DE3617675A1 - Einrichtung an solargeneratoren zur verhinderung statischer aufladungen - Google Patents

Description

• "Einrichtung an Solargeneratoren zur Verhinderung statoscjer Aufladungen"
• Die erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung gemäß dem oberbegriff des Anspruchs ^ oder 2.
• Die Verhinderung von statischen Aufladungen durch elektrisch verbundene, sogenannte CC (conductive coatin¢?-Schichten auf den Glasoberflächen von Solarzellen ist bekannt und wurde bei früheren Satelliten erfolgreich durchgeführt.
• Tn Wig. 1 ist die bekannte Verschaltung schematisch dargestellt. Auf die einzelnen Solarzellen 1, 2 wurden Deckgläser ri, 4 aufgebracht, die an ihrer Oberfläche eine leitfähige Beschichtung trugen. An jeder Ecke des viereckigen Deckglases war eine 'ietallisierung aufgebracht, die zur Anbringung eines Silberverbinders 20 durch Schweißen, Löten oder Kleben diente.
• Die Anbringung der Verbinder 20 ist sowohl technisch als auch wirtschaftlich sehr aufwendig. Weiterhin ist zu berücksichtigen, daß die bisher verwendeten blaterialien für Verbinder von dem im erdnahen Orbit befindlichen atomaren Sauerstoff angegriffen werden.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, mit der eine einfache Verschaltung der Solarzellen und eine ausreichende Resistenz gegen atomaren Sauerstoff gewährleistet sind.
• Diese Mifgahe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw.2 angegebenen Merkmale gelost. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß diese Einrichtung hei allen Satelliten anwendbar ist, deren Solargeneratoren eine elektrisch Icitfähige Oberflächenbeschichtung aufweist. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung führt zu einer drastischen Kostenreduzierung, gestattet einfache Reparaturen und bietet ohne weitere Maßnahmen einen ausreichenden Schutz gegen atomaren Sauerstoff. Die Einrichtung nach der Erfindung ist darüberhinaus bei allen leitenden Strukturoberflächen einsetzbar.
• In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele nach der Erfindung schematisch dargestellt.
• Es zeigen: ig. 2 eine prinzipelle Darstellung der Einrichtung, Fig. .. eine Ausführung zur Festlegung des Verbindungsdrahtes, Fig. 4 ein Beispiel für die Fihrung des Verbindungsdrahtes, Fig. 5 eine weitere Möglichkeit der Anordnung des Verbindungsdrahtes und Fig. 6 und 7 andere Varianten der Einrichtung.
• In ri. 2 ist mit 6 eine leitfähige Struktur bezeichnet, die bei Einsatz in einem Satelliten das Potential Erdung" annimmt. Auf die Struktur 6 ist eine isolierende Decklage 7, z.B. Kapton, aufgebracht und darauf die Solarzellen P mit den Deckgläsern 9 z.B. durch Kleben angeordnet. Über die leitenden Oberflächen der Deckgläser 9 ist ein Draht 10 zur Verhinderung statischer Aufladungen gelegt und mittels eines Leitklobers, durch Löten oder ähnlichem an den Punkten 11 unmittelbar mit der Struktur 6 verbunden.
• Der Draht 10 mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm liegt somit nur lose auf den leitfähigen Beschichtungen der Deckgläser 9 oder einer anderen leitfähigen Oberfläche auf und stellt den elektrischen Kontakt her. Um Kurzschlüsse mit den Solarzellenverbindern zu vermeiden. werden die Drähte 10 über besondere Befestigungspunkte in Position gohalten. Als Drahtmaterial kommt beispiclsweise Molybdän in Betracht, das mit Gold, Platin oder ähnlichem beschichtet ist. Damit sind eine geringe thermische Ausdehnung gegenüber den Eolarzellen und eine ltesistenz gegen atomaren Sauerstoff gewährleistet.
• Der geringe Drahtdurchmesser wird weiterhin nicht zu einer merklichen Abschattung der aktiven Solarzellenfläche fiibren. Selbst wenn ein geringer Abstand des Drahtes von der jeitfähien Oberfläche vorhanden ist, der aber stets im Mikron-Bereich bleibt, kann allenfalls ein Durchschlag bzw. ein elcktrischer Potentialausgleich bei geringen Aufladespannungen eintreten, bevor die Ladungen über die Zelle zur Struktur abfließen und hier Schäden anrichten.
• Ferner sind die Deckgläser lediglich mit einer leitfähigen Schicht und nicht mehr mit Kontaktinseln zu versehen. Außerdem können auch herkömmliche Glasstärken verwendet werden, da keine zusätzlichen mechanischen Belastungen durch die Verschaltung auf die Gläser gebracht werden.
• Schließlich soll noch erwähnt werden, daß auch eine einfache Reparatur von Solarzel len möglich ist. Wenn nicht durch Zuseiteschieben des Drahtes eine schadhafte Solarzelle ausgetauscht werden kann, so wird durch Auftrennen des Drahtes, Ausführung der Reparatur und Anlöten eines Verbindungsstückes die volle Funktionsfähigkeit des Drahtes wiederhergestellt.
• Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß nach Überschreiten bestimmter Längen, z.B.
• nach 2 bis 3 Solarzellen 8 Befestigungspunkte 11 flir den Draht 10 vorzusehen sind, um eine sichere Positionierung des Drahtes zu erhalten. Zur Befestigung kann z.B. Silikonkautschuk verwendet werden, der bei Anbringuns in den Spalten zwischen den Solarzellen 8 keinerlei Abschattungen hervorruft.
• Üm Kurzschlüsse mit den Zellenverbindern zu vermeiden, ist es zweckmäßig, die Drähte 10 senkrecht dazu übcr die e Zellen zu fiihren. In Fig. 4 sind die Zellen mit den Deckgläsern 8, 9 und ihren Serienverbindern 12 dargestellt.
• Senkrecht zu der Serienverschaltung verlaufen die Drähte 10 einfach oder zweifach über die beschichteten Oberflächen der Solarzellen und sind, falls es notwendig ist, bei 11 zwischen den Zellen gehaltert.
• Zur Stabilisierung der Lage des Drahtes kann wie bisher beschrieben mittels eines Klebertropfens zwischen den Solarzellen eine unmittelbare Festlegung des Drahtes an der leitfähigen Struktur erfolgen. Es ist aber auch denkbar, anstelle eines einzelnen Drahtes ein Netzwerk zu verwenden, dessen Maschenweite den Mittenabständen der Solarzellen entspricht. Aus Fig. 5 geht hervor, daß ein Drahtnetz 13 mit senkrecht zueinander verlaufenden Drähten auf die Solarzellen mit Deckglas 8, 9 gelegt und mittels eines Klebertropfens 14 auf dem Deckglas befestigt wird. Zwar wird durch diese Befestigungsart der Abschattungseffekt geringfügig erhöht, die leistungsausbeute der Zellen jedoch nur unwesentlich beeinflußt. Außerhalb dieses dargestellten Zellenverbandes sind wieder die Befestigungspunkte 11 der Drähte mit der leitfähigen Struktur angeordnet. Die Festigkeit des Klebertropfens 11 wird im Laufe des Einsatzes im Orbit durch Bestrahlung beeinträchtigt. Das ist jedoch für die Funktion der Einrichtung uninteressant, da die stärksten mechanischen Belastungen während des Starts auftreten.
• Bei hohen Spannungen eines Solarzellenstrings und einer vollständigen Erdung der vorhandenen leitfähigen Oberflächen, beispielsweise der leitfähigen Beschichtungen der Deckgläser 9, gegenüber der Struktur 6 treten zwischen diesen Bauelementen hohe Potentialdifferenzen auf. Diese Potentialdifferenzen können elektrische Überschläge und Kurzschlüsse verursachen, zu deren Vermeidung die auftretenden Potentialdifferenzen durch eine Aufteilung der Flächen der leitfähigen Solarzellenverbände und Verbinder mit dem elektrischen Teil der Solarzellen 8 so gering gehalten werden, daß ein elektrischer Überschlag bzw. Kurzschluß ausgeschlossen ist.
• Fig. 6 zeigt hierfür ein Beispiel, bei dem beispielsweise sechzig Solarzellen 1 mittels Verbinder 5 in Serie geschaltet sind. Die Deckgläser tragen leitfähige flesehichtungen 9. Der Verbund ist isoliert auf einer (leitfähigen) Struktur 6 geklebt. Die Verbindung der leitfähigen Deck- glas-Oberflächen 9 untereinander wird mittels einem dünnen Draht 10 vorgenommen, der mit den Deckglas-Oberflächen 9 in Kontakt steht und z.B. mit einem (leitfähigen) Kleber 19 mechanisch mit den Oberflächen verbunden wird (ggf. ist eine Ltung, Schweißung oder dergleichen möglich). Unter der Annahme, daß das negative Ende des Solarzellenverbandes (links) und das Ende des Drahtes 10 mit der Struktur 6 auf gleichem Potential liegt, bauen sich jeweils zwischen Deckglasoberflächen 9 und Solarzellen 1 bzw. deren Verbindern 5 umso höhere Spannungen auf, je weiter man nach rechts geht. Dieses Potential erreicht sein Maximum im Beispiel bei ca. 35 V und wird auf die Hälfte, nämlich ca. 18 V (entsprechend 30 Solarzellen 1) erniedrigt, wenn die Länge des Drahtes 10 halbiert und jeweils ein Draht 10 mit einem Solarzellenverbinder 5 elektrisch verbunden (Verbindungspunkte 18) wird. Dadurch ist es möglich, bei sehr hohen Zellenstring-Spannungen durch sinngemäßes Unterteilen der Deckglasgruppen das Potential Glas/Verbinder gering zu halten. Allerdings ist dann ein Potential Zelle/Glasoberfläche gegen Struktur 6 unvermeidlich, aber unkritisch bei Verwendung von sehr dicken Isolationsschichten 7.
• In Fig. 7 sind noch einmal zusammenfassend alle vorkommenden Probleme gezeigt, die mit der Einrichtung nach der Erfindung gelöst werden können. Die leitfähige Struktur 6 trägt über einer isolierenden Zwischenlage (Kapton) 7 eine Solarzelle 8 mit Deckglas 9. Weiterhin kann auf dieser Struktur ein Spiegel mit einer leitfähigen Oberfläche 15 aufgebracht sein. Schließlich kann die isolierende Zwischenlage 7 für besondere Zwecke eine leitfähige Beschichtung 16 aufweisen. Von allen beschichteten Oberflächen kann die statische Aufladung mit Hilfe des Drahtes 10 zur leitfähigen Struktur 6 abgeführt werden. Hierfür ist der Draht 10 wieder an den Punkten 11 mittels eines Klebers unmittelbar mit der Struktur 6 verbunden. Der Draht 10 kann auch um die Kanten der Struktur 6 herumgeführt und an deren Unterfläche bei 17 festgelegt werden. Ebenso kann der Draht unterbrochen sein, so daß Deckgläser auf Solarzellen untereinander verbunden sind; andere beschichtete Oberflächen 15, 16 können dann mit der Struktur 6 leitfähig verbunden werden.
• Zur Realisierung dieser Drahtverbindung sind verschiedene Möglichkeiten denkbar. So kann beispielsweise ein Rahmen hergestellt werden, der die Abmessung der Solarzellenanordnung aufweist und in dem die Drähte aufgespannt werden. Der Rahmen wird auf die Zellenanordnung gelegt und die einzelnen Drähte an den vorgesehenen Befestigungspunkten festgelegt. Es kann aber auch die Vorrichtung zur Fixierung der Solarzellen Befestigungsmittel aufweisen, zwischen denen die Drähte aufgespannt werden. Schließlich kann auch ein Netzwerk entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 von einer Rolle unmittelbar über die fixierten Solarzellen abgewickelt und die Drähte an den vorgesehenen Befestigungsstellen festgelegt werden.
• Die Unteransprüche 3 bis 9 enthalten Ausgestaltungen der Erfindung nach den Hauptansprüchen 1 und 2.

Claims (9)

1. Patentansprüche Einrichtung an Solargeneratoren zur Verhinderung statischer Aufladungen zwischen einer tragenden, elektrisch leitfähigen Struktur und elektrisch leitfähigen Oberflächen, vorzugsweise leitfähige Oberflächen von Deckgläsern, wobei die leitfähigen Oberflächen elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Verbindung der leitfähigen Oberflächen (leitfähige Beschichtung der Deckgläser (9)) dünne Drähte (10) dienen, die lose auf den leitfähigen Oberflächen aufliegen und nur an wenigen Punkten (11) an der Struktur (6) gehalten sind.
2. 2. Einrichtung an Solargeneratoren zur Verhinderung statischer Aufladungen zwischen einer tragenden, elektrisch leitfähigen Struktur und elektrisch leitfähigen Oberflächen, vorzugsweise leitfähige Oberflächen von Deckgläsern, wobei die leitfähigen Oberflächen elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Verbindung der leitfähigen Oberflächen (leitfähige Beschichtung der Deckgläser (9)) dünne Drähte (10) dienen, die lose auf den leitfähigen Oberflächen aufliegen, daß die Drähte (10) vorgegebene, durch die Anzahl der unter den Drähten (lo) liegenden leitfähigen Oberflächen bestimmte Längen aufweisen, und daß die Drähte (10) zwecks Geringhaltung der zwischen den leitfähigen Oberflächen und der leitfähigen Struktur (6) auftretenden Potentialdifferenzen einseitig mit Solarzellenverbindern (5) elektrisch leitend verbunden sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die ausschließliche Verwendung von leitfähig beschichteten Deckgläsern (9) als leitfähige Oberflächen.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10) einen Durchmesser von etwa 0,1 mm aufweisen.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10) aus Molybdän bestehen und eine Beschichtung aus Gold, Platin oder o.ä. aufweisen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10) mittels eines Leitklebers an der Struktur (6) befestigt sind und dadurch sowohl positioniert als auch elektrisch mit der Struktur (6) verbunden sind.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der Drähte (10) mit Hilfe eines Silikonkautschuks zwecks Positionierung und elektrischer Verbindung mit der Struktur (6) an anderer Stelle erfolgt.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (10) senkrecht zur Serienverschaltung der Solarzellen verlaufen.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine mechanische, gegebenenfalls elektrisch leitfähige punktförmige Befestigung der Drähte (10) auf den leitfähigen Oberflächen.