RU2817554C1

RU2817554C1 - Solar photovoltaic module with radiation concentrator

Info

Publication number: RU2817554C1
Application number: RU2023111595A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Михайлович Андреев; Дмитрий Андреевич Малевский; Николай Юрьевич Давидюк
Filing date: 2023-05-03
Publication date: 2024-04-16

Abstract

FIELD: cosmonautics.

SUBSTANCE: invention relates to solar power engineering, in particular to solar power systems intended for generation of electric power in outer space. Solar photovoltaic module with radiation concentrator includes a panel of Fresnel lenses and a flat heat release base, connected by two pairs of telescopic posts inclined to the flat base, installed on opposite ends of the flat base. Each telescopic post comprises a tube plugged on one end and a rod coaxial with the tube, spring-loaded in the tube by a cylindrical compression spring and made with possibility of reciprocal movement along the tube. Ends of rods located in tubes are equipped with pins entering longitudinal slots of tubes. Ends of rods located outside the tubes are fixed in pairs at the centres of opposite ends of the flat base by means of the first cylindrical hinges. To the plugged ends of the tubes of the telescopic posts rollers are attached by means of the second cylindrical hinges, resting against upper ends of rectangular resilient side walls attached to opposite ends of flat base.

EFFECT: module provides its folding on Earth in transport condition during module delivery from Earth to space and opening of module in working condition on space orbit and at the same time has increased efficiency factor.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к солнечной энергетике, в частности, к солнечным энергетическим системам, предназначенным для выработки электроэнергии в космическом пространстве. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения является одним из наиболее эффективных методов 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.The invention relates to solar energy, in particular, to solar energy systems designed to generate electricity in outer space. Photoelectric conversion of concentrated solar radiation is one of the most effective methods 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.

Известна солнечная фотоэлектрическая матрица с концентраторами излучения (см. US 20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубл. 27.01.2011), содержащая несущую конструкцию космического аппарата, на которой закреплены фотоэлектрические модули 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 конструкция.A solar photovoltaic matrix with radiation concentrators is known (see US 20110017875, IPC B64G 1/44, HOIL 31/042, published on January 27, 2011), containing a supporting structure of a spacecraft on which photovoltaic modules with radiation concentrators are mounted, including many Fresnel reflectors directing light onto a panel of photovoltaic cells thermally connected to a central supporting structure via a heat pipe radiator. The heat pipe ensures the transfer of heat from the panel of photovoltaic elements and its dissipation on the heat pipe radiator and elements of the supporting structure.

Недостатком известной солнечной фотоэлектрической матрицы является низкий удельный энергосъем из-за отсутствия системы слежения за Солнцем фотоэлектрической матрицы.A disadvantage of the known solar photovoltaic array is the low specific energy consumption due to the lack of a solar tracking system for the photovoltaic array.

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 фотоэлектрический преобразователь (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, выполненного в виде линейки из коммутированных ФЭП и расположенного под углом к миделю концентратора. Изобретение обеспечивает работу фотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерное освещение ФЭП, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения 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 photoelectric converter (PVC) located in the focal region with a 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, 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 at high concentrations and uniform illumination of the solar cell, obtaining a technically acceptable voltage on one solar cell and increasing the conversion efficiency.

Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля является необходимость организации теплоотвода путем циркуляции теплоносителя, а также малая компактность модуля при отсутствии конструкции складывания модуля для его транспортировки в космос, что ведет к увеличению массово-габаритных параметров модуля при его запуске для базирования на космическом летательном аппарате.The disadvantage of the known solar photovoltaic module is the need to organize heat removal by circulation of the coolant, as well as the small compactness of the module in the absence of a folding design for the module for its transportation into space, which leads to an increase in the mass-dimensional parameters of the module when it is launched for deployment on a spacecraft.

Известен складной солнечный фотоэлектрический модуль с двусторонними фотоэлементами (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 двусторонних 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 p-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 solar photovoltaic module with double-sided photocells 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 double-sided solar cells, and its profile provides illumination of one or two receiving surfaces of 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 солнечный 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, которая может быть заполнена 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 служить отводом тепла. Перед развертыванием спущенную гибкую линзу Френеля и боковины складывают на задней поверхности с образованием плоской малообъемной упаковки для эффективного запуска в космос.A known solar photovoltaic module with a radiation concentrator (see US 6111190, IPC H01L 31/045, IPC H01L 31/052, B64G 1/44, F24J 2/36, B64G 1/50, publ. 08.29.2000) based on an inflatable lens Fresnel. The module consists of a flexible Fresnel lens, flexible side walls and a rear surface that together enclose 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 back surface can serve as a heat sink. Before deployment, 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.

Солнечный фотоэлектрический концентраторный модуль с концентратором излучения с использованием надувной линзы Френеля обеспечивает уменьшение массы и объема модуля перед его запуском в космос. Существенным недостатком известного надувного концентраторного модуля является низкий коэффициент полезного действия (КПД) вследствие низкого оптического КПД надувной линзы Френеля.A solar photovoltaic concentrator module with a radiation concentrator using an inflatable Fresnel lens reduces the mass and volume of the module before launching it into space. A significant disadvantage of the known inflatable concentrator module is the low coefficient of performance (efficiency) due to the low optical efficiency of the inflatable Fresnel lens.

Известен солнечный 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 линзу Френеля, выполненную с возможностью фокусирования солнечного света в фокальную область, по меньшей мере один ФЭП, 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 солнечного фотоэлемента, 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 линзе Френеля в направлении, по существу параллельном фокальной линии.A solar 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 Fresnel lens configured to focus sunlight into the focal region, at least one solar cell 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 the rectangular Fresnel lens on a flat base; deployable support means for positioning the Fresnel lens in an appropriate position relative to the solar photovoltaic cell, 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 said Fresnel lens in a direction, essentially 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 такого солнечного фотоэлектрического модуля с концентратором излучения, который бы имел увеличенный КПД.The objective of this technical solution is to develop a solar photovoltaic module with a radiation concentrator that would have increased efficiency.

Поставленная задача решается тем, что солнечный фотоэлектрический модуль с концентратором излучения включает по меньшей мере одну прямоугольную линзу Френеля, выполненную с возможностью фокусирования солнечного света в фокальную область, по меньшей мере один солнечный фотоэлемент, 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 солнечного фотоэлемента, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического модуля в процессе запуска и его развертывания на орбите. Новым является то, что линза Френеля выполнена в виде плоской панели, установленной параллельно плоскому основанию, развертываемые опорные средства, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического модуля в процессе запуска и развертывания на орбите выполнены в виде двух пар наклоненных к плоскому основанию телескопических стоек, установленных на противоположных торцах плоского основания, каждая телескопическая стойка содержит заглушенную с одного торца трубку и соосный с трубкой стержень, подпружиненный в трубке цилиндрической пружиной сжатия и выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль трубки, концы стержней, расположенные в трубках, снабжены шпильками, входящими в продольные прорези трубок, а концы стержней, расположенные вне трубок, закреплены попарно на серединах противоположных торцов плоского основания посредством первых цилиндрических шарниров, общих для каждой пары стержней, к заглушенным торцам трубок телескопических стоек прикреплены посредством вторых цилиндрических шарниров ролики, упирающиеся в снабженные фиксаторами крайнего положения роликов верхние концы прямоугольных упругих боковых стенок, прикрепленных к противоположным торцам плоского основания, при этом высота боковых стенок установлена равной сумме фокусного расстояния F линзы Френеля и толщины D плоского основания, а оси всех цилиндрических шарниров параллельны друг другу и боковым стенкам.The problem is solved in that a solar photovoltaic module with a radiation concentrator includes at least one rectangular Fresnel lens configured to focus sunlight into the focal region, at least one solar photocell located in the focal region on a flat heat-dissipating base made with a length and a 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 solar photocell, including mechanical means for compact placement of the photovoltaic module during the launch process and its deployment in orbit. What is new is that the Fresnel lens is made in the form of a flat panel installed parallel to the flat base; deployable support means, including mechanical means for compact placement of the photovoltaic module during launch and deployment in orbit, are made in the form of two pairs of telescopic stands inclined to the flat base, installed on opposite ends of the flat base, each telescopic stand contains a tube plugged at one end and a rod coaxial with the tube, spring-loaded in the tube by a cylindrical compression spring and configured to move reciprocatingly along the tube; the ends of the rods located in the tubes are equipped with pins that fit into longitudinal slots of the tubes, and the ends of the rods, located outside the tubes, are fixed in pairs at the middles of the opposite ends of the flat base by means of the first cylindrical hinges common to each pair of rods; rollers are attached to the plugged ends of the tubes of the telescopic stands by means of the second cylindrical hinges, resting against the end position clamps provided rollers, the upper ends of rectangular elastic side walls attached to opposite ends of the flat base, while the height of the side walls is set equal to the sum of the focal length F of the Fresnel lens and the thickness D of the flat base, and the axes of all cylindrical hinges are parallel to each other and the side walls.

Фиксаторы могут быть выполнены прямоугольными, длиной, равной сумме диаметра ролика и толщины боковой стенки, и шириной, равной диаметру трубки телескопической стойки.The clamps can be made rectangular, with a length equal to the sum of the roller diameter and the thickness of the side wall, and a width equal to the diameter of the telescopic stand tube.

Выполненные в трубках телескопических стоек продольные прорези могут быть длиной h, равной где b - диаметр шпилек, R - длина плоского основания модуля, причем расстояние края каждой прорези до заглушенного торца трубки, может быть равным длине пружины в полностью сжатом состоянии.The longitudinal slots made in the tubes of the telescopic posts can have a length h equal to where b is the diameter of the studs, R is the length of the flat base of the module, and the distance of the edge of each slot to the plugged end of the tube can be equal to the length of the spring in a fully compressed state.

Цилиндрические пружины и боковые стенки могут быть выполнены из пружинного легкого сплава.Coil springs and side walls can be made of spring light alloy.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является созданный солнечный фотоэлектрический модуль с линзами Френеля складного типа, обеспечивающий уменьшение объема модуля в сложенном транспортном состоянии в 10-20 раз по сравнению с объемом модуля в раскрытом рабочем состоянии на космическом аппарате. При этом обеспечивается увеличение КПД при использовании линз Френеля с точечным фокусом по сравнению с КПД модулей с линейными линзами Френеля, реализованными в прототипе.The technical result provided by the above set of features is the created solar photovoltaic module with folding Fresnel lenses, which reduces the volume of the module in the folded transport state by 10-20 times compared to the volume of the module in the open operating state on the spacecraft. This ensures an increase in efficiency when using Fresnel lenses with a point focus compared to the efficiency of modules with linear Fresnel lenses implemented in the prototype.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The essence of the invention is illustrated by drawings, which show:

На фиг. 1 показана в разрезе конструкция модуля в раскрытом рабочем состоянии при эксплуатации на космическом аппарате, где: 1 - плоская панель из двух линз 2, 3 Френеля; 4, 5 - солнечные фотоэлементы в фокусах линз 2, 3 Френеля; 6 - плоское теплосбрасывающее основание модуля; 7 - фронтальная поверхность линз 2, 3 Френеля; 8, 9 - трубки наклонных телескопических стоек, соединяющих панель 1 линз 2, 3 Френеля и плоское основание 6 модуля; 10, 11 - стержни наклонных телескопических стоек, входящие в трубки 8, 9 с возможностью безлюфтового возвратно-поступательного движения внутри трубок 8, 9; 12 - первый цилиндрический шарнир для крепежа стержней 10, 11; 13, 14 - цилиндрические пружины, прикрепленные одним концом к торцам стержней 10, 11; 15, 16 - заглушки трубок 8, 9 с прикрепленными к ним другими концами пружин 13, 14; 17, 18 - ролики, прикрепленные к заглушкам 15, 16; 19, 20 - вторые цилиндрические шарниры, прикрепленные к панели 1 линз 2, 3 Френеля и к заглушкам 15, 16; 21, 22 - боковые стенки, прилегающие своими концами к роликам 17, 18; 23, 24 - концы боковых стенок 21, 22 (участки боковых стенок для крепления к плоскому основанию 6 модуля); 25, 26 - фиксаторы - ограничители положения роликов 17, 18 при раскрытии модуля на космической орбите; 27 - толщина боковой стенки; 28, 29 - шпильки, прикрепленные соответственно к концам стержней 10, 11 и входящие в прорези 30, 31 в трубках 8, 9.In fig. Figure 1 shows a sectional view of the module design in an open operating state during operation on a spacecraft, where: 1 - a flat panel of two Fresnel lenses 2, 3; 4, 5 - solar photocells at the foci of Fresnel lenses 2, 3; 6 - flat heat-dissipating base of the module; 7 - front surface of lenses 2, 3 Fresnel; 8, 9 - tubes of inclined telescopic stands connecting the panel 1 of the Fresnel lenses 2, 3 and the flat base 6 of the module; 10, 11 - rods of inclined telescopic stands included in tubes 8, 9 with the possibility of play-free reciprocating movement inside tubes 8, 9; 12 - first cylindrical hinge for fastening rods 10, 11; 13, 14 - cylindrical springs, attached at one end to the ends of the rods 10, 11; 15, 16 - plugs of tubes 8, 9 with other ends of springs 13, 14 attached to them; 17, 18 - rollers attached to plugs 15, 16; 19, 20 - second cylindrical hinges attached to panel 1 of Fresnel lenses 2, 3 and to plugs 15, 16; 21, 22 - side walls adjacent with their ends to the rollers 17, 18; 23, 24 - ends of the side walls 21, 22 (sections of the side walls for fastening to the flat base of the 6 module); 25, 26 - clamps - position limiters of rollers 17, 18 when opening the module in space orbit; 27 - side wall thickness; 28, 29 - pins, respectively attached to the ends of the rods 10, 11 and included in the slots 30, 31 in the tubes 8, 9.

На фиг. 2 приведена конструкция модуля по сечению А-А на фиг. 1, где: 4, 5 - солнечные фотоэлементы; 8, 9, 32, 33 - трубки наклонных телескопических стоек; 10, 11, 34, 35 - стержни наклонных телескопических стоек; 12, 36 - первые цилиндрические шарниры; 17, 18, 39, 40 - ролики; 21, 22 - боковые стенки.In fig. Figure 2 shows the design of the module along section A-A in Fig. 1, where: 4, 5 - solar photocells; 8, 9, 32, 33 - tubes of inclined telescopic stands; 10, 11, 34, 35 - rods of inclined telescopic stands; 12, 36 - first cylindrical hinges; 17, 18, 39, 40 - rollers; 21, 22 - side walls.

На фиг. 3 показан вид сверху на конструкцию модуля, где: 4, 5 - солнечные фотоэлементы; 8, 9, 32, 33 - трубки; 10, 11, 34, 35 - стержни; 12, 36 - первые цилиндрические шарниры; 25, 26, 41, 42 - фиксаторы.In fig. Figure 3 shows a top view of the module design, where: 4, 5 - solar photocells; 8, 9, 32, 33 - tubes; 10, 11, 34, 35 - rods; 12, 36 - first cylindrical hinges; 25, 26, 41, 42 - clamps.

На фиг. 4 приведена конструкция фотоэлектрического модуля по сечению В-В на фиг. 2 в закрытом транспортном состоянии, закрепленного на корпусе 44 космического корабля (или на специальной платформе солнечной батареи) и прикрытого защитным кожухом 45, удаляемым на орбите перед началом работы солнечного фотоэлектрического модуля.In fig. Figure 4 shows the design of the photovoltaic module along the section B-B in FIG. 2 in a closed transport state, mounted on the spacecraft body 44 (or on a special solar battery platform) and covered with a protective casing 45, which is removed in orbit before the solar photovoltaic module starts operating.

Солнечный фотоэлектрический модуль с концентраторами излучения включает плоскую прямоугольную панель 1 (см. фиг. 1) линз 2, 3 Френеля, солнечные фотоэлементы 4, 5, установленные в фокусах линз 2, 3 Френеля на плоском прямоугольном теплосбрасывающем основании 6, выполненном с длиной и шириной равными размерам панели 1 линз 2, 3 Френеля и установленном параллельно фронтальной поверхности 7 панели 1 линз 2, 3 Френеля с помощью четырех наклоненных к основанию 6 телескопических стоек. Прямоугольная конструкция модуля обладает жесткостью, необходимой для постоянного нахождения фотоэлементов 4, 5 в фокальном солнечном пятне соответственно линз 2, 3 Френеля при использовании системы ориентации модулей на Солнце. Каждая из телескопических стоек содержит заглушенную с одного торца соответственно трубку 8, 9 (см. фиг. 1) и 32, 33 (см. фиг. 2, фиг. 3) и соответственно соосный подвижный стержень 10, 11 (см. фиг. 1) и 34, 35 (см. фиг. 2, фиг. 3), например, круглого сечения с диаметром, например, меньшим внутреннего диаметра трубки на 0.1-0.2 мм, выполненному с возможностью безлюфтового возвратно-поступательного перемещения вдоль соответственно трубки 8, 9, 32, 33 посредством трения скольжения. Возвратно-поступательное безлюфтовое движение стержней 10, 11, 34, 35 в соответственно трубках 8, 9, 32, 33 обеспечивается при превышении на 0.1-0.2 мм внутреннего диаметра трубок над внешним диаметром входящих в трубки стержней при оптимальных длинах трубок 8, 9, 32, 33 в модулях, составляющих 3-10 см, при внутреннем диаметре трубок 8, 9, 32, 33 в диапазоне 2-5 мм, учитывая, что минимальные размеры а твердых частиц, входящих в состав разработанных для использования в космосе масел составляют 0.03-0.05 мм. При длине трубок 8, 9, 32, 33 порядка 3-5 см и сверхточной полировке деталей разница диаметров (Δd) может быть Δd=0.1-0.15 мм. При увеличении длины трубок 8, 9, 32, 33 до ~ 10 см разница диаметров должна быть увеличена до Δd=0.2 мм. Один конец каждого стержня 10, 11 (см. фиг. 1) и 34, 35 (см. фиг. 2, фиг. 3), расположенный вне соответственно трубки 8, 9, 32, 33 попарно закреплен на двух первых цилиндрических шарнирах 12 (см. фиг. 1) и 36 (см. фиг. 2, фиг. 3), установленных на серединах противоположных торцов плоского основания 6 (см. фиг. 1), с осью 43 (см. фиг. 2, фиг. 3) вращения первых шарниров 12 (см. фиг. 1) и 36 (см. фиг. 2, фиг. 3), установленной параллельной плоскости основания 6 и перпендикулярной осям стержней 10, 11 (см. фиг. 1) и 34, 35 (см. фиг. 2, фиг. 3). Каждый из двух первых цилиндрических шарниров 12 (см. фиг. 1) и 36 (см. фиг. 2, фиг. 3) является общим для одной из двух пар стержней 10,11 (см. фиг. 1) и 34, 35 (см. фиг. 2, фиг. 3), а другие концы четырех стержней 10, 11 и 34, 35, расположенные внутри соответственно трубок 8,9, 32, 33, прикреплены своими торцами к концам соответственно цилиндрических пружин 13, 14 (см. фиг. 1), размещенных внутри соответственно трубок 8, 9, 32, 33 соосно с этими трубками, при этом другие концы каждой пружины 13, 14 прикреплены к внутренним торцам заглушек 15, 16 соответственно каждой трубки 8, 9, 32, 33. Такая «треугольная» опорная конструкция модуля является наиболее жесткой при возможности изменения расстояния заглушенных концов четырех трубок 8, 9, 32, 33 от основания 6 модуля от минимального расстояния при полностью сжатых пружинах 13, 14 до максимального, обеспечиваемого максимальным растяжением пружин 13, 14. На наружной стороне каждой заглушки 15, 16 установлены соответственно ролики 17, 18 (см. фиг. 1) и 39, 40 (см. фиг. 2, фиг. 3), прикрепленные с помощью четырех вторых цилиндрических шарниров 19, 20 к четырем углам линзовой панели 1, с осями вращения соответственно роликов 17, 18, 39, 40 параллельными осям упомянутых первых цилиндрических шарниров 12, 36, а каждый ролик 17, 18, 39, 40 установлен прилегающим к концам двух прямоугольных боковых стенок 21, 22 (см. фиг. 1), прикрепленных другими концами 23, 24 к двум торцам плоского основания 6 параллельно оси 43 (см. фиг. 2, фиг. 3) шарниров 12, 36 и перпендикулярно плоскости основания 6, при этом высота боковых стенок 21,22 установлена равной сумме фокусного расстояния F линз 2, 3 Френеля и толщины D основания 6. Такое конструктивное выполнение модуля обеспечивает перемещение линзовой панели 1 в направлении, перпендикулярном плоскости основания 6, осуществляемое разжимающимися пружинами 13, 14 с помощью роликов 17, 18, 39, 40, прикрепленным к заглушкам 15, 16 и к четырем углам линзовой панели 1. Длина боковых стенок 21, 22, установленная равной сумме фокусного расстояния F и толщины D основания 6, обеспечивает фиксацию расстояния линзовой панели 1 до основания 6, равного фокусному расстоянию линз 2, 3 Френеля, что обеспечивает, в свою очередь, фиксацию солнечных элементов в фокусах линз Френеля. На торцах прилегающих к роликам 17, 18, 39, 40 стенок 21, 22 (см. фиг. 1) перпендикулярно к стенкам прикреплены четыре фиксатора 25, 26 (см. фиг. 1) и 41, 42 (см. фиг. 3) крайнего положения роликов 17, 18, 39, 40 с длиной каждого фиксатора, равной, предпочтительно, сумме диаметра роликов 17, 18, 39, 40 и толщины 27 боковых стенок 21, 22. Фиксаторы 25, 26, 41, 42, прикрепленные к краям стенок 21, 22, обеспечивают ограничение крайнего положения роликов 17, 18, 39, 40 и прикрепленной к роликам линзовой панели 1. Фиксаторы 25, 26, 41, 42 могут быть выполнены прямоугольными. Длина каждого фиксатора 25, 26, 41, 42, установленная равной сумме диаметра прилегающего к нему ролика и толщины боковых стенок 21, 22, обеспечивает надежное прикрепление фиксаторов 25, 26, 41, 42 к торцам стенок 21, 22 и надежное зацепление роликов 17, 18, 39,40 и фиксаторов 25, 26, 41, 42. При этом ширина фиксаторов 25, 26, 41, 42 может быть установлена равной диаметру трубок 8, 9, 32, 33, что обеспечивает надежную фиксацию крайнего положения роликов 17, 18, 39, 40 и максимальную компактность укладки фиксаторов 25, 26, 41, 42 в сложенном транспортном состоянии модуля (см. фиг. 3 - фиг. 4). На расположенных в трубках 8, 9, 32, 33 концах соответственно стержней 10, 11, 34, 35 перпендикулярно к ним установлены шпильки 28, 29 (см. фиг. 1), входящие в выполненные в трубках 8, 9, 32, 33 соответственно продольные прорези 30, 31 предпочтительно с длиной h прорезей, равной где b - диаметр шпилек, R - длина основания 6 модуля, причем расстояние края каждой прорези 30, 31 соответственно до заглушки 15, 16, ближайшей к этой прорези, установлено равным длине цилиндрических пружин 13, 14 в полностью сжатом состоянии, при этом цилиндрические пружины 13, 14 и боковые стенки 21, 22 выполнены из пружинного легкого сплава. Назначением шпилек 28, 29, входящих в прорези в трубках 8, 9, 32, 33, является дополнительная фиксация крайнего положения роликов 17,18, 39, 40 и панели 1 линз 2, 3 Френеля в раскрытом рабочем состоянии модуля. Длина h прорезей 30, 31 при этом должна быть равна разнице длины W₁ наклонных телескопических стоек в раздвинутым состоянии и длины W₂ телескопических стоек в сдвинутом транспортном состоянии. Длина телескопических стоек W₁ в раздвинутом состоянии модуля равна Телескопические стойки в раздвинутом состоянии являются гипотенузами прямоугольных треугольников с катетами, равными фокусному расстоянию F и половины длины R основания. Таким образом, длина W₁ телескопических стоек в раздвинутом состоянии модуля равна Длина телескопических стоек в закрытом состоянии равна W₂=R/2. Длина прорезей с учетом диаметра шпилек b равна Выполнение пружин и боковых стенок модуля из легкого пружинного сплава обеспечивает минимально возможный вес модуля при обеспечении 100%-ной надежности раскрытия модуля в космосе. В качестве такого материала могут быть использованы пружинные сплавы на основе магния, алюминия, титана и других материалов с малым удельным весом.A solar photovoltaic module with radiation concentrators includes a flat rectangular panel 1 (see Fig. 1) of Fresnel lenses 2, 3, solar photocells 4, 5 installed at the foci of Fresnel lenses 2, 3 on a flat rectangular heat-dissipating base 6, made with a length and width equal to the dimensions of the panel 1 of the lenses 2, 3 Fresnel and installed parallel to the front surface 7 of the panel 1 of the lenses 2, 3 Fresnel using four telescopic racks inclined to the base 6. The rectangular design of the module has the rigidity necessary for the constant presence of photocells 4, 5 in the focal sun spot, respectively, of Fresnel lenses 2, 3 when using a system for orienting the modules to the Sun. Each of the telescopic stands contains a tube 8, 9 (see Fig. 1) and 32, 33 (see Fig. 2, Fig. 3) plugged at one end, respectively, and a coaxial movable rod 10, 11 (see Fig. 1) ) and 34, 35 (see Fig. 2, Fig. 3), for example, of a circular cross-section with a diameter, for example, 0.1-0.2 mm smaller than the internal diameter of the tube, designed with the possibility of backlash-free reciprocating movement along the corresponding tube 8, 9 , 32, 33 through sliding friction. Reciprocating backlash-free movement of rods 10, 11, 34, 35 in tubes 8, 9, 32, 33, respectively, is ensured when the internal diameter of the tubes exceeds the outer diameter of the rods entering the tubes by 0.1-0.2 mm at optimal tube lengths 8, 9, 32 , 33 in modules of 3-10 cm, with an internal diameter of tubes 8, 9, 32, 33 in the range of 2-5 mm, taking into account that the minimum dimensions a of solid particles included in oils developed for use in space are 0.03- 0.05 mm. With tube lengths 8, 9, 32, 33 of the order of 3-5 cm and ultra-precise polishing of the parts, the difference in diameters (Δd) can be Δd=0.1-0.15 mm. When increasing the length of tubes 8, 9, 32, 33 to ~ 10 cm, the difference in diameters should be increased to Δd=0.2 mm. One end of each rod 10, 11 (see Fig. 1) and 34, 35 (see Fig. 2, Fig. 3), located outside the tubes 8, 9, 32, 33, respectively, is fixed in pairs on the first two cylindrical hinges 12 ( see Fig. 1) and 36 (see Fig. 2, Fig. 3), installed in the middle of the opposite ends of the flat base 6 (see Fig. 1), with an axis 43 (see Fig. 2, Fig. 3) rotation of the first hinges 12 (see Fig. 1) and 36 (see Fig. 2, Fig. 3), installed parallel to the plane of the base 6 and perpendicular to the axes of the rods 10, 11 (see Fig. 1) and 34, 35 (see . Fig. 2, Fig. 3). Each of the first two cylindrical hinges 12 (see Fig. 1) and 36 (see Fig. 2, Fig. 3) is common to one of the two pairs of rods 10,11 (see Fig. 1) and 34, 35 ( see Fig. 2, Fig. 3), and the other ends of the four rods 10, 11 and 34, 35, located inside the tubes 8,9, 32, 33, respectively, are attached with their ends to the ends of the cylindrical springs 13, 14, respectively (see Fig. Fig. 1), placed inside the tubes 8, 9, 32, 33 respectively, coaxially with these tubes, while the other ends of each spring 13, 14 are attached to the inner ends of the plugs 15, 16, respectively, of each tube 8, 9, 32, 33. The “triangular” support structure of the module is the most rigid when it is possible to change the distance of the plugged ends of the four tubes 8, 9, 32, 33 from the base 6 of the module from the minimum distance with fully compressed springs 13, 14 to the maximum, provided by the maximum stretching of the springs 13, 14. On the outside of each plug 15, 16, rollers 17, 18 are installed, respectively (see Fig. fig. 1) and 39, 40 (see Fig. 2, Fig. 3), attached by means of four second cylindrical hinges 19, 20 to the four corners of the lens panel 1, with the axes of rotation of the rollers 17, 18, 39, 40 parallel to the axes mentioned the first cylindrical hinges 12, 36, and each roller 17, 18, 39, 40 is installed adjacent to the ends of two rectangular side walls 21, 22 (see Fig. 1), attached by the other ends 23, 24 to the two ends of the flat base 6 parallel to the axis 43 (see Fig. 2, Fig. 3) hinges 12, 36 and perpendicular to the plane of the base 6, while the height of the side walls 21,22 is set equal to the sum of the focal length F of the Fresnel lenses 2, 3 and the thickness D of the base 6. Such a design The module ensures movement of the lens panel 1 in the direction perpendicular to the plane of the base 6, carried out by expanding springs 13, 14 using rollers 17, 18, 39, 40 attached to the plugs 15, 16 and to the four corners of the lens panel 1. The length of the side walls 21, 22, set equal to the sum of the focal length F and the thickness D of the base 6, ensures that the distance of the lens panel 1 to the base 6 is fixed, equal to the focal length of the Fresnel lenses 2, 3, which in turn ensures the fixation of solar cells at the foci of the Fresnel lenses. At the ends of the walls 21, 22 (see Fig. 1) adjacent to the rollers 17, 18, 39, 40, four clamps 25, 26 (see Fig. 1) and 41, 42 (see Fig. 3) are attached perpendicular to the walls. extreme position of the rollers 17, 18, 39, 40 with the length of each clamp equal, preferably, to the sum of the diameter of the rollers 17, 18, 39, 40 and the thickness 27 of the side walls 21, 22. Clamps 25, 26, 41, 42 attached to the edges walls 21, 22, provide limitation of the extreme position of the rollers 17, 18, 39, 40 and the lens panel 1 attached to the rollers. The latches 25, 26, 41, 42 can be made rectangular. The length of each clamp 25, 26, 41, 42, set equal to the sum of the diameter of the adjacent roller and the thickness of the side walls 21, 22, ensures reliable attachment of the clamps 25, 26, 41, 42 to the ends of the walls 21, 22 and reliable engagement of the rollers 17, 18, 39,40 and clamps 25, 26, 41, 42. In this case, the width of clamps 25, 26, 41, 42 can be set equal to the diameter of tubes 8, 9, 32, 33, which ensures reliable fixation of the extreme position of rollers 17, 18 , 39, 40 and maximum compactness of the placement of clamps 25, 26, 41, 42 in the folded transport state of the module (see Fig. 3 - Fig. 4). At the ends of the rods 10, 11, 34, 35 located in the tubes 8, 9, 32, 33, respectively, studs 28, 29 are installed perpendicular to them (see Fig. 1), included in the tubes 8, 9, 32, 33, respectively. longitudinal slots 30, 31 preferably with a slot length h equal to where b is the diameter of the studs, R is the length of the base 6 of the module, and the distance of the edge of each slot 30, 31, respectively, to the plug 15, 16, closest to this slot, is set equal to the length of the coil springs 13, 14 in a fully compressed state, while the coil springs 13, 14 and side walls 21, 22 are made of spring light alloy. The purpose of the pins 28, 29, included in the slots in the tubes 8, 9, 32, 33, is to additionally secure the extreme position of the rollers 17,18, 39, 40 and the panel 1 of the Fresnel lenses 2, 3 in the open operating state of the module. The length h of the slots 30, 31 should be equal to the difference between the length W ₁ of the inclined telescopic posts in the extended state and the length W ₂ of the telescopic posts in the shifted transport state. The length of the telescopic racks W ₁ in the extended state of the module is equal to Telescopic stands in the extended state are the hypotenuses of right triangles with legs equal to the focal length F and half the length R of the base. Thus, the length W ₁ of the telescopic stands in the extended state of the module is equal to The length of the telescopic posts in the closed state is W ₂ =R/2. The length of the slots, taking into account the diameter of the studs b, is equal to Making the springs and side walls of the module from a light spring alloy ensures the minimum possible weight of the module while ensuring 100% reliability of deployment of the module in space. Spring alloys based on magnesium, aluminum, titanium and other materials with low specific gravity can be used as such material.

Работает солнечный фотоэлектрический модуль следующим образом.The solar photovoltaic module works as follows.

В закрытом (транспортном) состоянии (см. фиг. 4) боковые стенки 21, 22 находятся в сложенном положении, прилегая к плоской поверхности панели 1 линз 2, 3 Френеля. Наклонные стойки, включающие трубки 8, 9, 32, 33 и входящие в трубки стержни 10, 11, 34, 35 также находятся в состоянии, близком к горизонтальному. При этом пружины 13, 14 находятся в полностью сжатом состоянии. Суммарная толщина конструкции модуля в закрытом состоянии складывается из суммы толщин боковой стенки 21, панели 1 линз 2, 3 Френеля, диаметра трубок 8, 9, 32, 33 и основания 6. При длине модуля ~ 25 см и фокусном расстоянии линз 2, 3 Френеля в диапазоне 10-25 см толщина сложенного модуля может составлять ~ 1 см. На Земле перед запуском космического аппарата на орбиту модуль крепится своим основанием 6 на корпусе 44 (см. фиг. 4) космического корабля или на специальной платформе, предназначенной для размещения на ней солнечной батареи на основе нескольких модулей. Со стороны панели 1 линз 2, 3 Френеля, прикрытой сложенными боковыми стенками 21, 22, модуль прикрыт защитным кожухом 45, одновременно выполняющим функцию фиксации сложенного состояния модуля, препятствуя преждевременному раскрытию модуля до вывода космического аппарата на орбиту. После приведения космического аппарата в рабочее положение на орбите, защитный кожух 45 принудительно отделяется от аппарата. Это действие показано стрелками 46, 47. Например, кожух «отстреливается» или раскрывается (сдвигается), открывая модуль или сборку из модулей солнечной батареи. После отделения защитного кожуха боковые стенки 21, 22 приводятся в положение, перпендикулярное основанию 6 модуля (см. фиг. 1). Эту операцию осуществляют две силы: распрямление боковых стенок 21, 22, выполненных из пружинного материала и выталкивающее воздействие роликов 17, 18, 39, 40, обеспечиваемое растяжением пружин 13, 14, находящихся в сжатом положении в транспортном состоянии. После срабатывания пружинного механизма и выдвижения стержней 10, 11 и 34, 35 из соответственно трубок 8, 9, 32, 33 крайнее положение выдвижения стержней 10, 11 и 34, 35 из трубок 8, 9, 32, 33 фиксируется краями прорезей 30, 31 в трубках и шпильками 28, 29, прикрепленными к концам соответственно стержней 10, 11 и 34, 35 перпендикулярно к стержням 10, 11 и 34, 35 и вставленными в прорези 30, 31 в трубках 8, 9, 32, 33. Необходимую жесткость конструкции модуля обеспечивают четыре фиксатора 25, 26 и 41, 42 (см. фиг. 3), прикрепленные к краям боковых стенок 21, 22, прилегающим соответственно к роликам 17, 18, 39, 40.In the closed (transport) state (see Fig. 4), the side walls 21, 22 are in the folded position, adjacent to the flat surface of the panel 1 of the Fresnel lenses 2, 3. The inclined racks, including tubes 8, 9, 32, 33 and rods 10, 11, 34, 35 included in the tubes, are also in a state close to horizontal. In this case, the springs 13, 14 are in a fully compressed state. The total thickness of the module structure in the closed state is the sum of the thicknesses of the side wall 21, the panel 1 of the 2, 3 Fresnel lenses, the diameter of the tubes 8, 9, 32, 33 and the base 6. With a module length of ~ 25 cm and a focal length of 2, 3 Fresnel lenses in the range of 10-25 cm, the thickness of the folded module can be ~ 1 cm. On Earth, before launching the spacecraft into orbit, the module is mounted with its base 6 on the body 44 (see Fig. 4) of the spacecraft or on a special platform designed to be placed on it solar battery based on several modules. On the side of the panel 1 of Fresnel lenses 2, 3, covered by folded side walls 21, 22, the module is covered with a protective casing 45, which simultaneously performs the function of fixing the folded state of the module, preventing premature deployment of the module before the spacecraft is launched into orbit. After bringing the spacecraft into its operating position in orbit, the protective casing 45 is forcibly separated from the apparatus. This action is shown by arrows 46, 47. For example, the casing is “popped off” or opened (slides) to reveal a module or assembly of solar battery modules. After separating the protective casing, the side walls 21, 22 are brought into a position perpendicular to the base 6 of the module (see Fig. 1). This operation is carried out by two forces: the straightening of the side walls 21, 22, made of spring material, and the pushing action of the rollers 17, 18, 39, 40, provided by the stretching of the springs 13, 14, which are in a compressed position in the transport state. After the spring mechanism is activated and the rods 10, 11 and 34, 35 are extended from the tubes 8, 9, 32, 33, respectively, the extreme position of the extension of the rods 10, 11 and 34, 35 from the tubes 8, 9, 32, 33 is fixed by the edges of the slots 30, 31 in tubes and with pins 28, 29 attached to the ends of rods 10, 11 and 34, 35, respectively, perpendicular to rods 10, 11 and 34, 35 and inserted into slots 30, 31 in tubes 8, 9, 32, 33. Required structural rigidity The module is provided by four latches 25, 26 and 41, 42 (see Fig. 3), attached to the edges of the side walls 21, 22, respectively adjacent to the rollers 17, 18, 39, 40.

Пример. Был изготовлен складной солнечный фотоэлектрический модуль с концентраторами излучения на основе восьми линз Френеля с точечными фокальными пятнами и с размером линзовой панели 240 мм × 120 мм. Размер единичной линзы Френеля был 60 мм × 60 мм. Фокусное расстояние линз Френеля было равно F=132 мм. Толщина плоского основания модуля D=2 мм. Размер модуля в рабочем раскрытом состоянии был 242 мм × 130 мм × 134 мм. Размер модуля в сложенном транспортном состоянии составлял 242 мм × 130 мм × 12 мм. КПД модуля составил 32% под импульсным имитатором солнечного излучения, что соответствует наивысшим значениям КПД модулей с концентраторами солнечного излучения и с точечными фокусами линз Френеля. При этом объем модуля в сложенном состоянии в 11 раз меньше объема модуля в рабочем раскрытом состоянии, что обеспечивает значительную (в 11 раз) экономию места на транспортном космическом корабле, что, в свою очередь, обеспечивает существенное уменьшение стоимости доставки в космос солнечной батареи на основе разработанных складных концентраторных модулей.Example. A foldable solar photovoltaic module with radiation concentrators based on eight Fresnel lenses with point focal spots and a lens panel size of 240 mm × 120 mm was manufactured. The size of the unit Fresnel lens was 60 mm × 60 mm. The focal length of the Fresnel lenses was F=132 mm. The thickness of the flat base of the module is D=2 mm. The size of the module in the working open state was 242 mm × 130 mm × 134 mm. The size of the module in the folded transport state was 242 mm × 130 mm × 12 mm. The efficiency of the module was 32% under a pulsed solar radiation simulator, which corresponds to the highest efficiency values of modules with solar radiation concentrators and point foci of Fresnel lenses. At the same time, the volume of the module in the folded state is 11 times less than the volume of the module in the working open state, which provides significant (11 times) savings in space on the transport spacecraft, which, in turn, provides a significant reduction in the cost of delivering a solar battery based on developed folding concentrator modules.

Claims

1. A solar photovoltaic module with a radiation concentrator, including at least one rectangular Fresnel lens configured to focus sunlight into the focal region, at least one solar photocell 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 solar photocell, including mechanical means for compact placement of the photovoltaic module during launch and deployment in orbit, characterized in that the Fresnel lens is made in the form of a flat panel installed parallel to the flat base, deployable support means, including mechanical means for compact placement of the photovoltaic module during launch and deployment in orbit, are made in the form of two pairs of telescopic stands inclined to the flat base, installed on opposite ends of the flat base, each telescopic stand contains a tube plugged at one end and a rod coaxial with the tube, spring-loaded in the tube by a cylindrical compression spring and configured to move reciprocatingly along the tube, the ends of the rods located in the tubes are equipped with pins that fit into the longitudinal slots of the tubes, and the ends of the rods located outside the tubes, fixed in pairs at the middles of the opposite ends of the flat base by means of the first cylindrical hinges common to each pair of rods, rollers are attached to the plugged ends of the tubes of the telescopic stands by means of second cylindrical hinges, resting on the upper ends of the rectangular elastic side walls, equipped with locks for the extreme position of the rollers, attached to the opposite ends of the flat base, while the height of the side walls is set equal to the sum of the focal length F of the Fresnel lens and the thickness D of the flat base, and the axes of all cylindrical hinges are parallel to each other and the side walls.

2. The module according to claim 1, characterized in that the extreme position clamps of the rollers are made rectangular, with a length equal to the sum of the roller diameter and the thickness of the side wall, and a width equal to the diameter of the telescopic stand tube.

3. The module according to claim 1, characterized in that the longitudinal slots made in the tubes of the telescopic stand are made with a length equal to where b is the diameter of the studs, R is the length of the flat base of the module, and the distance from the edge of each slot to the plugged end of the tube can be equal to the length of the spring in a fully compressed state.

4. Module according to claim 1, characterized in that the coil springs and side walls are made of spring light alloy.