JP2020191400A - 太陽電池パネル - Google Patents

Abstract

【課題】人工衛星供給電力の低下を引き起こす放電、放射線、降温を防ぐ機構を有する太陽電池パネルを提供する。【解決手段】人工衛星に搭載され支持体の表面にインターコネクタを介して直列接続された複数の太陽電池セル４が実装された太陽電池パネル１において、太陽電池パネルの端部に熱膨張率の異なる異種金属からなるバイメタル構成物１０−１〜１０−２０を備え、バイメタル構成物は人工衛星が日照時には収納されて太陽電池セルの表面に設けられたカバーガラスから離れ、人工衛星が地球蝕時には展開して、カバーガラスと接する。【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池パネルに関するものである。

これまで太陽電池パネルを搭載した数多くの人工衛星が地球軌道上に打ち上げられてきた。近年は、従来の化学推進衛星と比べて時間は要するが少ない燃料で目標の地球軌道に到達可能な電気推進衛星が一般的になりつつある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−２１７１７１号公報 特開平１１−２７４５４２号公報

電気推進衛星は、従来の化学推進衛星に比べて、高エネルギーの放射線帯（ヴァン・アレン帯）を通過する時間が長くなること、また、電気推進衛星は電気推進器から高エネルギーのプラズマ粒子が衛星周囲に放出されることから、電気推進衛星の太陽電池パネルの周囲環境は高エネルギーのプラズマ粒子で充満する。
太陽電池パネルの構成は、一般的に、太陽電池ストリング（必要な電圧が得られるように複数の太陽電池セルを直列に接続したもの）互いに並行に配置する。このため電気推進衛星では、例えば保護用のカバーガラスと太陽電池セルの間などで放電が生じると、周囲のプラズマと結びつき易い。さらに大きな放電へ成長することで太陽電池セルと太陽電池パネル表面が短絡して、太陽電池セルの発電出力が人工衛星本体に供給されなくなるという課題がある。
この他にも、電気推進衛星では、周囲プラズマ被曝によって太陽電池セルの発生電力が低下するという課題、地球蝕時の太陽電池パネルへの熱負荷によって電気的接続点が開放することで人工衛星本体への供給電力が低下するという課題がある。

従来、放電による太陽電池セルと太陽電池パネル表面の短絡を防ぐための対策として、例えばＲＴＶ接着剤等の絶縁材料を太陽電池間の間隙に充填し、絶縁バリアとして使用する太陽電池パネルが知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この太陽電池間の間隙に絶縁材料を充填する作業は作業性が悪く、時間を要するという課題があった。
他の対策として、隣接する太陽電池セル間の距離を大きくすることで放電の成長を防ぐ方法がある。しかしながら、太陽電池間の距離を広げることは太陽電池パネルにおける太陽電池セルの実装数が低下するということであり、結果として太陽電池パネルの発電出力が低下してしまうという課題があった。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、簡易な機構により放電抑制が可能な太陽電池パネルを提供することを目的とする。

この発明に係る太陽電池パネルは、人工衛星に搭載され、支持体の表面にインターコネクタを介して直列接続された複数の太陽電池セルが実装された太陽電池パネルにおいて、太陽電池パネルの端部に熱膨張率の異なる異種金属からなるバイメタル構成物を備え、人工衛星が日照時のとき、バイメタル構成物は収納して、前記太陽電池セルの表面に設けられたカバーガラスから離れ、前記人工衛星が地球蝕時のとき、前記バイメタル構成物は展開して、前記カバーガラスと接するようにした。

この発明に係る太陽電池パネルによれば、従来のように太陽電池セル間の間隙に絶縁体を充填することや、太陽電池セル間の距離を拡げることなく、太陽電池パネルの発生出力低下に至る原因となる放電を抑えて、安定した電力供給を行うことができる。

実施の形態１に係る太陽電池パネルにおいて、カバーガラス接地機構２００が収納された状態の概略図である。 実施の形態１に係る太陽電池パネルにおいて、カバーガラス接地機構２００が展開した状態の概略図である。 太陽電池パネル１の断面形状を表した断面図である。 太陽電池ストリング１００の上面形状を表した上面図である。 カバーガラス接地機構２００設置前の太陽電池パネル１の概略図である。 本発明の実施の形態２に係る太陽電池パネルの断面図である。 本発明の実施の形態３に係る太陽電池パネルのカバーガラス接地機構の収納時の概略図である。 本発明の実施の形態３に係る太陽電池パネルのカバーガラス接地機構の展開時の概略図である。 本発明の実施の形態４に係る太陽電池パネルのカバーガラス接地機構の展開時の概略図である。 本発明の実施の形態５に係る太陽電池パネルのカバーガラス接地機構の収納時の概略図である。 本発明の実施の形態５に係る太陽電池パネルのカバーガラス接地機構の展開時の断面図である。

以下、図を参照しながら本発明に係る太陽電池パネル１を説明する。なお、各実施の形態において同一の番号を付した構成は同一または相当する機能、構成を表すものとしその説明を省略する。

実施の形態１．
図１、図２は実施の形態１に係る太陽電池パネル１を説明する図である。図１は太陽電池パネル１に設置されたカバーガラス接地機構２００が収納している状態の概略図、図２は太陽電池パネル１に設置されたカバーガラス接地機構２００が展開した状態の概略図である。

カバーガラス接地機構２００は熱膨張率が異なる２枚の金属板を上下に貼り合わせた複数のバイメタル構成物１０から構成される（図１では２０個のバイメタル構成物１０-１、１０-２、・・、１０-２０から構成される）。カバーガラス接地機構２００はバイメタル構成物の上下２枚の金属板の熱膨張率の差に起因して、周囲温度により形状が変化し、例えば展開、収納を行う。バイメタル構成物１０の上下２枚の金属板の組み合わせとしては、例えば高熱膨張率の金属材料としてＣｕ-Ｎｉ-Ｍｎ、低熱膨張率の金属材料としてＮｉ-Ｆｅが挙げられる。周囲温度としては＋１００℃〜−１００℃程度が想定される。
バイメタル構成物１０の片端は、太陽電池パネル１の接地グランとネジや接着剤により電気的に接続するよう固定されており、他端は固定されずに解放された状態である。
このようにすることで、高温時にはバイメタル構成物１０の金属板のうち高熱膨張率の金属がより膨張して、カバーガラス接地機構２００は図２に示す様に太陽電池パネル１上に展開する。なお、所定の周囲温度では、展開したバイメタル構成物１０が太陽電池パネル４を構成する太陽電池セル９ｂの上面に設けられたカバーガラス９ａの表面と接触するよう、予め設計される。一方、低温時にはバイメタル構成物１０の金属板のうち高熱膨張率の金属がより収縮して、カバーガラス接地機構２００は図１に示す様にリボン状に収納される。

次に、図３〜図５を用いて本実施の形態の太陽電池パネル１の構成について説明する。
図３は太陽電池パネル１の断面図、図４は太陽電池パネル１を構成する太陽電池ストリング１００の上面図、図５はカバーガラス接地機構２００を設置する前の太陽電池パネル１の斜視図である。

図３において、太陽電池パネル１はアルミ製のハニカムコア６を炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製の表皮７で挟み込んだ構造の支持体の表側に太陽電池セル９ｂ、裏側に配線（図示せず）を実装して構成されている。ハニカムコア６の材料はアルミニウムに限られない。太陽電池セル９ｂの下面は接着剤８により表皮７に固定される。太陽電池セル９ｂの上面は保護用のカバーガラス９ａで覆われている。隣の太陽電池セル９ｂとは、接続金具のインターコネクタ５によって電気的に接続される。
以下では、上面をカバーガラス９ａで覆われた太陽電池セル９ｂのことをカバーガラス付セル４という。

図４において、太陽電池ストリング１００は半円に近い形状のガラス付太陽電池セル４を、方向１１０に沿ってインターコネクタ５を介して電気的に直列接続したものである。
図５は、太陽電池パネル１の斜視図である。図５では、２０個のガラス付太陽電池セル４が直列に接続された太陽電池ストリング１００が８列折り返して構成されている。

図５に示した太陽電池パネル１では、人工衛星が通過する周囲環境によってカバーガラス９ａの表面に電荷が蓄積した場合、電荷が移動可能な経路が存在しないためにカバーガラス９ａに留まり、放電発生の原因となる。

そこで、本実施の形態に係る太陽電池パネルでは、図１に示すように太陽電池パネル１の片端に複数のバイメタル構成物１０-１、１０-２、・・・、１０-１９、１０-２０からなるカバーガラス接地機構２００を設けて、電荷の蓄積を回避する。
バイメタル構成物１０-１、１０-２、・・・、１０-１９、１０-２０は、一列に直接接続されたガラス付太陽電池セル４の数と同数であり、ガラス付太陽電池セル４の配置間隔と同じ間隔で太陽電池パネル１の片端に設置される。
詳しくは後述するように、バイメタル構成物１０が展開する際に、バイメタル構成物１０が太陽電池セル４の間に配置されたインターコネクタ５と干渉しない位置で、太陽電池ストリングの方向１１０に沿って、太陽電池セル４の配置間隔で設置される。

図１のように、バイメタル構成物１０-１、１０-２、・・・、１０-１９、１０-２０は、所定の周囲温度ではリボン状に巻かれた形状を成し、リボンの外側の外周面が、太陽電池パネル１の接地グランドと電気的に接続固定される。例えばバイメタル構成物１０の外周面は太陽電池パネル１のアルミハニカムコア６に電気的に接続するように固定される。
アルミハニカムコア６とバイメタル構成物１０の固定は導電性接着剤や溶接等により行う。

次に、本実施の形態に係る太陽電池パネル１の動作を説明する。
本発明では、日照時と地球蝕時における太陽電池パネル１の温度差を利用して、バイメタルをリボン状に収縮させ、また展開させる。

日照時に太陽電池パネル１は昇温する。このとき、太陽電池パネル１に設置したバイメタル構成物１０は異種金属の熱膨張率の差により、図１のようにリボン状に収納される。
なお、バイメタル構成物１０は必ずしもリボン状に収納される必要はなく、バイメタル構成物１０によって太陽電池セル４の受光が妨げられない程度に収納されればよい。

一方、地球蝕時では太陽電池パネル１は降温する。このときバイメタル構成物１０の収縮力が減少し、バイメタル構成物１０はリボン状の収納状態から展開する。図３、図４に、バイメタルの展開・延伸方向Ａを示す。
展開の際には、前述のようにバイメタル構成物１０はインターコネクタ５とは干渉せず、展開したバイメタル構成物１０はカバーガラス９ａの表面に接触する。

バイメタル構成物１０が展開しカバーガラス９ａの表面に接触した状態では、バイメタル構成物１０は太陽電池パネル１の接地グランドと機械的・電気的に通がとれていることから、カバーガラス９ａの表面に帯電した電荷はバイメタル構成物１０の金属板を介して人工衛星の接地グランドに移動する。

このように、本実施の形態に係る太陽電池パネル１は地球蝕時に、カバーガラス９ａの表面に帯電した電荷を接地グランドに移動させることが可能となる。
これによりカバーガラス９ａの過度の帯電を防止して。カバーガラス９ａと太陽電池セル９ｂの間における放電の発生や、カバーガラス９ａとインターコネクタ５の間における放電の発生を防止できる。

また、本実施の形態に係る太陽電池パネルによれば、カバーガラス９ａと太陽電池セル９ｂの間、カバーガラス９ａとインターコネクタ５の間における放電を、太陽電池セルの電位を下げることで放電リスクが大きくなる地球蝕時において低減することができ、従来の太陽電池パネルに比べてより多くの電力を発電することができるという利点を有する。

また、本実施の形態によれば、外部動力を用いずに日照／地球蝕の周期で自動開閉させることができるため、外部動力を用いた場合と比べて搭載重量を軽く出来るという利点を有する。

また、実施の形態１に係る太陽電池パネルにおいて、更に、バイメタル構造物１０の展開を容易にする方法の一つとして、バイメタル構造物１０の太陽光入射側を塗装等により黒色とすることが挙げられる。
黒色とすることでバイメタルの吸熱を早め、太陽光が照射された際にバイメタル構成物１０を展開し易くすることができる。

また、太陽電池パネルのバイメタル構成物１０の幅を幅広くし、バイメタルの厚さを厚くすることで、バイメタルが放射線シールドの役割を果たすことができる。これにより、地球蝕中の太陽電池セルへの放射線被曝を減らして、太陽電池パネルの発電電力低下を防ぐことが出来る。

また、実施の形態１に係る太陽電池パネルによれば、太陽光が当たらない非発電時に太陽電池パネルの受光面側からの放射線の入射を妨げることができ、太陽電池セルの放射線劣化を抑制し、結果として発電出力を従来に比べて増やすことができるという効果を有する。

また、実施の形態１に係る太陽電池パネルによれば、バイメタルの太陽光非入射側に、ＭＬＩ（Ｍｕｌｔｉ ｌａｙｅｒ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ、多層断熱材）などの高反射率の材質を取り付けることにより、太陽電池パネルから放射した熱を太陽電池パネルに反射させることができる。
これにより太陽電池パネル１から宇宙空間への放熱を防いで、太陽電池セル４とインターコネクタ５の接続部への地球蝕時の熱負荷を下げ、開放故障を防ぐことが出来るという効果を有する。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る太陽電池パネルの断面図である。
実施の形態１では、バイメタル構成物１０をアルミハニカムコア６に接着剤等により固定したが、実施の形態２では、バイメタル構成物１０の一方の端をアルミハニカムコア６にボルトで固定し、他方の端に磁石を設けて太陽電池パネル１の端部裏側の磁石と固定するようにする。
図６において、バイメタル構成物１０の左端側は下側に円弧を描いてアルミハニカムコア６にボルト１１により固定される。
日照中バイメタル構成物１０は、バイメタル構成物１０を構成する異種金属の熱膨張率の差により、ボルト１１で固定された左端側にリボン状に収納される。
そして、地球蝕時にはバイメタル構成物１０も降温するためバイメタル構成物１０が展開し、展開したバイメタル構成物１０の右側端はアルミハニカムコア６を覆って、太陽電池パネルの裏面側に設けられた磁石１２と固定する。

このように本実施の形態に係る太陽電池パネルによれば、展開側の固定を磁石で行うことにより、バイメタルが展開する温度を磁石の磁力を変化させることで容易に制御可能とできる。

実施の形態３．
実施の形態１、２ではバイメタルは幅を持った帯状の形態であったが、実施の形態３に係るバイメタルはワイヤ状の形態を成したものを用いる。
図７は実施の形態３に係る太陽電池パネルの斜視図で、日照時の太陽電池パネルにおいて、バイメタル構成物１０が収納された状態を示した図である。このように太陽電池パネルの日照時には、バイメタルは太陽電池パネルの片端側に収納される。
図８は、地球蝕時の太陽電池パネルの状態を示した図である。地球蝕時には降温することによりバイメタルが展開し、バイメタルがカバーガラス９ａに接触する。そして、カバーガラス９ａに帯電した電荷は、バイメタルを介してアルミハニカムコア６に放電する。

このように本実施の形態に係る太陽電池パネルによれば、バイメタル構成物１０がワイヤ状であるため、実施の形態１、２のリボン状のバイメタル構成物と比較して、軽量化が可能となる。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係る太陽電池パネルのバイメタルが展開した時の概略図である。本実施の形態に係る太陽電池パネルでは、バイメタル構成物１０に網状のものを使用する。
このように網状のバイメタル構成物を用いて網の粗さを調整することで、バイメタル構成物の展開時の太陽電池セル４への放射線被曝量を、簡易に制御可能となる。

実施の形態５．
図１０は、実施の形態５に係る太陽電池パネルのカバーガラス接地機構の収納時の概略図である。図１１は、実施の形態５に係る太陽電池パネルのカバーガラス接地機構の展開時の断面図である。
本実施の形態では、実施の形態１〜４のアルミハニカムコア６に太陽電池セル４を実装した太陽電池パネルに代わって、柔い薄膜型太陽電池セルをポリイミドフィルム上に接着した薄膜シート１３を用いる。薄膜シート１３の非受光面の全面にバイメタル構成物１０が接着されており、薄膜シート全体が日照時と地球蝕時の温度変化で保持機構の一端に収納される。
具体的には、図１１において、バイメタル構成物１５の表面は黒色とせず、バイメタル構成物１０の表面を黒色とする。このようにすることで、日照から地球蝕への移行時はバイメタル構成物１０が先に収納されるようになる。一方、地球蝕から日照への移行時は、バイメタル構成物１０はバイメタル１５の内側に収納されているのでバイメタル１５より昇温が遅れ、バイメタル構成物１０の後で展開する。

このように薄膜シート自体を収納することで、地球蝕時に非受光面からの太陽電池セルへの放射線被曝量を減少させることができる。

１ 太陽電池パネル、２ 衛星バス、３ ヨーク、４ カバーガラス付セル（カバーガラス付太陽電池セル）、５ インターコネクタ、６ アルミハニカムコア、７ 表皮（ＣＦＲＰスキン）、８ 接着剤、９ａ カバーガラス、９ｂ 太陽電池セル、１０ バイメタル構成物、１１ ボルト、１２ 磁石、１３ 薄膜シート、１４ 保持機構、１５ 薄膜シートに接着したバイメタル、１００ 太陽電池ストリング、１０１ 従来の太陽電池パネル、１１０ 太陽電池ストリングの方向、２００ カバーガラス接地機構、１０００ 接地機構付太陽電池パネル、Ａ バイメタルの展開・延伸方向。

Claims (3)

1. 人工衛星に搭載され、支持体の表面にインターコネクタを介して直列接続された複数の太陽電池セルが実装された太陽電池パネルにおいて、
   太陽電池パネルの端部に熱膨張率の異なる異種金属からなるバイメタル構成物を備え、
   前記人工衛星が日照時のとき、前記バイメタル構成物は収納して、前記太陽電池セルの表面に設けられたカバーガラスから離れ、
   前記人工衛星が地球蝕時のとき、前記バイメタル構成物は展開して、前記カバーガラスと接する、
   ことを特徴とする太陽電池パネル。
2. 前記バイメタル構成物は、前記人工衛星の接地グランドと電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の太陽電池パネル。
3. 前記バイメタル構成物は、前記インターコネクタを介して直列接続された太陽電池セルの数と同じ数だけ備えられ、
   前記バイメタル構成物は、前記バイメタル構成物が展開した時に、太陽電池パネルの端部であって前記インターコネクタと干渉しない位置に、設置されることを特徴とする請求項２記載の太陽電池パネル。

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