JP7703582B2 - 地球外展開のためのフレキシブルソーラーアレイ - Google Patents

Description

本主題はフレキシブルソーラーアレイに関し、より詳細には、地球外展開のためのフレキシブルソーラーアレイおよびその製造方法に関する。

フレキシブル（可撓性の）ソーラーアレイ（太陽電池アレイ）は、携帯用および／またはレクリエーション用の地上用途のために開発されてきた。そのようなフレキシブルソーラーアレイは、典型的にはフレキシブル基板と、基板上に配置された太陽電池と、太陽電池によって生成された電力を、給電されるデバイスまたは電池などの蓄電デバイスに伝達するための導電性接続部とを有する。

しかしながら、地上用途のために設計された可撓性ソーラーアレイは、そのようなソーラーアレイの構成要素が地球外環境に存在する過酷な条件に耐えるのに十分な耐久性がないことがあるので、地上外用途には適していないことがある。例えば、地球外環境に配置されたソーラーアレイは、非常に低い温度、高レベルの紫外線への曝露、太陽アレイが地球の大気を取り囲むバンアレン帯（Ｖａｎ Ａｌｌｅｎ ｂｅｌｔ）を通して輸送されるときに起こり得る電荷の蓄積、および太陽から放出される亜原子粒子（ｓｕｂ－ａｔｏｍｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅ）による衝撃などの影響に耐えるか、またはその影響を受けないものでなければならない。

さらに、輸送船（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｖｅｈｉｃｌｅ）では利用可能な空間が限られているので、ソーラーアレイは地球外環境への輸送中に、コンパクトなパッケージに巻かれ及び／又は折り畳まれなければならない場合がある。地上での使用のために設計されたソーラーアレイはその構成要素に損傷（例えば、短絡、亀裂など）を与えることなく、そのようなローリングおよび／または折り畳みに耐えるのに十分な耐久性がないことがある。

一態様によれば、地球外展開のためのフレキシブルソーラーアレイは、発電層と、耐久層と、紫外線遮断層とを含む。耐久層は、発電層と紫外線遮断層との間に配置される。

別の態様によれば、地球外展開のためのフレキシブルソーラーアレイを製造する方法はベース層と、ベース層上に配置された複数の太陽電池とを含む発電層を提供するステップと、複数の太陽電池がベース層と耐久層との間に配置されるように、発電層の上に耐久層を配置するステップとを含む。この方法は耐久層が発電層と紫外線遮断層との間にあるように、耐久層の上に紫外線遮断層を配置する追加のステップを含む。

他の態様および利点は以下の詳細な説明および添付の図面を考慮することによって明らかになり、本明細書全体を通して、同様の番号は同様の構造を示す。

図１は、フレキシブルソーラーアレイの平面図である。 図２は、図１のフレキシブルソーラーアレイの線２－２に概ね沿った断面図である。 図３は、スプール上に配置された図１のフレキシブルソーラーアレイの等角図である。

本明細書では、地球外用途での使用に適したフレキシブルソーラーアレイが開示される。フレキシブルソーラーアレイはフレキシブル基板上に光起電力材料から形成された太陽電池を含むフレキシブル発電層と、フレキシブル耐久性ポリエステルフィルム層、例えば、マイラー（Ｍｙｌａｒ）の層が発電層の上に配置され、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の純粋なまたはドープされた透明層が耐久性ポリエステルフィルムの層の上に堆積される。以下にさらに記載されるように、耐久性ポリエステルフィルムの層およびＺｎＯの層は、地球上でのフレキシブルソーラーアレイの調製およびテスト中に太陽電池を保護するために組み合わされ、展開のためにフレキシブルソーラーアレイを宇宙空間に輸送し、展開後に地球外環境の危険をもたらす。

図１および図２を参照すると、フレキシブルソーラーアレイ１００は、発電層１０２と、発電層１０２の上に配置された耐久層１０４と、耐久層１０４の上に配置された紫外線遮断層１０６とを備える。

さらに、発電層１０２は、その上に配置された複数の太陽電池１１０を有するベース層（基部層）１０８を備える。図１はベース層１０８上に配置された９つの太陽電池（ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ）１１０を有するフレキシブルソーラーアレイ１００を示すが、フレキシブルアレイ１００がより少ないまたはより多い太陽電池１１０を備え得ることは当業者には明らかであろう。各太陽電池１１０は、太陽電池１１０によって生成された電気を、フレキシブルソーラーアレイ１００によって給電される負荷（図示せず）に伝導するための光起電材料および関連する導体（明確にするために図示せず）を備える。セレン化銅インジウムガリウム（ＣＩＧＳ）、テルル化カドミウム、ペロブスカイト、および結晶形態またはアモルファス形態のいずれかのシリコンなどの半導体を含む、様々な光起電力材料が、太陽電池１１０での使用のために選択され得る。

ベース層１０８は、金属、ガラス、またはポリマーを含む太陽電池１１０を含むように選択された光起電力材料に従って選択されてもよい。例えば、太陽電池１１０を含む光起電材料がＣＩＧＳである場合、ステンレス鋼などの金属がベース層１０８に好ましい場合がある。あるいは、光起電力材料がテルル化カドミウムである場合、ベース層１０８のためにガラスが選択されてもよい。好ましい実施形態では発電層１０２がアモルファスシリコンから作製された太陽電池１１０を含むが、それは当業者が理解するように、アモルファスシリコンは地球の周りの通常の動作温度を考慮してバンアレン帯に存在するものなどの荷電粒子による損傷を受けず、紫外線遮断層１０６のＺｎＯコーティング下の残留紫外線に曝露されたときに劣化しないからである。このような好ましい実施形態では、アモルファスシリコンがデラウェア州ウィルミントンのデュポン・ド・ヌムール社によって製造されたカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）膜であるベース層１０８上に堆積される。カプトンは紫外線に対して十分に不透過性であり、その上に配置された太陽電池１１０を保護するのに耐久性があるので、カプトンは、ベース層１０８にとって好ましい材料である。さらに、カプトンは、高レベルの紫外線、非常に低い温度、および／または非常に高い温度を有する環境に配置された場合でさえ、その特性（耐久性および紫外線に対する耐性など）を保持する。いくつかの実施形態では、カプトンフィルムが約７ミクロン～約７６ミクロンの厚さを有する。カプトンの代わりに、耐久性があり、高レベルの紫外線に対して不透過性である他の材料、および／または当業者に明らかな温度の大きな変動が使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、アモルファスシリコンがスパッタリングによって、カプトン膜またはベース層１０８を含む別の材料上に堆積される。太陽電池１１０を形成するためにベース層１０８上に光起電材料を適用する他の方法が使用され得ることは、当業者には明らかであるはずである。

耐久層１０４は発電層１０２の構成要素（例えば、太陽電池１１０）への損傷を防止し、宇宙空間に輸送され得る、発電層１０２上の保護コーティングを提供する。例えば、フレキシブルソーラーアレイ１００を宇宙空間に輸送するために、フレキシブルソーラーアレイ１００はそれによって占有される体積を最小限にするために、コンパクトに巻かれるかまたは折り畳まれてもよい。耐久層１０４によって提供される保護がない場合、そのような折り畳みまたは転動の間、第１の太陽電池１１０の第１の外面１１２は、第２の太陽電池１１０の第２の外面１１２と接触し得る。そのような接触は、第１および第２の太陽電池１１０の一方または両方に電気的短絡、摩耗、または他の損傷を引き起こす可能性がある。

加えて、耐久層１０４は試験機器、フレキシブルソーラーアレイ１００を保持する固定具、フレキシブルソーラーアレイ１００を固定具に固定するために使用されるツールなどの製造、試験、および／または輸送中に、そのような構成要素が他の物体と接触し、かつ／または他の物体に衝突した場合に発生し得る、発電層１０２の構成要素への損傷を防止する。耐久層１０４は可撓性、耐久性、透明又は半透明のポリマーフィルム、例えば、不フランス国ＣｏｌｏｍｂｅのＡｒｋｅｍａ ＳＡ社製のカイナー（Ｋｙｎａｒ）や、バイジニア州ＤｕＰｏｎｔ Ｔｅｉｊｉｎ Ｆｉｌｍｓ ｏｆ Ｈｏｐｅｗｅｌｌ社製のマイラー（Ｍｙｌａｒ）、等を含む。

耐久層１０４は、太陽電池１１０に電流を発生させる光の波長に対して十分に透明であるべきである。いくつかの実施形態では、耐久層１０４が露出される光の少なくとも８０％が透過し、太陽電池１１０に衝突するように、耐久層１０４は十分に透明である。他の実施形態では、いくつかの軌道に存在する動作温度および高い放射線量を考慮すると、より少ない透過が許容され得る。例えば、耐久層１０４はフレキシブルソーラーアレイ１００が最初に配備されるときに高度に透明であり得るが、フレキシブルソーラーアレイ１００が高レベルの放射線および／または準最適温度に曝露される軌道内に配備される場合、時間とともに半透明になり得る（すなわち、あまり透明でない）。

好ましい実施形態では、耐久層１０４のために選択された材料とベース層１０８のために選択された材料とは、フレキシブルソーラーアレイ１００が加熱または冷却されたときにフレキシブルソーラーアレイ１００の望ましくないカールを防止するために、同様の膨張係数を有する。好ましい実施形態では、ベース層１０８はカプトンを含み、耐久層１０４はマイラーを含む。

いくつかの実施形態では、耐久層１０４のために選択されたマイラーと、ベース層１０８のために選択されたカプトンは、室温で約１７ｐｐｍ／１００万℃の膨張係数を有する。いくつかの実施形態では、これらの材料はソーラーアレイ１００で使用する前に予め収縮させることができる。好ましい実施形態では、耐久層１０４およびベース層が温度変化による約１０度を超える面外指向のフレキシブルソーラーアレイ１００のカールを回避するために膨張係数を有するように選択される。

一実施形態では、耐久層１０４が例えば、ポリエチレン接着剤、シリコーン系接着剤、エポキシ系接着剤、フルオロポリマー系接着剤などを含む接着剤層１０５を使用して発電層１０２に固定される。いくつかの実施形態では耐久層１０４が接着剤を使用せずに耐久層１０４を発電層１０２に固定することを可能にする材料を含んでもよく、そのような実施形態では接着剤層１０５は使用されない。例えば、カイナーなどの材料を耐久層１０４に使用することができ、これは、例えば、積層プロセスを使用して、そのような材料を溶融させ、発電層１０２上に押し付けることによって、発電層１０２に適用することができる。当業者に明らかな耐久層１０４を発電層１０２に固定する他の方法を使用することができる。

当業者には明らかなように、耐久層１０４のために選択されたポリマー材料は、大量の紫外線への曝露によって損傷され得る。紫外線遮断層１０６は、耐久層１０４の上に配置され、そのような露出および結果として生じる損傷を防止する。好ましい実施形態では、紫外線遮断層１０６が耐久層１０４を含むポリマーフィルムに塗布されたＺｎＯを含む。いくつかの実施形態では、紫外線遮断層１０６がスパッタリングによって耐久層１０４に層ＺｎＯを適用することによって形成される。当業者には明らかなように、耐久層１０４にＺｎＯを塗布して紫外線遮断層１０６を形成するために、別の技術を利用してもよい。

いくつかの実施形態では、紫外線遮断層１０６が例えば、紫外線遮断層１０６を含むＺｎＯを導電性にするか、またはアルミニウムなどの別の材料でドーピングするのに十分な厚さのＺｎＯの層を適用することによって、導電性にされる。導電性の紫外線遮断層１０６を有することにより、フレキシブルソーラーアレイ１００が、地球を取り囲むバンアレン帯を構成する荷電粒子を通って輸送されるときに構築され得る電荷を消散させる。いくつかの実施形態では、紫外線遮断層１０６が約３０ナノメートル～約１１０ナノメートルの厚さを有する非ドープＺｎＯの導電層を含む。

いくつかの実施形態では、ベース層１０８の外面１１４が導電性酸化物、薄い金属、耐腐食性鋼（ＣＲＥＳ）などの導電性材料１１６の層で被覆される。導電性材料１１６のそのような層および紫外線遮断層１０６は電気接地（例えば、ソーラーアレイが配置されるフレームなど）に導電的に結合されて、ソーラーアレイ１００における静電荷の蓄積を最小限に抑え、および／またはそのような静電荷の散逸を容易にすることができる。

図３を参照すると、いくつかの実施形態では宇宙船での輸送のために、フレキシブルソーラーアレイ１００はドラム１５２のスピンドル１５０の周りに巻かれる。場合によっては、フレキシブルソーラーアレイ１００がスピンドル１５０の周りに巻かれる前に折り畳まれてもよい。フレキシブルソーラーアレイ１００が地球外環境に輸送された後、フレキシブルソーラーアレイ１００は巻きを解き（ｕｎｒｏｌｌｉｎｇ）、また、必要であれば、その一部を支持構造（図示せず）に展開し、フレキシブルソーラーアレイ１００の太陽電池１１０が太陽に面して電力を生成するようにフレキシブルソーラーアレイ１００を配置することによって展開され得る。

いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるフレキシブルソーラーアレイ１００が約５メートル～４０メートルの幅および約５メートル～４０メートルの長さを有する。フレキシブルソーラーアレイ１００は、これらの寸法よりも小さくても大きくてもよいことは明らかである。一実施形態では、フレキシブルソーラーアレイ１００が１５メートル×１５メートルであり、折り畳まれ、荷物のために巻かれたとき、約３３リットルの体積を占める。

図１に示されるフレキシブルソーラーアレイ１００は概して長方形であるが、フレキシブルソーラーアレイ１００は楕円形、円形、三角形、多角形などを含む任意の形状を有し得ることが、当業者には明らかであろう。さらに、ソーラーアレイ１００は、発電層１０２、耐久層１０４、および紫外線遮断層１０６をそれぞれ含む、より小さい太陽電池パネル（図示せず）を接合することによって製造されてもよい。そのようなソーラーパネルは、接着剤を用いて、縫製によって、または当業者に明らかな任意の他の接合方法によって、互いに接合され得る。さらに、フレキシブルソーラーアレイ１００はフレキシブルソーラーアレイ１００の性能および／または耐久性を改善するために、追加の層（図示せず）を備えてもよいことが明らかである。

一実施形態では、フレキシブルソーラーアレイ１００が厚さ約２５．４ミクロンのマイラーの耐久層１０４と、厚さ約３８．１ミクロンのベース層１０８とを備える。このような耐久層１０４は、厚さ約１２．５ミクロンのポリエチレン接着剤の接着剤層１０５によって発電層１０２に固定される。このようなフレキシブルソーラーアレイ１００では、ＣＲＥＳを含み、約３０ナノメートルの厚さである導電層１１６がベース層１０８の外面１１４上に配置され、約３０ナノメートルの厚さであるＺｎＯの層がマイラーの耐久層１０４の上に配置される。

本明細書に開示されるフレキシブルソーラーアレイ１００は、費用効果が高く、フレキシブルで、コンパクトなフレキシブルソーラーアレイ１００を提供する。フレキシブルソーラーアレイ１００の耐久層１０４は発電層１０２を物理的損傷から保護し、紫外線遮断層１０６は、耐久層１０４を紫外線による劣化から保護する。フレキシブルソーラーアレイ１００は地球から宇宙空間へ損傷なく輸送するのに適したコンパクトなパッケージを形成するために、折り畳まれ、円筒に巻かれ、またはスプール上に巻かれ得る。

本明細書に開示されるフレキシブルソーラーアレイ１００を構成する異なる層１０４、１０５、１０６、１０８、１１０、１１４、および１１６に使用される材料は、地上用途で既に使用されている市販の材料である。したがって、そのような材料を使用し、地球外用途に適したフレキシブルソーラーアレイ１００のコストは、特に地球外用途のために設計された独特の材料または外来材料を使用する代替のフレキシブルソーラーアレイのコストよりも実質的に低いコストを有し得る。

前述の説明を考慮すると、本開示に対する多数の修正が当業者には明らかであろう。図示された実施形態は、例示的なものにすぎず、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを理解されたい。

Claims (19)

1. 発電層と、
   耐久層と、
   紫外線遮断層と、
   を備える地球外展開用のフレキシブルソーラーアレイであって、
   前記耐久層が前記発電層及び前記紫外線遮断層との間に配置され、
   前記発電層は、ベース層と、前記ベース層上に配置された複数の太陽電池とを含み、
   前記ベース層の外面が導電性材料層で被覆され、前記導電性材料層および前記紫外線遮断層が電気接地に導電的に結合される、
   フレキシブルソーラーアレイ。
2. 前記ベース層が、金属、ガラス、およびポリマーのうちの１つを含む、請求項１に記載のフレキシブルソーラーアレイ。
3. 前記複数の太陽電池が、セレン化銅インジウムガリウム、テルル化カドミウム、ペロブスカイト、または半導体のうちの１つを含む、請求項１に記載のフレキシブルソーラーアレイ。
4. 前記耐久層および前記ベース層が、同様の膨張係数を有する、請求項１に記載のフレキシブルソーラーアレイ。
5. 前記耐久層が、透光性のポリマーフィルムを含む、請求項１に記載のフレキシブルソーラーアレイ。
6. 前記耐久層は前記発電層に接着固定される、請求項５に記載のフレキシブルソーラーアレイ。
7. 前記紫外線遮断層が酸化亜鉛を含む、請求項１に記載のフレキシブルソーラーアレイ。
8. スプールと組み合わせた、請求項１に記載のフレキシブルソーラーアレイであって、
   前記フレキシブルソーラーアレイは、前記スプールのスピンドルの周りに巻かれている、フレキシブルソーラーアレイ。
9. 前記紫外線遮断層が酸化亜鉛を含む、請求項１に記載のフレキシブルソーラーアレイ。
10. 前記紫外線遮断層が導電性である、請求項１に記載のフレキシブルソーラーアレイ。
11. ベース層と、前記ベース層上に配置された複数の太陽電池とを備える発電層を提供することと、
    前記複数の太陽電池が前記ベース層と耐久層との間に配置されるように、前記発電層の上に前記耐久層を配置することと、
    前記耐久層が前記発電層と紫外線遮断層との間にあるように、前記耐久層の上に紫外線遮断層を配置することと、
    前記ベース層の外面を導電性材料層で被覆することと、
    前記導電性材料層および前記紫外線遮断層を電気接地に導電的に結合することと、
    を含む、地球外展開のためのフレキシブルソーラーアレイを製造する方法。
12. 前記ベース層が、金属、ガラス、およびポリマーのうちの１つを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記発電層を設ける工程は前記ベース層上に、セレン化銅インジウムガリウム、テルル化カドミウム、ペロブスカイト、または半導体のうちの１つを配置することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記耐久層を配置する工程は、前記ベース層と同様の膨張係数を有する前記耐久層を配置する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記耐久層を配置する工程が、透光性のポリマーフィルムを配置する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記耐久層を配置する工程が、前記耐久層を前記発電層に接着固定する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記紫外線遮断層を配置する工程が、酸化亜鉛を配置する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記フレキシブルソーラーアレイをスプールのスピンドルの周りに回転させる工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
19. 前記紫外線遮断層が酸化亜鉛を含む、請求項１１に記載の方法。