JP4705366B2 - 太陽発電機パネルおよび関連の人工衛星 - Google Patents

Description

本発明は、概して太陽エネルギー発電機パネルに関し、特にその宇宙への適用に関する。より詳細には、本発明は、並行して配置され、実質的に方形の格子を形成する光単電池（ｐｈｏｔｏｖａｌｔａｉｃ ｃｅｌｌ）列のアレイを含む太陽発電機パネル（ｓｏｌａｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｐａｎｅｌ）に関する。

人工衛星のような宇宙飛行体で運ばれる太陽発電機パネルは一般的に下記を備える：
人工衛星に電気的に接続された単電池の列で形成され、支持パネルの表面を覆い、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する働きをする太陽単電池のアレイと、
基板を備える単電池のアレイを支持する支持パネル。

このような太陽発電機パネルは、多種多様な構成で供給され得る。通常、これらは、宇宙飛行体の本体から離れる方向に並行に延びる長手方向の連続体を備え、発電機パネルは、太陽を追尾するために宇宙飛行体の周りを回転するように設計されている。それでも、利用可能な電力を増加させるため、前記パネルだけではなく側面方向のパネルも追加して展開することが提案されてきた。パネルが、横断方向、つまり前記長手方向を横断するように延びた方向に配設され、その方向に沿って、発電機を人工衛星の本体に接続しているヨークが延び、発電機は太陽を追尾するためにその周りを回転するようになされた構成も知られている。

パネルからの利用可能な電力を増加させるためのもう１つの要素は、太陽単電池がパネル上に占める割合にある。一般的に行われているのは、優秀であるとみなされる０．９４までの占有率の達成を可能にするシリコン単電池の使用である。本来、この優秀な結果は、パネル毎の列の数が少ないことに起因し、それは、小さな面積しか失われないことに繋がるシリコン単電池列の特性である。

それでも、現在の傾向は、ますますＧａＡｓ単電池の使用に向かっており、これはＧａＡｓが高いエネルギー変換効率を提供するためである。

それでも、ＧａＡｓ単電池の使用については、いくつかの欠点が発生する：
第１に、単電池列の正および負の電極を接続することに対する解決策であり、その電極が占める場所を最適化することを可能にする解決策を見出す必要があり、
第２に、隣接する単電池と単電池の間の電圧がある閾値を超える場合、１次静電気放電によって生成されたプラズマを介して、列からの動作電流が、２つの単電池間に流れ得ることが知られている。この２次アークは、発電機の動作電流に維持されて、数秒間またはそれ以上流れ続けることができる。次いで、この２次アークが充分なエネルギーを浪費して、高抵抗のポリマが非常に低抵抗を有する材料に変化する温度まで絶縁基板を加熱することが知られている。この熱分解のプロセスは、２つの単電池の間の、したがって隣接する単電池の、２つの並びの間の恒久短絡につながり、これが太陽発電機の１部分の恒久破壊をもたらし、次いで人工衛星の装置への作業電力の供給が全くできなくなる。

単電池列の＋および−の電極がパネルの同じ縁部にあるパネルは、通常Ｕ字形構成であると言われるが、同じＵ字形にある２つの＋および−電極は、互いに比較的近接しており、対応する列に沿った電圧降下の合計値に等しい電位差にある。したがって、最大電位差は、これら連続する電極と電極の間と、同じＵ字形列のそれぞれの端部である２つの隣接する単電池と単電池の間に現れる。単電池と単電池の間（または電極と電極の間）の距離が小さいため、高い電位差も関連して、前述のように電気アークが現れるリスクが存在する。

これが、隣接する単電池と単電池の間に最大電圧（約４０（ｖ）の）を設定する必要がある理由である。

さらに、隣接する並びと並びの間の２次放電のリスクを減少させる方法は、単電池の並びと並びの間のスペースを増加させることにある。しかし、この方式で生成したスペースは、パネルの単電池占有率の低下につながり、それによってパネルが集電できる太陽エネルギー電力を減少させる。現状の知識では、ＧａＡｓ単電池の占有率は、０．９０〜０．９２の範囲で最大に達する。この占有率は、特に図１に示す方法によって得られる単電池を使用することによって達成されるが、この方法では、単電池１はゲルマニウム（Ｇｅ）の円板２から切り出され、前記ディスクは、隣接する単電池１と単電池１の間で角が切り落とされていることを意味する「ウェーハ」と一般に呼ばれる。面取りをした２つの角を各々が有する長方形の、共に同じディスク２から取った２つの単電池を提供するために、正方形３を２つに切って、単電池１を供給することが習慣とされてきた。

図２は、現在まで使用されてきたタイプの単電池列４を示す。列４は、２つ１組が直列に接続された太陽単電池１によって構成され、したがって単電池の並びを形成する。同じ並び上または別の並び上に配置することができる、列４の端部は、各々パネルの＋または−電極に接続され、それによって各列から供給された電流は、配線５によって集電され、専用の開口部６および裏面に取り付けられたケーブル配線を介して人工衛星の装置に送られる。しかし、ケーブル５を端部単電池に接続するためにケーブル５にあてられ、また接続のための開口部にあてられた領域７は、一般的に単電池１個が占有する面積またはそれ以上に相当し、したがってパネルの占有率を相当に減少させる。

したがって、本発明の目的は、太陽単電池列の平坦なアレイを備え、人工衛星を列の電極に接続するために失われる面積の縮小を可能にし、また隣接する単電池と単電池の間の電圧差のリスクの縮小を可能にすることにより前述の問題を解決する太陽発電機パネルを提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、太陽発電機パネルであって、並行して配設され、その「前面」、即ちパネルの第１の面に実質上格子を形成する光単電池列のアレイを備え、前記単電池が相互に電気的に接続されて、複数の独立した列（ｓｔｒｉｎｇ）を形成し、各列が、１対で直列に接続された単電池で構成されて、相互に並列な単電池の並び（ｒｏｗ）を形成し、列内の２つの連続した並びが、その端部で第１の開口部を通ってパネルを貫通し、その裏面に置かれた連結手段を介して電気的に相互接続され、各列が正の電極および負の電極を有し、前記正および負の電極が各列にそって、またパネルの構造にわたって配置され、それによって、２つの電極間に現れる電気アークのリスクを減少させるように正の電極を負の電極から離間させ、列の各端部単電池が、少なくとも１本の電気エネルギー集電ケーブルに接続され、そのケーブルは少なくとも１つの、「第２」の開口部と呼ばれ、集電ケーブルを纏めるための、対応する開口部を通過し、前記パネルは、単電池が正方形または長方形であり、その４つの角部が切り取られ、切り取られた角がグリッドの形態をなすように単電池を配置し、その結果、隣接する単電池の切り取られた角と角の間の隙間に小さな空きスペースが設けられ、そのスペース内に、そのスペースに案内された集電ケーブルを纏めるための第１および第２の開口部が設けられることを特徴とする、太陽発電機パネル、を提供する。

ある実施形態では、隣接する単電池の切り取られた角と角との間の隙間内の少なくとも１つの前記空きスペースに少なくとも１つのパネル間制振ブロックが配設される。

ある実施形態では、単電池はＧｅウェーハを切断する方法を用いて製作される。

ある実施形態では、いずれか１つの列内の２つの連続する隣接単電池同士の電気接続は、一方の単電池の裏面で、その切り取られた角の少なくとも１つに近接した位置で行われる。

本発明は、本発明の太陽発電機パネルを含むことを特徴とする人工衛星をも提供する。

本発明の他の特性および利点は、特定の実施形態に関する下記説明を下記図を参考に読めばより明らかになろう。

下記、同一または同様の機能を実行する要素は同じ参照符号を与えられる。

図３は、本発明の第１の実施形態における八角形をした単電池の平坦なアレイ１００の図である。

様々な単電池列をより明確に見分けるために、２つの単電池列、１ａ〜８ａと参照符号がつけられた単電池を含む第１のものと、１ｂ〜８ｂと参照符号がつけられた単電池を含む第２のものだけが示されている。

単電池列が番号を付けられる順序は、電気的な連続性が実施される順序に対応する。したがって、ある与えられた列内の２つの連続する単電池は、接続部８によって互いに接続される。実は、この接続部は、各々が２つの連続する単電池の一方に固定された２つの副接続部８１および８２によって構成されており、その２つの副接続部は接続点８３で互いに接合される。

接続点８３は、長さの等しい２つの副接続部８１および８２と共に図３に示されている。それでも、ある好ましい変形形態では、単電池同士は、第１の単電池の２つの副接続部が、それらが集合され接合される単電池の下側を延びる方式で組立てられる。この好ましい変形形態（図示せず）では、接続点を２つの単電池の中間点とする代わりに、２つの単電池の一方の下側にすることができることを容易に理解されよう。

前面の電気接続は実線で、裏面の電気接続は破線で表わされていることに注目されたい。接続点８３は、溶接或いは当業者に知られている如何なる方法でも実行できることにも注目されたい。

図３で見られるように、並び７０の端部単電池４ａは、開口部６１を通り抜け、パネルの裏面に押し当てられ、空きスペース内の単電池５ａに連絡する開口部６１を経由して単電池５ａに行く接続線５１によって接続される副接続部８４を有する。単電池５ａが、単電池４ａの縁部から反対側の縁部上にあることに注目されたい。

図に示すように、単電池の切り取られた角３０が、サイズが小さく接続部８を受け入れるのに適切な空きスペース７’を設置することを可能にしている。

このような方法で設けられた小さな空間でのこれらの接続が、本発明によって、隣接する単電池と単電池の間の電圧差を縮小する働きもする。

さらに、集電ケーブル通過用の開口部も、２つの端部単電池の相互接続を可能にするための開口部も有しない空きスペースには、パネル間制振ブロック１０が設けられている。各ブロックは、斜線を施した円で表わされた位置に固着され、本パネルが、それと共にパネルの面に直角方向に積み上げられる対向円（ｆａｃｉｎｇ ｃｉｒｃｌｅ）に面している。これらブロックの機能は、打ち上げ段階中および飛行段階中のパネル間のショックを減衰させ、吸収することである。

したがって、本発明は、制振ブロック取付けを可能にするために単電池を排除する必要をいっさい伴うことなく、制振ブロック取付けのための利用可能領域を増加させるのに役立ち、またそのより良い分布を提供する。

図４は、１つの列内の端部単電子５８ｃが、もう１つの列のもう１つの隣接単電池５８ｂと隣接している、本発明の一実施形態を示している。各々、端部単電池５８ｂおよび５８ｃの電極の１つに接続されているケーブル５２は、開口部を経由して人工衛星に導かれる。

図５は、図３の変形形態における八角形をした単電池の平坦なアレイを示す。

１つの列内で、２つの端部単電池４ａと４ｂ、または４ｂと５ｂの間の接続は、同じ縁部を介して行われる。図に示すように、それでもなお、接続部は開口部６１を貫通し、その経路の一部分がパネルの裏面にかぶさる。

本発明が、本適用例で説明した実施形態に限定されるものでないことは当然である。

例えば、本発明は、単電池列の平坦なアレイに限定されず、柔軟な単電池をそれに押し付けることを可能にするのに充分な大きさの曲がりの半径を有する筒状の表面に適用することができる。

単電池を切り出す方法を示す図である。 従来技術で結合された単電池列を示す図である。 本発明の第１の実施形態における、単電池の平坦なアレイを示す図である。 本発明のもう１つの実施形態を示す図である。 図３の一変形形態を構成する八角形をした単電池の平坦なアレイを示す図である。

符号の説明

１、１ａ、１ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、８ａ、８ｂ、５８ｂ、５８ｃ 単電池
２ 円板
３ 正方形
４ 列
５ 配線、ケーブル
６、６１、６２ 開口部
７ 領域
７’ 空きスペース
８ 接続部
１０ 制振ブロック
３０ 切り欠かれた角
５１ 接続線
５２ ケーブル
７０ 並び
８１、８２、８４ 副接続部
８３ 接続点
１００ アレイ

Claims (5)

1. 並行して配設され、その「前面」、即ちパネルの第１の面に格子を形成する光単電池（１）列（４；１ａ〜８ａ；１ｂ〜８ｂ）のアレイ（１００）を備えた、宇宙飛行体に適用される太陽発電機パネルであって、前記単電池が電気的に相互接続されて複数の独立した列（４）を形成し、各列が、相互に並列な単電池の並び（７０）を形成する対で直列に接続された単電池で構成され、列内の２つの連続した並びが、その端部で第１の開口部（６１）を通ってパネルを貫通し、その裏面に置かれた連結手段（５１）を介して電気的に相互接続され、各列が正の電極（＋）および負の電極（−）を有し、前記正および負の電極が各列にそって、またパネルの構造にわたって配置され、それによって、２つの電極間に現れる電気アークのリスクを減少させるように正の電極を負の電極から離間させ、列の各端部単電池（１ａ、８ａ、１ｂ、８ｂ）が、集電ケーブルを纏めるための、「第２」の開口部（６２）と呼ばれる開口部のそれぞれの少なくとも１つを通過する少なくとも１本の電気エネルギー集電ケーブル（５２）に接続され、前記パネルは、単電池が正方形または長方形であり、その４つの角部（３０）が切り取られ、切り取られた角がグリッドの形態をなすように単電池が配置され、その結果、隣接する単電池の切り取られた角と角の間の隙間に小さな空きスペース（７’）が設けられ、そのスペース内に、そのスペースに案内された集電ケーブルを纏めるための第１および第２の開口部が設けられることを特徴とする太陽発電機パネル。
2. 隣接する単電池の切り取られた角と角の間の隙間内の少なくとも１つの前記空きスペースに、少なくとも１つのパネル間制振ブロックが配設されることを特徴とする請求項１に記載のパネル。
3. 単電池が、ウェーハと呼ばれるゲルマニウム（Ｇｅ）の円板（２）から切り出されたものである請求項１に記載のパネル。
4. １つの列内の、２つの連続する隣接単電池同士の電気接続が、一方の単電池の裏面で、その切り取られた角の少なくとも１つに近接した位置で行われる請求項１に記載のパネル。
5. 請求項１による太陽発電機パネルを含む人工衛星。

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