DE2720272C2

DE2720272C2 - Solargenerator für künstliche Satelliten

Info

Publication number: DE2720272C2
Application number: DE2720272A
Authority: DE
Inventors: Gerard Mandelieu-la-Napoule Barkats; Claude Cannes-La-Bocca Chenin; Jean Mougins Foucras; Louis Mouans Sartous Marnay
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1976-05-03
Filing date: 1977-05-03
Publication date: 1986-08-14
Also published as: NL7704831A; NL177264B; CA1075352A; US4101101A; DE2720272A1; FR2350695A1; NL177264C; GB1576057A; FR2350695B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Solargenerator für künstliche Satelliten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Solargenerator ist aus dem Tagungsbericht »6^lh IEEE Photovoltaic Specialist's Conf.« 1967. Seiten 210 bis 218, bekannt

Solargeneratoren zur Energieversorgung von künstlichen Satelliten sind üblicherweise aus mehreren aneinander angelenkten Rahmen aufgebaut, in deren Innern auf Trägerfolien Solarzellen aneinandergereiht sind. Die Rahmen sind während des Raketenstarts übereinander geklappt, um eine kompakte Verpackung zu ermöglichen. Am Zielort werden die Rahmen durch eine entsprechende Mechanik auseinandergefahren und mit den einfallenden Sonnenstrahlen ausgerichtet

Eingehender betrachtet werden nun die Anbringung der die Solarzellen tragenden Trägerfolie und die damit zusammenhängenden Probleme. Zum einen dürfen die Trägerfolien mit den darauf angeordneten Solarzellen während des Raketenstarts aufgrund der dabei auftretenden starken Schwingungen nicht aneinanderstoßen, zum anderen müssen sie extremen Bedingungen im Weltall aufgrund großer Temperaturunterschiede und damit großen auftretenden mechanischen Spannungsunterschieden standhalten. Der ganze Rahmen, für sich muß selbstverständlich die erforderliche Steifheit aufweisen, dabei aber ein möglichst geringes Gewicht haben.

Es sind bereits zwei Arten der Aufhängung der Trägerfolie, die die photoelektrischen Zellen trägt, bekannt. Sie sind beide aus der Veröffentlichung »6^th IEEE Photovoltaic Specialist's Conference«, 1967, S. 210 bis 218 ersichtlich. Die erste Art sieht vor, eine nachgiebige Trägerfolie zwischen die Schenkel des Rahmens zu spannen, der durch Quer- und Längsschenkel sowie Versteifungen versteift ist, so daß die Trägerfolie felderartig unterteilt ist. Der Nachteil dieser Befestigungsart besteht nun darin, daß die relativ hohe Spannung der Trägerfolie diese sich ausdehnen läßt an den Stellen zwischen den Solarzellen.

in diesen Zwischenräumen befinden sich aber die elektrischen Leiter, die die Zellen miteinander verbinden und n.it Dehnungsschleifen versehen sind, um differentielle Wärmeausdehnungen aufnehmen zu können, die während des Umlaufs des Satelliten um die Erde auftreten können, und um zu vermeiden, daß diese Beanspruchungen an die Kontaktstellen von Solarzellen und Leitern gelangen. Aufgrund der Vorspannung und damit der Ausdehnung wird das Dehnungspotential der Dehnungsschleifen erheblich reduziert, so daß es die ihm zugeteilte Funktion nicht mehr zufriedenstellend ausüben kann.

Zudem erfahren die Trägerfolie und die Rahmenteile in einer Umlaufbahn unterschiedliche Ausdehnungen und Kontraktionen, was zu Brüchen der Trägerfolie führen kann. Weiterhin hat sich gezeigt, daß die Rahmenteile selbst anfangen zu schwingen, wodurch letztendlieh die Auslenkungsamplituden in den äußersten Federn der Trägerfolie größer sind als in der Rahmenmitte, so daß sich die benachbarten Trägerfolien im zusammengeklappten Zustand des Generators berühren können.

Die zweite bekannte Art der Trägerfolienaufhängung sieht vor, eine Matrix aus Glasfiberstreifen in einem Rahmen zu spannen, die einer Bespannung eines Tennisschlägers ähnelt. Auf die gespannten Streifen werden dann die Solarzellen aufgebracht.

b5 Diese Anordnung hat zwar gegenüber der oben beschriebenen den Vorteil, daß die Dehnung der die Zellen verbindenden Leiter entfällt, da sie aufgebracht werden, wenn der Streifen bereits gespannt ist. Weiterhin weist

jedes im Rahmen abgegrenzte Giiterfeld praktisch dieselbe Resonanzfrequenz und damit dieselbe Schwingungsamplitude auf, wodurch ein Anstoßen benachbarter Gitter leichter vermieden werden kann. Machteilig an dieser Anordnung ist, daß die dynamischen Biegeverformungen der Rahmenteile starke Spannungsschwankungen im Spanngitter in sehr kurzen Zeitintervallen be-.virken können. Die daraus resultierende Zerrung zieht das Solarzellennetz in Mitleidenschaft

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Solargenerator zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Generatoren ausräumt, indem die nachgiebige Trägerfolie spannungsfrei im Rahmen eingeklemmt ist und gleichzeitig für die erforderliche Steifigkeit des Rahmens gesorgt wird, ohne die Gesamtanordnung schwerer zu machen.

Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Solargenerator mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vo-teilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Solargenerator überwindet durch seinen konstruktiven Aufbau die oben beschriebenen Probleme der bekannten Generatoren, die entweder eine Trägerfolie unter mechanischer Spannung oder ein unter Spannung stehendes Geflecht halten.

Insbesondere sind störende Beanspruchungen wie Biege- und Knickspannungen sowie Drehmomente aufgrund der Vorspannung der Trägerfolie oder des Geflechts weitgehend ausgeschaltet. Weiterhin hat das Fehlen einer Vorspannung der Trägerfolie im vorliegenden Generator den Vorteil, daß auch bei extremen Situationen wie etwa Finsternissen, die erhebliche Temperaturschwankungen hervorrufen, keine Brüche der Verbindungsstellen der Solarzellen oder gar der Trägerfolie auftreten.

Die aufeinandergesetzten, einander zugewandten Profile der Schenkel und Versteifungen mit rechteckiger Omegaform haben den Vorteil, daß sie gegenüber Vierkantelemenlen mit demselben Hohlraum eine wesentlich höhere Steifheit aufweisen, bzw. bei leichter Ausführung des Omega-Profils dieselbe Steifheit wie bei einer entsprechend schwereren Ausführung des Vierkants erzielt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht eines zusammengeklappten Solargenerators, bei dem die Erfindung zur Anwendung kommt,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht des Generatorrahmens,

F i g. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 2, teilweise weggebrochen,

Fig.4 eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau des Rahmens nach F i g. 2 verdeutlicht,

F i g. 5 eine andere Ausführungsform des Generatorrahmens,

F i g. 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 5, teilweise weggebrochen,

F i g. 7 eine Detailansicht des Rahmens aus F i g. 5 und Fig. 6,

F i g. 8 eine perspektivische Detailansicht einer weiteren Ausführungsform,

Fig.9 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des im Generatorrahmen nach den F i g. 2 bis 8 verwendeten Profils.

Der Solargenerator nach der Erfindung kommt in künstlichen Satelliten zum Einsatz. Fig. 1 zeigt ihn in zusammengeklapptem Zustand. Er setzt sich in herkömmlicher Weise aus mehreren baugleichen Rahmen 2, 3,4, 5 und 6 zusammen, von denen einer an die Außenwand 1 eines künstlichen Satelliten angelenkt ist. Die Rahmen sind untereinander durch geeignete Gelenke 10,11 verbunden, so daß der Generator am Einsatzort ausgefahren werden kann.

Jeder Rahmen besteht aus den Seiten 7 und einer von diesen umgebenen, isolierenden Trägerfolie 8, welche beispielsweise aus einem unter dem Warenzeichen KAPTON erhältlichen Polyimid besteht, sowie weiteren Teilen, die unten näher beschrieben sind. Die Trägerfolie 8 trägt die einzelnen Solarzellen 9 auf einer ihrer Flächen. Sie sitzt etwa in der Mitte der Höhe des Rahmens 7. Anhand F i g. 1 wird deutlich, daß starke Schwingungen, etwa beim Raketenstart, nicht dazu führen dürfen, daß sich benachbarte Trägerfolien 8 bei möglichen Auslenkungen in Richtung senkrecht zu ihren Ebenen anstoßen, d. h. daß ihre Bewegungsamplitude kleiner gehalten werden muß als die Dicke des Rahmens 7.

Wie oben beschrieben, wurde dieses Ziel in herkömmlichen Generatoren entweder durch Anwendung einer Bespannung der Rahmen mit netzähnlichen Strukturen oder durch Spannen der Trägerfolie zwischen die Rahmenseiten versucht zu erreichen.

Im vorliegenden Rahmen 7 hingegen ist die Trägerfolie 8 weitestgehend spannungsfrei gelagert. Der Rahmen 7 weist ein Paar von Längsschenkeln 13,14 sowie ein Paar von Querschenkeln 15,16 auf. Gelenkstücke 10 an den Ecken des Rahmens dienen zur Anlenkung an weitere Rahmen. Der Rahmen ist in seiner Mittelebene mit einer nachgiebigen Trägerfolie 8 versehen, die in herkömmlicher Weise Solarzellen 9 auf der einen Seite trägt.

Weiterhin sind Versteifungen 17, 18 (vergl. Fig.4) vorgesehen, die parallel zu den Querschenkeln 15, 16 verlaufen und an den Längsschenkeln 13 bzw. 14 angeformt sind. Sie sind jeweils auf der entgegengesetzten Seite der Trägerfolie 8 paarweise einander zugewandt angeordnet.

Der Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform ergibt sich aus F i g. 4. Demnach werden die Quer- und Seitenschenkel 13,14,15,16 sowie die Versteifungen 17, 18 von zwei baugleichen, übereinander setzbaren Schalen 7a, Tb gebildet, wobei jede Schale aus einem Stück besteht. Dabei weisen die Schenkel 13a, 14a, 15a, 16a der Rahmenhälfte Ta ebenso wie die Schenkel 13Z>,14ft, 15Z), 16Zj sowie die Versteifungen 17 und 18 ein Profil in Form eines rechtwinkligen Omegas auf, dessen Seitenschenkel in derselben Ebene liegen.

Im unteren Rahmenteil Tb legen die Schenkel und die Versteifungen Felder 19 fest, in die parallel zu den Schenkeln 136 und 14ö verlaufende Streben 20 (vergl. F i g. 3 und 4) eingesetzt sind. Diese Streben 20 sind ebenfalls als rechtwinklige Omega-Profile ausgebildet und an ihren Enden mit den Seitenschenkeln der anliegenden Versteifungen 18 oder einer Versteifung und eines Querschenkels 15f> bzw. 16ft verbunden. Ihre Hohlräume weisen in dieselbe Richtung wie die der Schenkel 136, 14fe, 15Z> und 16£> und der Versteifungen 18.

Der Größe der Felder 19 entsprechend dimensionierte Stücke der Trägerfolie 8 sind zumindest an einigen Stellen mit den Seitenschenkeln der Streben 20 verklebt, während die Außenränder der Trägerfolie 8 zwischen den Seitenschenkeln der Omega-Profile festgeklemmt sind.

Die beiden Rahmenhälften 7 a und 76 werden so zusammengesetzt, daß die gegenüberliegenden Profile einen Hohlraum mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt bilden. In diesem Hohlraum kann eine wabenartig aufgebaute Bewehrung 21 vorgesehen sein, die dem Rahmen mehr Festigkeit verleiht und dessen Steifigkeit erhöht. Die Gelenkstücke 10 werden beim Zusammenbau des Rahmens mit beiden Rahmenhälften 7a, 7b verklebt Beide Rahmenhälften können ebenfalls durch Kleben miteinander verbunden werden.

In der beschriebenen Ausführungsform nach F i g. 3 und 4 ist die Trägerfolie 8 in ebenso viele Stücke unterteilt, wie die Anzahl der Felder 19 vorgibt. Die F i g. 5,6 und 7 zeigen hingegen eine Ausführungsform, in der die Trägerfolie 8 aus einem einzigen Stück besteht.

Füllstücke 24 füllen den von den Omega-Profilen gebildeten Hohlräumen der Längs- und Querschenkel 13a, 14a, 15a, 16a bzw. 13b, XAb, 156, 166 jeder der Rahnienhälften 7a, 7b vollständig aus. Die Versteifungen 17 und 18 werden von Füllstücken 25 ganz ausgefüllt. Beim Zusammensetzen der Rahmenhälften 7a, 7b wird die aus einem Stück bestehende Trägerfolie 8 zwischen ihnen geklemmt Die Streben 20 sind in diesem Fall wieder teilweise an der Unterseite der Trägerfolie 8 verklebt und ihre Enden jeweils am Seitenschenkel 23 der Omega-Profile der Versteifungen 18 und Querschenkel 156 und 166 befestigt

Eine weitere Ausführungsform zeigt F i g. 8. Hier sind die Streben 20 bereits integraler Bestandteil der unteren Rahmenhälfte 7b, d. h. Streben 20, Versteifungen 18 und Schenkel 136,146, 156 und 166 bilden ein Formstück.

Fig.9 schließlich veranschaulicht den Aufbau des Rahmenprofils. Die Rahmenhälften 7a und 76 lassen sich aus Werkstoffen wie Fasergewebe aus Kohlenstoff oder ein beliebiges anderes, mit Harz getränktes Fasergewebe formen. Durch kombinierte Faserausrichtungen läßt sich das Profil insgesamt oder lokal je nach Bedarf versteifen. Vorzugsweise ist die Breite / einer Strebe 20 im wesentlichen gleich der Breite dder Solarzelle 9.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Solargenerator für künstliche Satelliten, bestehend aus zumindest einem Rahmen, der aus zwei Rahmenhälften mit je einem Paar längs- und Querschenkel zusammengesetzt ist, in dessen Innern eine nachgiebige, dünne Trägerfolie vorgesehen ist, welche die Solarzellen trägt und an ihren Außenrändern zwischen die aus rechtwinkligen Hohlprofilen bestehenden Rahmenhälften eingeklemmt ist, wobei der Rahmen Versteifungen aufweist, die parallel zu den Querschenkeln räumlich voneinander versetzt verlaufen und die Längsschenkel des Rahmens verbinden, und wobei der Rahmen mehrere Streben aufweist, die quer zu den Versteifungen verlaufen und sich zwischen diesen bzw. zwischen der jeweils äußersten Versteifung und einem der Querschenkel erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rahmenhälften (7a, Tb) baugleich und einstückig so ausgeführt sind, daß sie die Querschenkel (15a, 16a bzw. 156, 16ZjJI, die Längsschenkel (13a, 14a bzw. 136,14b) sowie die Versteifungen (17 bzw. 18) umfassen, daß die Hohlprofile die Form eines Omegas aufweisen und daß die im Rahmen (7) spannungsfrei eingeklemmte Trägerfolie (8) zumindest an einigen Stellen mit den Streben (20) verklebt ist.

2. Solargenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (20) ein Profil mit rechtwinkligem Omega-Querschnitt aufweisen, an ihren Enden mit den Seitenschenkeln (23) des Omega-Profils der anliegenden Versteifungen (18) bzw. Querschenkel (156, 16b) verbunden sind und ihre Hohlräume in dieselbe Richtung wie die der Schenkel (136, 146, 15b, 16b) und der Versteifungen (18) weisen.

3. Solargenerator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenhälften (7a, Tb) aus harzgetränkten Fasergeweben bestehen.

4. Solargenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von den gegenüberliegenden Profilen der Rahmenhälften (7a, Tb) eingeschlossene Hohlraum mit einer wabenartig aufgebauten Bewehrung (21) ausgestattet ist.

5. Solargenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie (8) aus mehreren Stücken besteht, die den Abmessungen der Felder (19) entsprechen, welche von den Längsschenkeln (13,14), den Querschenkeln (15,16) und den Versteifungen (17,18) begrenzt sind.

6. Solargenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfolie (8) aus einem Stück besteht.

7. Solargenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume jeder der Rahmenhälften (7a, Tb) vollständig mit Füllstücken (24, 25) ausgefüllt sind.

8. Solargenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (20) integraler Bestandteil der unteren Rahmenhälfte (Tb) sind.