Сонячний концентраторний короткофокусний модуль

Реферат: Винахід належить до сонячної енергетики, зокрема до концентраторних сонячних електричних потужних модулів космічного призначення. Сонячний концентраторний короткофокусний модуль містить плоску багатошарову вуглепластикову теплопровідну основу-радіатор, закріплену на плоских вуглепластикових утримувачах, встановлений вуглепластиковий гофр, висота якого взаємопов'язана з фокусною відстанню лінійних лінз Френеля. Бічні грані і торці гофра виконані у вигляді трапеції, на верхніх ребрах гофра розміщена плоска вуглепластикова несуча рамка у вигляді решітки з закріпленими на них і зафіксованими в натягнутому положенні плоскими лінійними лінзами Френеля із силіконового полімеру, на плоских поверхнях граней комірок гофра розміщені плоскі смужки відбивачів, що мають форму трапеції, грані в кожній комірці гофра зігнуті так, що в області основи гофра є простір для розміщення електричних з'єднань сонячних елементів і лінійок приймачів сонячного випромінювання, а також для герметизації всіх струмопровідних елементів приймачів сонячного випромінювання. Технічним результатом винаходу є висока стабільність фізико-механічних характеристик об'ємного вуглепластикового каркаса, підвищення показників механічної міцності і жорсткості каркаса, зменшення деформацій і мінімізація прогину панелей сонячної батареї, зниження деградації електричних характеристик і підвищення надійності в експлуатації, спрощення технології UA 105952 C2 (12) UA 105952 C2 складання сонячних концентраторних модулів, зниження показників питомої ваги і питомої вартості, підвищення вихідної питомої потужності. UA 105952 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до сонячної енергетики, зокрема до концентраторних сонячних електричних потужних модулів космічного призначення, конструкція яких максимально наближена до традиційних схем розгортання і конструкційним параметрам звичайних планарних космічних сонячних батарей і забезпечує можливість їх застосування у складі існуючих і перспективних космічних апаратів широкого застосування, котрі не вимагають особливо точної орієнтації на Сонце. У тому числі в низькоорбітальних космічних апаратах, для комунікаційних супутників на геосинхронних орбітах, в апаратах на високорадіаційних орбітах і в міжпланетних космічних станціях. Відомий концентраторний сонячний модуль, який був реалізований на початку 1990-х років у першій космічній концентраторній батареї на основі ефекту рефракції і пройшов льотні випробування при проведенні PASP Plus місії в 1994-1995 pp. (l.M.F. Piszczor, L.M. Fraas, M.J. O'Neill, "The mini-Dome Fresnel Lens Photovoltaic Concentrator Array: Current Status of Component st and Prototype Panel Testing". 21 IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 1990, P1271; 2.H.Curtis th and D.Marvin, "Final Results from the PASP Flight Experiment", 25 IEEE-PVSC, 1996). Цей модуль складався з декількох випробувальних комірок. У випробувальних комірках використовувалися мінікупольні лінзи Френеля компанії ENTECH SOLAR, Inc., які встановлювалися над приймачем сонячного випромінювання компанії Boeing, що являє собою тандемні механічно з'єднані багатоперехідні сонячні елементи (СЕ), встановлені один над іншим (GaAs над GaSb). Кожна мінікупольна точковофокусна лінза Френеля виготовлялася із силіконового полімеру, що пройшов кваліфікацію для космічного застосування компанії Dow Corning (DC 93-500). Лінзи Френеля були виготовлені дуже тонкими і легкими, проте Ламіновані на куполоподібне захисне скло зсередини. Тандемні сонячні елементи також були виконані малих розмірів, що дозволило забезпечити зниження їх ваги та вартості. Ця сонячна батарея (СБ) дуже добре себе проявила під час проведення космічних льотних випробувань протягом року в умовах високої радіації при нахиленні 70 градусів на еліптичній орбіті від 363 до 2550 км. Дана конструкція концентраторної сонячної батареї на силіконових лінзах Френеля підтвердила свої високі характеристики, радіаційну стійкість і довготривалу стабільність. Ознаки даного пристрою-аналога спільні з ознаками пропонованого нового технічного рішення: Силіконові лінзи Френеля з захистом від дії УФ випромінювання і атомарного кисню; Тримач для лінз Френеля; Багатоперехідні сонячні елементи; Жорсткий каркас; Лінійки сонячних приймачів. Недоліки: Мінікупольні лінзи Френеля такої складної форми мають високу вартість у виготовленні через важкокеровані процеси виготовлення та низького виходу придатних; У процесі виготовлення силіконової мінікупольної лінзи Френеля при її вилученні з матриці куполоподібної форми мініпризми лінзи піддаються критичним деформацій з можливістю утворення дефектів; Точковофокусна конструкція мінікупольної лінзи Френеля вимагає точного орієнтування на Сонце по двох осях; У космосі силіконовий полімер піддається впливу ультрафіолетового випромінювання, а на низьких навколоземних орбітах - впливу атомарного кисню. Тому лінзи захищені ламінуванням на куполоподібне захисне скло. Це викликає багато проблем при виробництві, тому концентраторні сонячні модулі такої конструкції виявилися дуже дорогими і погано відтворюваними в процесі виготовлення. Відомий концентраторний модуль, розроблений в ФТІ ім. А.Ф. Іоффе в 2005 p. (M.Z. Shvarts, O.I. Chosta et al, "Space Fresnel lens concentrator modules st with triple-junction solar cells". 31 IEEE Photovoltaic Specialists Conference and Exhibition, 2005, Florida). Модуль базується на лінійних лінзах Френеля і фотоприймачах з використанням GalnP / GaAs / Ge триперехідних сонячних елементів. Модуль складається з чотирьох лінійних лінз Френеля з фокусною відстанню до 30 мм і геометричними розмірами 2,5 см10 см кожна; чотирьох лінійок фотоприймачів довжиною 10 см з 12-ма триперехідними прямокутними СЕ в кожній лінійці з розмірами 8,2 мм3,4 мм, з'єднаних паралельно; тепловідводу, виконаного у вигляді діелектричної плати, покритої тонким шаром міді. Сонячні елементи в лінійках приймачів монтувалися за допомогою електропровідного епоксидного адгезиву. Фотоприймачі монтувалися на металізовану основу за допомогою теплопровідного адгезиву. Лінійні лінзи Френеля з оптичною ефективністю від 82 % до 84 % виконані із силіконового полімеру на ударостійкому радіаційно-стійкому склі, що захищає від впливу УФ випромінювання і радіації, 1 UA 105952 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 товщиною 200 мкм. Сонячні елементи, призначені для використання в лінійках фотоприймачів мали ефективність від 23 % до 24 % (при АМ0, 25 °C) при геометричній концентрації сонячного випромінювання 6-9 крат. Корпус модуля виготовлявся з перфорованого матеріалу товщиною 0,5 мм, металізованого міддю. Розроблені в ФТІ ім. А.Ф. Іоффе космічні концентраторні модулі з короткофокусними (до 30 мм) лінійними лінзами Френеля дозволяють застосувати їх замість звичайних плоских батарей в космічних апаратах без зміни традиційних схем розгортання. Використання лінійних лінз Френеля дозволяє застосувати відносно точне стеження за Сонцем тільки навколо однієї осі, паралельної мікропризмам лінз, в той час як навколо другої осі стеження може бути здійснено значно грубіше. В описаній конструкції концентраторного модуля прийнятний кут розорієнтації, при якому гарантується втрата потужності не більше 10 % від номінального значення, становить ±1°. Застосування додаткової вторинної оптики у вигляді напівциліндричних скляних лінз, які встановлюються на фотоприймальні поверхні СЕ дозволяє збільшити прийнятний кут розорієнтації до ±2° навколо осі, паралельної мікропризмам лінійної лінзи Френеля. Ознаки даного пристрою-аналога спільні з ознаками пропонованого нового технічного рішення: Лінійні короткофокусні силіконові лінзи Френеля; Багатоперехідні сонячні елементи; Жорсткий об'ємний каркас; Вторинні оптичні елементи. Недоліки: Низька питома потужність по площі і масі; Велика питома вага каркаса; Лінзи розміщені ламінуванням на захисних стеклах великої площі, що призводить до високих показників маси сонячного модуля. Відомий концентраторний лінійно-фокусний сонячний модуль, який здійснений у сонячній батареї за патентом US N5,344,497 МПК H01L 31/052, "Line-Focus Photovoltaic Module Using Stacked Tandem-Cells" (Лінійно-фокусний фотовольтаїчний модуль, що використовує блоки тандемних сонячних елементів). Дата публікації - 06.09.1994р. У відповідності з описом цього винаходу в сонячному концентраторному модулі були використані матриці лінійно-фокусних лінз Френеля з силікону, ламінованого на захисне скло зсередини, що забезпечує захист від космічного ультрафіолетового випромінювання і атомарного кисню і має форму арки з шириною апертури 8,5 см, а також лінійки приймачів з арсенід-галієвих сонячних елементів шириною 1 см розташовані уздовж фокальної лінії кожної з них. Приймач тандемних сонячних елементів складається з високоефективних сонячних елементів, об'єднаних в ланцюжок з елементами вторинної оптики, змонтованих приклейкою на кожен сонячний елемент. Вхідна апертура кожного вторинного оптичного елемента є прямокутної форми і вторинні елементи розташовані один проти іншого в лінію у вигляді протяжної вхідної апертури уздовж фокальної лінії. Кожен вторинний оптичний елемент забезпечує сонячному світлу концентрацію в двох вимірах так, що база при монтажі вторинної оптики на сонячні елементи повинна бути мінімальною як в напрямку вздовж фокальної лінії так і в перпендикулярному до неї. Зазори між вторинними оптичними елементами забезпечують простір для електричних міжз'єднань сонячних елементів в ланцюжки. Вторинні оптичні елементи також захищають сонячні елементи від радіаційних пошкоджень. Ознаки даного пристрою-аналога спільні з ознаками пропонованого нового технічного рішення: Лінійні силіконові лінзи Френеля з захистом від дії УФ випромінювання і атомарного кисню; Тримачі для лінз Френеля; Високоефективні багатоперехідні сонячні елементи; Жорсткий вуглепластиковий каркас; Вторинні оптичні елементи; Недоліки: Низька питома потужність по площі і масі; Велика питома вага; Лінзи розміщені ламінуванням на арочні захисні скла, що призводить до високих значень маси сонячного модуля. Крім того, процес складання таких концентраторних сонячних модулів є складним і трудомістким; Найбільш близьким за технічною суттю пропонованого технічного рішення, прийнятий за прототип, є RIGID-PANEL STRETCHED LENS ARRAY (SLA) - концентраторна батарея на жорсткому каркасі з розтягнутими лінзами Френеля, описана в роботі - (Mark J. O'Neill, AJ 2 UA 105952 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 McDanal, Henry W. Brandhorst. Jr, "Andvances in the stretched lens array (SLA) technology". 19th European Photovoltaic Solar Energy Conference (EU-PVSEC) - Paris-June 2004). Це подальший розвиток сонячної батареї SCARLET (Solar Concentrator Array using Reflective Linear Element Technology) і також містить основні елементи концентраторних сонячних батарей, такі як багатоперехідні сонячні елементи, силіконові лінійні лінзи Френеля і вуглекомпозитний плоский каркас-радіатор, але при цьому дозволяє відмовитися від таких масивних елементів як арочного скла і рамок для утримання силіконових лінз Френеля, плоских вуглепластикових підкладок, на яких розташовувалися сонячні елементи приймачів і, найголовніше, масивних вуглесотопластових каркасів. У відповідності з описом сонячні панелі містили фотовольтаїчні приймачі, що використовують триперехідні сонячні елементи. Ці приймачі були повністю герметизовані, щоб мати можливість працювати в умовах високовольтної космічної плазми. SLA батареї на жорстких панелях дозволили досягти на початок терміну активного існування (САС) наступні основні параметри: Питома потужність по масі -> 180 Вт/кг; 2 Питома потужність по площі -> 300 Вт/м ; Економія площі і маси сонячних елементів -> 85 %; Економія питомої вартості в порівнянні з планарними сонячними батареями - 50-75 %; 2 Питома маса ~ 1,7 кг/м ; Прийнятний кут розорієнтації - ±2°. Базова концепція Rigid-panel SLA полягає в тому, що тонкі (140 мкм) і гнучкі лінійно-фокусні силіконові лінзи Френеля виконані з космічно сертифікованого силіконового полімеру (Dow Corning DC 93-500) із захисним покриттям розгортаються і підтримуються кінцевими арками, які розтягують лінзи в їх повздовжньому напрямку і формують оптичний елемент у вигляді натягнутої мембрани. Ці розтягнуті лінзи збирають сонячне випромінювання, і фокусують його на вузькі високоефективні багатоперехідні сонячні елементи, які монтуються на тонкі (125 мкм) вуглекомпозитні пластини радіатори для скидання тепла в космічний простір. Застосування в конструкції SLA жорсткої вуглепластикові панелі типу "картина в рамі" дозволила значно зменшити масу концентраторной SLA батареї і досягти питомої маси ~1,7 2 кг/м включаючи всі елементи панелі, в т.ч.: лінзи, лінзові тримачі, розгортаючі пристрої, сонячні приймачі та амортизатори. Конструктивно жорсткий вуглепластиковий каркас "картина в рамі" складається з прямокутної вуглесотопластової рами, на якій з тильної і лицьової сторони алюмінієвих стільників наклеєний 4-х шаровий вуглепластик товщиною 250 мкм з орієнтацією шарів 0°, 0°, 15°, -15°. На раму з лицьового боку наклеєний вуглепластиковий 2-х шаровий плоский радіатор товщиною 125 мкм з орієнтацією шарів 0° і 90° із теплопровідністю 240 Вт/(мК), виготовлений з вуглецевого волокна K13D/954-3. Повністю зібрана жорстка SLA панель на каркасі "картина в рамі" дозволяє забезпечити питому потужність по масі понад 180 2 Вт/кг при вихідний питомій потужності по площі ~300 Вт/м . При цьому мала площа фотовольтаїчних приймачів з сонячними елементами покритими захисним тонким склом товщиною 100 мкм і розмірами 3512 мм з інтегрованими захисними (від пробою) діодами дозволяють здійснити їх супергерметизацію оптично прозорими силіконовими полімерами без істотного збільшення маси СБ. Така супергерметизація дозволяє забезпечити функціонування високовольтних СБ в умовах космічної плазми і забезпечити радіаційну стійкість в космічному польоті в умовах жорсткої радіаційної обстановки. Подібні покриття були успішно випробувані при впливі 1000 В при моделюванні впливу космічної плазми. Ця версія SLA пропонує реальне збільшення потужності сонячних батарей до 20 кВт при мінімальних витратах на виготовлення і при мінімальних масогабаритних характеристиках. Ознаки даного пристрою-прототипу спільні з ознаками пропонованого нового технічного рішення: Лінійні силіконові лінзи Френеля з багатошаровими захисними покриттями від дії УФ випромінювання і атомарного кисню; Тримачі для натягу лінз Френеля; Високоефективні багатоперехідні сонячні елементи з радіаційностійкими захисними покриттями; Лінійки приймачів сонячного випромінювання з захистом від впливу космічної плазми; Жорсткий рамковий каркас з тонким вуглепластиковим теплопровідним радіатором. Недоліки: Для силіконових лінз Френеля на арочних утримувачах необхідні спеціальні високотехнологічні пристрої для розкриття, натягу гнучких силіконових мембран, закріплених на арочних утримувачах і фіксації арочних утримувачів лінз; 3 UA 105952 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Закріплення і утримування гнучких силіконових мембран лише з двох коротких сторін арочними утримувачами і вільний незакріплений стан довгих прямих сторін може приводити до істотної зміни форми поверхні лінзи при впливі циклічно змінної температури і неконтрольованості розкриття та фіксації арочних утримувачів з лінзами Френеля; У передстартовому складеному положенні панелей СБ кінці лінз закріплених на арочних утримувачах висунуті назовні з складених панелей і схильні до ризику бути пошкодженими; Значний обертовий момент на притискних петлях при розкритті панелей СБ зі складеного становища збільшують ударні навантаження на торці панелей; Процеси монтажу аркових утримувачів на поверхні панелей, закріплення країв гнучких силіконових лінз Френеля на арочних утримувачах вимагають застосування прецизійного технологічного оснащення та суттєво ускладнюють процес складання концентраторних СБ, а також збільшують розсуміщення компонентів приймачів сонячного випромінювання і лінз Френеля; В основу нашого винаходу поставлена задача удосконалення конструкції концентраторної СБ на лінійних лінзах Френеля і жорсткій вуглепластиковій панелі шляхом того, що на тонкій плоскій багатошаровій вуглепластиковій теплопровідній основі - радіаторі, закріпленій на плоских тонких вуглепластикових утримувачах, розміщених на поздовжніх і поперечних порожнистих вуглепластикових лонжеронах жорсткої несучої рами, що мають переріз трикутника зі зрізаними вершинами, встановлений вуглепластиковий гофр, висота якого взаємопов'язана з фокусною відстанню лінійних лінз Френеля, бічні грані і торці гофра виконані у вигляді трапеції, на верхніх ребрах гофра розміщена плоска вуглепластикова несуча рамка у вигляді решітки з закріпленими на них і зафіксованими в натягнутому положенні плоскими лінійними лінзами Френеля із силіконового полімеру, протилежні грані в кожній комірці гофра виконані з оптимальними кутами до поверхні приймачів сонячного випромінювання, на плоских поверхнях граней комірки гофра і поверхнях поперечних лонжеронів жорсткої порожнистої несучої рами звернених до торців гофра розміщені вторинні оптичні елементи у вигляді трапецеїдальних плоских смужок відбивачів, плоскі смужки відбивачів закріплені на гранях гофра таким чином, що ширина вихідної апертури кожних двох суміжних плоских відбивачів в комірці гофра відповідає ширині фоточутливої області сонячних елементів в лінійках приймачів сонячного випромінювання, а нижні торці смужок відбивачів примикають з мінімальним зазором до границі приймачів сонячного випромінювання, грані в кожній комірці гофра в області основи гофра зігнуті під оптимальними кутами так, що в області основи комірки гофра є простір для розміщення електричних послідовно-паралельних міжз'єднань сонячних елементів і лінійок приймачів сонячного випромінювання, а також є простір для повної герметизації всіх струмопровідних елементів приймачів сонячного концентрованого випромінювання, що дозволяє забезпечити високу стабільність фізико-механічних характеристик об'ємного вуглепластикового каркаса, підвищення показників механічної міцності і жорсткості каркаса, зменшення деформацій і мінімізацію прогину панелей сонячної батареї, що викликаються циклічними змінами температури, збільшення прийнятного кута розорієнтації сонячної батареї, зниження деградації електричних характеристик і підвищення надійності в експлуатації, спрощення технології складання сонячних концентраторних модулів, зниження показників питомої ваги і питомої вартості, підвищення вихідної питомої потужності. Цей технічний результат забезпечується за рахунок відмінних істотних ознак від прототипу, що обумовлюють відповідність запропонованого пристрою критерію "новизна". Причиннонаслідковий зв'язок між відмінними ознаками і технічним результатом наступна. Розміщення на тонкій плоскій багатошаровій вуглепластиковій теплопровідній основі радіаторі, закріпленій на плоских тонких вуглепластикових утримувачах, розміщених на поздовжніх і поперечних порожнистих вуглепластикових лонжеронах жорсткої несучої рами, що мають перетин трикутника з усіченими вершинами, вуглепластикового гофра, висота якого взаємопов'язана з фокусною відстанню лінійних лінз Френеля, виконання бічних граней і торців гофра у вигляді трапеції, розміщення на верхніх ребрах гофра плоскої вуглепластикові несучої рамки у вигляді решітки з закріпленими на них і зафіксованими в натягнутому положенні плоскими лінійними лінзами Френеля із силіконового полімеру, забезпечує високу стабільність фізико-механічних характеристик об'ємного вуглепластикового каркаса, підвищення показників механічної міцності і жорсткості каркаса, зменшення деформацій і мінімізацію прогину панелей сонячної батареї, що викликаються циклічними змінами температури, забезпечує поліпшення теплових параметрів сонячних елементів і спрощує технологію складання концентраторних сонячних модулів. Цей технічний результат забезпечується за рахунок застосування в конструкції сонячного модуля гофра. Можливість якісного пресування багатошарового вуглепластикового матеріалу в процесі гофрування і складання-склеювання гофра з несучою 4 UA 105952 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 плоскою вуглепластиковою основою - радіатором, плоскою решітчастою рамкою, порожнистими жорсткими вуглепластиковими лонжеронами та тонкими вуглепластиковими утримувачами забезпечує підвищення міцності і жорсткості каркаса модуля. Висока геометрична точність комірок гофра і регулярності їх повторення забезпечує стабільність фізико-механічних характеристик гофрованого каркасу. При товщині багатошарових вуглепластиків гофра, нижньої несучої основи та утримувачів рівній трьом чи чотирьом моношарам забезпечується необхідна 2 міцність і краща жорсткість каркаса при його поверхневої питомій масі не більше 0,8 кг/м , а також мінімальні прогини каркаса модуля при температурних впливах в інтервалі від - 170 °C до + 150 °C. Виконання протилежних граней в кожній комірці гофра з оптимальними кутами до поверхні приймачів сонячного випромінювання, розміщення на плоских поверхнях граней комірки гофра і поверхнях поперечних лонжеронів жорсткої порожнистої несучої рами, звернених до торців гофра вторинних оптичних елементів у вигляді плоских смужок відбивачів, які мають форму трапеції, закріплення плоских смужок відбивачів на гранях гофра таким чином, що ширина вихідної апертури кожних двох суміжних плоских відбивачів в комірці гофра відповідає ширині фоточутливої області сонячних елементів в лінійках приймачів сонячного випромінювання, а нижні торці смужок відбивачів примикають з мінімальним зазором до границі приймачів сонячного випромінювання забезпечує збільшення прийнятного кута розорієнтації сонячного модуля до більш ніж 3,5° при мінімальних втратах вихідної потужності (не більше 10 % від номінального значення). Даний технічний результат забезпечується за рахунок: Зменшення оптичних втрат, пов'язаних з розсуміщенням лінз Френеля і сонячних елементів; Зменшення оптичних втрат, пов'язаних з похибкою орієнтації на Сонце; Зменшення жорсткості вимог до точності попадання світлових променів на фотоприймачі; Збільшення частини світла, що потрапляє на сонячні елементи від загального світлового потоку від лінз Френеля; Збільшення рівномірності освітленості поверхні сонячних елементів. Застосування в якості плоских відбивачів нових матеріалів з інтегральним коефіцієнтом відбиття сонячного випромінювання до 95 % і коефіцієнтом відбиття світла у видимому діапазоні до 98 %. Вигин граней в кожній комірці гофра в області основи гофра під оптимальними кутами так, що в області основи гофра є простір для розміщення електричних послідовно-паралельних міжз'єднань сонячних елементів і лінійок приймачів сонячного випромінювання, а також є простір для повної герметизації всіх струмопровідних елементів приймачів сонячного концентрованого випромінювання забезпечує зниження деградації електричних характеристик і підвищення надійності в експлуатації модуля. Отримання такого технічного результату пов'язано з тим, що в космосі з сонячної плазми в сонячних елементах можуть виникати аномально високі струми витоку з відповідним зниженням вихідної потужності сонячних батарей. У пропонованому технічному рішенні мала площа фотовольтаїчних приймачів з сонячними елементами, покритими захисним тонким склом товщиною до 100 мкм і з інтегрованими захисними (від пробою) діодами дозволяють здійснити їх супергерметизацію оптично прозорими силіконовими полімерами без істотного збільшення маси СБ. Така супергерметизація дозволяє забезпечити функціонування високовольтних БС в умовах космічної плазми і забезпечити радіаційну стійкість в космічному польоті в умовах жорсткої радіаційної обстановки. Ізоляція міжелементних з'єднань і зазорів між суміжними сонячними елементами в пропонованому сонячному модулі призводить до багаторазового збільшення повного опору протіканню струмів витоку, що значно знижує ці струми витоку і ймовірність короткого замикання через космічну плазму. Вибір оптимальної висоти комірок гофра у взаємозв'язку з фокусною відстанню лінійних лінз Френеля, прийнятним кутом розорієнтації, ступенем концентрації сонячного випромінювання забезпечує збільшення вихідної питомої потужності модуля, підвищення рівномірності розподілу світлового потоку на фотоприймальній поверхні сонячних елементів, зменшення об'ємногабаритних параметрів, зниження питомої ваги і, відповідно, питомої вартості концентраторного модуля в порівнянні з прототипом. Отримання даного технічного результату ілюструється графіками розрахункової залежності прийнятного кута розорієнтації концентраторної системи запропонованого короткофокусного модуля від кутів нахилу граней гофра з рефлекторами та оптимальної висоти комірок гофра (30 мм і 40 мм) при заданих значеннях ступеня концентрації (~8,5), при максимальній рівномірності розподілу світлового потоку на фотоприймальні поверхні сонячних елементів та оптимальних фокусних відстанях лінз Френеля. У таблиці представлені порівняльні параметри сонячних концентраторних модулів (для двох значень фокусних відстаней лінз Френеля короткофокусних модулів), конструкція яких 5 UA 105952 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 максимально наближена до традиційних схем розгортання і конструкційним параметрам звичайних планарних космічних сонячних батарей. Суть пропонованого винаходу більш детально роз'яснюється конкретним прикладом його здійснення з посиланнями на креслення, на яких: На Фіг. 1 зображено аксонометричний вигляд сонячного концентраторного короткофокусного модуля; На Фіг. 2 зображений аксонометричний вигляд сонячного концентраторного короткофокусного модуля без жорсткої несучої рами: а) - в зібраному вигляді, б) - з рознесеними елементами модуля; На Фіг. 3 зображений аксонометричний вигляд фрагмента несучої рами; На Фіг. 4 схематично зображено елементи сонячного концентраторного модуля в комірках гофра з приймачами і плоскими відбивачами; На Фіг. 5 схематично зображені елементи сонячного концентраторного модуля в комірках гофра з приймачами, плоскими відбивачами і лінзами Френеля в рамці; На фотографії представлений прототип сонячного концентраторного короткофокусного модуля з розмірами 42043040 мм. Позиціями позначені: 1 - Сонячний концентраторний короткофокусний модуль; 2 - Жорстка несуча рама; 3 - Тонка плоска вуглепластикова основа - радіатор; 4 - Гофр; 5 - Приймач сонячного випромінювання; 6 - Вторинний оптичний елемент - плоский відбивач; 7 - Плоска вуглепластикова решітчаста рамка для лінз Френеля; 8 - Лінза Френеля; 9 - Додатковий плоский торцевий відбивач; 10 - Поздовжній лонжерон жорсткої несучої рами; 11 - Поперечний лонжерон жорсткої несучої рами; 12 - Тонкий плоский вуглепластиковий утримувач жорсткої несучої рами для кріплення вуглепластикової основи-радіатора і лонжеронів; 13 - Бічні направляючі грані гофра для кріплення плоских відбивачів; 14 - Кут нахилу бічних граней гофра для кріплення плоских відбивачів; 15 - Оптична вісь концентраторной системи в комірці гофра; 16 - Сонячний елемент; 17 - Ширина вихідної апертури двох суміжних плоских відбивачів в комірці гофра; 18 - Бічні грані гофра, що примикають до основи комірки гофра; 19 - Основа комірки гофра; 20 - Кут нахилу лівої бічної грані гофра, що примикає до основи комірки гофра; 21 - Кут нахилу правої бічної грані гофра, що примикає до основи комірки гофра; 22 - Герметизація приймача; 23 - Струмопровідні елементи приймача; 24 - Висота гофра; 25 - Фокусна відстань оптичної системи комірки гофра; 26 - Апертура лінзи Френеля в комірці гофра; 27 - Вершина гофра. Сонячний концентраторний короткофокусний модуль 1, що заявляється (Фіг. 1), в жорсткій об'ємній несучій рамі 2 складається з тонкої плоскої багатошарової вуглепластикової теплопровідної основи-радіатора 3 (Фiг. 2), закріпленої на плоских тонких вуглепластикових утримувачах 12 (Фіг.З). Плоскі тонкі вуглепластикові утримувачі 12 розміщені на поздовжніх 10 і поперечних 11 порожнистих вуглепластикових лонжеронах жорсткої несучої рами 2, які мають перетин трикутника з усіченими вершинами (Фіг. 3). На тонкій плоскій багатошаровій вуглепластиковій теплопровідній основі-радіаторі 3 встановлено вуглепластиковий гофр 4 (Фiг. 2). Бічні грані і торці гофра виконані у вигляді трапеції. У нижній частині комірки гофра 4 розміщені приймачі сонячного випромінювання 5 (Фіг. 2, Фіг. 4). На плоских бічних поверхнях граней комірки гофра 4 розміщені вторинні оптичні елементи 6 в вигляді плоских смужок відбивачів і мають форму трапеції. На верхніх ребрах гофра 4 розміщена плоска вуглепластикова несуча рамка 7 у вигляді решітки з закріпленими на них і зафіксованими в натягнутому положенні плоскими лінійними лінзами Френеля 8 з силіконового полімеру. На плоских поверхнях поперечних лонжеронів 11 жорсткої порожнистої несучої рами 2 звернених до торців гофра 4 розміщені додаткові вторинні оптичні елементи 9 у вигляді плоских смужок 6 UA 105952 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 відбивачів в формі трапеції. Протилежні грані 13 в кожній комірці гофра 4 виконані з оптимальними кутами нахилу 14 до оптичної осі 15, перпендикулярної до фотоприймальної поверхні сонячних елементів 16 приймачів сонячного випромінювання 5 (Фіг. 4). Кожна плоска смужка відбивача 6 закріплена на відповідних гранях 13 гофра 4 таким чином, що ширина вихідної апертури 17 кожних двох суміжних плоских відбивачів 6 в комірці гофра 4 відповідає ширині фоточутливої області сонячних елементів 16 в лінійках приймачів сонячного випромінювання 5 (Фіг. 4) а нижні торці смужок відбивачів 6 примикають з мінімальним зазором до верхньої межі приймачів сонячного випромінювання 5. Бічні грані 18, що примикають до основи гофра 19 в кожній комірці гофра 4 зігнуті під оптимальними кутами 20 і 21 до основи 3 так, що в області основи 19 комірок гофра 4 є простір для розміщення електричних послідовнопаралельних міжз'єднань сонячних елементів і лінійок приймачів сонячного випромінювання, а також є простір для повної герметизації 22 всіх струмопровідних елементів 23 приймачів сонячного концентрованого випромінювання 5 (Фіг. 5). Висота 24 (Фіг. 5) комірок гофра 4 вибирається залежно від фокусної відстані 25 лінійної лінзи Френеля 8, ширини сонячних елементів 16 і вхідної апертури 26 лінзи 8 з урахуванням максимальної рівномірності розподілу сонячного випромінювання по поверхні сонячних елементів 16, максимального прийнятного кута концентраторної системи модуля і мінімальних питомих вагових характеристик всього модуля. Для доведення відповідності пропонованого технічного рішення сонячного концентраторного короткофокусного модуля критерію "винахідницький рівень" був проведений аналіз відомих рішень за літературними джерелами, була проаналізована вся сукупність ознак і окремо відмінні ознаки. Встановлено, що застосування вищевказаних відмінних ознак в пропонованому пристрої, що дають у сукупності з відомими ознаками технічний результат, що полягає у високій стабільності фізико-механічних характеристик об'ємного вуглепластикового каркаса, підвищенні показників механічної міцності і жорсткості каркаса, зменшенні деформацій і мінімізації прогину панелей сонячної батареї, що викликаються циклічними змінами температури, збільшення прийнятного кута розорієнтації сонячної батареї, зниженні деградації електричних характеристик і підвищення надійності в експлуатації, спрощення технології складання сонячних концентраторних модулів, зниженні показників питомої ваги і питомої вартості, підвищенні вихідної питомої потужності в літературних джерелах не виявлено. Таким чином, на думку авторів винахід, що заявляється відповідає умові патентоспроможності "винахідницький рівень". Працездатність концентраторного модуля підтверджена на дослідних зразках, які піддавалися випробуванням на вплив циклічних змін температури в інтервалі від -170 °C до +150 °C (чотири термоцикли) з наступним впливом квазістатичних навантажень (20 g) і синусоїдальних вібрацій (20 g). Дослідні зразки випробування витримали. При цьому зміни зовнішнього вигляду зразків не відбувалося, ознак критерію відмови не відзначено, помутніння лінз Френеля не спостерігалося, наявність корозії зварних з'єднань після випробувань не встановлено, напруга холостого ходу і струм короткого замикання модуля не змінилися, зміна струму в навантаженні не перевищила 1 %. Реалізація винаходу, що заявляється на існуючій елементній базі і технологічному обладнанні технічної трудності не представляє, що дозволяє зробити висновок про відповідність пропозиції, що заявляється умові патентоспроможності "промислова придатність". На фотографії показаний експериментальний зразок пропонованого сонячного концентраторного короткофокусного модуля. 7 UA 105952 C2 Таблиця Сонячний концентраторний короткофокусний модуль № п/п 1 2 3 4 4 5 6 Найменування параметра Фокусна відстань лінзи Френеля, мм Прийнятний кут розорієнтації, град. 2 Питома вага модуля, кг/м в тому числі: Вуглепластиковий гофрований каркас; Приймачі; Плоскі рефлектори; Силіконові лінзи Френеля Висота комірок гофра, мм Габаритна висота модуля, мм Питома потужність по площі (на початок терміну 2 активного існування, АМ0, 25 °C, КПДСЕ=30 %), Вт/м Питома потужність по масі (на початок терміну активного існування, АМО, 25 °C, КПДСЕ=30 %), Вт/кг Значення 34 3,53 1,6 0,63 0,23 0,47 0,27 30 31 45 3,74 1,75 0,77 0,23 0,48 0,27 40 41 340 340 212 194 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 Сонячний концентраторний короткофокусний модуль, який містить жорсткий рамковий каркас з вуглепластиковою теплопровідною основою-радіатором, лінійні силіконові лінзи Френеля із захисними покриттями від дії ультрафіолетового випромінювання і атомарного кисню, утримувачі для фіксації плоских лінз Френеля, багатоперехідні сонячні елементи з радіаційностійкими захисними покриттями, лінійки приймачів сонячного випромінювання з захистом від впливу космічної плазми, вторинні оптичні елементи, який відрізняється тим, що на плоскій багатошаровій вуглепластиковій теплопровідній основі - радіаторі, закріпленій на плоских вуглепластикових утримувачах, розміщених на поздовжніх і поперечних порожнистих вуглепластикових лонжеронах жорсткої несучої рами, що мають переріз трикутника зі зрізаними вершинами, встановлений вуглепластиковий гофр, висота якого взаємопов'язана з фокусною відстанню лінійних лінз Френеля, бічні грані і торці гофра виконані у вигляді трапеції, на верхніх ребрах гофра, розміщена плоска вуглепластикова несуча рамка у вигляді решітки з закріпленими на них і зафіксованими в натягнутому положенні плоскими лінійними лінзами Френеля із силіконового полімеру, на плоских поверхнях граней комірок гофра і поверхнях лонжеронів жорсткої порожнистої несучої рами, звернених до торців гофра розміщені вторинні оптичні елементи у вигляді плоских смужок відбивачів, що мають форму трапеції, плоскі смужки відбивачів закріплені на гранях гофра таким чином, що ширина вихідної апертури кожних двох суміжних плоских відбивачів в комірці гофра відповідає ширині фоточутливої області сонячних елементів в лінійках приймачів сонячного випромінювання, а нижні торці смужок відбивачів примикають з зазором до границі приймачів сонячного випромінювання, грані в кожній комірці гофра в області основи гофра зігнуті під кутами так, що в області основи гофра є простір для розміщення електричних послідовно-паралельних з'єднань сонячних елементів і лінійок приймачів сонячного випромінювання, а також є простір для повної герметизації всіх струмопровідних елементів приймачів сонячного концентрованого випромінювання. 8 UA 105952 C2 9 UA 105952 C2 10 UA 105952 C2 11 UA 105952 C2 12 UA 105952 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 13