JP4405729B2 - 表面上に配分された電気端子を備えた太陽電池パネル - Google Patents

Description

本発明は、宇宙衛星用の太陽電池パネルであって、並べて配置されて実質的に格子を形成する複数の太陽電池セルを含む平坦な表面を有し、前記複数セルが少なくとも１本の蛇行線（ｓｅｒｐｅｎｔｉｎｅ）状に電気接続され、各蛇行線が、直列に接続されたセルを含み、２つずつ並列のセル区画を形成し、蛇行線の２つの連続した区画が２つの連続した区画の端部で電気接続され、各蛇行線が正端子および負端子を有する、太陽電池パネルに関する。

さらに具体的には、本発明は、静止衛星のような過酷な静電気環境に遭遇する、平坦な太陽電池パネルを装備した衛星の分野に適用され、太陽電池セルは、例えば基板上に装着される。ＥＰ０９３８１４１に開示されたこの種類のパネルでは、セルは、Ｕ字形状の蛇行線を形成するように接続される。各々の蛇行線は、パネルの縁部に位置する端部に正および負の端子を有し、かつ蛇行線によって発生された電流は、電気ケーブルによって衛星に向けて搬送される。これらの先行技術のパネルでは、隣接する正端子および負端子は高い電位差を有し、大電流を運ぶ。これらの端子が少しの距離を置いて存在し、かつ高い電位差を有することは、端子間または端子近くのセル間の連続的な電気アークを助長する。この電気アークは、基板の熱分解を引き起こし、２つの回路短絡点の間に接続されたセルから成る区間の不可逆的な回路短絡につながる。より一般的には、パネルの高い電位差を有する２つの隣接するセル間でアークが生じる可能性がある。この現象は、絶縁性パネル表面（カバーガラス）の静電気帯電の結果として形成される初期アークの発生の影響で生じるものであり、この初期アークは連続アークを引き起こすのに充分である。

ＥＰ０９３８１４１は、隣接するセル間で、セル間のギャップと称される経路を初期アークに対して遮断するために、絶縁材料の設置を開示している。次に、回路短絡の影響を低減するために、ダイオードが太陽電池セルに接続されて、短絡電流をセルの一区間だけで供給される電流まで減少させる。これら２つの方法は、特にパネルの重量を増加させる傾向があり、それが電力／質量比を不利にするという点で完全に充分なわけではない。次にこれら２つの方法は、特別に構成されたセルを必要とし、それがこの種のパネルの製造コストを増加させる。

本発明の目的は、上記の種類の太陽電池パネルの回路短絡の危険性を著しく低減する、セルの配置と配線の形態を提案することによってこれらの欠点を改善することである。

この目的のために、本発明は、並べて配置されて実質的に格子を形成する複数の太陽電池セルを含む平坦な表面を有する、宇宙衛星用の太陽電池パネルを提供するものであり、前記複数セルは、少なくとも１本の蛇行線状に電気接続され、各蛇行線が、直列に接続されたセルを含み、２つずつ並列のセル区画を形成し、蛇行線の２つの連続した区画が２つの連続した区画の端部で電気接続され、各蛇行線が正端子および負端子を有し、前記正端子および負端子は、正端子が負端子から遠く離れるように各蛇行線に沿ってかつパネルの表面上に配分され、それによって２つの端子間の電気アーク発生の危険性を低減させる。前記パネルは、パネルの軸に対して実質的に対称に配置されて組み合わされた複数の蛇行線を有し、前記軸は前記区画に対して垂直であり、パネルの２つの隣接する区画は２本の異なる蛇行線に属する。この太陽電池パネルは、隣接したセル間の電気アークの危険性を低減するために、隣接するセルの各々の対が、セル区画の電圧降下よりも小さい電位差を有するように、隣接する区画の最初の対から始まって電流の方向が逆転されることを特徴とする。この構成の場合、パネルの隣り合うセル間の電位差はさらに小さくされ、回路短絡の可能性を低減する。

この種の構造の場合、高い電位差を有する端子間の距離が長くされ、パネルは標準サイズのセルから構成されることが可能となり、それが製造コストを著しく下げる。

本発明のまた別の特定の実施形態では、パネルは、複数のケーブルを有し、各ケーブルは、パネルの端子から出発してパネルの軸まで区画と平行に延び、その後、前記軸に沿って延び、ケーブル束を形成し、互いに相殺し合う磁気モーメントを発生する電流ループを各蛇行線と共に形成する。この構成の場合、各蛇行線によってパネルに加えられる磁気モーメントは実質的にゼロとなる。

さらなる特定の実施形態では、パネルは、パネルによって供給される電流を回収し、その電流をパネルの縁部に向けて導くための複数のフラットケーブルもしくは平坦に装着されたケーブルの対を有し、各ケーブル対は、正のケーブルと負のケーブルを含み、前記ケーブル対は、ケーブル束から出発して軸に対してパネルの第１の半分にわたって延びる第１のケーブル対と、ケーブル束から出発して軸に対してパネルの第２の半分にわたって延びる第２のケーブル対とを含み、互いに相殺し合う磁気モーメントを発生するように、前記第１のケーブル対は第２のケーブル対の累積長さと実質的に同一の累積長さを有する。この構成の場合、様々なケーブル対によってパネルに加えられる磁気モーメントは実質的にゼロとなる。

また別の特定の実施形態では、パネルは、軸に沿って配置された少なくとも２つの連続区間を有し、各々の区間は電気的に独立し、複数の区画から構成された少なくとも１本の蛇行線を含み、太陽電池パネルの２つの連続区間に属する２つの隣接した区画各々が、負端子を含み、それにより、２つの異なる区間に属する２つの隣接したセルは、前記区間のうちの１つが電気的に非活動化されると電位差が減少する。この構成の場合、衛星の電力管理装置は、電気アークの危険性を伴なわずにパネルのいくつかの区間を非活動化させることができる。

また別の特定の実施形態では、パネルは、少なくとも２つのモジュールを含み、各モジュールは、区画から成る少なくとも１本の蛇行線を含み、２つの隣接するモジュールは、それらの複数区画の端部が隣接するように互いに面して配置され、それにより、各区画に沿った電圧降下を低減させるために前記区画は長さが短い。この種の配置は、集中型多重接合セルのような高電圧太陽電池セルにとって特に適している。

ここで、非限定的な例を用いて、本発明の一実施形態を示す添付の図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、実質的に方形の先行技術の平坦な太陽電池パネルＰＡを示しており、正方形もしくは方形の複数の太陽電池セルＣＰが、実質的に格子を形成するように互いに並んで配置されている。この種のパネルのセル群を、２つずつ直列にして蛇行線ＳＥ１状に電気接続することは当該技術でよく知られており、この蛇行線は、２つずつ直列に接続されたセルの複数の区画から構成される。区画は互いに平行であり、かつパネルの軸ＡＸに対して垂直に配置され、２つの連続した区画ＳＧが２つの連続した区画の端部の一方で接続される。したがって蛇行線は複数のセルの列を含み、ここでは下側端部で接続されたセル群の２つの区画から成るＵ字形状を形成する。２本の連続した列は、それらが形成するＵ字形状の上側端部で、＋、−電気端子によってそれら自体直列に接続される。各Ｕ字形状の上側端部は、パネルの正端子＋または負端子−に各々接続され、それにより、各列によって供給される電流は、配線（図示せず）によって集められ、衛星に向けて搬送される。この種のパネルは、普通、パネル平面に向く磁場中に浸っており、磁場は、各電流ループによって作られる磁気モーメントに起因して、Ｌａｐｌａｃｅ力の結果として回転力を発生する。パネルに加わる磁気モーメントを全体として相殺するために、２つの連続したＵ字形状は、等しくかつ反対方向の電流ループを形成し、それによって、２つの連続した電流ループに関する磁気モーメントはゼロとなる。こうして、偶数のループについては、パネルに加わる全体的磁気モーメントはゼロである。この先行技術のパネルでは、同じＵ字形状に結合される２つの＋、−端子は、比較的接近しており、対応する列全体の電圧降下と等しい電位差を有する。その結果、連続した端子間、および同じＵ字形状列の各々一方の端部の２つの隣接したセル間に、最大電位差が出現する。これは、高い電位差を伴なったセル間（または端子間）の短距離が、対応する列の一部もしくは全体を回路短絡させがちな電気アーク発生の危険性を構成することにつながる。

この欠点を緩和するために、図２に示した参考例の太陽電池パネルは、やはり蛇行線ＳＥ１を形成するように相互接続される複数セルＣＥを備えた方形であるが、正の＋端子および負の−端子は、図１で示した先行技術のようにパネルの縁部に沿って配置される代わりに、蛇行線に沿って、かつパネルＰＡの表面上に配分される。パネルのこの例では、端子はパネルの対角線に沿って配分されるが、しかし後に説明するように、他の配置もやはり考慮することができる。このパネルでは、蛇行線ＳＥ１は、直列に接続されて互いに平行に配置された複数のセル区画ＳＧで構成され、２つの連続した区画ＳＧは接続された端部を有する。蛇行線セルの様々な列は、蛇行線に沿って配分された正もしくは負の端子で直列に接続される。２つの連続した列は、電流が反対方向に流れるように配置されたセルを有し、それにより、２つの連続した列に接続された端子は、図１に示した先行技術のパネルのように、２つの列の各々から電流を集める。

場合によっては、および磁気モーメントを補償するために、パネルの後面は、パネルの様々な端子で入手可能な電流を、軸ＡＸに向けて搬送するように構成された配線を有することもあり得る。図２のパネルの後面配線を示す図３で理解できるように、配線は複数のケーブルＣＣを含み、各ケーブルは、端子から出てセルの区画に沿って走ることによって軸ＡＸに集まり、セル区画に、そこからケーブルが延びる端子が配置される。その後、各ケーブルは、軸ＡＸに沿って延びてケーブル束ＦＣを形成し、その後に束ＦＣから、図３に示されていない複数のケーブル対で集められる。この種の配線は、互いに相殺し合う反対方向の電流ループを形成することによって、磁気モーメントを補償する。図４に示した電流ループＢＭ＋、ＢＭ−は、相互接続された端部を有する２つの連続したセルの半分の区画、および軸ＡＸに沿って延びる束ＦＣの対応する部分によって各々形成される。さらに具体的に述べると、端子を軸ＡＸに接続するケーブルＣＣは、図２と３で理解できるように、ケーブルが沿って延びるセルに流れる電流に対して反対方向で流れる電流を運搬する。ケーブルＣＣ内を流れる電流は、蛇行線の最初もしくは最後の端子のように１つのセル列にのみ接続された端子に、ケーブルが接続された場合、それが沿って延びるセル内を流れる電流と同じである。図３で理解できるように、ケーブルが２つのセル列に接続された端子に接続された場合、電流は２倍になる。したがって、セル内を流れる電流とケーブル内を流れる電流の重ね合わせは、反対方向の電流ループＢＭ＋、ＢＭ−を形成し、その結果、図４に示したように電流ループが発生する磁気モーメントは互いに相殺し合う。参図２に示した参考例のパネルは、高い電位差の端子間およびセル間の距離を増加させ、その上、その後面の配線の仕方のおかげで、実質的にゼロの全体的磁気モーメントを受けるように構成される。

本発明によるパネルの一実施形態を図５に示す。本発明の太陽電池パネルは、２つの隣接したセルの電位差をさらに小さくするために、複数セルの複数の組み合せられた蛇行線を含む。図５に示したように、パネルは、方形のパネルを形成するように互いに平行に配置されたセル区画ＳＧから構成される。最初の蛇行線ＳＥ１は、第１のセル区画で構成され、この第１のセル区画は、第３の区画に接続され、次に第５の区画に接続され、以下同様に続き、第２の蛇行線ＳＥ２は、第２のセル区画で構成され、この第２のセル区画は、第４の区画に接続され、以下同様に続き、それにより、２つの隣接したセル区画は２つの異なる蛇行線に属する。電流の方向は、最初の２つの区画から始まって２本の蛇行線の間で逆転される。このパネルでは、２つの隣接したセル間の最大電位差は、パネルの下側または上側縁部に位置するセルで生じるが、しかし蛇行線はパネルの軸ＡＸに対して対称に配置される。したがって、パネルの縁部に位置する２つのセル間の電位差は、１つのセル区画の電圧降下の値に限定される。さらに具体的に述べると、蛇行線ＳＥ２は、蛇行線ＳＥ１の軸ＡＸに対して軸対称を配慮し、その後、軸ＡＸに沿ってセルの長さだけ平行移動させることによって得られる。２本の蛇行線ＳＥ１、ＳＥ２を有する、図２、３および４に示したパネルは、パネルに加わる全体的モーメントを相殺するための後面配線が装備されることが可能である。

図６に示した本発明の別の変形形態では、パネルは、３本の組み合わせられた蛇行線ＳＥ１、ＳＥ２、ＳＥ３を有する。この変形形態では、２本の蛇行線ＳＥ１とＳＥ２は、図５のパネルのように配置されるが、しかし上述した隣接する２つのセルの電圧の低減とパネルの表面積の増大との利点を得るために、蛇行線ＳＥ２は、蛇行線ＳＥ３で二重にされる。その結果、蛇行線ＳＥ２は、蛇行線ＳＥ１の対称性と平行移動を配慮して得られ、蛇行線ＳＥ３は軸ＡＸに沿ってセルの長さだけ平行移動された蛇行線ＳＥ２の複製である。図６の例で示されるように、第３の蛇行線ＳＥ３の最初の区画内の電流の方向は、２本の蛇行線ＳＥ１とＳＥ２の最初の区画内の電流の方向に対して逆転される。言うまでもなく、上記のモデルに基づいて他の変形形態、例えば同じパネル内の複数セルの４本または５本の蛇行線を組み合わせることを考慮することが可能である。

セル列によって作り出される電流を回収し、衛星に向けてそれを搬送するために、図７に示したように、パネルが、その後面にケーブル対が装備される可能性がある。複数のケーブル対ＰＰ、ＳＰは、フラットケーブルＣ＋、Ｃ−、またはリボンケーブルのような平坦に装着されたケーブルで構成される。図７で理解できるように、パネルは、束ＦＣから出て、軸ＡＸに対してパネルの第１の半分にわたって延びて、パネルの縁部まで到達する第１のケーブル対ＰＰを有する。第２のケーブル対ＳＰも、やはり束ＦＣから出るが、軸ＡＸに対してパネルの第２の半分にわたって延び、やはりパネルの縁部で集まる。第１のケーブル対と第２のケーブル対は、軸の両側で反対方向の電流ループを形成するように逆転された極性を有し、それによって電流ループが発生する磁気モーメントを相殺する。さらに具体的に述べると、第１のケーブル対は、第２のケーブル対の累積長さと実質的に同じ累積長さを有し、それにより、パネルの第１の半分およびパネルの第２の半分に発生する磁気モーメントは互いに相殺し合う。

奇数のケーブル対を使用しながらも全体的にゼロの磁気モーメントを生じるために、例えば、ケーブルの各対のケーブル間の距離を変更することができる。したがって同じ長さを有する３つのケーブル対については、同じ極性と同じ間隔で２つのケーブル対を調節することによって、第３のケーブル対が、逆の極性と２倍の間隔を有することで初めの２つのケーブル対を補償することができる。同様の構成が、奇数のケーブル対の存在するすべての状況に明らかに適合することができる。

場合によっては、パネルは、衛星の管理システムが電力を管理することを可能にするように、図８に示した参考例のように、電気的に独立した複数の区間を有することもあり得る。図８で理解できるように、各区間Ｓ１、Ｓ２は、電気的に独立したユニットを形成するために、少なくとも１つの蛇行線ＳＥ１、ＳＥ２を有する。連続区間Ｓ１とＳ２は、それらが共通縁部ＺＪを有し、連続区間に属する並んだセルが共通縁部に沿って存在するように、軸ＡＸに沿って配置される。管理システムがそれらの区間のうちの１つを非活動化状態にすると、その区間のすべてのセルはゼロ電位となり、高い電位差が共通の縁部ＺＩの２つのセル間で生じ得るという結果を伴なう。この領域の電位差を下げるために、共通縁部の区画は負の端子を含む。その理由は、負の端子が必然的にゼロ電位であるからであり、したがって共通縁部ＺＩに沿った電位差は、１つの区画ＳＧの電圧降下まで下げられる。図８に示した例では、パネルＰＡは２つの区間を有するが、しかし言うまでもなくこの例は、２つよりも多い区間を有するパネルにも同等に十分に適用される。

図９に示す参考例のパネルは、各々が少なくとも１本の蛇行線を有する複数のモジュールを含み、パネルの複数区画の長さを短くして、区画の２つの端部間の電圧降下を小さくする。その時、図９で理解できるように、モジュールＭ１、Ｍ２は、それぞれの蛇行線ＳＥ１、ＳＥ２を構成する区画ＳＧの端部が隣接するように、互いに面して配置される。図示した例では、平行する軸ＡＸを画定する２つのモジュールが、同じパネルＰＡ内に配置され、それが区画ＳＧの長さを半分にする。同様の様式で３つのモジュールを配置することによって、各区画ＳＧの電圧降下は、実質的に同じ数のセルについて１／３になる。この例は、例えばその電位差が標準のセルの電位差よりも大きく、電気アーク発生の危険性を高めがちな高収率セルに対して適用される。さらに、図９で理解できるように、異なるモジュールに属する２つの隣接したセルの電位差を小さくするために、各モジュールの蛇行線は、２つのモジュールＭ１とＭ２の接合領域によって画定される軸に対して対称に配置される。２つの別個のモジュールに属する２つの隣接したセルの電位差は、したがってゼロに近い。

さらに一般的には、例えば、太陽電池パネルは、縦軸ＡＸに沿って延びる複数の区間から構成されることが可能であり、各区間は、軸ＡＸに対して垂直方向に延びる複数のモジュールを有することが可能である。その時、その種の太陽電池パネルは、モジュールのマトリクスで構成され、各モジュールは、１本または複数本の蛇行線状に相互接続された複数のセルを含む。

したがって、本発明によるパネルは、複数セルの蛇行線の何らかの部分の回路短絡の危険性を有意に低減させ、パネルに加わる全体的磁気モーメントは実質的にゼロとなる。

先行技術の太陽電池パネルを表わす概略図である。 参考例のパネルを表わす概略図である。 参考例のパネルの後面配線を表わす概略図である。 参考例のパネル内の電流ループを表わす概略図である。 本発明による、２本の組み合わされた蛇行線、および最初の２区画から始まる電流方向の逆転を備えたセルの第１の配置を表わす概略図である。 本発明による、３本の組み合わされた蛇行線、および最初の区画対から始まる電流方向の逆転を備えたセルの第２の配置を表わす概略図である。 パネルのケーブル対の配置を表わす概略図である。 ２つの区間を含む参考例のパネルを表わす概略図である。 ２つのモジュールを含む参考例のパネルを表わす概略図である。

Claims (5)

1. 並べて配置されて実質的に格子を形成する複数の太陽電池セル（ＣＥ）を含む平坦な表面を有する、宇宙衛星用の太陽電池パネルにして、前記セル（ＣＥ）が、少なくとも１本の蛇行線（ＳＥ１、ＳＥ２、ＳＥ３）状に電気接続され、各蛇行線が、直列に接続されたセル（ＣＥ）を含み、並列のセル区画（ＳＧ）を形成し、蛇行線の２つの連続した区画（ＳＧ）が２つの連続した区画の端部で電気接続され、各蛇行線が正端子（＋）および負端子（−）を含み、前記正端子（＋）および負端子（−）が、正端子が負端子から遠く離れて、２つの端子間の電気アーク発生の危険性を下げるように、各蛇行線（ＳＥ１、ＳＥ２、ＳＥ３）に沿って、かつパネルの表面上に配分され、前記パネルが、パネルの軸（ＡＸ）に対して実質的に対称に配置されて組み合わされた複数の蛇行線（ＳＥ１、ＳＥ２、ＳＥ３）を含み、前記軸が前記区画（ＳＧ）に対して垂直であり、パネルの２つの隣接した区画（ＳＧ）が２つの異なる蛇行線に属す、太陽電池パネルであって、
   隣接したセルの間の電気アーク発生の危険性を低減するために、隣接したセルの各々の対が、セル区画の電圧降下よりも小さい電位差を有するように、電流の方向が隣接した区画の最初の対から始まって２つの蛇行線間で逆転されることを特徴とする太陽電池パネル。
2. 複数のケーブルを有し、各ケーブルが、前記パネルの端子（＋、−）から出発して前記パネルの前記軸（ＡＸ）まで前記区画（ＳＧ）に平行して延び、その後、前記軸に沿って延び、ケーブル束（ＦＣ）を形成し、互いに相殺し合う磁気モーメントを生じる電流ループ（ＢＭ＋、ＢＭ−）を各蛇行線（ＳＥ１、ＳＥ２、ＳＥ３）と共に形成する、請求項１に記載のパネル。
3. 前記パネルによって供給される電流を回収し、電流を前記パネルの縁部に向けて導くための複数のフラットケーブル（ＰＰ、ＳＰ）もしくは平坦に装着されたケーブル対を有し、各ケーブル対（ＰＰ、ＳＰ）が、正のケーブル（Ｃ＋）と負のケーブル（Ｃ−）を有し、前記ケーブル対が、前記ケーブル束（ＦＣ）から出発して前記軸（ＡＸ）に対して前記パネルの第１の半分にわたって延びる第１のケーブル対（ＰＰ）、および前記ケーブル束（ＦＣ）から出発して前記軸（ＡＸ）に対して前記パネルの第２の半分にわたって延びる第２のケーブル対（ＳＰ）を有し、互いに相殺し合う磁気モーメントを発生するように、前記第１のケーブル対が前記第２のケーブル対の累積長さと実質的に同じ累積長さを有する、請求項２に記載のパネル。
4. 前記軸（ＡＸ）に沿って配置された少なくとも２つの連続区間（Ｓ１、Ｓ２）を有し、各々の区間が電気的に独立し、かつ複数の区画（ＳＧ）から成る少なくとも１本の蛇行線（ＳＥ１、ＳＥ２）を有し、２つの連続区間は共通縁部（ＺＪ）を有し、太陽電池パネル内で２つの連続区間に属する共通縁部（ＺＪ）に沿った２つの隣接した区画の各々が、負端子Ｂ−を有し、それにより、前記区間のうちの一方が電気的に非活動化されたときに、共通縁部（ＺＪ）に沿った電位差が、１つの区画（ＳＧ）の電圧降下まで下げられる、請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽電池パネル。
5. 少なくとも２つのモジュール（Ｍ１、Ｍ２）を有し、各モジュールが、区画（ＳＧ）から成る少なくとも１本の蛇行線（ＳＥ１、ＳＥ２）を有し、各区画に沿った電圧降下を小さくするために、太陽電池パネル内で２つの隣接したモジュールが、区画の端部が隣接するように互いに面して配置され、それによって前記区画が短くなった長さを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽電池パネル。

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