RU2812093C1 - Photovoltaic module with radiation concentrator - Google Patents
Photovoltaic module with radiation concentrator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2812093C1 RU2812093C1 RU2023121618A RU2023121618A RU2812093C1 RU 2812093 C1 RU2812093 C1 RU 2812093C1 RU 2023121618 A RU2023121618 A RU 2023121618A RU 2023121618 A RU2023121618 A RU 2023121618A RU 2812093 C1 RU2812093 C1 RU 2812093C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- base
- flat base
- panel
- corners
- hinges
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 23
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000005341 toughened glass Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к фотоэлектрической энергетике, в частности, к солнечным и лазерным энергетическим системам, предназначенным для выработки электроэнергии на космических летательных аппаратах.The invention relates to photovoltaic energy, in particular to solar and laser energy systems designed to generate electricity on spacecraft.
Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения является перспективным методом получения электрической энергии от Солнца в космическом пространстве при использовании высокоэффективных каскадных солнечных элементов, легких малогабаритных систем концентрирования солнечного излучения и устройств ориентации модулей на Солнце.Photoelectric conversion of concentrated solar radiation is a promising method for obtaining electrical energy from the Sun in outer space using highly efficient cascade solar cells, lightweight small-sized systems for concentrating solar radiation and devices for orienting modules to the Sun.
Другим перспективным методом энергоснабжения космических аппаратов является передача и фотоэлектрическое преобразование лазерного излучения. При передаче энергии по лазерному лучу важнейшими параметрами являются коэффициент полезного действия (КПД) и мощность фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), увеличивающаяся с увеличением площади фотоэлектрической батареи. КПД современных ФЭП на основе AIGaInAs гетероструктур составляет 50-60% в спектральном диапазоне 800-1070 нм при плотности мощности лазерного излучения порядка 100 Вт/см2.Another promising method of power supply to spacecraft is the transmission and photoelectric conversion of laser radiation. When transmitting energy via a laser beam, the most important parameters are the efficiency factor (efficiency) and the power of the photoelectric converter (PVC), which increases with increasing area of the photovoltaic battery. The efficiency of modern PV cells based on AIGaInAs heterostructures is 50-60% in the spectral range 800-1070 nm at a laser radiation power density of the order of 100 W/cm 2 .
За последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в увеличении мощности твердотельных волоконных лазеров до значений более 100 кВт при КПД > 45%. Вследствие расходимости лазерного пучка для передачи и преобразования максимальной лазерной мощности на расстоянии более 100 км необходимо существенное увеличение входной апертуры фотоэлектрической батареи. В концентраторных фотоэлектрических батареях может быть существенно снижена площадь и стоимость ФЭП пропорционально кратности концентрирования излучения (до 100-1000 крат).Over the past decade, significant progress has been made in increasing the power of solid-state fiber lasers to values greater than 100 kW with efficiencies > 45%. Due to the divergence of the laser beam, transmission and conversion of maximum laser power over a distance of more than 100 km requires a significant increase in the input aperture of the photovoltaic array. In concentrator photovoltaic batteries, the area and cost of solar cells can be significantly reduced in proportion to the factor of radiation concentration (up to 100-1000 times).
Однако, концентраторные батареи в рабочем состоянии имеют заметно большие габариты по сравнению с традиционными батареями, что существенно увеличивает стоимость доставки таких батарей в космос. Поэтому создание складной компактной конструкции концентраторных модулей является важной задачей для снижения габаритов батарей в транспортном состоянии при доставке батарей на космическую орбиту.However, concentrator batteries in operating condition have noticeably larger dimensions compared to traditional batteries, which significantly increases the cost of delivering such batteries into space. Therefore, the creation of a folding, compact design of concentrator modules is an important task for reducing the dimensions of batteries in a transport state when delivering batteries to space orbit.
Известен фотоэлектрический модуль с концентраторами излучения (см. US 20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубл. 27.01.2011), содержащий несущую конструкцию космического аппарата, на которой закреплены ФЭП с концентраторами излучения, включающие в себя множество отражателей Френеля, направляющих свет на панель фотоэлектрических элементов, термически подключенных к центральной несущей конструкции через радиатор тепловой трубы. Тепловая труба обеспечивает передачу тепла от панели фотоэлектрических элементов и рассеяние его на радиаторе тепловой трубы и элементах несущей конструкции.A photovoltaic module with radiation concentrators is known (see US 20110017875, IPC B64G 1/44, HOIL 31/042, publ. 01/27/2011), containing the supporting structure of the spacecraft, on which photovoltaic cells with radiation concentrators, including many Fresnel reflectors, are mounted , directing light onto a panel of photovoltaic cells thermally connected to a central supporting structure via a heat pipe radiator. The heat pipe transfers heat from the photovoltaic panel and dissipates it to the heat pipe radiator and supporting structure elements.
Недостатком известного фотоэлектрического модуля является его значительные габариты вследствие отсутствия механизма складывания модуля в нерабочем (транспортном) состоянии.The disadvantage of the known photovoltaic module is its significant dimensions due to the absence of a mechanism for folding the module in a non-working (transport) state.
Известен фотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения (см. RU 2554674, МПК H01L 31/054, F24J 2/14, опубл. 27.06.2015), включающий асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейный ФЭП, расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль оси. Линейный ФЭП снабжен устройством протока теплоносителя. Форма отражающей поверхности концентратора определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности ФЭП, выполненных в виде линейки из коммутированных ФЭП и расположенного под углом к миделю концентратора. Изобретение обеспечивает работу фотоэлектрического модуля при концентрированном солнечном излучении, равномерное освещение ФЭП и повышение КПД преобразования.A known photovoltaic module with a parabolic cylindrical concentrator of solar radiation (see RU 2554674, IPC H01L 31/054, F24J 2/14, published on June 27, 2015), including an asymmetric parabolic cylindrical concentrator with a mirror internal reflection surface and a linear solar cell located in the focal region with uniform distribution of concentrated radiation along the axis. The linear solar cell is equipped with a coolant flow device. The shape of the reflective surface of the concentrator is determined by a system of equations corresponding to the condition of uniform illumination of the surface of the solar cells, made in the form of a line of switched solar cells and located at an angle to the midsection of the concentrator. The invention ensures the operation of a photovoltaic module under concentrated solar radiation, uniform illumination of the solar cell and increased conversion efficiency.
Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля является необходимость организации теплоотвода путем циркуляции теплоносителя, а также большие габариты модуля при отсутствии конструкции складывания модуля для его транспортировки в космос.The disadvantage of the known solar photovoltaic module is the need to organize heat removal by circulating coolant, as well as the large dimensions of the module in the absence of a folding structure for the module for its transportation into space.
Известен складной фотоэлектрический модуль с двусторонними ФЭП (см. RU 193323, МПК H02S 10/40, H02S 30/20, F24H 1/06, H02S 40/44, опубл. 24.10.2019), содержащий концентратор параболоцилиндрического типа, двусторонние ФЭП и теплоноситель. Концентратор выполнен складным, оснащен цилиндрическими шарнирами для складывания и стойками с отверстиями для двусторонних ФЭП. Модуль в сложенном состоянии обладает функцией защиты ФЭП, а его профиль обеспечивает освещенность одной или одновременно двух приемных поверхностей ФЭП. Корпус ФЭП выполнен металлическим, имеет комбинированные полости для различных функций и обеспечивает своей структурой полости для теплоносителя с входом и выходом, с возможностью непосредственного теплосъема с теплоносителя. Двусторонние ФЭП имеют р-n-переходы, параллельные потоку концентрированного солнечного излучения. Теплоизоляция теплоносителя и двусторонних ФЭП выполнена с двух сторон. Теплоноситель омывает непосредственно герметизированные двусторонние ФЭП, защищенные прозрачными закаленными стеклами.A foldable photovoltaic module with double-sided solar cells is known (see RU 193323, MPK H02S 10/40, H02S 30/20, F24H 1/06, H02S 40/44, published 10/24/2019), containing a parabolic-cylindrical type concentrator, double-sided solar cells and coolant . The concentrator is foldable, equipped with cylindrical hinges for folding and stands with holes for double-sided solar cells. When folded, the module has the function of protecting the solar cells, and its profile provides illumination of one or two receiving surfaces of the solar cells at the same time. The FEP body is made of metal, has combined cavities for various functions and provides its structure with cavities for coolant with inlet and outlet, with the possibility of direct heat removal from the coolant. Double-sided solar cells have p-n junctions parallel to the flow of concentrated solar radiation. Thermal insulation of the coolant and double-sided solar cells is made on both sides. The coolant directly washes sealed double-sided solar cells protected by transparent tempered glass.
Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля является недостаточная жесткость конструкции концентратора. Наличие стыка между складными элементами концентратора приводит к возрастанию оптических потерь при концентрировании солнечного излучения. Также выбранное размещение ФЭП ведет к смещению фокуса концентратора относительно ФЭП, к снижению равномерности засветки ФЭП и к увеличению отражения солнечного излучения.A disadvantage of the known solar photovoltaic module is the insufficient rigidity of the concentrator structure. The presence of a joint between the folding elements of the concentrator leads to an increase in optical losses when concentrating solar radiation. Also, the selected placement of the PV leads to a shift in the focus of the concentrator relative to the PV, to a decrease in the uniformity of illumination of the PV and to an increase in the reflection of solar radiation.
Известен складной (надувной) фотоэлектрический модуль с концентратором излучения (см. US 6111190, МПК H01L 31/045, МПК H01L 31/052, B64G 1/44, F24J 2/36, B64G 1/50, опубл. 29.08.2000) на основе надувной линзы Френеля. Модуль состоит из гибкой линзы Френеля, гибких боковых стенок и задней поверхности, совместно охватывающих объем полости, которые могут быть заполнены газом низкого давления для развертывания концентраторного модуля на орбите. На задней поверхности модуля размещен ФЭП, расположенный в фокальной области линзы Френеля. Кроме того, задняя поверхность может осуществлять отвод тепла. В транспортном состоянии спущенную гибкую линзу Френеля и боковины складывают на задней поверхности с образованием плоской малообъемной упаковки для эффективного запуска в космос.A foldable (inflatable) photovoltaic module with a radiation concentrator is known (see US 6111190, IPC H01L 31/045, IPC H01L 31/052, B64G 1/44, F24J 2/36, B64G 1/50, publ. 08/29/2000) on based on an inflatable Fresnel lens. The module consists of a flexible Fresnel lens, flexible side walls and a rear surface, together enclosing a cavity volume that can be filled with low-pressure gas to deploy the concentrator module in orbit. On the rear surface of the module there is a photovoltaic cell located in the focal region of the Fresnel lens. In addition, the rear surface can carry out heat dissipation. In the transport state, the deflated flexible Fresnel lens and sidewalls are folded on the rear surface to form a flat, low-volume package for efficient launch into space.
Существенным недостатком известного надувного концентраторного модуля является низкий КПД, вследствие низкого оптического КПД надувной линзы Френеля.A significant disadvantage of the known inflatable concentrator module is its low efficiency, due to the low optical efficiency of the inflatable Fresnel lens.
Известен складной фотоэлектрический модуль с концентратором излучения (см. патент US 6075200, МПК H01L 31/052, H01L 31/0232, B64G 1/22, F24J 2/08, B64G 1/44, опубл. 13.06.2000), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Солнечный фотоэлектрический модуль-прототип включает, по меньшей мере, одну прямоугольную линейную линзу Френеля, выполненную с возможностью фокусирования солнечного света в фокальную область, по меньшей мере, один фотоэлектрический преобразователь, расположенный в фокальной области на плоском теплосбрасывающем основании, выполненном с длиной и шириной равными размерам проекции прямоугольной линзы Френеля на плоское основание; развертываемые опорные средства для установки линзы Френеля в надлежащее положение относительно фотоэлектрического преобразователя, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического модуля в процессе запуска и развертывания на орбите, по меньшей мере один конструктивный элемент, включающий средство для создания силы натяжения в указанной линейной линзе Френеля в направлении, параллельном фокальной линии.A folding photovoltaic module with a radiation concentrator is known (see patent US 6075200, IPC H01L 31/052, H01L 31/0232, B64G 1/22, F24J 2/08, B64G 1/44, publ. 06/13/2000), coinciding with the present technical solution for the largest number of essential features and accepted as a prototype. The prototype solar photovoltaic module includes at least one rectangular linear Fresnel lens configured to focus sunlight into the focal region, at least one photoelectric converter located in the focal region on a flat heat-dissipating base made with a length and width equal to the dimensions of the projection of a rectangular Fresnel lens onto a flat base; deployable support means for positioning the Fresnel lens in an appropriate position relative to the photovoltaic converter, including mechanical means for compactly placing the photovoltaic module during launch and deployment in orbit, at least one structural element including means for creating a tension force in the specified linear Fresnel lens in the direction , parallel to the focal line.
Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля-прототипа являются низкий КПД вследствие невозможности использования линз Френеля с точечным фокусом, обеспечивающих увеличение КПД по сравнению с линейными линзами Френеля.The disadvantage of the known prototype solar photovoltaic module is low efficiency due to the inability to use Fresnel lenses with a point focus, which provide an increase in efficiency compared to linear Fresnel lenses.
Задачей настоящего технического решения является разработка фотоэлектрического модуля с концентратором излучения, который бы имел увеличенный КПД и малые габариты в нерабочем (транспортном) состоянии.The objective of this technical solution is to develop a photovoltaic module with a radiation concentrator that would have increased efficiency and small dimensions in a non-operating (transport) state.
Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический модуль с концентраторами излучения включает по меньшей мере одну прямоугольную линзу Френеля, выполненную с возможностью фокусирования в фокальную область, по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь, расположенный в фокальной области на плоском теплосбрасывающем основании, выполненном с длиной и шириной равными размерам проекции прямоугольной линзы Френеля на плоское основание, развертываемые опорные средства для установки линзы Френеля в надлежащее положение относительно фотоэлектрического преобразователя, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического модуля в процессе запуска и развертывания на орбите. Новым в фотоэлектрическом модуле является то, что линза Френеля выполнена в виде плоской панели, установленной параллельно плоскому основанию, панель линзы Френеля и плоское основание выполнены квадратной формы с одинаковыми размерами квадратов, соединенных между собой четырьмя стойками, прикрепленными своими концами к соответствующему углу панели линзы Френеля и к соответствующему углу плоского основания посредством восьми сферических шарниров, из которых четыре шарнира установлены по одному на каждом из четырех углов плоского основания, а четыре других шарнира установлены по одному на каждом из четырех углов панели линзы Френеля, длина каждой стойки вместе с двумя шарнирами установлена равной длине стороны упомянутых квадратов, на каждом из двух противоположных углов плоского основания прикреплены по одному шаговому электродвигателю с взаимно перпендикулярными осями валов, установленными параллельно сторонам плоского основания, а на каждом из двух других углов плоского основания установлены магниты, выполненные в виде уголков, одна часть которых прикреплена к тыльной поверхности плоского основания, а другая часть выполнена выступающей над фронтальной поверхностью плоского основания.The problem is solved in that the photoelectric module with radiation concentrators includes at least one rectangular Fresnel lens configured to focus into the focal region, at least one photoelectric converter located in the focal region on a flat heat-dissipating base made with a length and width equal to the dimensions of the projection of a rectangular Fresnel lens on a flat base, deployable support means for installing the Fresnel lens in the proper position relative to the photoelectric converter, including mechanical means for compact placement of the photovoltaic module during launch and deployment in orbit. What is new in the photovoltaic module is that the Fresnel lens is made in the form of a flat panel installed parallel to the flat base, the Fresnel lens panel and the flat base are made of a square shape with the same size squares, interconnected by four posts attached at their ends to the corresponding corner of the Fresnel lens panel and to the corresponding corner of the flat base by means of eight spherical hinges, of which four hinges are installed, one at each of the four corners of the flat base, and four other hinges are installed, one at each of the four corners of the Fresnel lens panel, the length of each post together with the two hinges is installed equal to the length of the side of the mentioned squares, on each of the two opposite corners of the flat base, one stepper motor is attached with mutually perpendicular axes of the shafts, installed parallel to the sides of the flat base, and on each of the other two corners of the flat base, magnets are installed, made in the form of corners, one part which is attached to the rear surface of the flat base, and the other part is made protruding above the front surface of the flat base.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:
на фиг. 1 показана конструкция модуля с четырьмя линзами Френеля в раскрытом рабочем состоянии при эксплуатации на космическом аппарате (1 - квадратное плоское основание модуля; 2 - ФЭП; 3 - квадратная панель линз Френеля; 4, 5, 6, 7 - стойки; 8-15 - сферические шарниры; 16-17 - электродвигатели; 18, 19 - части магнитных уголков, прикрепленных внутренней стороной к основанию; 20, 21 - части магнитных уголков, выступающие над поверхностью основания; 22, 23 - направление вращения валов электродвигателя при складывании модуля);in fig. Figure 1 shows the design of a module with four Fresnel lenses in an open operating state during operation on a spacecraft (1 - square flat base of the module; 2 - FEP; 3 - square panel of Fresnel lenses; 4, 5, 6, 7 - stands; 8-15 - spherical hinges; 16-17 - electric motors; 18, 19 - parts of magnetic corners attached on the inside to the base; 20, 21 - parts of magnetic corners protruding above the surface of the base; 22, 23 - direction of rotation of the electric motor shafts when folding the module);
на фиг. 2 изображена конструкция модуля в полураскрытом положении на комическом аппарате на орбите;in fig. 2 shows the design of the module in a half-opened position on a spacecraft in orbit;
на фиг. 3 показана конструкция модуля в сложенном (транспортном) состоянии.in fig. Figure 3 shows the design of the module in a folded (transport) state.
на фиг. 4 приведена схема (вид по АА на фиг. 2 перпендикулярно плоскостям плоского основания 1 и панели 3 линз Френеля) в полураскрытом состоянии на орбите при угле β поворота вала шагового электродвигателя 16, равном 45 угловых градусов, и угле поворота ϕ вала другого электродвигателя 17 19 угловых градусов, где 24 - проекция траектории в виде окружности расположения углов панели 3 линз Френеля в процессе раскрытия модуля;in fig. Figure 4 shows a diagram (view along AA in Fig. 2 perpendicular to the planes of the flat base 1 and panel 3 of the Fresnel lenses) in a half-opened state in orbit at an angle β of rotation of the shaft of the stepper motor 16 equal to 45 angular degrees, and an angle of rotation ϕ of the shaft of another electric motor 17 19 angular degrees, where 24 is the projection of the trajectory in the form of a circle of the location of the corners of the panel 3 Fresnel lenses in the process of opening the module;
на фиг. 5 показаны временные зависимости углов поворота валов шаговых электродвигателей: (25 - временная зависимость угла β поворота вала шагового электродвигателя 16; 26 - временная зависимость угла ϕ поворота вала другого электродвигателя 17 с осью вала, перпендикулярного оси вала электродвигателя 16, обеспечивающего поворот вала на угол β).in fig. Figure 5 shows the time dependence of the angle of rotation of the shafts of stepper motors: (25 - time dependence of the angle β of rotation of the shaft of the stepper motor 16; 26 - time dependence of the angle ϕ of rotation of the shaft of another electric motor 17 with the axis of the shaft perpendicular to the axis of the shaft of the electric motor 16, ensuring rotation of the shaft at an angle β ).
Настоящий фотоэлектрический модуль с концентратором излучения (см. фиг. 1 - фиг. 4) представляет собой складную конструкцию с устройством развертывания, включающую плоское основание 1 с ФЭП 2, расположенными на фронтальной поверхности плоского основания 1, и панель 3 линз Френеля, параллельную основанию 1. ФЭП 2 установлены в фокусах линз Френеля. Панель 3 линз Френеля и основание 1 выполнены квадратной формы с одинаковыми размерами квадратов, соединенных между собой четырьмя стойками 4, 5, 6, 7, прикрепленными своими концами к каждому углу панели 3 линз Френеля и к каждому углу основания 1 посредством восьми сферических шарниров 8-15, из которых четыре шарнира 12, 13, 14, 15 установлены по одному на каждом из четырех углов основания 1, а четыре других шарнира 8, 9, 10, 11 установлены по одному на каждом из четырех углов панели 3 линз Френеля. Длина каждой стойки 4, 5, 6, 7 вместе с двумя шарнирами установлена равной длине стороны квадратов панели 3 линз Френеля и основания 1. Такая конструкция модуля с использованием восьми сферических шарниров 8-15 и четырех стоек 4, 5, 6, 7 для соединения основания 1 и панели 3 линз Френеля позволяет осуществить взаимное вертикальное и горизонтальное винтоообразное перемещение на четверть круга панели 3 линз Френеля относительно основания 1, что обеспечивает складывание модуля в транспортном состоянии для его доставки на орбиту в составе космического аппарата и последующее раскрытие модуля в рабочее состояние.This photovoltaic module with a radiation concentrator (see Fig. 1 - Fig. 4) is a folding structure with a deployment device, including a flat base 1 with photovoltaic cells 2 located on the front surface of the flat base 1, and a panel 3 of Fresnel lenses parallel to the base 1 FEP 2 are installed at the foci of Fresnel lenses. The panel 3 of the Fresnel lenses and the base 1 are made of a square shape with the same dimensions of the squares, interconnected by four racks 4, 5, 6, 7, attached at their ends to each corner of the panel 3 of the Fresnel lenses and to each corner of the base 1 by means of eight spherical hinges 8- 15, of which four hinges 12, 13, 14, 15 are installed, one at each of the four corners of the base 1, and four other hinges 8, 9, 10, 11 are installed, one at each of the four corners of the Fresnel lens panel 3. The length of each post 4, 5, 6, 7 together with two hinges is set equal to the length of the side of the squares of the Fresnel lens panel 3 and the base 1. This design of the module using eight spherical hinges 8-15 and four posts 4, 5, 6, 7 for connection the base 1 and the panel 3 of the Fresnel lenses allows for mutual vertical and horizontal helical movement of the panel 3 of the Fresnel lenses relative to the base 1 by a quarter circle, which ensures the folding of the module in a transport state for its delivery to orbit as part of a spacecraft and the subsequent opening of the module into a working state.
Выполнение панели 3 линз Френеля и основания 1 фотогенерирующей панели квадратной формы с одинаковыми размерами квадратов обеспечивает минимальную площадь и объем модуля при складывании модуля путем винтообразного разворота панели 3 линз Френеля относительно основания 1 на 90 угловых градусов вокруг оси, проходящей через центры основания 1 и панели 3.Making the Fresnel lens panel 3 and the base 1 of the photogenerating panel square-shaped with the same square sizes ensures a minimum area and volume of the module when folding the module by helically rotating the Fresnel lens panel 3 relative to the base 1 by 90 angular degrees around an axis passing through the centers of the base 1 and panel 3 .
Соединение основания 1 и панели 3 четырьмя стойками 4, 5, 6, 7, прикрепленными к углам основания 1 и панели 3, с длиной каждой стойки 4, 5, 6, 7 вместе с двумя шарнирами, равной длине стороны квадратов панели 3 линз Френеля и основания 1, обеспечивает максимально плотную упаковку стоек 4, 5, 6, 7 путем укладывания стоек 4, 5, 6, 7 между основанием 1 и панелью 3 вдоль боковых сторон основания 1 и панели 3.Connection of the base 1 and panel 3 by four posts 4, 5, 6, 7 attached to the corners of the base 1 and panel 3, with the length of each post 4, 5, 6, 7 together with two hinges equal to the length of the side of the squares of the panel 3 Fresnel lenses and base 1, provides the most dense packing of racks 4, 5, 6, 7 by laying racks 4, 5, 6, 7 between base 1 and panel 3 along the sides of base 1 and panel 3.
На каждом из двух противоположных углах основания 1 прикреплены по одному шаговому электродвигателю 16, 17 с взаимно перпендикулярными осями валов, параллельными сторонам основания 1. Шаговые электродвигатели 16, 17 необходимы для складывания и раскрытия модуля с контролем углов разворота валов электродвигателей 16, 17. Взаимно перпендикулярное расположение валов и их параллельность сторонам основания 1 обеспечивает складывание и раскрытие модуля при подаче питания на шаговые электродвигатели 16, 17 по заданной программе.At each of the two opposite corners of the base 1, one stepper motor 16, 17 is attached with mutually perpendicular axes of the shafts, parallel to the sides of the base 1. Stepper motors 16, 17 are necessary for folding and opening the module with control of the angles of rotation of the shafts of the electric motors 16, 17. Mutually perpendicular the arrangement of the shafts and their parallelism to the sides of the base 1 ensures the folding and opening of the module when power is supplied to the stepper motors 16, 17 according to a given program.
На двух других углах основания 1 установлены магниты, выполненные в виде уголков, одна часть 18, 19 (фиг. 1) которых прикреплена к тыльной поверхности основания 1, а другая часть 20, 21 (фиг. 1) выполнена выступающей над фронтальной поверхностью основания 1. Магниты, выполненные в виде уголка, необходимы для фиксации раскрытого состояния модуля при выключении электропитания шаговых электродвигателей 16, 17. Магниты установлены прилегающими к двум взаимно перпендикулярным сторонам основания 1, что обеспечивает жесткую фиксацию конструкции модуля в раскрытом (рабочем) положении. Выполнение магнитов в виде уголков обеспечивает их надежное закрепление одной частью уголка к нижней поверхности основания 1. При этом другая часть уголков выполнена выступающей над поверхностью основания 1, что обеспечивает плотный контакт магнитов со стойками 4, 6 и фиксацию вертикального положения стоек 4, 5, 6, 7.On the other two corners of the base 1, magnets are installed, made in the form of corners, one part 18, 19 (Fig. 1) of which is attached to the rear surface of the base 1, and the other part 20, 21 (Fig. 1) is made protruding above the front surface of the base 1 Magnets made in the form of an angle are necessary to fix the open state of the module when the power supply to stepper motors 16, 17 is turned off. The magnets are installed adjacent to two mutually perpendicular sides of the base 1, which ensures rigid fixation of the module structure in the open (working) position. Making the magnets in the form of corners ensures their reliable fastening with one part of the corner to the lower surface of the base 1. At the same time, the other part of the corners is made protruding above the surface of the base 1, which ensures tight contact of the magnets with the posts 4, 6 and fixation of the vertical position of the posts 4, 5, 6 , 7.
Работает фотоэлектрический модуль следующим образом. Складывание модуля на Земле осуществляют вращением валов шаговых электродвигателей 16, 17 с направлениями вращения, указанными стрелками 22, 23 (фиг. 1) и приведение его в состояние, показанное на фиг. 3. На Земле и во время транспортировки модуля на орбиту модуль находится на космическом аппарате в сложенном (транспортном) состоянии. После доставки на орбиту и приведения космического аппарата в рабочее состояние включается электропитание двух шаговых электродвигателей 16, 17 и осуществляется раскрытие модуля в результате вращения валов шаговых электродвигателей 16, 17 в направлениях, указанных стрелками 24, 25 (фиг. 2). При этом шаговые электродвигатели 16, 17 работают и выключаются по заданной программе. Фиксация положения стоек 4, 5, 6, 7 в момент выключения электродвигателей (фиг. 1) осуществляется с помощью магнитов, установленных на двух углах основания 1.The photovoltaic module works as follows. The module is folded on Earth by rotating the shafts of stepper motors 16, 17 with the directions of rotation indicated by arrows 22, 23 (Fig. 1) and bringing it into the state shown in Fig. 3. On Earth and during transportation of the module into orbit, the module is on the spacecraft in a folded (transport) state. After delivery into orbit and bringing the spacecraft into working condition, the power supply to two stepper motors 16, 17 is turned on and the module is opened as a result of rotation of the shafts of stepper motors 16, 17 in the directions indicated by arrows 24, 25 (Fig. 2). In this case, stepper motors 16, 17 operate and turn off according to a given program. The position of the racks 4, 5, 6, 7 is fixed at the moment the electric motors are turned off (Fig. 1) using magnets installed on two corners of the base 1.
Взаимное расположение основания 1 модуля и панели 3 линз Френеля в полураскрытом состоянии на орбите при угле β поворота вала шагового электродвигателя 16 равном β=45 угловых градусов, показано на фиг. 3 - фиг. 4. Проекция траектории пространственного расположения углов панели линз Френеля на плоскость основания модуля в процессе раскрытия модуля является окружность 26 (фиг. 4) с радиусом окружности равным половине длины диагонали панели линз Френеля.The relative position of the base 1 of the module and the panel 3 of the Fresnel lenses in a half-opened state in orbit at an angle β of rotation of the shaft of the stepper motor 16 equal to β=45 angular degrees is shown in Fig. 3 - fig. 4. The projection of the trajectory of the spatial arrangement of the corners of the Fresnel lens panel onto the plane of the base of the module in the process of opening the module is a circle 26 (Fig. 4) with a radius of the circle equal to half the length of the diagonal of the Fresnel lens panel.
Предельный угол β поворота вала шагового электродвигателя 16 установлен равным β=90 угловых градусов. Угол ϕ поворота вала другого шагового двигателя 17 установлен зависящим от угла β. При постоянной скорости вращения вала шагового электродвигателя 16 имеет место линейная временная зависимость 27 (фиг. 5) угла β. Временная зависимость 28 (фиг. 5) угла ϕ является четвертью окружности с радиусом R1 со значениями ϕ=0 угловых градусов при β=0° и 90° и значением ϕ=19 угловых градусов при β=45°.The limit angle β of rotation of the shaft of the stepper motor 16 is set equal to β=90 angular degrees. The rotation angle ϕ of the shaft of the other stepper motor 17 is set depending on the angle β. At a constant speed of rotation of the shaft of the stepper motor 16, there is a linear time dependence 27 (Fig. 5) of the angle β. The time dependence 28 (Fig. 5) of the angle ϕ is a quarter circle with a radius R 1 with values of ϕ=0 angular degrees at β=0° and 90° and a value of ϕ=19 angular degrees at β=45°.
Пример. Был изготовлен фотоэлектрический модуль с концентраторами излучения на основе панели линз Френеля и фотогенерирующей панели с размерами 24 см × 24 см. Матрица линз Френеля включает 16 линз (4 линзы × 4 линзы). Толщина панели линз Френеля была равна 1 мм. Толщина алюминиевого основания - 1 мм. Диаметр стоек с шарнирами - 3 мм, высота шаговых электродвигателей - 9 мм. Толщина модуля в сложенном (транспортном) состоянии - 9 мм. Толщина модуля в рабочем состоянии равна 120 мм. Таким образом, разработанная конструкция модуля в сложенном состоянии имеет объем в ~ 13 раз меньше объема модуля в рабочем состоянии, что обеспечивает существенную (более, чем в 10 раз) экономию места на космическом аппарате, необходимого для транспортировки модуля на орбиту.Example. A photovoltaic module with radiation concentrators was manufactured based on a panel of Fresnel lenses and a photogenerating panel with dimensions of 24 cm × 24 cm. The Fresnel lens matrix includes 16 lenses (4 lenses × 4 lenses). The thickness of the Fresnel lens panel was 1 mm. The thickness of the aluminum base is 1 mm. The diameter of the stands with hinges is 3 mm, the height of the stepper motors is 9 mm. The thickness of the module in the folded (transport) state is 9 mm. The thickness of the module in working condition is 120 mm. Thus, the developed module design when folded has a volume ~13 times less than the volume of the module in operating condition, which provides significant (more than 10 times) savings in space on the spacecraft required to transport the module into orbit.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2812093C1 true RU2812093C1 (en) | 2024-01-22 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6075200A (en) * | 1999-06-30 | 2000-06-13 | Entech, Inc. | Stretched Fresnel lens solar concentrator for space power |
| US6111190A (en) * | 1998-03-18 | 2000-08-29 | Entech, Inc. | Inflatable fresnel lens solar concentrator for space power |
| RU2381426C2 (en) * | 2007-10-25 | 2010-02-10 | Открытое акционерное общество Завод "Красное знамя" | Turning device for solar power module |
| WO2015191581A1 (en) * | 2014-06-09 | 2015-12-17 | Light Prescriptions Innovators, Llc | Compound köhler solar concentrator with optional spectrum splitting photovoltaic apparatus |
| RU2773805C1 (en) * | 2021-10-25 | 2022-06-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Concentrator solar panel |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6111190A (en) * | 1998-03-18 | 2000-08-29 | Entech, Inc. | Inflatable fresnel lens solar concentrator for space power |
| US6075200A (en) * | 1999-06-30 | 2000-06-13 | Entech, Inc. | Stretched Fresnel lens solar concentrator for space power |
| RU2381426C2 (en) * | 2007-10-25 | 2010-02-10 | Открытое акционерное общество Завод "Красное знамя" | Turning device for solar power module |
| WO2015191581A1 (en) * | 2014-06-09 | 2015-12-17 | Light Prescriptions Innovators, Llc | Compound köhler solar concentrator with optional spectrum splitting photovoltaic apparatus |
| RU2773805C1 (en) * | 2021-10-25 | 2022-06-09 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Concentrator solar panel |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8000018B2 (en) | Köhler concentrator | |
| EP2078309B1 (en) | Curved focal plane receiver for concentrating light in a photovoltaic system | |
| ES2340562B2 (en) | SOLAR GROUND SET. | |
| US7622666B2 (en) | Photovoltaic concentrator modules and systems having a heat dissipating element located within a volume in which light rays converge from an optical concentrating element towards a photovoltaic receiver | |
| CA2783457C (en) | Concentrated photovoltaic and thermal system | |
| ES2538815T3 (en) | Photovoltaic solar panel concentration | |
| US8664514B2 (en) | Multiplexing solar light chamber | |
| US9236516B2 (en) | Solar energy collector apparatus | |
| MX2010012356A (en) | Photovoltaic generator with a spherical imaging lens for use with a paraboloidal solar reflector. | |
| WO2000034124A1 (en) | Method and apparatus for improved solar concentrator arrays | |
| US20100154866A1 (en) | Hybrid solar power system | |
| US9660122B2 (en) | Compact LCPV solar electric generator | |
| US20100307586A1 (en) | Reflective free-form kohler concentrator | |
| US20110120539A1 (en) | On-window solar-cell heat-spreader | |
| WO2008039509A2 (en) | Optical concentrators having one or more line foci and related methods | |
| RU2812093C1 (en) | Photovoltaic module with radiation concentrator | |
| RU2818993C1 (en) | Photoelectric concentrator module | |
| ES2831649T3 (en) | Low cost focusing system allowing high concentrations | |
| RU2805279C1 (en) | Solar concentrator battery | |
| RU2740437C1 (en) | Concentrator solar power plant | |
| RU2773805C1 (en) | Concentrator solar panel | |
| RU2817554C1 (en) | Solar photovoltaic module with radiation concentrator | |
| Stalcup et al. | On-grid performance of REhnu’s 8-mirror CPV-T tracker | |
| Hernández et al. | The XR nonimaging photovoltaic concentrator | |
| US20200185557A1 (en) | Device for harvesting sunlight |