is designed and set up for determining a dimension of the damage of the light-conducting layer. The term "dimension" in the present case refers to the size / extent (length and width) of the damage present in the light-conducting layer. In particular, it is thus possible, for example, to determine the diameter of a breakdown hole through the light-conducting layer.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das erste Auswertemittel zur Ermittlung einer Dimension des Raumobjekts ausgeführt und eingerichtet. Hierzu kann bspw. aufgrund der zuvor ermittelten Dimension der Beschädigung und bekannten Schadensgleichungen auf die Teilchengröße des Raumobjekts geschlossen werden, wie es bspw. in dem ESA Abschlussbericht: „METEOROID and DEBRIS FLUX and EJECTA MODELS”; ESA CONTRACT NO. 11887/96/NL/JG; FINAL REPORT” beschrieben ist.In a preferred embodiment, the first evaluation means for determining a dimension of the spatial object is executed and set up. For this purpose, for example, on the basis of the previously determined dimension of the damage and known damage equations on the particle size of the spatial object can be concluded, as for example in the ESA Final Report: "METEOROID and DEBRIS FLUX and EJECTA MODELS"; ESA CONTRACT NO. 11887/96 / NL / JG; FINAL REPORT "is described.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solargenerators zeichnet sich dadurch aus, dass die Licht leitende Schicht einen Umfangsrand hat, der ein gleichmäßiges Polygon ist, und am Umfangsrand mehrere Lichtsensoren im Wesentlichen gegenüberliegend von Lichtquellen angeordnet sind. Bevorzugt besteht die Licht leitende Schicht aus Glas oder Plexiglas oder insbesondere aus einem optisch durchsichtigen Material, dass möglichst nicht zur Zersplitterung neigt.A further preferred development of the solar generator according to the invention is characterized in that the light-conducting layer has a peripheral edge, which is a uniform polygon, and at the peripheral edge a plurality of light sensors are arranged substantially opposite of light sources. The light-conducting layer preferably consists of glass or Plexiglas or, in particular, of an optically transparent material which, if possible, does not tend to fragment.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solargenerators zeichnet sich dadurch aus, dass die Auswerteeinheit derart ausgeführt und eingerichtet ist, dass nach Erfassung und Auswertung einer n-ten Störung, die ermittelten Totalreflexionseigenschaften der Licht leitenden Schicht gespeichert und als Referenz zur Erfassung einer n + 1-ten Störung genutzt werden. Die Totalreflexionseigenschaften lassen sich in Form messbarer charakteristischer optischer Parameter der Schicht (Lichtlaufzeit, Interferenzmuster, Lichtintensitätsverteilung etc.) angeben.A further preferred development of the solar generator according to the invention is characterized in that the evaluation unit is designed and set up such that after detection and evaluation of an nth disturbance, the total reflection properties of the light-conducting layer are stored and used as a reference for detecting an n + 1-th fault can be used. The total reflection properties can be specified in the form of measurable characteristic optical parameters of the layer (time of flight, interference pattern, light intensity distribution, etc.).
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solargenerators zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Auswerteeinheit eine Speichereinheit aufweist, in der die erfassten Störungen der Total reflexionseigenschaften und deren Auswertung, bspw. die die Total reflexionseigenschaften beschreibenden Parameter, gespeichert werden, und aktuelle und/oder gespeicherte Störungen und deren Auswertungen für eine Übermittlung an eine Bodenstation bereitgestellt werden.A further preferred development of the solar generator according to the invention is characterized in that the first evaluation unit has a memory unit in which the detected disturbances of the total reflection properties and their evaluation, for example. The parameters describing the total reflection properties are stored, and current and / or stored Disturbances and their evaluations are provided for transmission to a ground station.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solargenerators zeichnet sich dadurch aus, dass über der Solarzellenschicht zwei für optische Strahlung transparente und durch Totalreflexion Licht leitende Schichten angeordnet sind, die jeweils am Umfangsrand zumindest eine Lichtquelle, die in die jeweilige Licht leitende Schicht Licht einkoppelt und mehrere am jeweiligen Umfangsrand der Licht leitenden Schichten angeordnete Lichtsensoren, zur Erfassung der Intensität des in die jeweilige Licht leitende Schicht eingekoppelten total reflektieren Lichts aufweisen, und das mit den Lichtsensoren und den Lichtquellen verbundene erste Auswertemittel dazu eingerichtet ist, aus für die jeweiligen Schichten ermittelten Positionen einer jeweiligen Beschädigung der Schicht eine Richtung zu ermitteln, aus der ein Raumobjekt mit der Solarpaneele kollidiert ist, wobei das Raumobjekt dabei die zumindest außen liegende Licht leitende Schicht durchschlagen hat.A further preferred refinement of the solar generator according to the invention is characterized in that two layers which are transparent to optical radiation and are guided by total reflection are arranged above the solar cell layer, each of which at the peripheral edge couples at least one light source which couples light into the respective light-guiding layer and several at Have respective peripheral edge of the light-conducting layers arranged light sensors, for detecting the intensity of the coupled into the respective light-conducting layer totally reflected light, and which is connected to the light sensors and the light sources first evaluation means is adapted from determined for the respective layers positions of a respective Damage to the layer to determine a direction from which a spatial object has collided with the solar panels, wherein the spatial object has thereby penetrated the at least outer light-conducting layer.
Natürlich treffen Raumobjekte aus unterschiedlichsten Richtungen, d. h. insbesondere auch auf die Unterseite (Rückseite) der Solarpaneele auf. Sofern ein Raumobjekt dabei in einem ersten Fall nur in die Licht leitende Schicht vordringt und keine Solarzelle/n in ihrer Funktionalität zerstören, oder in einem zweiten Fall eine oder mehrere Solarzellen der Solarzellenschicht ausfallen, ohne dass die Licht leitende Schicht beschädigt wird, kann das Vorliegen des ersten oder des zweiten Falles mittels des ersten und des zweiten Auswertemittels ermittelt werden.Of course, space objects from different directions, d. H. especially on the bottom (back) of the solar panels. If, in a first case, a room object only penetrates into the light-conducting layer and does not destroy any solar cell (s) in its functionality, or if in a second case one or more solar cells of the solar cell layer fail, without the light-conducting layer being damaged, this may be present of the first or the second case can be determined by means of the first and second evaluation means.
Mit dem erfindungsgemäßen Solargenerator ist es möglich, Beschädigungen der Licht leitenden Schicht zu erfassen, die durch sehr kleine Raumobjekte (je nach Scanauflösung/Liniendichte der Scanstrahlen bis zu einem Durchmesser von 1 μm) verursacht werden.. Weiterhin kann durch die Erfassung der Beschädigungen, bzw. der dadurch verursachten Störungen der Totalreflexionseigenschaften an der Licht leitenden Schicht, auch die Eintrübung und damit eine Degradation des Solargenerators, d. h. eine Herabsetzung des Wirkungsgrades des Solargenerators ermittelt werden. Dabei müssen die Lichtquelle und der Lichtsensor langsamer degradieren als die Licht leitende Schicht.With the solar generator according to the invention, it is possible to detect damage to the light-conducting layer, which are caused by very small space objects (depending on the scan resolution / line density of the scanning beams up to a diameter of 1 micron) .. Furthermore, by detecting the damage, or the resulting disturbances of the total reflection properties at the light-conducting layer, also the clouding and thus a degradation of the solar generator, d. H. a reduction in the efficiency of the solar generator can be determined. The light source and the light sensor must degrade slower than the light-conducting layer.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezug auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.Further advantages, features and details will become apparent from the following description in which an embodiment is described with reference to the drawings. The same, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference numerals.
Es zeigen:Show it:
Dargestellt ist weiterhin ein durch eine Kollision mit einem Raumobjekt in der Licht leitenden Schicht
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.Although the invention has been further illustrated and explained in detail by way of preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. It is therefore clear that a multitude of possible variations exists. It is also to be understood that exemplified embodiments are really only examples that are not to be construed in any way as limiting the scope, applicability, or configuration of the invention. Rather, the foregoing description and description of the figures enable one skilled in the art to practice the exemplary embodiments, and those skilled in the art, having the benefit of the disclosed inventive concept, can make various changes, for example, to the function or arrangement of individual elements recited in an exemplary embodiment, without Protected area, which is defined by the claims and their legal equivalents, such as further explanation in the description.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Solargeneratorsolar generator
- 101101
- Licht leitende SchichtLight-conducting layer
- 102102
- Solarzellenschichtsolar cell layer
- 103103
- Strukturschichtstructural layer
- 201201
- Lichtquellelight source
- 202202
- Lichtsensor/enLight sensor / s
- 203a, b203a, b
- Lichtsensor, der aufgrund einer Störung kein direktes Licht von einer zugeordneten gegenüberliegenden Lichtquelle empfängtLight sensor which due to a disturbance does not receive direct light from an associated opposite light source
- 204204
- Durchschlagsloch durch die Licht leitende SchichtPunch hole through the light-conducting layer
Claims (9)
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---|---|---|---|
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ID=50153587
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- 2012-12-11 DE DE201210112080 patent/DE102012112080B3/en active Active
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Legal Events
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R020 | Patent grant now final | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20141216 |