一種適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣的製作方法

2023-06-17 18:03:51 2

本發明屬於物理電源技術領域，特別是涉及一種適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣。

背景技術：

目前，臨近空間超長航時飛行器主要以太陽能作為主要能量來源。主要類型包括太陽能無人機、電動力太陽能飛艇和浮空器等。這類飛行器由於飛行高度高、飛行速度慢、飛行時間長，因此對承擔發電功能的太陽電池陣提出了很高的技術要求。一是要有較高的轉換效率。目前應用於臨近空間超長航時飛行器的太陽電池陣主要有兩種，一種是基於晶矽剛性電池的半柔性太陽電池陣，一種是基於柔性薄膜電池(如銅銦鎵硒、非晶矽、薄膜砷化鎵等)的全柔性太陽電池陣。半柔性太陽電池陣效率適中，成本較低，在國內外太陽能無人機上廣泛應用，但由於其面密度高，目前尚無法實現長時間駐空；而全柔性太陽電池陣彎曲能力強，面密度低，更廣泛地應用於浮空器和無人機上。其中以薄膜砷化鎵太陽電池陣轉換效率最高(30％)，面密度最低(350g/m2)，是最具潛力的新一代太陽電池產品，目前世界各國都在抓緊研製相關產品。

傳統光伏組件採用單晶矽或多晶矽太陽電池，用聚乙烯-醋酸乙烯酯熱熔膠、鋼化玻璃和TPT背板層壓製造而成。這種工藝製造出的太陽電池組件雖然能夠具備長效發電能力，但是其重量大、不可彎曲，限制了其在臨近空間飛行器上的使用。即使後採用了透明PET代替玻璃，仍難以滿足面密度要求。

CN201410655911.8所述半柔性太陽電池陣是一種僅在摺疊位置可實現局部彎曲的組件，採用薄晶矽剛性電池作為發電單元，無法避免太陽電池受到內部彎曲或扭轉力後引起的碎裂，因此必須在含有電池的部分用厚度不低於3mm的鋁蜂窩板進行局部結構加強，單純的鋁蜂窩板雖然已經大量用於航天領域，但其結構密度至少在600g/m2以上，因此加上電池和膠的重量後，存在太陽電池陣重量將不會小於900g/m2，全陣轉換效率不高於19％等問題。

技術實現要素：

本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣。

本發明的目的是提供一種具有臨近空間超長航時飛行器上大面積鋪設、牢固可靠、可彎曲扭轉、質量面密度小的全柔性薄膜太陽電池陣列，實現太陽電池功率的高效穩定輸出等特點的適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣。

本發明的技術創新點包括：

採用全柔性薄膜多結砷化鎵電池，並在電池器件工藝上進行了革新設計。柔性太陽電池背面設計為導電的銅鍍層，正面主柵進行了優化設計，降低主柵電極高度，增加主柵的寬度，以利於通過含銀導電膠與另一片電池的銅背電極充分接觸。

採用串聯方向依次疊瓦式電池電路連接結構，大大降低了焊帶和互聯片的使用，提高了組陣的可靠性和平整度。該種連接形式還可以有效提高組陣的有效布片率，進而提高單位面積的發電功率。

陣列前板和背板創新採用含氟聚合物薄膜，薄膜厚度12.5～25微米，即起到保護電池電路的作用，又能承載一定的機械載荷。徹底擺脫襯板或背板加強材料的約束，真正達到了結構與電路的一體化。

陣列正負極引出線通過與匯流條焊接的編織扁軟線垂直於組陣邊緣引出，扁軟線為一種特製的帶有局部絕緣材料的扁平狀鍍銀銅線束，其優勢在於可經受彎曲、拉伸、扭轉而保持電纜的穩定輸出狀態。

本發明適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣所採取的技術方案是：

一種適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣，其特點是：柔性太陽電池陣從上到下依次是透明含氟聚合物薄膜、聚烯烴膠膜、電池串、聚烯烴膠膜、透明或白色聚合物膜的順序疊層，電池串採用柔性多結砷化鎵電池作為發電單元，採用電池交疊接觸方式，實現電池之間的串並聯，匯流條採用鍍銀銅芯編織扁軟線，組件上表面採用透明含氟聚合物薄膜製成，下表面採用透明或白色聚合物薄膜進行封裝，粘合劑採用熱熔聚烯烴膠膜，在電池串正反兩面分別與含氟透明聚合物薄膜和/或白色聚合物薄膜進行熱熔粘合，柔性太陽電池陣一次高溫層壓成型。

本發明適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣還可以採用如下技術方案：

所述的適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣，其特點是：柔性太陽電池陣陣列成型後外邊框採取製作銅製綁紮孔、背面粘貼魔術粘扣以及直接與碳纖維結構部件膠接的方式與機體實現機械連接。

所述的適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣，其特點是：電池串採用厚度為20－50微米的柔性多結砷化鎵電池作為發電單元。

所述的適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣，其特點是：組件上表面採用10－15微米厚的透明含氟聚合物薄膜製成，下表面採用20－30微米厚的透明或白色聚合物薄膜進行封裝。

所述的適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣，其特點是：粘合劑採用20－50微米聚烯烴熱熔膠膜。

本發明具有的優點和積極效果是：

適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣由於採用了本發明全新的技術方案，與現有技術相比，本發明包括以下特點：

1、採用含氟聚合物薄膜作為正反面封裝的材料，表面均有阻水塗層，有效防止水汽對電池壽命的影響；

2、電池為柔性，並採用疊瓦式串聯方式代替焊接，有效提高組陣平整度和穩定性，且陣列可自由彎曲，曲率半徑達到50mm時，性能無影響；

3、本專利採用高效率的柔性多結砷化鎵電池，效率在31％以上，可根據實際需求尺寸進行陣列設計組合。組件最佳功率點功率重量比大於600W/kg；

4、組件採用超薄封裝材料和超薄電池製成，組合後，組件厚度僅為180微米，組件面密度350g/m2；

5、組件耐環境能力強，10天紫外輻照試驗後功率衰降小於2％。組件經歷10天溼熱試驗後，功率衰降小於3％，可耐受-80℃～80℃範圍的溫度交變，在低氣壓4kPa環境下30天存放，不發生開膠起泡等現象；

6、與飛行器結構一體化接口友好，不易破損。

採用這種高效、高比功率、低面密度的太陽電池陣製作高空超長航時飛行器發電模塊，可以有效降低能源系統重量，提高能源利用效率。通過一體化設計，太陽電池陣可以作為太陽能無人機蒙皮材料。

附圖說明

圖1是適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣內部結構示意圖；

圖2是適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣結構示意圖。

圖中，1-透明含氟聚合物薄膜，2-聚烯烴膠膜，3-太陽電池，4-背面聚合物薄膜，5-鍍銀銅芯編織扁軟線，6-導電膠帶。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的發明內容、特點及功效，茲列舉以下實施例，並配合附圖詳細說明如下：

參閱附圖1和圖2。

實施例1

一種適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣，從上到下依次是透明含氟聚合物薄膜、聚烯烴膠膜、電池串、聚烯烴膠膜、透明或白色聚合物膜的順序疊層，電池串採用柔性多結砷化鎵電池作為發電單元，採用電池交疊接觸方式，實現電池之間的串並聯，匯流條採用鍍銀銅芯編織扁軟線，組件上表面採用透明含氟聚合物薄膜製成，下表面採用透明或白色聚合物薄膜進行封裝，粘合劑採用熱熔聚烯烴膠膜，在電池串正反兩面分別與含氟透明聚合物薄膜和/或白色聚合物薄膜進行熱熔粘合，柔性太陽電池陣一次高溫層壓成型。

適用於臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣：

採用厚度不大於50微米的柔性多結砷化鎵電池作為發電單元，單體效率超過31％，組合效率可達30％(1280W/m2，2km，25℃)。

通過電池交疊接觸的方式，實現電池之間的串並聯，省去電池串並聯的焊接過程。匯流條採用鍍銀銅芯編織扁軟線，保證陣列在熱交變條件下不會引起匯流條法向翹曲。

組件上表面採用12.5微米厚的透明含氟聚合物薄膜製成，下表面採用25微米透明或白色聚合物薄膜進行封裝。

粘合劑採用50微米以下聚烯烴熱熔膠膜，在電池串正反兩面分別與含氟透明聚合物薄膜和白色聚合物薄膜進行熱熔粘合。

太陽電池陣從上到下依次是透明含氟聚合物薄膜、聚烯烴膠膜、電池串、聚烯烴膠膜、透明或白色聚合物膜的順序疊層，通過一次高溫層壓成型。

根據不同的技術要求，陣列成型後外邊框可採取製作銅製綁紮孔、背面粘貼魔術粘扣以及直接與碳纖維結構部件膠接的方式與機體實現機械連接。充分滿足飛艇、浮空氣球、無人機等多種平臺設計要求。

本實施例的具體製作過程：

串聯製作：參閱附圖1，選用2mm×4mm的柔性砷化鎵電池3若干，先在每片電池正面主柵上通過自動點膠機均勻塗覆一層含銀導電膠，再將各片電池通過手工或自動化設備的方式依次擺放在串焊模具上，將相鄰電池的主柵與背面電極粘接在一起，形成一個電池串，示例中製作了4個相同的電池串，待導電膠自然凝固粘牢後，再將其全部轉移至組陣模具上，組陣模具用於控制各串電池的間隙，最終通過導電膠帶6將4串電池的首尾分別連接在一起，形成陣列。導電膠帶6一半搭接在電池上，一半露在電池陣外，用於焊接電極引出電纜。

電極的製作：在導電膠帶上用少量焊錫將鍍銀銅芯編織扁軟線5的一頭與之焊接固定，導線方向與導電膠帶保持垂直，另一端作為電極引出端，保留一部分絕緣皮。每條導電膠帶上至少焊接2根導線作為電極。

疊層製作：將上述組合好的電池電路正面朝下放在事先鋪好的含氟聚合物薄膜1與聚烯烴膠膜2上，疊層順序自下而上依次為含氟聚合物薄膜1、聚烯烴膠膜2、電池電路3。再依次將第二層聚烯烴膠膜2、背面聚合物薄膜4覆蓋在上述疊層結構上。最後將預留的電極引出端從背膜中穿出。

層壓製作：選用多段真空層壓的方式將上述疊層結構放置在層壓機上，層壓1小時後取出，裁切多餘膠膜後，即可得到附圖1所示的實施例。

本實施例具有牢固可靠、可彎曲扭轉、質量面密度小，可以有效降低能源系統重量，提高能源利用效率，可以一體化設計，進行大面積鋪設，實現太陽電池功率的高效穩定輸出等積極效果。