WO2010034730A2 - Reseau de cellules photovoltaiques avec decouplage mecanique des cellules par rapport a leur support - Google Patents

Reseau de cellules photovoltaiques avec decouplage mecanique des cellules par rapport a leur support Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a support substrate photovoltaic cell array with mechanical decoupling of the network cells from their rigid support substrate, such networks generally serving to produce solar generator panels to provide electrical power supply. spacecraft, and in particular satellites.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a photovoltaic element 1 (also referred to as “Covered Interconnected CeIl” or “Solar CeIl Assembly”) of the prior art, this element being part of a network comprising from a few hundred to tens of thousands of such elements depending on the required powers in orbit.
  • This element 1 comprises a photovoltaic cell 2 fixed by means of a layer 3 of adhesive on a rigid substrate 4 common to several cells.
  • photovoltaic cells are very fragile because of their small thickness and very sensitive to the deformations that are currently imposed on them by their bonding on a rigid substrate.
  • the substrate is generally a sandwich with carbon skins whose thermo-elastic stability is limited: the unidirectionally reinforced zones can wrinkle (phenomenon known as “Wrinkles”) or the skins can deform into cuvettes above the mesh honeycomb (phenomenon called “Telegraphing").
  • a bonding pose raises the problem of the possible repair of cells, which is then laborious, because it is necessary to scratch with great delicacy the insulation, which is for example Kapton TM, and which is applied to the substrate .
  • the removal of a cell from its substrate can be estimated at about one working day.
  • the bonding of the cells on the substrate tends to deform the cells.
  • One way of mechanically decoupling the cell from the substrate is to thicken the glue layer, but this significantly increases the total mass and introduces a risk of uncontrolled degassing of the glue can even lead to the explosion of the cell (phenomenon known as "Pop-off").
  • AOCS titude on Orbit Control System
  • the subject of the present invention is an array of photovoltaic cell elements with a rigid support substrate, having a mechanical decoupling between each cell of this network and the support substrate, while ensuring a good thermal conduction between them, this network being used in particular as a solar generator for supplying electric energy to satellites.
  • the photovoltaic array according to the invention is characterized in that each photovoltaic element of the grating is fixed to the substrate by means of a self-adhesive and easily solvable flexible fixing device, the rear face of each cell and the face substrate having a layer improving their thermal radiation qualities.
  • FIG. 1 already mentioned above, is a diagrammatic sectional view of a photovoltaic solar panel network element of the prior art;
  • FIG. 2 is a diagrammatic sectional view of a photovoltaic array element of FIG. solar panel according to the invention,
  • FIG. 3 is a plan view of four adjacent cells of a solar panel photovoltaic array according to the invention, and
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a photovoltaic panel solar panel element according to the invention. invention more detailed than that of Figure 2.
  • the invention proposes a solution for reducing the mechanical coupling of the photovoltaic array of the solar generator with respect to the support substrate thereof.
  • the photovoltaic cell is of great finesse (a few tens of microns thick) and a great fragility. When it is bonded to the substrate, it undergoes all the geometrical deformations due to the vibrations, but especially to the thermoelastic effects which can go as far as the breakage of the cells.
  • the idea is to fix the cell via a flexible system for decoupling the cell relative to the deformed portions of the substrate while ensuring sufficient radiative coupling of the cell to the substrate to prevent heating in flight and its loss of efficiency.
  • the solution consists in using high-emissivity rear-face photovoltaic cells (rear use of a grid or kaptoning of the Ge or Ag substrate) which is laid with velcro on the substrate.
  • the photovoltaic element 5 shown diagrammatically in FIG. 2 comprises a photovoltaic cell 6 fixed on a corresponding zone of a substrate 7 (common to several cells) by means of Velcro TM connection pads 8, or flexible self-fastening devices. adhesives and easily solvable similar. The details of embodiment of these different elements are described below with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the rear face 7A of the substrate 7 is treated in a manner known per se, and its front face remains covered with a Kapton-type insulating film. of a shade with a high emissivity, in order to ensure good thermal radiative conduction towards the support (not shown) on which this substrate is fixed.
  • the coefficient ⁇ of thermal emissivity obtained with this film is, for example, about 0.6 to 0.9.
  • FIG. 3 there are shown four adjacent rectangular cells 9 to 12 forming part of a photovoltaic solar panel (the other cells of which are not shown). Each of the cells 9 to 12 is fixed on the support substrate, as detailed below, using four pads 8 Velcro each arranged under a corner of the cell. The cells of the same column are interconnected by electrical interconnections 13.
  • the various constituents of the photovoltaic element 5 of FIG. 2 are detailed in FIG. 4.
  • the photovoltaic cell 6 itself is for example of the conventional Si or AsGa type. It is coated on its back side (that vis-à-vis its support) of a film 14 of Kapton TM self-adhesive, having for example a thickness of about 50 .mu.m. Alternatively, this coating may be a metallization layer, for example a silver layer.
  • the thermal emissivity coefficient ⁇ of Kapton is about 0.61 while that of silver is about 0.05. Kapton is advantageously used because it is cheaper than a metallization, although it is not as good thermally, which also makes it possible not to change the manufacturing process of the existing cells of the market.
  • the substrate face 7 opposite the cell 6 is a carbon skin 15, itself covered with a layer of Kapton 16, the substrate 7 being generally of the "honeycomb” type with a objective of high thermal conductivity between its front face and its rear face.
  • the portions 8A of integral Velcro pads of the cell 6 are fixed to the layer 14 thereof by gluing, and the corresponding portions 8B of Velcro pads integral with the substrate 7 are fixed by bonding to the layer 16 of the substrate, the Velcro being advantageously of the self-adhesive type.
  • the radiative thermal coupling between the photo voltaic cells and the substrate is ensured by using current photovoltaic cells and by depositing a self-adhesive Kapton film on the backside.
  • the use of cells with a bonding area located at the back instead of a bonding over the entire surface makes it possible to have on the rear face of the cell the same (good) emissivity as for the front face of the cell. the cell.

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Abstract

L'invention propose une solution pour réduire le couplage mécanique du réseau photovoltaïque du générateur solaire vis à vis du substrat de support de celui-ci. En effet, la cellule photovoltaïque est d'une grande finesse (quelques dizaines de microns) et d'une grande fragilité. Lorsque celle-ci est collée sur un substrat, elle subit toutes les déformations géométriques dues aux vibrations mais surtout aux effets thermo-élastiques pouvant aller jusqu'à la casse des cellules. L'invention consiste à fixer la cellule via un système souple (8) permettant de découpler la cellule (6) des déformations du substrat (7) tout en assurant un couplage radiatif suffisant de la cellule vers le substrat pour éviter son échauffement en vol et sa perte d'efficacité. La solution consiste à utiliser des cellules photovoltaïques à face arrière à forte émissivité (utilisation arrière d'une métallisation ou kaptonage du substrat Ge ou Ag) que l'on pose à l'aide de velcro sur le substrat.

Description

RESEAUDE CELLULESPHOTOVOLTAIQUES AVEC DECOUPLAGE MECANIQUEDES CELLULES PARRAPPORT ALEUR SUPPORT
La présente invention se rapporte à un réseau de cellules photovoltaïques à substrat de support avec découplage mécanique des cellules du réseau par rapport à leur substrat rigide de support, de tels réseaux servant généralement à réaliser des panneaux de générateurs solaires pour assurer T alimentation en énergie électrique d'engins spatiaux, et en particulier de satellites.
On a schématisé en figure 1 un exemple de réalisation d'un élément photovoltaïque 1 (dit aussi "Covered Interconnected CeIl" ou "Solar CeIl Assembly") de l'art antérieur, cet élément faisant partie d'un réseau comportant de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers de tels éléments suivant les puissances requises en orbite. Cet élément 1 comporte une cellule photovoltaïque 2 fixée par l'intermédiaire d'une couche 3 d'adhésif sur un substrat rigide 4 commun à plusieurs cellules.
Dans un réseau de ce type, les cellules photovoltaïques sont très fragiles en raison de leur faible épaisseur et très sensibles aux déformations qui leur sont imposées actuellement par leur collage sur un substrat rigide. En effet, le substrat est généralement un sandwich à peaux de carbone dont la stabilité thermo-élastique est limitée : les zones renforcées unidirectionnellement peuvent froncer (phénomène dit de "Wrinkles") ou bien les peaux peuvent se déformer en cuvettes au-dessus des mailles du nid d'abeille (phénomène dit de "Telegraphing").
De plus, une pose par collage soulève le problème de l'éventuelle réparation des cellules, qui est alors laborieuse, car il faut gratter avec beaucoup de délicatesse l'isolant, qui est par exemple du Kapton™, et qui est appliqué sur le substrat. On peut estimer l'opération de retrait d'une cellule de son substrat à environ une journée de travail.
Le collage des cellules sur le substrat a tendance à déformer les cellules. Une manière de découpler mécaniquement la cellule du substrat consiste à épaissir la couche de colle, mais cela augmente de façon importante la masse totale et introduit un risque de dégazage anarchique de la colle pouvant même conduire à l'explosion de la cellule (phénomène dit de "Pop-off").
Les systèmes de fixation de cellules souples (de type « filet », « thin film »,...) posent un problème de forte rupture technologique de l'architecture des générateurs solaires mais aussi l'introduction de problèmes affectant le système
AOCS (« Attitude on Orbit Control System ») de pilotage du satellite porteur lorsque la fixation des cellules est faite sur des ailes souples.
L'idée de fixer la cellule sur son substrat de support de manière découplée mécaniquement sans se soucier de l'aspect thermique ne convient pas, car le découplage mécanique fait perdre le couplage conductif et doit impérativement être remplacé par un couplage radiatif. Dans le cas de perte de couplage thermique cellule-substrat, la cellule va monter en température et perdre la majorité de son efficacité.
La présente invention a pour objet un réseau d'éléments à cellules photovoîtaïques et à substrat rigide de support, présentant un découplage mécanique entre chaque cellule de ce réseau et le substrat de support, tout en assurant une bonne conduction thermique entre eux, ce réseau étant utilisé en particulier en tant que générateur solaire d'alimentation en énergie électrique de satellites.
Le réseau photo voltaïque conforme à l'invention est caractérisé en ce que chaque élément photovoltaïque du réseau est fixé au substrat par l'intermédiaire d'un dispositif de fixation souple auto-adhésif et facilement résoluble, la face postérieure de chaque cellule et la face antérieure du substrat comportant une couche améliorant leurs qualités de radiation thermique.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation, pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1, déjà mentionnée ci-dessus, est une vue schématique en coupe d'un élément de réseau photovoltaïque de panneau solaire de l'art antérieur, - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un élément réseau photovoltaïque de panneau solaire conforme à l'invention, la figure 3 est une vue en plan de quatre cellules adjacentes d'un réseau photovoltaïque de panneau solaire conforme à l'invention, et la figure 4 est une vue schématique en coupe d'un élément de réseau photovoltaïque de panneau solaire conforme à l'invention plus détaillée que celle de la figure 2.
L'invention propose une solution pour réduire le couplage mécanique du réseau photovoltaïque du générateur solaire vis-à-vis du substrat de support de celui- ci. En effet la cellule photovoltaïque est d'une grande finesse (quelques dizaines de microns d'épaisseur) et d'une grande fragilité. Lorsque celle-ci est collée au substrat, elle subit toutes les déformations géométriques dues aux vibrations, mais surtout aux effets thermo-élastiques pouvant aller jusqu'à la casse des cellules. L'idée consiste à fixer la cellule via un système souple permettant de découpler la cellule par rapport aux parties déformées du substrat tout en assurant un couplage radiatif suffisant de la cellule vers le substrat pour éviter son échauffement en vol et sa perte d'efficacité. La solution consiste à utiliser des cellules photovoltaïques à face arrière à forte émissivité (utilisation arrière d'une grille ou kaptonage du substrat Ge ou Ag) que l'on pose à l'aide de velcro sur le substrat.
L'élément photovoltaïque 5 schématisé en figure 2 comporte une cellule photovoltaïque 6 fixée sur une zone correspondante d'un substrat 7 (commun à plusieurs cellules) par l'intermédiaire de plots de liaison 8 en Velcro™, ou dispositifs de fixation souples auto-adhésifs et facilement résolubles similaires. Les détails de réalisation de ces différents éléments sont décrits ci-dessous en référence aux figures 3 et 4. La face postérieure 7A du substrat 7 est traitée de façon connue en soi, et sa face avant reste recouverte d'un film isolant de type Kapton d'une nuance dotée d'une forte émissivité, afin d'assurer une bonne conduction radiative thermique vers le support (non représenté) sur lequel est fixé ce substrat. Le coefficient ε d' émissivité thermique obtenu grâce à ce film est par exemple d'environ 0,6 à 0,9.
Sur la vue en plan de la figure 3, on a représenté quatre cellules rectangulaires adjacentes 9 à 12 faisant partie d'un panneau solaire photovoltaïque (dont les autres cellules ne sont pas représentées). Chacune des cellules 9 à 12 est fixée sur le substrat de support, de la façon détaillée ci-dessous, à l'aide de quatre plots 8 en Velcro disposés chacun sous un coin de la cellule. Les cellules d'une même colonne sont reliées entre elles par des interconnexions électriques 13.
On a détaillé en figure 4 les différents constituants de l'élément photovoltaïque 5 de la figure 2. La cellule photovoltaïque 6 proprement dite est par exemple du type classique Si ou AsGa. Elle est revêtue sur sa face postérieure (celle en vis-à-vis de son support) d'une pellicule 14 de Kapton™ autoadhésif, ayant par exemple une épaisseur d'environ 50μm. En variante, ce revêtement peut être une couche de métallisation, par exemple une couche d'argent. Le coefficient ε d'émissivité thermique du Kapton est d'environ 0,61 alors que celui de l'argent est d'environ 0,05. On utilise avantageusement le Kapton parce qu'il est moins cher qu'une métallisation, bien qu'il soit moins bon thermiquement, ce qui permet en outre de ne pas changer le processus de fabrication des cellules existantes du marché.
La face substrat 7 en vis-à-vis de la cellule 6 est une peau de carbone 15, elle- même recouverte d'une couche de Kapton 16, le substrat 7 étant en général du type en « nid d'abeille » avec un objectif de conductivité thermique élevée entre sa face avant et sa face arrière.
Les parties 8A de plots de Velcro solidaires de la cellule 6 sont fixées sur la couche 14 de celle-ci par collage, et les parties 8B correspondantes de plots de Velcro solidaires du substrat 7 sont fixées par collage sur la couche 16 du substrat, le Velcro étant avantageusement du type auto- adhésif.
Ainsi, grâce à l'invention, le couplage thermique radiatif entre les cellules photo voltaïques et le substrat est assuré en utilisant des cellules photovoltaïques actuelles et en déposant un film Kapton autoadhésif en face arrière. De plus, l'utilisation de cellules avec une zone de collage localisée à l'arrière au lieu d'un collage sur toute la surface permet d'avoir en face arrière de la cellule la même (bonne) émissivité que pour la face avant de la cellule.

Claims

REVENDICATIONS
1. Réseau de cellules photovoltaïques à substrat rigide de support, caractérisé en ce que chaque élément photo voltaïque (5) du réseau est fixé au substrat (7) par l'intermédiaire d'un dispositif de fixation souple auto-adhésif et facilement résoluble (8), la face postérieure de chaque cellule et la face antérieure du substrat comportant une couche améliorant leurs qualités de radiation thermique (14, 16).
2. Réseau selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de fixation souple est constitué de plots de Velcro™ dont une partie (8A) est solidaire de la cellule, et l'autre (8B) est solidaire du substrat.
3. Réseau selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque cellule est fixée au substrat par quatre plots disposés chacun sous un coin de la surface.
4. Réseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche améliorant les qualités de radiation thermique est du Kapton™ ou une métallisation.
5. Réseau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un générateur solaire d'engin spatial.
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