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CN106816479A - 一种适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵 - Google Patents

一种适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵 Download PDF

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CN106816479A
CN106816479A CN201611226357.7A CN201611226357A CN106816479A CN 106816479 A CN106816479 A CN 106816479A CN 201611226357 A CN201611226357 A CN 201611226357A CN 106816479 A CN106816479 A CN 106816479A
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张丹红
刘敏娟
呼文韬
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Abstract

本发明涉及一种适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵。本发明属于物理电源技术领域。适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，从上到下依次是透明含氟聚合物薄膜、聚烯烃胶膜、电池串、聚烯烃胶膜、透明或白色聚合物膜的顺序叠层，电池串采用柔性多结砷化镓电池作为发电单元，采用电池交叠接触方式，实现电池之间的串并联，汇流条采用镀银铜芯编织扁软线，组件上表面采用含氟聚合物薄膜，下表面采用透明或白色聚合物薄膜封装，粘合剂采用热熔聚烯烃胶膜，在电池串正反两面分别与含氟透明聚合物薄膜和/或白色聚合物薄膜进行热熔粘合，柔性太阳电池阵一次高温层压成型。本发明牢固可靠、可弯曲扭转、质量面密度小，能源利用率高。

Description

一种适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵
技术领域
本发明属于物理电源技术领域，特别是涉及一种适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵。
背景技术
目前，临近空间超长航时飞行器主要以太阳能作为主要能量来源。主要类型包括太阳能无人机、电动力太阳能飞艇和浮空器等。这类飞行器由于飞行高度高、飞行速度慢、飞行时间长，因此对承担发电功能的太阳电池阵提出了很高的技术要求。一是要有较高的转换效率。目前应用于临近空间超长航时飞行器的太阳电池阵主要有两种，一种是基于晶硅刚性电池的半柔性太阳电池阵，一种是基于柔性薄膜电池(如铜铟镓硒、非晶硅、薄膜砷化镓等)的全柔性太阳电池阵。半柔性太阳电池阵效率适中，成本较低，在国内外太阳能无人机上广泛应用，但由于其面密度高，目前尚无法实现长时间驻空；而全柔性太阳电池阵弯曲能力强，面密度低，更广泛地应用于浮空器和无人机上。其中以薄膜砷化镓太阳电池阵转换效率最高(30％)，面密度最低(350g/m2)，是最具潜力的新一代太阳电池产品，目前世界各国都在抓紧研制相关产品。
传统光伏组件采用单晶硅或多晶硅太阳电池，用聚乙烯-醋酸乙烯酯热熔胶、钢化玻璃和TPT背板层压制造而成。这种工艺制造出的太阳电池组件虽然能够具备长效发电能力，但是其重量大、不可弯曲，限制了其在临近空间飞行器上的使用。即使后采用了透明PET代替玻璃，仍难以满足面密度要求。
CN201410655911.8所述半柔性太阳电池阵是一种仅在折叠位置可实现局部弯曲的组件，采用薄晶硅刚性电池作为发电单元，无法避免太阳电池受到内部弯曲或扭转力后引起的碎裂，因此必须在含有电池的部分用厚度不低于3mm的铝蜂窝板进行局部结构加强，单纯的铝蜂窝板虽然已经大量用于航天领域，但其结构密度至少在600g/m2以上，因此加上电池和胶的重量后，存在太阳电池阵重量将不会小于900g/m2，全阵转换效率不高于19％等问题。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵。
本发明的目的是提供一种具有临近空间超长航时飞行器上大面积铺设、牢固可靠、可弯曲扭转、质量面密度小的全柔性薄膜太阳电池阵列，实现太阳电池功率的高效稳定输出等特点的适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵。
本发明的技术创新点包括：
采用全柔性薄膜多结砷化镓电池，并在电池器件工艺上进行了革新设计。柔性太阳电池背面设计为导电的铜镀层，正面主栅进行了优化设计，降低主栅电极高度，增加主栅的宽度，以利于通过含银导电胶与另一片电池的铜背电极充分接触。
采用串联方向依次叠瓦式电池电路连接结构，大大降低了焊带和互联片的使用，提高了组阵的可靠性和平整度。该种连接形式还可以有效提高组阵的有效布片率，进而提高单位面积的发电功率。
阵列前板和背板创新采用含氟聚合物薄膜，薄膜厚度12.5～25微米，即起到保护电池电路的作用，又能承载一定的机械载荷。彻底摆脱衬板或背板加强材料的约束，真正达到了结构与电路的一体化。
阵列正负极引出线通过与汇流条焊接的编织扁软线垂直于组阵边缘引出，扁软线为一种特制的带有局部绝缘材料的扁平状镀银铜线束，其优势在于可经受弯曲、拉伸、扭转而保持电缆的稳定输出状态。
本发明适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵所采取的技术方案是：
一种适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特点是：柔性太阳电池阵从上到下依次是透明含氟聚合物薄膜、聚烯烃胶膜、电池串、聚烯烃胶膜、透明或白色聚合物膜的顺序叠层，电池串采用柔性多结砷化镓电池作为发电单元，采用电池交叠接触方式，实现电池之间的串并联，汇流条采用镀银铜芯编织扁软线，组件上表面采用透明含氟聚合物薄膜制成，下表面采用透明或白色聚合物薄膜进行封装，粘合剂采用热熔聚烯烃胶膜，在电池串正反两面分别与含氟透明聚合物薄膜和/或白色聚合物薄膜进行热熔粘合，柔性太阳电池阵一次高温层压成型。
本发明适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵还可以采用如下技术方案：
所述的适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特点是：柔性太阳电池阵阵列成型后外边框采取制作铜制绑扎孔、背面粘贴魔术粘扣以及直接与碳纤维结构部件胶接的方式与机体实现机械连接。
所述的适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特点是：电池串采用厚度为20－50微米的柔性多结砷化镓电池作为发电单元。
所述的适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特点是：组件上表面采用10－15微米厚的透明含氟聚合物薄膜制成，下表面采用20－30微米厚的透明或白色聚合物薄膜进行封装。
所述的适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特点是：粘合剂采用20－50微米聚烯烃热熔胶膜。
本发明具有的优点和积极效果是：
适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵由于采用了本发明全新的技术方案，与现有技术相比，本发明包括以下特点：
1、采用含氟聚合物薄膜作为正反面封装的材料，表面均有阻水涂层，有效防止水汽对电池寿命的影响；
2、电池为柔性，并采用叠瓦式串联方式代替焊接，有效提高组阵平整度和稳定性，且阵列可自由弯曲，曲率半径达到50mm时，性能无影响；
3、本专利采用高效率的柔性多结砷化镓电池，效率在31％以上，可根据实际需求尺寸进行阵列设计组合。组件最佳功率点功率重量比大于600W/kg；
4、组件采用超薄封装材料和超薄电池制成，组合后，组件厚度仅为180微米，组件面密度350g/m2；
5、组件耐环境能力强，10天紫外辐照试验后功率衰降小于2％。组件经历10天湿热试验后，功率衰降小于3％，可耐受-80℃～80℃范围的温度交变，在低气压4kPa环境下30天存放，不发生开胶起泡等现象；
6、与飞行器结构一体化接口友好，不易破损。
采用这种高效、高比功率、低面密度的太阳电池阵制作高空超长航时飞行器发电模块，可以有效降低能源系统重量，提高能源利用效率。通过一体化设计，太阳电池阵可以作为太阳能无人机蒙皮材料。
附图说明
图1是适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵内部结构示意图；
图2是适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵结构示意图。
图中，1-透明含氟聚合物薄膜，2-聚烯烃胶膜，3-太阳电池，4-背面聚合物薄膜，5-镀银铜芯编织扁软线，6-导电胶带。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
参阅附图1和图2。
实施例1
一种适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，从上到下依次是透明含氟聚合物薄膜、聚烯烃胶膜、电池串、聚烯烃胶膜、透明或白色聚合物膜的顺序叠层，电池串采用柔性多结砷化镓电池作为发电单元，采用电池交叠接触方式，实现电池之间的串并联，汇流条采用镀银铜芯编织扁软线，组件上表面采用透明含氟聚合物薄膜制成，下表面采用透明或白色聚合物薄膜进行封装，粘合剂采用热熔聚烯烃胶膜，在电池串正反两面分别与含氟透明聚合物薄膜和/或白色聚合物薄膜进行热熔粘合，柔性太阳电池阵一次高温层压成型。
适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵：
采用厚度不大于50微米的柔性多结砷化镓电池作为发电单元，单体效率超过31％，组合效率可达30％(1280W/m2，2km，25℃)。
通过电池交叠接触的方式，实现电池之间的串并联，省去电池串并联的焊接过程。汇流条采用镀银铜芯编织扁软线，保证阵列在热交变条件下不会引起汇流条法向翘曲。
组件上表面采用12.5微米厚的透明含氟聚合物薄膜制成，下表面采用25微米透明或白色聚合物薄膜进行封装。
粘合剂采用50微米以下聚烯烃热熔胶膜，在电池串正反两面分别与含氟透明聚合物薄膜和白色聚合物薄膜进行热熔粘合。
太阳电池阵从上到下依次是透明含氟聚合物薄膜、聚烯烃胶膜、电池串、聚烯烃胶膜、透明或白色聚合物膜的顺序叠层，通过一次高温层压成型。
根据不同的技术要求，阵列成型后外边框可采取制作铜制绑扎孔、背面粘贴魔术粘扣以及直接与碳纤维结构部件胶接的方式与机体实现机械连接。充分满足飞艇、浮空气球、无人机等多种平台设计要求。
本实施例的具体制作过程：
串联制作：参阅附图1，选用2mm×4mm的柔性砷化镓电池3若干，先在每片电池正面主栅上通过自动点胶机均匀涂覆一层含银导电胶，再将各片电池通过手工或自动化设备的方式依次摆放在串焊模具上，将相邻电池的主栅与背面电极粘接在一起，形成一个电池串，示例中制作了4个相同的电池串，待导电胶自然凝固粘牢后，再将其全部转移至组阵模具上，组阵模具用于控制各串电池的间隙，最终通过导电胶带6将4串电池的首尾分别连接在一起，形成阵列。导电胶带6一半搭接在电池上，一半露在电池阵外，用于焊接电极引出电缆。
电极的制作：在导电胶带上用少量焊锡将镀银铜芯编织扁软线5的一头与之焊接固定，导线方向与导电胶带保持垂直，另一端作为电极引出端，保留一部分绝缘皮。每条导电胶带上至少焊接2根导线作为电极。
叠层制作：将上述组合好的电池电路正面朝下放在事先铺好的含氟聚合物薄膜1与聚烯烃胶膜2上，叠层顺序自下而上依次为含氟聚合物薄膜1、聚烯烃胶膜2、电池电路3。再依次将第二层聚烯烃胶膜2、背面聚合物薄膜4覆盖在上述叠层结构上。最后将预留的电极引出端从背膜中穿出。
层压制作：选用多段真空层压的方式将上述叠层结构放置在层压机上，层压1小时后取出，裁切多余胶膜后，即可得到附图1所示的实施例。
本实施例具有牢固可靠、可弯曲扭转、质量面密度小，可以有效降低能源系统重量，提高能源利用效率，可以一体化设计，进行大面积铺设，实现太阳电池功率的高效稳定输出等积极效果。

Claims (5)

1.一种适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特征是：柔性太阳电池阵从上到下依次是透明含氟聚合物薄膜、聚烯烃胶膜、电池串、聚烯烃胶膜、透明或白色聚合物膜的顺序叠层，电池串采用柔性多结砷化镓电池作为发电单元，采用电池交叠接触方式，实现电池之间的串并联，汇流条采用镀银铜芯编织扁软线，组件上表面采用透明含氟聚合物薄膜制成，下表面采用透明或白色聚合物薄膜进行封装，粘合剂采用热熔聚烯烃胶膜，在电池串正反两面分别与含氟透明聚合物薄膜和/或白色聚合物薄膜进行热熔粘合，柔性太阳电池阵一次高温层压成型。
2.根据权利要求1所述的适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特征是：柔性太阳电池阵阵列成型后外边框采取制作铜制绑扎孔、背面粘贴魔术粘扣以及直接与碳纤维结构部件胶接的方式与机体实现机械连接。
3.根据权利要求1或2所述的适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特征是：电池串采用厚度为20－50微米的柔性多结砷化镓电池作为发电单元。
4.根据权利要求1或2所述的适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特征是：组件上表面采用10－15微米厚的透明含氟聚合物薄膜制成，下表面采用20－30微米厚的透明或白色聚合物薄膜进行封装。
5.根据权利要求1或2所述的适用于临近空间超长航时飞行器的柔性太阳电池阵，其特征是：粘合剂采用20－50微米聚烯烃热熔胶膜。
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