JP6528924B1

JP6528924B1 - 太陽光発電パドル、その製造方法及び宇宙構造物

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Publication number: JP6528924B1
Application number: JP2019512851A
Authority: JP
Inventors: 一史関根; 雅大宮下; 和規高垣; 奈緒子小山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2038-11-16
Also published as: JPWO2019230019A1

Abstract

熱電変換素子の素子表面と素子裏面の温度差をできるだけ大きくしつつ、ブランケットがロール状に巻き取られる際の熱電変換素子の脱落や損傷を防ぐ太陽光発電パドル及びその製造方法を得る。太陽光発電パドル１００は、伸展マスト５、６を用いてブランケット１をロール状に巻き取って収納及び伸展させる。ブランケット１の一方の面には太陽電池セル２が配設され、他方の面には熱電変換素子３が配設される。熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面には、伸展方向に沿って複数枚の放熱材４が熱電変換素子３を覆うように配設される。

Description

本発明は、熱電変換素子を備えた太陽光発電パドル、その製造方法及び太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物に関する。

近年、人工衛星を活用した高速大容量通信の需要が高まっており、高機能な通信機器を搭載した通信放送衛星の開発が進められている。このような人工衛星では、通信機器の電力消費量の増大に伴い、大電力を供給することが可能な太陽光発電パドルが求められている。太陽光発電パドルには太陽電池セルが搭載され、太陽光を電気エネルギーに変換して電力を得ている。太陽光発電パドルは、通常、打ち上げ時に折り畳んだ状態でロケットの先端部分であるフェアリングに収納され、宇宙空間で所望の形状に展開される。

現在、人工衛星では一般的に、複数の連結された平板状のパネルに太陽電池セルが配設されたリジット型の太陽光発電パドルが用いられている。しかし、人工衛星が収納されるフェアリングの容積には限界があることから、リジット型の太陽光発電パドルでは、パネルのサイズや枚数に制限がある。

そこで、人工衛星の小型軽量化及び大電力化の両立を実現するものとして、平板状のパネルの代わりに、ブランケットと呼ばれる可撓性のフィルム状の基板に太陽電池セルが配設されたフレキシブル型の太陽光発電パドルが注目されている。非特許文献１には、太陽電池セルが貼り付けられたブランケットをロール状に巻き取り、伸展マストを用いて伸展する技術が開示されている。

さらに、人工衛星の大電力化を実現するその他の手段として、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子が配設された人工衛星が開発されている。熱電変換素子は、素子表面と素子裏面との温度差を利用して発電するものである。特許文献１には、ハニカムコアと表皮材で構成された構造体において、表皮材に熱電変換モジュールを埋め込み、搭載機器と接するように設けることで、熱電変換素子が脱離するのを抑制しつつ、発電を行う技術が開示されている。

国際公開第２０１６／０３１６６７号

Bao Hoang; Steve White; Brian Spence; Steven Kiefer, "Commercialization of Deployable Space Systems' roll-out solar array (ROSA) technology for Space Systems Loral (SSL) solar arrays" Aerospace Conference,30 June 2016

しかしながら、フレキシブル型の太陽光発電パドルにおいて、ブランケットに熱電変換素子を配設するという新規な構成について検討した場合、熱電変換素子の素子表面と素子裏面との温度差をできるだけ大きくしつつ、ブランケットをロール状に巻き取る際の熱電変換素子の脱落や損傷を抑制することが困難であるという課題があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、熱電変換素子の素子表面と素子裏面との温度差をできるだけ大きくしつつ、ブランケットをロール状に巻き取る際の熱電変換素子の脱落や損傷を抑制する太陽光発電パドル、その製造方法及び宇宙構造物を提供することを目的とする。

本発明に係る太陽光発電パドルは、ブランケットと、ブランケットをロール状に巻き取って収納させる機能及び伸展させる機能を有する伸展マストと、ブランケットの一方の面に複数配設される太陽電池セルと、ブランケットの他方の面に複数配設される熱電変換素子と、熱電変換素子のブランケット側の面の反対の面に伸展マストの伸展方向に沿って複数枚配設される放熱材とを備える。

また本発明に係る太陽光発電パドルの製造方法は、プリプレグを複数枚積層し、軸部材に巻きつけてバギングフィルムで覆い、バギングフィルムの外部から加圧及び加熱して伸展マストを形成するステップと、ブランケットの一方の面に太陽電池セルを複数配設するステップと、ブランケットの他方の面に熱電変換素子を複数配設するステップと、熱電変換素子のブランケット側の面の反対の面に伸展マストの伸展方向に沿って放熱材を複数枚配設するステップとを備える。

また本発明に係る宇宙構造物は、太陽光発電パドルと、太陽光発電パドルが取り付けられた構造物本体とを備える。

本発明に係る太陽光発電パドルによれば、熱電変換素子のブランケット側の面の反対の面に、伸展マストの伸展方向に沿って放熱材が複数枚配設されることにより、熱電変換素子の素子表面と素子裏面との温度差をできるだけ大きくしつつ、ブランケットをロール状に巻き取る際の熱電変換素子の脱落や損傷を防ぎ、得られる電力を増大させることができる。

また、本発明に係る太陽光発電パドルの製造方法によれば、プリプレグを用いて伸展マストを形成し、ブランケットの一方の面に太陽電池セル、他方の面に熱電変換素子を配設し、熱電変換素子のブランケット側の面の反対の面に伸展方向に沿って複数枚放熱材を配設するという簡単な工程により、太陽光発電パドルを得ることができる。

また、本発明に係る宇宙構造物によれば、ブランケットが伸展マストによりロール状に巻き取られて収納及び伸展され、熱電変換素子のブランケット側の面の反対の面に、伸展マストの伸展方向に沿って放熱材が複数枚配設される太陽光発電パドルを備えることにより、ブランケットがロール状に巻き取られる際の熱電変換素子の脱落や損傷を防ぎつつ、打ち上げ時にロケットのフェアリングに容易に収納されることができる。

本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す側面図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す平面図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す平面図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す側面図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの一部を拡大した概略構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの伸展マストを説明するための説明図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの製造工程を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルを製造する一工程を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルを製造する一工程を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルを製造する一工程を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの一部を拡大した概略構成を示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る太陽光発電パドルの一部を拡大した概略構成を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す側面図である。本発明の実施の形態２に係る太陽光発電パドルの放熱材の概略構成を示す側面図である。本発明の実施の形態２に係る太陽光発電パドルの放熱材を説明するための説明図である。本発明の実施の形態３に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態４に係る太陽光発電パドルの熱電変換素子の配置を説明するための説明図である。本発明の実施の形態４に係る太陽光発電パドルの熱電変換素子の充填率と、単位面積当たりに発生する電力及び素子表裏面との温度差との関係図である。本発明の実施の形態５に係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物の概略構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態５に係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物を示す概略構成を示す平面図である。本発明の実施の形態５に係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物の他の例を示す概略構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態１に係る太陽光発電パドルの収納状態における概略構成を示す側面図である。図２、図３は、本発明を実施するための実施の形態１に係る太陽光発電パドルの伸展状態における概略構成を示す平面図である。図２は、太陽電池セルが配設された面を示す。図３は、熱電変換素子及び放熱材が配設された面を示し、破線部分は放熱材を取り除いた状態を示す。図１に示すように、太陽光発電パドル１００は、ブランケット１と、ブランケット１の一方の面に複数配設された太陽電池セル２と、ブランケット１の他方の面に複数配設された熱電変換素子３とを備える。そして熱電変換素子３のブランケット１側の反対の面には、熱電変換素子３を覆うように放熱材４が複数枚配設されている。

また図２、図３に示すように、太陽光発電パドル１００は、ブランケット１をロール状に巻き取って収納し、平面状に伸展させる機能を有する第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６を備える。第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６は、例えば伸展方向Ｐに沿ってブランケット１の両側に配置される。ブランケット１の巻き取られる起点となる側の端部には、略円柱形状の第１支持部材７が取り付けられている。またブランケット１の巻き取られる終点となる、図示しない衛星構造体と接続される側の端部には、略多角柱形状の第２支持部材８が取り付けられている。

ブランケット１は、例えば太陽電池セル２が配設された面が径方向内側、熱電変換素子３が配設され、放熱材４で覆われた面が径方向外側となるように、第１支持部材７を軸にロール状に巻き取られる。太陽電池セル２が配設された面が径方向内側となるように巻き取られることで、例えばカバーガラスで覆われた太陽電池セル２を用いる場合に、外部からの衝撃によってカバーガラスが破損することを抑制することができる。ブランケット１は、例えば厚さが０．１ｍｍのポリイミドフィルムに、太陽電池セル２及び熱電変換素子３で発電された電力を送る配線が実装されたものである。

図４は、本発明を実施するための実施の形態１に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す側面図である。図５は、図４の破線Ａの部分を拡大した概略構成を示す断面図である。図４、図５に示すように、太陽電池セル２は、接着層９を介してブランケット１の一方の面に接着されている。ブランケット１に複数配設された太陽電池セル２は、互いに電気的に接続されて回路を形成している。太陽電池セル２で太陽光を電気エネルギーに変換して得られた電力は、図示しない衛星構造体に送られる。太陽電池セル２で電力に変換された際に生じる熱や太陽光からの熱は、ブランケット１を介して熱電変換素子３に伝えられる。

熱電変換素子３は、素子表面３ａとこれに対向する素子裏面３ｂとを有する。素子表面３ａは、太陽電池セル２から伝わる熱で高温となるブランケット１に接着層１０ａを介して接着されている。また素子裏面３ｂは、宇宙空間からの冷気で低温となる放熱材４に接着層１０ｂを介して接着されている。熱電変換素子３は、高温側の素子表面３ａと低温側の素子裏面３ｂとの温度差を利用して発電し、温度差が大きいほど発生する電力が増大する。ブランケット１に複数配設された熱電変換素子３は、互いに電気的に接続されて回路を形成している。熱電変換素子３で発電された電力は、図示しない衛星構造体に送られる。

熱電変換素子３は、例えば縦横幅７〜８ｍｍ、高さ１ｍｍのＫＥＬＫ社製の素子が用いられる。また接着層９、接着層１０ａ及び接着層１０ｂは、例えば室温硬化型のシリコーン接着剤が用いられる。その他にも、熱伝導率が高い熱硬化性樹脂であればよく、フィルム状の接着剤を用いてもよい。

放熱材４は、ブランケット１の伸展状態において、ブランケット１に接触せず、熱電変換素子３の素子裏面３ｂにのみ接着層１０ｂを介して接着される。すなわち、ブランケット１と放熱材４との間は、熱電変換素子３が配置された箇所を除いて空隙２０を有しており、この空隙２０は真空中で断熱される。そのため、ブランケット１に伝わった熱の大部分は、空隙２０を伝わることなく、複数の熱電変換素子３を介して放熱材４から放熱される。太陽電池セル２からの熱を逃がすことなく熱電変換素子３に伝え、無駄なく回収することができる。このように放熱材４を熱電変換素子３に設けることで、熱電変換素子３の放熱面積を増やし、素子表面３ａと素子裏面３ｂとの温度差を大きくすることができ、得られる電力を増大させることができる。

図６は、本発明を実施するための実施の形態１に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す斜視図である。図６の破線部分は、放熱材を取り除いた状態を示す。放熱材４は、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６の伸展方向Ｐに沿って複数枚配設される。ここで図６では、伸展方向Ｐに対して垂直な方向に１列に配設された熱電変換素子３の群３１に対し、放熱材４が１枚設けられた例を示しているが、例えば図７に示すように、２列に配設された熱電変換素子３の群３１に対して放熱材４を１枚設けるようにしてもよい。ここで、伸展方向Ｐに対して垂直な方向とは、厳密に垂直でなくともよく、所定の幅を有する１枚の放熱材４に覆われる程度に垂直であればよい。

ブランケット１全体を覆うように１枚で構成された放熱材４をロール状に巻き取った場合、熱電変換素子３を挟んだ両側に位置するブランケット１と放熱材４とで曲率が異なるため、熱電変換素子３の素子表面３ａと素子裏面３ｂとの間にせん断応力がかかる。伸展方向Ｐに沿って複数枚の放熱材４が配設されることにより、熱電変換素子３にせん断応力がかかるのを抑制し、熱電変換素子３の脱落や損傷を防ぐことができる。

また放熱材４は、伸展方向Ｐに対して垂直な方向に複数枚配設されてもよい。例えば、図８に示すように、伸展方向Ｐに対して垂直な方向に１列に配設された熱電変換素子３のうちの１個の熱電変換素子３に対し、１枚の放熱材４が設けられる。このように伸展方向Ｐに対して垂直な方向に沿って複数枚の放熱材４が設けられることにより、ブランケット１が伸展方向Ｐに対して垂直な方向に変形した場合でも、熱電変換素子３の素子表面３ａと素子裏面３ｂとの間にせん断応力がかかることを抑制し、熱電変換素子３が脱落することを防ぐことができる。ここで、伸展方向Ｐに対して垂直な方向とは、厳密に垂直でなくともよく、少なくとも２枚の放熱材４が配設される程度に垂直であればよい。

放熱材４は、例えば厚さが０．１ｍｍの平板状の炭素繊維強化プラスチックで形成される。放熱材４は、ブランケット１を伸展させた際に、ブランケット１に接触しない程度に剛性を有していればよく、例えば厚さが０．０５ｍｍのポリイミドフィルムを用いてもよい。

図９は、本発明を実施するための実施の形態１に係る太陽光発電パドルの第１伸展マスト及び第２伸展マストを説明するための説明図である。図９（ａ）は、伸展状態の第１伸展マスト及び第２伸展マスト、図９（ｂ）は、伸展状態から収納状態へ移行中の第１伸展マスト及び第２伸展マスト、図９（ｃ）は、収納状態の第１伸展マスト及び第２伸展マストを示す。図９（ａ）に示すように、ブランケット１の伸展状態において、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６は、半円筒状に丸まったブーム形状を有する。また図９（ｃ）に示すように、ブランケット１の収納状態において、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６は、ロール状に巻き取られたロール形状を有する。第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６は、ブーム形状とロール形状とのそれぞれで形状を維持することができる。

ブランケット１が伸展状態から収納状態に移行する際、図９（ｂ）に示すように、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６には、弾性ひずみエネルギーが蓄積される。第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６は、蓄積された弾性ひずみエネルギーを解放することで伸展する。そのため第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６は、例えばブランケット１の両側に配置されることにより、特別な駆動装置を必要とせず、ブランケット１の収納及び伸展を行うことができる。

第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６は、高弾性の部材で構成され、例えば厚さが０．２ｍｍの炭素繊維強化プラスチックが用いられる。

ブランケット１、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６の伸展方向Ｐの両端部は、それぞれ略円柱形状の第１支持部材７及び略多角柱形状の第２支持部材８が取り付けられる。ここで略円柱形状とは、軸方向に垂直な平面での断面形状が真円である柱体の他、楕円である柱体を含む。また略多角柱形状とは、多角形の角が丸まった柱体を含む。ブランケット１、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６は、第１支持部材７を軸にロール状に巻き取られて収納される。

第１支持部材７及び第２支持部材８でブランケット１の両端を支持することで、太陽光発電パドル１００の姿勢制御を安定的に行うことができる。第１支持部材７及び第２支持部材８は、例えば炭素繊維強化プラスチックが用いられる。

上述のとおり、本実施の形態に係る太陽光発電パドル１００は、ブランケット１と、ブランケット１をロール状に巻き取って収納させる機能及び伸展させる機能を有する第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６と、ブランケット１の一方の面に配設された太陽電池セル２と、ブランケット１の他方の面に配設された熱電変換素子３と、熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面に第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６の伸展方向Ｐに沿って複数枚配設された放熱材４とを備える。これにより、熱電変換素子３の放熱面積を増やし、素子表面３ａと素子裏面３ｂとの温度差をできるだけ大きくしつつ、ブランケット１と放熱材４との間に配設された熱電変換素子３にせん断応力がかかるのを抑制して、ブランケット１からの脱落や損傷を防ぎ、発生する電力を増大させることができる。

次に、本発明を実施するための実施の形態１における太陽光発電パドル１００の製造方法について説明する。図１０は、本発明を実施するための実施の形態１に係る製造工程を示すフローチャートである。図１１から図１３は、本発明を実施するための実施の形態１に係る太陽光発電パドルを製造する一工程を示す説明図である。

ステップＳ１では、太陽光発電パドル１００の第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６を作製する。まず炭素繊維に樹脂を含浸して作製された半硬化状態のシートであるプリプレグを複数枚重ね、第１伸展マスト用プリプレグ積層体１１及び第２伸展マスト用プリプレグ積層体１２を形成する。

第１伸展マスト用プリプレグ積層体１１及び第２伸展マスト用プリプレグ積層体１２を、略円柱形状の軸部材１３に巻きつける。このとき、軸部材１３に巻きつける方向は、伸展方向Ｐに対して垂直な方向である。

次に、図１１に示すように、第１伸展マスト用プリプレグ積層体１１及び第２伸展マスト用プリプレグ積層体１２を、軸部材１３に巻きつけた状態で、バギングフィルム１４で全体を覆い、シール材１５で密閉する。シール材１５で密閉した後、ポンプ（図示せず）を動作させることで、バギングフィルム１４で覆った内部の空気を排出し、第１伸展マスト用プリプレグ積層体１１及び第２伸展マスト用プリプレグ積層体１２を減圧状態にする。

続いて、第１伸展マスト用プリプレグ積層体１１及び第２伸展マスト用プリプレグ積層体１２をオートクレーブ内に設置し、バギングフィルム１４の外部から加圧して加熱する。例えば３気圧下で１２０℃の温度を３時間保持する。

オートクレーブ内から第１伸展マスト用プリプレグ積層体１１及び第２伸展マスト用プリプレグ積層体１２を取り出し、軸部材１３、バギングフィルム１４及びシール材１５を取り外す。これにより第１伸展マスト５と第２伸展マスト６とをそれぞれ作製することができる。

ここで、第１伸展マスト用プリプレグ積層体１１及び第２伸展マスト用プリプレグ積層体１２を加圧下で加熱する条件は、第１伸展マスト用プリプレグ積層体１１及び第２伸展マスト用プリプレグ積層体１２を構成する樹脂の種類によって異なる。

ステップＳ２では、放熱材４を作製する。第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６を作製した際と同様に、プリプレグを複数枚重ね、放熱材用プリプレグ積層体１６を形成する。さらに、図１２に示すように、放熱材用プリプレグ積層体１６をバギングフィルム１４で覆い、シール材１５で密閉した後、ポンプ（図示せず）を動作させることで減圧状態にする。続いてバギングフィルム内の減圧状態を維持したまま、放熱材用プリプレグ積層体１６をオートクレーブ内に設置し、バギングフィルム１４の外部から加圧して加熱する。例えば３気圧下で１２０℃の温度を３時間保持する。

オートクレーブ内から放熱材用プリプレグ積層体１６を取り出し、バギングフィルム１４及びシール材１５を取り外す。これにより放熱材４を作製することができる。ここで、放熱材４がプリプレグを用いた繊維強化プラスチックである例を示したが、放熱材４として、例えばポリイミドフィルムを用いる場合は、ステップＳ２を省略することができる。

ステップＳ３では、ブランケット１の一方の面に、接着層９を介して複数の太陽電池セル２を配設する。

ステップＳ４では、ブランケット１の他方の面に接着層１０ａを介して熱電変換素子３を配設する。例えば図１３に示すように、熱電変換素子３と同程度の厚みの溝が複数形成された枠部材１７をブランケット１上に設置し、枠部材１７の溝に接着層１０ａとして室温硬化型のシリコーン接着剤を塗布する。接着層１０ａ上に複数の熱電変換素子３を配設する。

ステップＳ５では、熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面に接着層１０ｂを介して、熱電変換素子３を覆うように伸展方向Ｐに沿って放熱材４を複数枚配設する。ブランケット１に設置された枠部材１７内の熱電変換素子３の上面に接着層１０ｂを塗布し、枠部材１７を取り除く。ブランケット１上に配設された熱電変換素子３の接着層１０ｂ上に、放熱材４を水平に載置し、接着層１０ｂを介して熱電変換素子３と放熱材４とを接着する。このとき、ブランケット１に熱電変換素子３と同じ厚みの複数のスペーサー（図示せず）を所定の間隔で取り付け、ブランケット１と放熱材４との間が空隙２０を有するようにする。

このようにして作製されたブランケット１、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６の伸展方向Ｐの両端に第１支持部材７及び第２支持部材８を取り付け、太陽光発電パドル１００が得られる。

ここで、上述の工程は一部前後してもよく、ブランケット１に熱電変換素子３を配設してから、太陽電池セル２を配設してもよい。また例えば放熱材４に枠部材１７を設置して熱電変換素子３を配設し、そのあとブランケット１を取り付けてもよい。

上述のとおり、太陽光発電パドル１００の製造方法は、プリプレグを複数枚積層し、軸部材に巻きつけてバギングフィルム１４で覆い、バギングフィルム１４の外部から加圧及び加熱して第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６を形成するステップと、ブランケット１の一方の面に太陽電池セル２を配設するステップと、ブランケット１の他方の面に熱電変換素子３を配設するステップと、熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面に伸展方向Ｐに沿って放熱材４を複数枚配設するステップとを備えることにより、簡単な工程で太陽光発電パドル１００を製造することができる。

なお、太陽光発電パドル１００は、図１４に示すように、ブランケット１の太陽電池セル２が配設された面の反対の面のうち、熱電変換素子３が配置されていない面に、放射断熱材１８が設けられるとさらに好ましい。

ブランケット１に放射断熱材１８が設けられることで、太陽電池セル２から伝わる熱が、ブランケット１の熱電変換素子３が配設されていない面で、放射により放熱されることを防ぐことができる。放射断熱材１８は、放射率が放熱材４より小さい材料で形成されるものであればよく、例えば３Ｍ社製のアルミ箔テープを用いることができる。

また、太陽光発電パドル１００は、図１５に示すように、ブランケット１及び放熱材４の少なくとも一方に、高熱伝導シート１９が設けられるとさらに好ましい。高熱伝導シート１９は、ブランケット１の熱電変換素子３が配設される面及び放熱材４の熱電変換素子３が配設される面の反対の面の少なくとも一方に設けられる。これにより、ブランケット１及び放熱材４の面内の熱伝導性を高め、複数配設された熱電変換素子３に、それぞれ熱を分配することができる。高熱伝導シート１９は、熱伝導率がブランケット１及び放熱材４より大きい材料で形成されるものであればよく、例えばＰａｎａｓｏｎｉｃ社製グラファイトシートを用いることができる。

実施の形態２．
本発明を実施するための実施の形態２に係る太陽光発電パドルについて、図１６から図１８を参照して説明する。図１６から図１８中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図１６は、本発明を実施するための実施の形態２に係る太陽光発電パドルを示す概略構成を示す側面図である。図１６に示すように、太陽光発電パドル１００は、ブランケット１の一方の面に太陽電池セル２が複数配設され、ブランケット１の他方の面に熱電変換素子３が複数配設されている。放熱材４は、熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面に伸展方向Ｐに沿って複数枚配設されている。また放熱材４は、ブランケット１がロール状に巻き取られた収納状態において熱電変換素子３を挟んだ両端がブランケット１側に屈折されている。

図１７は、本発明を実施するための実施の形態２に係る太陽光発電パドルの放熱材の概略構成を示す側面図である。放熱材４は、例えば図１７に示すように、熱膨張率の異なる層４ａ、４ｂが厚み方向に積層されて構成され、温度変化を与えると熱膨張率の差により凸状に反りが発生する。放熱材４は、例えば炭素繊維強化プラスチックであり、熱電変換素子３側の面の熱膨張率が、熱電変換素子３側の面の反対の面の熱膨張率よりも大きくなるように炭素繊維が配向される。ここで、図１７では放熱材４が２層材である例を示したが、反りが発生する程度に厚み方向に熱膨張率が異なっていればよく、例えば３層材、４層材でもよい。

図１８は、本発明を実施するための実施の形態２に係る太陽光発電パドルの放熱材を説明するための説明図である。図１８（ａ）は、室温下における放熱材を示す。図１８（ｂ）は、低温下における放熱材を示す。図１８（ａ）に示すように、放熱材４は例えば約２５℃の室温下で、熱電変換素子３を挟んだ両端がブランケット１側に向かって屈折された形状で設けられる。また図１８（ｂ）に示すように、放熱材４は例えば約０℃の低温下では、反りが戻り平坦な形状となって、両端がブランケット１から離れる。ここで図１８では、１個の熱電変換素子３を１枚の放熱材４で挟んだ例を示しているが、例えば２個、３個の熱電変換素子３を１枚の放熱材４が挟むように設けられてもよい。

放熱材４は、室温下で熱電変換素子３を挟んだ両端がブランケット１側に屈折された形状となることで、収納時の熱電変換素子３の脱落や損傷をより防ぐとともに巻き取りが容易となる。また、放熱材４は、低温下の宇宙空間でブランケット１が伸展された際に平坦な形状となり、ブランケット１に接触せず、熱電変換素子３の素子裏面３ｂのみと接着されることで、良好な放熱性を確保することができる。

上述のとおり、熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面に、伸展方向Ｐに沿って放熱材４を複数枚配設することで、素子表面３ａと素子裏面３ｂとの温度差を確保しつつ、熱電変換素子３の脱落や損傷を防ぐことができる。さらに本実施の形態では、厚み方向に対して熱膨張率の異なる層が積層された放熱材４を用いることで、室温下で収納する際の巻取りが容易となるとともに、伸展後の良好な放熱性を確保し、熱電変換素子３からより大きな電力を得ることができる。

なお、放熱材４は、室温下で放熱材４の両端がブランケット１側に向けて屈折された形状において、ブランケット１に接触して裂け目や破れ目が生じない程度に柔軟性を有していると好ましい。このとき放熱材４は、例えば０℃近傍にガラス転移温度を持つポリプロプレン樹脂が含まれる。これにより、ブランケット１は巻き取り後に低温に曝されてもロール形状を維持することができる。

実施の形態３．
本発明を実施するための実施の形態３に係る太陽光発電パドルについて、図１９を参照して説明する。図１９中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図１９は、本発明を実施するための実施の形態３に係る太陽光発電パドルの概略構成を示す斜視図である。図１９に示すように、放熱材４は、伸展方向Ｐに沿って複数枚配設されている。そして、巻き取られる起点となる第１支持部材７側に配置された放熱材４１の伸展方向Ｐに沿った幅Ｌ１は、巻き取られる終点となる第２支持部材８側に配置された放熱材４２の伸展方向Ｐに沿った幅Ｌ２よりも小さい。すなわち、ブランケット１がロール状に巻き取られた際に、曲率の変化が大きい径方向内側の位置に幅が小さい放熱材４１が配置され、曲率の変化が小さい径方向外側の位置に幅が大きい放熱材４２が配置される。

上述のとおり、熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面に、伸展方向Ｐに沿って放熱材４を複数枚配設することで、素子表面３ａと素子裏面３ｂとの温度差を確保しつつ、熱電変換素子３の脱落や損傷を防ぐことができる。さらに本実施の形態では、巻き取られる起点となる第１支持部材７側の放熱材４１の伸展方向Ｐに沿った幅Ｌ１が第２支持部材８側の放熱材４２の伸展方向Ｐに沿った幅Ｌ２よりも小さい形状とすることで、曲率の異なるブランケット１と放熱材４との間に挟まれた熱電変換素子３にせん断応力がかかるのを抑制しながら放熱面積を大きくすることができる。

実施の形態４．
本発明を実施するための実施の形態４に係る太陽光発電パドル１００について、図２０を参照して説明する。図２０は、本発明を実施するための実施の形態４に係る太陽光発電パドルの熱電変換素子の配置を説明するための説明図である。図２０中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。

実施の形態１で複数の熱電変換素子３は、ブランケット１上に任意に配設されているのに対して、本実施の形態では、ブランケット１を均等な面積を有する複数の領域２１に分け、この領域２１ごとに少なくとも１個の熱電変換素子３が配設される。

例えば、図２０に示すように、ブランケット１を面積ａとする均等な複数の領域２１に分け、領域２１の中心位置にそれぞれ素子面積ｂとする１個の熱電変換素子３が配設される。太陽光発電パドル１００では、太陽光がブランケット１に配設された複数の太陽電池セル２に一様に入射して電力に変換された際に生じる熱が、ブランケット１に一様に伝わる。このように、均等な領域２１ごとに少なくとも１個の熱電変換素子３を設けることで、ブランケット１に一様に伝わった熱が、熱電変換素子３へ均等に分配され効率よく電力に変換することができる。ここで、均等とは厳密に均等でなくてもよく、例えば１つの領域２１の面積が他の領域２１の面積よりも大きくてもよい。

また複数の熱電変換素子３は、素子表面３ａの温度と素子裏面３ｂの温度との間に十分な温度差を確保するために、ブランケット１に対し、適切な充填率で配設される必要がある。ここで充填率とは、ブランケット１の面積に対する複数の熱電変換素子３の素子表面３ａ又は素子裏面３ｂの合計面積の比率をいう。

熱電変換素子３の数は、多いほど電力を増大させることができる。一方、太陽光の熱は１２８９Ｗ／ｍ^２から１４２１Ｗ／ｍ^２とほぼ一定であるため、熱電変換素子３の数を増やし、ブランケット１の面積に対する熱電変換素子３の接触面積が大きくなると、１個の熱電変換素子３を通過するときの単位面積あたりの熱が小さくなり、素子表面３ａの温度と素子裏面３ｂの温度との間で温度差が生じにくくなる。

適切な充填率の検証として、太陽光発電パドル１００を用いて、ブランケット１の面積Ａに対する複数の熱電変換素子３の素子表面３ａの合計面積Ｂの比率Ｂ/Ａを変化させたときの複数の熱電変換素子３が発生する電力を測定した。具体的には、真空（例えば、０．００１Ｐａ以下）かつ低温を維持できる真空容器内に、太陽光発電パドル１００を設置し、キセノンランプを光源として光を太陽電池セル２に入射させ、アドバンテスト社製直流電圧電流源モニタにより熱電変換素子３の電力を測定した。また、熱電対を用いて素子表面３ａと素子裏面３ｂとの温度差を測定した。

図２１は、本発明を実施するための実施の形態４に係る太陽光発電パドルの熱電変換素子の充填率と、単位面積当たりに発生する電力及び素子表面と素子裏面との温度差との関係図である。図２１より、充填率が０．３以下のとき、温度差は増大し、これとともに電力が増大することがわかった。また充填率が、０．００６以上０．０３以下の場合、さらに著しく温度差を増大させることができ、電力を増大できることがわかった。さらに充填率が０．００８以上０．０１以下のとき、電力が極大となることがわかった。

例えば、ブランケット１の領域２１の面積ａを３０ｃｍ^２、熱電変換素子３の１個の素子面積ｂを０．２７ｃｍ^２としたとき、ブランケット１に対する熱電変換素子３の充填率は、０．００９となり、熱電変換素子３の単位面積当たりに発生する電力は５．８Ｗ/ｍ^２となった。

上述の結果から、複数の熱電変換素子３は、充填率が０より大きく０．３以下の範囲となるように配設されることにより、素子表面３ａの温度と素子裏面３ｂの温度との間の温度差を大きくでき、発生する電力を増大させることができる。ここで、熱電変換素子３の数が減少して充填率が小さくなると、温度差が確保できても発生する電力は減少するので、熱電変換素子３の充填率は０．００６以上０．０３以下の範囲とするのが好ましい。

上述のとおり、熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面に伸展方向Ｐに沿って複数枚放熱材４を配設することで、熱電変換素子３の素子表面３ａと素子裏面３ｂとの温度差を確保しつつ、熱電変換素子３の脱落や損傷を抑制できる。さらに本実施の形態では、均等な面積を有する複数の領域２１ごとに少なくとも１個の熱電変換素子３が配設されることにより、太陽電池セル２からの熱を均等に複数の熱電変換素子３に伝えることができ、熱電変換素子３が発生させる電力を増大させることができる。また、熱電変換素子３は、充填率が０より大きく０．３以下の範囲となるように配置されることで素子表面３ａと素子裏面３ｂとの温度差を確保し、発生する電力を増大できる。さらに、熱電変換素子３は、充填率が０．００６以上０．０３以下の範囲となるように配置されることで得られる電力をさらに増大できる。

実施の形態５．
本発明を実施するための実施の形態５に係る宇宙構造物について、図２２から図２４を参照して説明する。図２２から図２４中、図１と同一符号は同一又は相当部分を示す。以下では、実施の形態１と同様である点の説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図２２は、本発明の実施の形態５に係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物を示す概略構成図である。図２２に示すように、宇宙構造物２００は例えば人工衛星であり、太陽光発電パドル１００と、構造物本体１１０と、アンテナ１２０とを備える。構造物本体１１０は、例えば衛星構造体であり、太陽光発電パドル１００は、例えば構造物本体１１０の両側に接続されている。アンテナ１２０は、例えば構造物本体１１０の上面や正面に取り付けられている。

太陽光発電パドル１００は、ブランケット１の一方の面に太陽電池セル２が複数配設され、ブランケット１の他方の面に熱電変換素子３が複数配設されている。熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面に伸展方向に沿って放熱材４が複数枚配設されている。太陽電池セル２及び熱電変換素子３で発生した電力は、図示していない配線を経由して取り出され、構造物本体１１０へ送られる。ブランケット１の両側には、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６が設けられ、ブランケット１をロール状に収納及び伸展させる。

図２３は、本発明の実施の形態５に係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物を示す概略構成図である。図２３は、ロケットの先端部分であるフェアリングＰ１に収納されている際の人工衛星を示す。図２３に示すように、ロケット打ち上げ時に、太陽光発電パドル１００は、ブランケット１がロール状に巻き取られた状態でロケットのフェアリングＰ１内に収納される。太陽光発電パドル１００は、宇宙構造物２００が宇宙空間に暴露された後に、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６とともにブランケット１を伸展させる。ブランケット１が伸展された後、太陽電池セル２が太陽光を受けて発電を開始する。

上述のとおり、本実施の形態に係る宇宙構造物２００は、熱電変換素子３のブランケット１側の面の反対の面に伸展方向Ｐに沿って複数枚放熱材４が配設された太陽光発電パドル１００を備えることにより、太陽光発電パドル１００がロール状に巻き取られた状態で収納される場合でも、熱電変換素子３の脱落や損傷を抑制できる。また、放熱材４を備えることで、宇宙空間でブランケット１が伸展された際に、熱電変換素子３の素子表面３ａと素子裏面３ｂとの温度差を確保し、発生する電力を増大させることができる。さらに、宇宙構造物２００は、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６を用いてブランケット１をロール状に巻き取ることができる太陽光発電パドル１００を備えるため、打ち上げ時にロケットのフェアリングＰ１に容易に収納されることができる。

なお、宇宙構造物２００が人工衛星である例を示したが、その他の宇宙構造物であってもよい。図２４は、本発明の実施の形態５に係る太陽光発電パドルを備えた宇宙構造物の他の例を示す概略構成図である。図２４に示すように、宇宙構造物２００は、例えば宇宙ステーションである。宇宙ステーションの構造物本体１１０は、例えばトラスと呼ばれる構造フレームを備え、少なくとも１つの太陽光発電パドル１００が取り付けられている。図２４では、太陽光発電パドル１００が例えば４つである例を示したが、１つであってもよいし、４つ以上であってもよい。

なお、実施の形態１から５において、放熱材４、第１伸展マスト５、第２伸展マスト６、第１支持部材７及び第２支持部材８として、炭素繊維強化プラスチックである場合を例示したが、強化繊維と樹脂との組合せから構成されていれば、例えばガラス繊維強化プラスチック等、他の強化繊維プラスチックであってもよい。

また、実施の形態１から５において、第１伸展マスト５及び第２伸展マスト６の２本の伸展マストを用いた例を示したが、伸展マストは少なくとも１本あればよく、例えばブランケット１の中央に、１本の伸展マストを配置してもよい。

また、実施の形態１から４において、太陽電池セル２が径方向内側、熱電変換素子３が径方向外側となるようにブランケット１がロール状に巻き取られた例を示しているが、太陽電池セル２が径方向外側、熱電変換素子３が径方向内側であってもよい。

また、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で、実施の形態１から５に開示されている複数の構成要素の適宜組み合わせてもよい。

１ブランケット、２太陽電池セル、３熱電変換素子、３ａ素子表面、３ｂ素子裏面、４放熱材、５第１伸展マスト、６第２伸展マスト、７第１支持部材、８第２支持部材、９接着層、１０ａ接着層、１０ｂ接着層、１１第１伸展マスト用プリプレグ積層体、１２第２伸展マスト用プリプレグ積層体、１３軸部材、１４バギングフィルム、１５シール材、１６放熱材用プリプレグ積層体、１７枠部材、１８放射断熱材、１９高熱伝導シート、２０空隙、２１領域、１００太陽光発電パドル。

Claims

ブランケットと、
前記ブランケットをロール状に巻き取って収納させる機能及び伸展させる機能を有する伸展マストと、
前記ブランケットの一方の面に複数配設される太陽電池セルと、
前記ブランケットの他方の面に複数配設される熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の前記ブランケット側の面の反対の面に前記伸展マストの伸展方向に沿って複数枚配設される放熱材と
を備えることを特徴とする太陽光発電パドル。
前記放熱材は、前記伸展マストの伸展方向に対して垂直な方向に沿って複数枚配設されることを特徴とする請求項１に記載の太陽光発電パドル。
前記ブランケットの巻き取られる起点となる側に配設される前記放熱材の前記伸展マストの伸展方向に沿った幅は、前記ブランケットの巻き取られる終点となる側に配設される前記放熱材の前記伸展マストの伸展方向に沿った幅よりも小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載の太陽光発電パドル。
前記放熱材は、前記熱電変換素子側の面の熱膨張率が、前記熱電変換素子側の面の反対の面の熱膨張率よりも大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の太陽光発電パドル。
前記ブランケットは、複数の均等な面積を有する領域ごとに１個の前記熱電変換素子が配設されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の太陽光発電パドル。
複数の前記熱電変換素子の前記ブランケットとの接触面積の合計は、前記ブランケットの面積に対して０より大きく０．３以下の範囲であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の太陽光発電パドル。
前記ブランケットの前記太陽電池セル側の面の反対の面のうち、前記熱電変換素子が配置されていない面に、放射断熱材が設けられることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の太陽光発電パドル。
前記ブランケットの前記熱電変換素子側の面及び前記放熱材の前記熱電変換素子側の面の反対の面の少なくとも一方に、高熱伝導シートが設けられることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の太陽光発電パドル。
プリプレグを複数枚積層し、軸部材に巻きつけてバギングフィルムで覆い、前記バギングフィルムの外部から加圧及び加熱して伸展マストを形成するステップと、
ブランケットの一方の面に太陽電池セルを複数配設するステップと、
前記ブランケットの他方の面に熱電変換素子を複数配設するステップと、
前記熱電変換素子の前記ブランケット側の面の反対の面に前記伸展マストの伸展方向に沿って放熱材を複数枚配設するステップと
を備えることを特徴とする太陽光発電パドルの製造方法。
請求項１から８のいずれか一項に記載の太陽光発電パドルと、
前記太陽光発電パドルが取り付けられる構造物本体と
を備えることを特徴とする宇宙構造物。