Геліоконцентратор

1. Геліоконцентратор, що містить ряди сонячних елементів, що чергуються з клиноподібними відбивачами, розташованими уздовж зазначених рядів, який відрізняється тим, що він містить щонайменше одну панель (1), що має стільникову комірчасту структуру, яка містить передній лицьовий лист (5), на якому встановлені зазначені відбивачі (3) і зазначені ряди сонячних елементів (2), задній лицьовий лист (6) і розташовану між ними стільникову комірчасту решітку (4). 2. Геліоконцентратор за п. 1, який відрізняється тим, що стільникові елементи зазначеної комірчастої решітки (4) мають чорне покриття. 3. Геліоконцентратор за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що щонайменше на частині поверхні зазначеної панелі (1) з комірчастою структурою стільникові елементи відкриті на зазначеному задньому лицьовому листі. 4. Геліоконцентратор за п. 3, який відрізняється тим, що задній лицьовий лист (6) має отвори (7) і зазначені відкриті елементи комірчастої решітки (4) знаходяться в зазначених отворах (7). 5. Геліоконцентратор за п. 3, який відрізняється тим, що зазначені отвори (7) щонайменше частково розташовані під рядами сонячних елементів (2). 6. Геліоконцентратор за п. 3, який відрізняється тим, що він містить додаткову решітку (8) із стільникової комірчастої структури, прикріплену до зазначеного заднього лицьового листа (6). 7. Геліоконцентратор за будь-яким із попередніх пунктів, який відрізняється тим, що щонайменше одна комірчаста решітка (4) виконана з алюмінію. 2 (19) 1 3 75363 4 17. Геліоконцентратор за пп. 1-15, який відрізня19. Геліоконцентратор за будь-яким з попередніх ється тим, що відбивачі (3) є такими, що розгорпунктів, який відрізняється тим, що він містить таються. щонайменше дві шарнірно з'єднані комірчасті па18. Геліоконцентратор за п. 17, який відрізняєтьнелі (SP1, SP2), що мають у складеному положенся тим, що в складеному положенні відбивачі (3) ні таку конфігурацію, що відбивачі (3) першої й не перекривають ряди сонячних елементів (2). другої панелей чергуються. Даний винахід стосується геліоконцентратора, зокрема - космічного геліоконцентратора, який використовується для формування сонячної панелі. На космічних літальних апаратах (КЛА) у якості первинного джерела енергії використовують, як правило, сонячні елементи, які розташовують і орієнтують таким чином, щоб вони сприймали сонячне випромінювання. На КЛА зі стабілізацією корпусу в просторі сонячні елементи розташовані звичайно, у вигляді ряду площин і розміщені на сонячних крилах, що відходять від протилежних сторін корпусу КЛА. Краще, щоб сонячні крила мали можливість повертатися, щоб підтримувати їх у максимально можливій степені перпендикулярно до сонячного випромінювання. Оскільки сонячні крила в розгорнутому положенні мають досить велику довжину, вони формуються, як правило, з безлічі планарних сонячних панелей, які з'єднані одна з одною або "гармошкою" (одномірне розгортання), або у вигляді "брущатки" (двомірне розгортання), для того щоб забезпечити можливість їхнього компактного укладання при запуску КЛА. Кількість сонячних елементів, установлених на КЛА, залежить від розрахункової потреби КЛА в енергії й коефіцієнта корисної дії сонячних елементів. Використання сонячних елементів із високим ККД дозволяє зменшити загальну кількість елементів, необхідних для даного конкретного КЛА, але вони надзвичайно дорогі. З огляду на те, що зі збільшенням кількості сонячних елементів зростає їхня вага і зв'язані з цим витрати, виникає велика зацікавленість у зменшенні кількості елементів, що підлягають установці на КЛА. Тому зусилля дослідників були спрямовані на те, щоб сконцентрувати сонячне випромінювання на сонячних елементах за допомогою застосування відбивних поверхонь, які розташовані поруч із сонячними панелями і зорієнтовані таким чином, що відбивають на ці елементи додаткове випромінювання. Завдяки цьому сонячне випромінювання, яке у противному випадку проходило б повз сонячне крило, так змінює напрямок, що знову попадає на сонячні елементи. Незважаючи на те, що ефективність дії сонячного елемента по перетворенню такого додаткового відбитого випромінювання в корисну енергію, як правило, менша, ніж у випадку прямо падаючого випромінювання (в основному через підвищення температури елемента і гострого кута падіння), концентрація сонячної енергії дозволяє значно зменшити кількість установлюваних на КЛА сонячних елементів і, відповідно, досягти економії у вазі й вартості КЛА. Для концентрації сонячного випромінювання пропонувалися як жорсткі, так і гнучкі відбивачі, при цьому перевагою других є їхня менша вага. Приклад конструкції гнучкого відбивача описаний у [патентах США №№ 6017002 і 6050526, а жорсткого - у патенті США №5520747]. Хоча такі відбиваючі конструкції і забезпечують концентрацію сонячного випромінювання, їхнє розміщення поруч із сонячною панеллю викликає ряд негативних явищ. Так, відбувається підвищення температури сонячного елемента і, отже, знижується ефективність перетворення енергії. Крім того, помилки наведення є причиною недостатньої рівномірності потоку на сонячну панель, а також ускладнюється керування енергетичною системою, що веде до зменшення виробленої електричної потужності панелі. У випадку з відбивачами, що розгортаються, положення цих відбивачів і їхнє розгортання добре сполучаються тільки з одномірною структурою панелей ("гармошкою") і погано - з їхнім двомірним розташуванням (у вигляді "брущатки"). Для відбивачів, описаних у патенті США 5520747, характерний інший недолік. Відбивачі складаються на тій стороні панелей, де знаходяться сонячні елементи. Відповідно, вони будуть перешкоджати використанню сонячних панелей повсякчас (наприклад, на перехідній орбіті), коли ці панелі знаходяться в прибраному положенні, заважаючи розгортанню відбивачів. Крім того, під загрозою може виявитися весь процес генерації енергії для КЛА у випадку збою під час розгортання відбивачів. Ще один спосіб концентрації за допомогою відбивачів полягає в розподілі невеликих відбивачів по сонячній панелі. Відбивачі по черзі укладають між рядами сонячних елементів, що дозволяє послабити дію вищезгаданих недоліків чи цілком усунути їх. Друга ознака даного винаходу стосується саме такої конфігурації. Деякі варіанти здійснення, що засновані на цьому геометричному принципі, описані також у документах US 6188012 і WO 00/79593 А1. Конструкція, описана в документі US 6188012, стосується тільки концентратора, що розгортається. Розгортання забезпечується тут завдяки пружинам декількох типів. Після розгортання пружина використовується для підтримки натягування відбивної плівки. Основний недолік цього пристрою полягає в механічній утомі, що має місце після тривалого перебування в космосі (із тепловим циклом після кожного затемнення). На КЛА, що застосовується в області зв'язку, панель сонячних батарей повинна залишатися в цілком працездатному стані протягом 15-літнього перебування на геостаціонарній орбіті. За добу відбувається по одному затемненню. Таким чином, результатом 5 75363 6 більш ніж 5000 щоденних затемнень будуть більш вачів (клиноподібної форми), які по черзі прикріп5000 теплових циклів. Якщо натягування відбивалені до панелі. Відбивачі можуть бути зорієнтовані ча поступово змінюється через ослаблення прупід кутом 30 градусів щодо перпендикуляра до жини, то відбувається погіршення оптичних харакпанелі для відбиття потоку сонячного випромінютеристик і рівномірності висвітлення. Має місце вання на сонячні елементи з коефіцієнтом конценрізке зниження діючого коефіцієнта концентрації з трації 2:1. Розмір відбивача залежить від розміру істотною втратою генерації енергії для КЛА. З цієї сонячних елементів і коефіцієнта концентрації. причини після розгортання потрібне застосування При коефіцієнті концентрації 2:1 його ширина буде спеціального фіксатора відбивних плівок для того такою ж, як і ширина елемента, а довжина дорівщоб їхня рухливість більше не приводила до нює довжині однієї панелі. ослаблення натягування. Крім того, у патенті, що Відповідно до другого варіанта винаходу, пилрозглядається, запропоновані недостатньо обґрукоподібні (чи клиноподібні) відбивачі виконані тантовані принципи розгортання й збереження. Дійскими, що розгортаються, й у складеному положенно, у складеному положенні довжина відбивачів ні не перекривають ряди сонячних елементів. здається меншою, ніж у розгорнутому. На реальПісля розгортання відбивачі збирають і конценому кресленні повинне бути, безсумнівно, видно, нтрують потік сонячного випромінювання на сонящо в складеному положенні відбивна плівка частчні елементи. Відповідно до одного із кращих варіково затінює сонячні елементи. У випадку збою антів здійснення, перед розгортанням відбивачі при розгортанні відбивача відбивні плівки затінюскладені на підкладинці панелі таким чином, щоб ють сонячні елементи, так що відповідна генерація зберігалася настільки ж компактна складна консенергії припиняється. Це ще один недолік, який трукція, як і в традиційних жорстких панелях без усувається відповідно до одної з ознак даного виконцентратора. находу. Відповідно до першого чи другого варіанта виУ документі WO 00/79593 А1 запропонована находу, відбивачі можуть бути виконані у вигляді ідея використання відбивачів, що саморозгортатонкої плівки з нанесеним поверх її шаром металу. ються. У складеному положенні вони, зовсім точВідповідно до одного з варіантів здійснення, плівка но, будуть затінювати елементи. Після розгортанможе бути щільно закріплена на жорсткій легкій ня не використовують ніякий фіксуючий механізм. рамці і знаходиться в стані попереднього натягу. У період збереження сонячні панелі традиційним Відповідно до іншого варіанта, тільки половина способом розташовуються в стопку з невеликими відбивача виконана з плівки, щільно закріпленої на проміжками між ними. Цей наявний простір викожорсткій рамці. Згідно ще одного варіанту, відбиристовується для складених відбивачів, але, осківачі виконуються з жорсткого легкого матеріалу льки в складеному положенні немає фіксуючих типу полімеру, армованого вуглецевим волокном, механізмів, відбивачі панелі і складаються з відбичи у вигляді тонкої нікелевої пластини. Відповідно вачами сусідньої панелі (і+1). до ще одного варіанта, відбивачі виконуються у Переваги описаної конструкції досить сумнівні, вигляді тонкої плівки без жорсткої рамки, яка приктому що вібрація (наприклад, у процесі транспорлеюється по краях до підкладинки панелі чи вбутування й запуску) здатна призвести до появи подовується в конструкцію панелі. Форму плівки одедряпин на відбивних плівках, результатом чого є ржують натягуванням завдяки наявності елементів погіршення оптичних характеристик, а згодом (по можливості таких, що розгортаються), приклезниження ефективності концентрації сонячного єних до панелі і доходять до «коника» клиноподібвипромінювання зі зменшенням генерації енергії. ного(их) відбивача(їв). У пункті 1 формули винаходу визначені ознаки Відповідно до даного винаходу, відбивачі загеліоконцентратора відповідно до першого варіанміняють собою ряди сонячних елементів. Питома та винаходу. Ціль винаходу полягає в створенні вага сонячного елемента типу GaAs становить компактної і механічно міцної конструкції, жорстпорядку 0,85кг/м2. Разом зі скляним покриттям, кість якої отримана завдяки застосуванню сполусполучними елементами і проводами питома вага чення клиноподібних відбивачів і стільникової коодного ряду сонячних елементів дорівнює приблимірчастої панелі, що дає також більш високу зно 1,2кг/м2. Тонкоплівковий же відбивач набагато ефективність охолодження. легше. Так, наприклад, плівка марки Kapton товІнші кращі варіанти здійснення даної конструкщиною 50 мікронів (2 міла) важить усього лише ції приведені в залежних пунктах формули вина71г/м2, а пластинка з нікелевого сплаву товщиною ходу. 10 мікронів - 89г/м2. Навіть з урахуванням деталей При використанні жорстких відбивачів (без роконструкції й механізму, що використовуються для згортання) геометричну концентрацію доцільно закріплення в складеному положенні, розгортання зменшити до співвідношення 1,6:1, що дозволить й остаточного фіксування, установка відбивачів значно зменшити висоту відбивача (46% висоти згідно з винаходом ні в якому разі не призведе до відбивача з концентрацією 2:1). Висота одержувазбільшення ваги сонячної панелі. Відбивна плівка ної таким чином сонячної панелі залишається усе може бути виконана з підкладинкою не тільки з ще дуже близькою до висоти панелі без концентKapton, але і з іншого матеріалу - так, цілком прирації (без відбивачів), так що не відбувається недатною заміною можуть слугувати Mylar чи LaRC безпечного розгортання і, відповідно, істотно підCP-1. Вартість сонячних відбивачів дешевша, ніж вищується надійність конструкції. сонячних елементів такої самої площі, що станоГеліоконцентратор відповідно до першого вавить ще одну перевагу конструкції згідно з винахоріанта винаходу складається з жорсткої сонячної дом. панелі, що має ряди сонячних елементів, і відбиОскільки на КЛА зі стабілізацією корпуса в 7 75363 8 просторі передбачена можливість одноосьового вища, ніж при роботі з лотковими концентратораспостереження, у площині схід-захід досягається ми. відносно точне наведення (порядку ±2 градусів). У У випадку з одноосьовим спостереженням площині північ-південь спостереження не роблять. звичайно, має місце відхилення наведення порядЦе призводить до сезонних змін орієнтації панелі ку 1-2 градусів, при цьому порушується розподіл щодо сонця. По осі північ-південь відбуваються потоку сонячного випромінювання, яке перестає відхилення порядку ±23,5 градуса. З цієї причини бути рівномірним. концентратори часто виконуються лінійними з конУ панелях із концентраторами лоткового типу центрацією сонячного світла в напрямку, у якому відхилення наведення призводить до надлишковоздійснюється спостереження. Для цієї мети запрого висвітлення деяких рядів елементів і недостатпоновані ряди відбивачів орієнтують уздовж осі ньому висвітленню інших рядів. Фотоелектричні північ-південь, у результаті чого вони концентруелементи забезпечують перетворення світлової ють потік сонячного випромінювання тільки по осі енергії в електричну. Вироблений електричний спостереження. При використанні відбивачів лотструм прямо пропорційно зв'язаний з поглиненим кового типу з геометричною концентрацією 2:1 і потоком сонячного випромінювання. Деякі ряди відбивачів, орієнтованих під кутом 60 градусів щоелементів дають струм більшої величини, ніж інші. до сонячної панелі, втрата ефективності уловлюПри таких коливаннях струму послідовне з'єднанвання випромінювання досягає 10% при відхилення елементів неприпустиме. Якщо не передбачити ні наведення по осі спостереження, що дорівнює істотних удосконалень у плані керування генераці±6,5 градусів. Це ніколи не відбувається, якщо єю й збором енергії, подібна нерівномірність призтільки не загублений контроль за положенням у веде до зниження потужності, що збирається від просторі. З огляду на те, що по другій осі концентусієї панелі. рація не здійснюється, сезонні зміни скількиДаний винахід вільний від зазначеного недолінебудь помітно не впливають на уловлювання ку, що полягає в порушенні рівномірності. Оскільки сонячного випромінювання в порівнянні із сонячкожна пара відбивачів впливає на один ряд еленою панеллю без концентрації. ментів, відхилення наведення буде створювати Завдяки застосуванню відбивачів сонячного нерівномірний потік, розподілений по ширині кожвипромінювання, вбудованих у панель, вдається ного елемента й однаковий для кожного сонячного одержати більш гнучку модульну конструкцію соелемента. Вплив на перетворення енергії в еленячної панелі, що розгортається, у порівнянні з менті буде однаковим у кожному елементі й у кожвідомими системами, де відбивачі примикають до нім ряду елементів. Індукований електричний панелей (концентратори лоткового типу). Дійсно, у струм буде теж однаковим для кожного сонячного цьому останньому випадку розгортання сонячної елемента. Усувається небезпека погіршення відпанелі легко здійснено тільки при одномірному бору потужності при послідовному з'єднанні. Не виконанні ("гармошкою"). У результаті створюєтьпотрібні ніякі зміни в керуванні генерацією і збором ся великий розмах крил, що утрудняє вирівнюваненергії в порівнянні з панеллю без концентрації, а ня й регулювання. Конструкція ж згідно з даним також відсутні додаткові втрати внаслідок помилок винаходом придатна і для більш складних конфінаведення. гурацій розгортання - типу двомірного розташуВідбивачі демонструють високу відбивну здатвання у вигляді "брущатки". Як наслідок цього, ність, обумовлену застосуванням алюмінієвого істотно підвищується ступінь її модульності в порішару, отриманого вакуумним напилюванням, чи, у внянні з відомими системами. більш кращому варіанті, срібних покриттів з додатОдним із важливих параметрів сонячної панелі ковим захистом. Можна використовувати й інші є її теплове поводження. У відомих концентратопокриття за умови одержання високої здатності до рах лоткового типу (див., наприклад, Фіг.2) має відображення сонячного світла. У діапазоні чутлимісце посилення потоку сонячного випромінюванвості елемента середня відбивна здатність алюміня до панелі, проте не існує простого способу віднієвої плівки при куті падіння 60 градусів щодо воду додаткового тепла. Температура елемента нормалі до відбивача становить порядку 89%. Сріпідвищується на 30-40 градусів, що веде до небабне покриття, захищене, наприклад, оптимізоважаного зниження його ККД. Це викликано, головним тонким шаром SiO2, дозволяє за тих же умов ним чином, тією обставиною, що хоча внаслідок збільшити середню відбивну здатність до 97%. застосування відбивачів поверхня уловлювання Додаткові витрати легко компенсуються більш потоку збільшена, охолодження забезпечується інтенсивним уловлюванням потоку сонячного виусе тією же площею - задньою й передньою повепромінювання. рхнями панелі, зверненими до холодного космічЗапропоновані відбивачі мають вигляд вузької ного простору. стрічки. Її ширина приблизно дорівнює ширині соУ конструкції ж згідно з винаходом відбивачі нячного елемента (40мм). Такі властивості плівки, встановлені на панелі, а потік сонячного випроміяк ступінь шорсткості чи точність форми мають нювання як і раніше концентрується в тій же кільбільший допуск чи легше піддаються регулюванкості на рядах сонячних елементів. Проте тут неню, ніж у великих відбивачах, застосовуваних у має значного збільшення поверхні уловлювання концентраторах лоткового типу (типова ширина вона залишається практично такою ж, як поверхня ~2м). У результаті спрощуються проектування й панелі без концентрації, де поверхня охолодження виготовлення плівки й основи. Крім того, стає мота ж, що і поверхня, освітлювана сонцем. Можна жливим зменшення ваги відбивачів. очікувати лише незначного підвищення темпераНижче приводиться більш детальний опис витури. Ефективність же перетворення енергії тут находу з посиланнями на прикладені креслення, 9 75363 10 на яких: Фіг.7А і 7В ілюструють поліпшення теплообміФіг.1 являє собою схематичне зображення гену усередині шаруватої стільникової комірчастої ліоконцентратора відповідно до першої ознаки конструкції сонячної панелі; винаходу. Відбивачі виконані у вигляді зубів пилки 7А - тонка додаткова стільникова комірчаста (чи "шатрів"), розташованих рядами, з розміщениконструкція з відкритими пофарбованими в чорний ми між ними рядами сонячних елементів. Для даколір (чи яка має чорне покриття) елементами, ного варіанту коефіцієнт концентрації дорівнює встановленими на задньому листі сонячної панелі, 2:1; 7В - вид заднього листа з відкритою (зрізаною) Фіг.2 являє собою зображення відомого призоною під рядами сонячних елементів, для експострою по патентах США № 5520747, 6017002 чи нування стільникових комірчастих елементів без6050526, тобто лоткового концентратора з відбипосередньо в холодний космічний простір; вачами, встановленими поруч із сонячною панелФіг.8 ілюструє залежність максимальної темлю. Коефіцієнт концентрації дорівнює 2:1 ; ператури (у °С) на лицьовому листі під сонячними Фіг.3А і 3В ілюструють, відповідно, ККД уловелементами (ТMAX) і під відбивачами (Т'MAX) У залювання - СЕ в залежності від помилки спостерележності від середньої теплопровідності С листа ження в концентраторах, показаних на Фіг.1 і 2, і CFRP (полімеру, армованого вуглецевим волокрозподіл світла по сонячній панелі при відхиленні ном) при повному висвітленні сонячної панелі в наведення, що дорівнює 3 градусам, при цьому на умовах роботи на геостаціонарній орбіті. ПокраФіг.3А приведена залежність ККД - Ε від кута пащення теплопровідності пояснюється включенням мідних ниток у текстуру вуглецевого волокна чи в діння , що дає криву ККД уловлювання СЕ (де CL спеціальний "високотеплопровiдний" CFRP. - крива косинусу кута, a CF - скоректований потік), На Фіг.1 показаний геліоконцентратор відповіа на Фіг.3В приведена залежність нормалізованого дно до винаходу. Тут видні ряди клиноподібних потоку NF від нормалізованої ординати NO по осі відбивачів 3 із двома плоскими чи вигнутими стовідхилення наведення; ронами 31 і 32, що чергуються з рядами сонячних Фіг.4 ілюструє відбивну здатність R відбивної елементів 2. Вони встановлені на панель 1, що плівки при куті падіння 60 градусів щодо нормалі має стільникову комірчасту структуру. Ця стільнидо відбивача для неполяризованого світла як функова комірчаста панель 1 виконана у вигляді стікцію довжини хвилі WL. Показані також типова льникової комірчастої алюмінієвої решітки, розтахарактеристика CR багатоперехідного сонячного шованої між двома лицьовими листами з елемента GaAs/Ge і спектр сонячного випромінюполімеру, армованого вуглецевим волокном вання SSP. Для порівняння дана відбивна здат(CFRP). Клиноподібний профіль, утворений похиність REF алюмінієвого шару, отриманого вакуумлими сторонами 31 і 32, розділеними плоскими ним напилюванням, і відбивна здатність PRE ділянками, у кожну з яких входить один ряд 2 сосрібного покриття з додатковим захистом (SiO2 нячних елементів. На ці похилі сторони нанесене товщиною 160нм); відбивне покриття. Сонячне випромінювання паФіг.5А-5Е ілюструють різні варіанти здійснення дає на передню сторону панелі. Воно попадає на конструкції відповідно до винаходу в розгорнутому сонячні елементи або безпосередньо, або після положенні: відображення від відбивного покриття клиноподіб5А - клиноподібний відбивач, виконаний у виних профілів, 3. Відповідно до одного із кращих гляді тонкої плівки на жорсткій легкій алюмінієвій варіантів здійснення, ширина ряду елементів 2 рамці, дорівнює ширині ряду клиноподібних відбивачів 3. 5В - одна половинка клиноподібного відбиваКут нахилу сторін відбивача може становити 30 ча, аналогічна конструкції по Фіг.5А, і друга полоградусів щодо перпендикуляра до основи панелі 1. винка, виконана тільки з натягнутої тонкої плівки, У цьому випадку коефіцієнт геометричної концент5С - клиноподібний відбивач, виконаний тільки рації становить 2:1. Це означає, що два квадратз тонкої плівки, причому натягування досягається них метри сонячного випромінювання концентруфіксованими жорсткими елементами, що доходять ються на одному квадратному метрі сонячних до «коника», елементів. З огляду на те, що високоефективні 5D - жорстка панель, що складається з клиносонячні елементи надзвичайно дорогі, така концеподібних відбивачів, без можливості розгортання. нтрація дуже приваблива з погляду зниження виКоефіцієнт концентрації дорівнює тут 1,6:1, трат. 5Е - клиноподібний відбивач, виконаний у виПохилі відбивачі 3 сонячного випромінювання гляді надувної конструкції. Розгортання до потрібвиконані у вигляді тонкої плівки, на яку нанесене ної форми досягається завдяки надуванню мемвідбивне (наприклад, металеве) покриття. Тонка бранного відбивача. На матеріал мембрани плівка може бути виконана з матеріалів типу нанесене відбивне покриття; Фіг.6А-6С ілюструють різні варіанти здійснення Mylar , Kapton , LaRC CP-1 чи будь-якого іншого конструкції відповідно до винаходу в складеному легкого матеріалу з достатньою механічною міцніположенні (для запуску): стю. Товщина плівки залежить від необхідної ме6А - конструкція згідно Фіг.5В з демонстрацією ханічної міцності. Типова товщина знаходиться в відбивачів, зафіксованих у складеному положенні, межах від 13 до 125 мікронів і такі плівки зараз 6В - конструкція згідно Фіг.5С з демонстрацією існують. Відповідно до одного із кращих варіантів відбивачів, зафіксованих у складеному положенні, здійснення, в якості матеріалу відбивної плівки 6С - конструкція згідно Фіг.5D із двома суміжвикористовують Kapton товщиною 50 мікронів, ними сонячними панелями в складеному полощо забезпечує її достатню власну жорсткість. женні; Відповідно до одного з варіантів здійснення, 11 75363 12 передбачений попередньо відформований лист із задній лист 6, виконаний, наприклад, із CFRP, у CFRP із плоскими поверхнями, на яких розташодеяких місцях знімають з утворенням отворів 7, вуються ряди сонячних елементів 2, і клиноподібзавдяки чому деякі елементи решітки 4 шаруватої ними ділянками з покриттям у вигляді відбивного панелі 4, 5, 6 виявляються відкритими безпосерешару чи плівки, що утворюють відбивачі 3. дньо в холодний простір. Доцільно, щоб ці отвори Завдяки застосуванню відбивачів сонячного 7 і, отже, відкриті елементи були розміщені під випромінювання, убудованих у сонячну панель, рядами сонячних елементів 2 і покриті шаром з вдається одержати більш гнучку модульну консвисокою випромінюючою здатністю в ІЧ діапазоні. трукцію сонячної панелі, що розгортається, у поріЗрозуміло, при реалізації цього варіанта конструквнянні з відомими системами, де відбивачі примиції необхідно приймати до уваги жорсткість панелі. кають до панелей. Дійсно, у цьому останньому На Фіг.7В в якості прикладу приведений варіант випадку розгортання сонячної панелі легко здійсздійснення, відповідно до якого задня сторона панюється тільки при використанні одномірного рознелі виконана у вигляді контуру зі смужок CFRP, ташування ("гармошкою"). Для порівняння на Фіг.2 що забезпечує кращий теплообмін із холодним показана традиційна лоткова конструкція відбивапростором і достатньою жорсткістю. Крім того, як ча із сонячними панелями SP і сонячними елеменвидно з представленого на Фіг.5D варіанта здійстами SC, що характеризується таким само коефінення, завдяки конструктивній жорсткості відбивацієнтом концентрації - 2:1. її розгортання чів 3 удається збільшити жорсткість стільникової здійснюється згідно з принципом, описаним у пакомірчастої панелі. Таким чином, вимоги до мехатентах США №№ 5520747, 6017002 чи 6050526. нічних характеристик панелі можуть бути задовоКонструкція згідно з даним винаходом придатлені при використанні стільникової комірчастої на і для більш складних конфігурацій розгортання структури меншої товщини, і/чи також можна допутипу двомірного розташування у вигляді "брущатстити зняття частини заднього листа 6, як показаки". Як наслідок, істотно підвищується модульність но на Фіг.7В. Сказане справедливо для відбивачів, конструкції і стає можливим без особливих зусиль що нерозгортаються, чи для таких відбивачів, що регулювати рівень генерації енергії. розгортаються, які у розгорнутому положенні У конструкції згідно з винаходом немає значсприяють збільшенню жорсткості геліоконцентраного збільшення поверхні уловлювання - вона затора при наявності також частки впливу механізму лишається практично такою ж, як поверхня сонячрозгортання. Можливі зменшення ваги й інтенсиної панелі без концентрації. Поверхнею фікація охолодження сонячних елементів завдяки охолодження слугує задня поверхня панелі, яка кращому розсіюванню тепла від передньої до задзвернена до холодного космічного простору. Оскіньої сторони стільникової комірчастої структури льки зберігаються близькі значення для площі посонячної панелі 1. верхні, що освітлюється сонцем, і площі поверхні Точність орієнтації КЛА має прямий вплив на охолодження, можна очікувати лише незначного конструкцію геліоконцентраторів. Відбивачі варто підвищення температури. Ефективність перетвоконструювати з урахуванням діапазону зміни нарення енергії тут вища, ніж при роботі з лотковими прямку сонячних променів щодо сонячної панелі. концентраторами. Дійсно, у відомих конструкціях На КЛА зі стабілізацією корпуса в просторі не пеповерхня уловлювання практично подвоюється, редбачено засобів спостереження по осі північтоді як поверхня охолодження залишається непівдень. Сезонні зміни становлять ±23,5 градуса. З змінною. Спостерігається значне підвищення темцієї причини при конструюванні концентраторів не ператури (30-40 градусів Цельсія), знижується ККД передбачається можливість концентрації по цій елементів, погіршується генерація енергії. осі. Спостереження за сонцем здійснюється по осі Тепловий баланс у пропонованій конструкції схід-захід із точністю порядку ±2 градуси. Передможна оптимізувати, домагаючись максимального бачається, що для забезпечення достатньої наохолодження елементів завдяки ефективній передійності концентратори повинні виконувати свої дачі променистої теплоти на задню сторону панефункції навіть при трохи більш значних помилках лі. Це забезпечується за допомогою використання спостереження. На Фіг.3А і 3В проілюстровані настільникової комірчастої структури сонячної панелі слідки помилок наведення. Таке моделювання 1. Ця стільникова структура утворена решіткою 4 із справедливе як для клиноподібного концентратостільникових комірок, розташованою між двома ра по Фіг.1, так і для лоткового концентратора по лицьовими листами 5 і 6. Доцільно нанести на Фіг.2 із коефіцієнтом геометричної концентрації, стільникові елементи чорне покриття для збільщо дорівнює 2:1. Вісь відхилення наведення відшення випромінюючої здатності. У цьому випадку повідає тільки нахилу КЛА по лінії схід-захід. На підсилюється тепловіддача із задньої сторони соФіг.3А показана залежність ККД уловлювання Ε від нячної панелі в холодний простір, причому її можкута падіння сонячного випромінювання. Перша на підсилити ще більше, застосувавши додаткову причина втрати ефективності полягає в чинності решітку 8 стільникової комірчастої структури з відзакону косинуса. Зі збільшенням кута падіння відкритими елементами, яка кріпиться просто до задбувається зменшення освітленої зони за законом ньої сторони панелі (Фіг.7А) і звернена до холодкосинуса. Це справедливо для будь-якої поверхні, ного простору, діючи як випромінюючий нахиленої щодо напрямку на сонце, і не зв'язано з теплообмінник. Доцільно нанести на зазначені концентрацією. Сказане є головною причиною невідкриті елементи покриття з високою випромінюобхідності спостереження за сонцем для будьючою здатністю в інфрачервоному діапазоні, типу якого стабілізованого КЛА. відомого за назвою Martin Black . Відповідно до Другий фактор, що впливає на втрату ефектиіншого варіанта здійснення, показаного на Фіг.7В, вності, зв'язаний з концентрацією. Має місце па 13 75363 14 діння ефективності до 50% при відхиленні навепокритті, із сріблом працювати не так просто, як з дення геліоконцентратора щодо сонця на 30 граалюмінієм. Проте відбивні плівки зі срібним покдусів. При 60-градусному відхиленні уловлювання риттям мають і деякі переваги - це їх більш висока дорівнює нулю. На Фіг.3В показана залежність відбивна здатність у видимій області спектра. Вінормалізованого потоку NF від нормалізованої домо, що плівка, отримана вакуумним напилюванординати NО по осі відхилення наведення для ням алюмінію, має відбивну здатність 89-91%, а реального випадку з відхиленням наведення усьовідбивна здатність срібної плівки у видимій області го лише в 3 градуси.Тут дане відображення розспектра досягає 96-98% при падінні випромінюподілу світла між двома відбивачами. Ця зона завання перпендикулярно поверхні. Спектральний йнята сонячними елементами. У випадку, діапазон не обмежується видимою областю - багавідповідно до даного винаходу, згідно з конструктоперехідні сонячні елементи з GaAs/Ge демонцією на Фіг.1, ця зона зайнята одним рядом сонячструють чутливість у діапазоні від 350 до 900нм. них елементів. Нормалізована ордината NО, покаІнтенсивність потоку сонячного випромінювання в зана на Фіг.3В, відповідає ширині кожного цій області спектра, нерівномірна - на рівні 450окремого сонячного елемента. Для відомих систем 500нм, досягається максимальна інтенсивність, в (див. Фіг.2) зазначеної зони відповідає ширина УФ-діапазоні відбувається зникнення потоку, а в сонячної панелі, включаючи кілька суміжних сонячервоній області й ІЧ-області спостерігається трочних елементів. Нормалізована ордината NО, похи менше його ослаблення. казана на Фіг.3В, відповідає ширині сонячної паВ одному з випадків конкретного застосування нелі. Будь-яка нерівномірність розподілу інтерес викликає відбивна здатність при куті павідбивається на суміжних сонячних елементах. діння, що дорівнює не 0° (нормальне падіння), а Деякі з елементів будуть одержувати близько 65% 60°. На Фіг.4 проілюстрована відбивна здатність R номінального потоку NF. Вплив на перетворення при куті падіння 60° (щодо нормалі до відбивача) енергії буде зроблено в тій же пропорції. Електридля алюмінієвої плівки RAR і захищеної срібної плічний струм, що генерується цими елементами, вки Rps (неполяризоване світло). В якості захисту буде становити 65% від номінального струму. Подля срібного покриття використаний шар SiO2 тослідовне з'єднання елементів вимагає високої стевщиною 160нм. Для більшої ясності і простоти пені рівномірності струму, що генерується, для розрахунків показаний також спектр потоку сонячтого, щоб можна було зібрати потужність від усієї ного випромінювання і характеристика чутливості сонячної панелі. Нерівномірність світлового вифотоелектричного елемента (нормалізовані із запромінювання призводить до значного зменшення стосуванням довільних одиниць). Були виконані енергії, що надходить у розпорядження КЛА. інтегральні обчислення для визначення середньої У конструкції згідно з винаходом (Фіг.1) неріввідбивної здатності металевих плівок з викорисномірність теж має місце, але лише по ширині танням в якості вагових множників спектру потоку елемента. Втрати в уловлюванні світла, обумовсонячного випромінювання й чутливість фотоелеклені відхиленням наведення, становлять порядку тричного елемента. Як показує аналіз, середня 4,5%. Приблизно ту ж величину мають і втрати відбивна здатність становить 89% для АІ і 97% для генерації енергії сонячними елементами. Для кожAg+SiO2. Таким чином можна оцінити виграш в ного елемента характерний той самий коефіцієнт уловлюванні сонячної енергії що дорівнює 4% для втрат, так що зберігається рівномірність генерації всієї сонячної панелі. Це справедливо як для консенергії від елемента до елемента. Таким чином у трукції відповідно до винаходу (Фіг.1), так і для кожному ряду як і раніше ідеально працює схема панелей відомих систем (Фіг.2) з однаковим відбипослідовного з'єднання і будь-яких додаткових вним покриттям. втрат не очікується. Існує кілька способів кріплення плівки на соняВтрати уловлювання, що мають місце при відчній панелі. Вибір конкретного способу визначахиленні наведення, залежать також від коефіцієнється вимогами до розгортання відбивачів, тому та концентрації. При концентрації менш ніж 2:1 що від цього безпосередньо залежить вага панелі. (наприклад, 1,6:1 для варіанта здійснення, показаНижче приводиться детальний опис кріплення ного на Фіг.5D) втрати демонструють меншу чутплівки, що ілюструється кресленнями на Фіг.5А-5Е. ливість до відхилення наведення. На Фіг.5А для простоти показаний (без дотриВ якості відбиваючого покриття для клинопомання масштабу) тільки один клиноподібний віддібних (чи шатрових) відбивачів використовують бивач, що представляє собою відбивну плівку 21, переважно шар металу -, наприклад, алюмінію чи прикріплену до жорсткої рамки 22, наприклад, за срібла, - або будь-яке ефективне покриття чи плівдопомогою приклеювання. Рамка 22 забезпечує ку, що здатні відбивати сонячне випромінювання. жорсткість і натяг плівки 21. Для одержання достаШироке вживання алюмінієвих покриттів пояснютньої рівності відбивної плівки 21 потрібно її попеється легкістю їхнього виготовлення і їхньою висореднє натягування. В якості матеріалу для рамки кою стійкістю до впливу космічного середовища може бути узятий, наприклад, алюміній чи нікель. (головним чином, радіації). Оскільки срібло не має Відповідно до кращого варіанта здійснення, викодостатньої радіаційної стійкості, необхідно покриристаний алюміній як із міркувань оптимального вати його додатковим прозорим шаром, у якості теплового режиму (його теплове розширення гарякого доцільно використовувати MgF2, TiO2 і SiO2, но узгоджується з матеріалом плівки - Kapton ), причому з трьох названих сполук остання є самою так і через його невелику вагу (щільність недорогою й ідеально відповідає вимогам, що на~2,7г/см3). Плівка 21 прикріплюється до рамки 22 кладається спектром сонячного випромінювання. З за допомогою клею. Двокомпонентний епоксидний огляду на зазначену необхідність у додатковому клей надійно кріпить алюмінієву плівку. Поперед 15 75363 16 ній натяг створюється завдяки різниці температур но легкий і відрізняється великою жорсткістю. На плівки 21 і металевої рамки 22 у процесі склеюклиноподібні відбивачі може бути наклеєна відбивання - температура рамки 22 підтримується на вна плівка з матеріалу типу Kapton товщиною 25 більш низькому рівні, ніж температура плівки 21. мікрон. Даний варіант характеризується високою Завдяки термічній усадці відбувається незначне жорсткістю, гарною сумісністю матеріалів і висозменшення розмірів рамки 22. Після твердіння кою надійністю (через відсутність розгортання). клею рамка 22 і плівка 21 знову набувають темпеВага відбивачів тут трохи більша, ніж у раніше ратуру навколишнього середовища, при цьому описаних конструкціях, проте, з огляду на відсутрозміри рамки злегка збільшуються, що створює ність механізму розгортання і фіксуючих пристроїв, задане натягування плівки 21 унаслідок її пружнозагальна вага залишається цілком задовільною. сті. Вона легко може залишатися меншою, ніж вага На Фіг.5В представлений інший варіант здійсеквівалентного ряду сонячних елементів. нення з використанням того ж концентратора, але У показаному на Фіг.5Е новому варіанті здійстут жорстку рамку 22 має лише одна похила плонення винаходу використовується надувна консщина. Друга утворена тільки відбивною плівкою трукція 40, що забезпечує розгортання з одержан21. У цьому випадку натягування плівки підтримуням під час надування потрібної конфігурації ється завдяки верхньому кріпленню до жорсткої відбивача. Є можливість оптимізації форми відбирамки 22 і нижньому кріпленню до сонячної панелі. вача для одержання більшої рівномірності висвітДля досягнення надійного кріплення доцільно в лення у випадку незначного відхилення наведенякості клеючої речовини використовувати двокомня. понентну епоксидну смолу. Відбивачі фіксуються в Бічні сторони відбивача 31 і 32 можуть бути штатному відкритому положенні (під розрахункоплоскими чи скривленими. Оптимізація форми вим кутом). У випадку з концентраторами, що розвпливає на рівномірність висвітлення й ефективгортаються, відбивна плівка може бути складена в ність концентрації у випадку незначного відхиленкомпактному положенні під жорсткою частиною. ня наведення (часто відбувається помилка споМожливе застосування й інших засобів кріпстереження за сонцем порядку 2 градусів). При лення типу ультразвукової пайки чи лазерного використанні жорстких відбивачів точну форму зварювання. У будь-якому випадку матеріал рамки одержати легше, ніж працюючи з відбивачами, що і підкладинки відбивної плівки 21 варто вибирати розгортаються. таким чином, щоб були дотримані необхідні для Оскільки при вбудовуванні жорстких відбивацих операцій умови (локальний температурний чів товщина сонячної панелі збільшується, у краградієнт, адгезивні властивості й ін.). щому варіанті, показаному на Фіг.5D, концентрація У третьому варіанті, показаному на Фіг.5С, насонячного випромінювання дорівнює не 2:1, як для тягування відбивної плівки 31 підтримується в меописаних вище варіантів, а 1,6:1. Завдяки такому жах, що відповідають необхідній рівності, за допозниженню концентрації стає можливим зменшення могою спеціальних жорстких елементів 30 (по аспектного співвідношення. При ширині рядів соможливості таких, що розгортаютьнячних елементів, що дорівнює 40мм, висота відся/телескопічних елементів), наприклад, як описабивача зменшується до рівня 41% цієї ширини но в документі US 5244508, проте у цілком витяг(16,4мм). Для одержання коефіцієнта концентрації нутому розправленому положенні. Краї відбивної 2:1 вона дорівнювала 87% (34,7мм). Кут установки плівки приклеюються до сонячної панелі. Легкі відбивача також узгоджується з такою геометрією жорсткі елементи чи вигнуті дуги забезпечують (36,3 градуси замість 30 градусів щодо перпендинеобхідне попереднє натягування посередині шикуляра до сонячної панелі). рини плівки. Після розгортання описаний механізм При роботі без концентратора загальна товфіксується для збереження натягування відбивної щина сонячної панелі дорівнює, як правило, 20мм. плівки протягом тривалого терміну служби (без У відповідності ж із даним варіантом здійснення послаблення). Складена конфігурація, що відпові(Фіг.5D), загальна товщина збільшується до 36мм. дає цьому варіанту, показана на Фіг.6В. Плівку Коли сонячні панелі знаходяться в складеному укладають на сонячну панель, попередньо склавположенні, панель і складена з наступною панелши її. Спеціальний фіксуючий механізм (не покалю (і+1) з утворенням між ними вільного простору, заний) запобігає ковзання плівки по сонячних елещо дорівнює звичайно, 10-15мм. Загальна товщиментах, так що при відмовленні розгортання не на двох складених панелей становить, наприклад, відбувається затінення останніх. При необхідності 50мм (=20+10+20мм) для випадку з відбивачами, розгортання фіксуючий механізм звільняється, і що розгортаються, чи надувними відбивачами (тижорсткі елементи (чи вигнуті дуги) повністю розгопу відбивачів 40, показаних на Фіг.5Е). Передбартаються у вертикальне положення, переважно чено застосування спеціальних амортизуючих разом з операцією розгортання сонячної панелі. прокладок (не показані) для збереження зазначеФіг.5D ілюструє варіант здійснення з викорисного вільного простору в умовах сильних вібраційтанням жорстких клиноподібних відбивачів 3, для них навантажень (наприклад, при запуску). Завдяяких можливість розгортання не передбачена. ки цьому запобігаються зіткнення між складеними Жорсткий відбивач 3 виготовляють звичайно, із панелями, які могли б призвести до поломки соняCFRP, який є кращим матеріалом для стільниковочних елементів. го комірчастого лицьового листа сонячної панелі. Мається можливість змінювати конфігурацію в Типова товщина відбивача з CFRP - 100 мікрон, складеному положенні з урахуванням збільшення хоча можна передбачити і будь-яку іншу в межах товщини сонячної панелі при використанні, головвід 50 до 200 мікронів. Такий відбивач надзвичайним чином, жорстких (таких, що не розгортаються) 17 75363 18 відбивачів. На Фіг.6С показана складена конфігуосі рядів сонячних елементів, у результаті чого рація з використанням двох шарнірно з'єднаних створюються свого роду теплові мости між більш (поз.45) складених одна на іншу коміркових панетеплою зоною під елементами і більш холодною лей SP1 і SP2 із відповідними відбивачами 3, що зоною під відбивачами. Такі нитки можна або дочергуються. З огляду на таке розташування відбидати в CFRP у процесі виготовлення, або пізніше. вачів, що чергується, загальна товщина збільшуЯк приклад можна вказати, що завдяки додаванню ється лише на невелику величину. Якщо з міркуниток з міді чи іншого теплопровідного матеріалу вань безпеки між верхньою частиною відбивачів і на передній стороні сонячної панелі можна підвисонячною панеллю, що примикає, буде підтримущити ефективність сонячних елементів, як показаватися вільний простір у 5мм, то загальна товщина но на Фіг.8, де приведені графіки максимальних двох складених панелей буде становити, напритемператур лицьового листа під елементами і під клад, 61мм (=20+16+5+20мм). Для двох складених відбивачами, обчислені як функція від загальної панелей потрібне збільшення товщини усього литеплопровідності лицьового листа. Такого покраше на 11мм (22%). щення, нехай і незначного, можна домогтися без Більш того, відбивачі 3 діють також у якості скільки-небудь помітного збільшення ваги. Наприпосилюючих деталей сонячної панелі. За умови клад, як видно на Фіг.8, використання високотепвідповідної модернізації конструктивного виконанлопровідного CFRP дозволяє знизити температуру ня панелі (наприклад, зменшення товщини стільелементів більш ніж на 5°. никової комірчастої структури) загальна товщина У складеному положенні елементи відбивачів складеної панелі може залишитися ще більш блиукладаються один на другий на поверхні сонячної зькою до вихідного варіанта (без концентраторів). панелі. Не передбачається збереження відбивачів Так, наприклад, при зменшенні товщини стільнинад сонячними елементами, для того щоб забезкової комірчастої структури з 20 до 18мм загальна печити можливість генерації енергії на перших товщина двох складених панелей концентратора етапах після запуску чи у випадку відмовлення за Фіг.6С стає 57мм (=18+16+5+18мм). У цьому розгортання. Таким чином за допомогою даного випадку для двох складених панелей потрібно винаходу вирішується одна з проблем, що існує у збільшення товщини усього лише на 7мм (14%). відомих конструкціях. При такій конфігурації відбивачі будуть забезУ відповідності з другим варіантом винаходу, печувати більш ефективне охолодження елеменщо характеризується відбивачами, що розгортатів. При зменшенні товщини стільникової комірчаються, запобігається затінення сонячних елеменстої структури підвищується питома тів (див. Фіг.6А). Потрібне застосування спеціальтеплопровідність між задньою й передньою стороного фіксуючого механізму (не показаний) для нами сонячної панелі. Завдяки меншій температурі запобігання навіть найменшого ослаблення прусонячних елементів вони будуть забезпечувати жин, що характерно для відомих систем. Вага плібільш ефективне фотоелектричне перетворення. вки може бути дуже незначною (як правило, 71г/м2 Одним з важливих аспектів даного винаходу є для товщини 50 мікронів). У варіанті, показаному досягнення теплового балансу. Можливе додаткона Фіг.6А, найважчими частинами є жорстка рамка ве підвищення ефективності охолодження завдяки 22 і механічні деталі, необхідні для фіксації у вирівнюванню температур на передній стороні складеному положенні, розгортання й остаточного сонячної панелі, тобто на тій стороні, яка звернена блокування. Завдяки використанню тільки однієї до сонця. Оскільки температура елементів вище, рамки 22 (Фіг.5В) і дуже простого механізму розгоніж температура панелі за рядами відбивачів, мортання вдається одержати меншу вагу для цього жна використовувати CFRP із високою теплопродругого варіанта. Механізм розгортання може яввідністю для переднього листа 5 і/чи для заднього ляти собою пружину без фіксації у складеному листа 6. Питома теплопровідність стандартного положенні, як уже було описано у відомій конструCFRP знаходиться в області приблизно 35Вт/м·К, кції (WO 00/79593 А1). Проте відповідно до кращотоді як у високотеплопроводних CFRP вона може го варіанта здійснення, доданий фіксуючий придосягати 370-700Вт/м·К і вони демонструють набастрій. Тут відбивачі вже не є такими, що гато більш високу жорсткість - 490-560ГПа в порівсаморозгортаються, для них потрібна зовнішня нянні з 93ГПа для звичайного CFRP. Тому даний сила (переважно зв'язана з механізмом розгортанматеріал виявляється також кращим при необхідня сонячної панелі), яка дозволила б виконати ності одержання більш високої загальної жорсткорозблокування і почати розгортання. Надійність сті панелі. Таким чином також досягається підвитакого механізму може бути дуже високою, особщення поперечної питомої теплопровідності ливо у випадку, коли його робота прив'язана з цилицьової поверхні сонячної панелі. Можна просто клом розгортання панелі. Додаткова вага виявлядодати до листа зі звичайного CFRP шар високоється дуже невеликою, тому що використовуються теплопровідного CFRP, що дозволить підвищити матеріали з низькою щільністю, придатні для ротеплопровідність, а крім того, це привабливо з боти в космічних умовах, типу алюмінію. Основна погляду сполучуваності їхніх коефіцієнтів теплових перевага при порівнянні відомих систем полягає в розширень. Інший спосіб може полягати в додатому, що, коли сонячна панель знаходиться в ванні ниток із високою питомою теплопровідністю складеному положенні, відбивачі не торкаються усередину чи поверх звичайного CFRP зорієнтоодин одного, що запобігає появі подряпин на відваних у середньому перпендикулярно подовжній бивному покритті. 19 75363 20 21 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 75363 Підписне 22 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601