本發(fā)明屬于物理電源技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣。

背景技術(shù)：

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(jī)、電動力太陽能飛艇和浮空器等。這類飛行器由于飛行高度高、飛行速度慢、飛行時間長，因此對承擔(dān)發(fā)電功能的太陽電池陣提出了很高的技術(shù)要求。一是要有較高的轉(zhuǎn)換效率。目前應(yīng)用于臨近空間超長航時飛行器的太陽電池陣主要有兩種，一種是基于晶硅剛性電池的半柔性太陽電池陣，一種是基于柔性薄膜電池(如銅銦鎵硒、非晶硅、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(nèi)外太陽能無人機(jī)上廣泛應(yīng)用，但由于其面密度高，目前尚無法實現(xiàn)長時間駐空；而全柔性太陽電池陣彎曲能力強(qiáng)，面密度低，更廣泛地應(yīng)用于浮空器和無人機(jī)上。其中以薄膜砷化鎵太陽電池陣轉(zhuǎn)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(chǎn)品，目前世界各國都在抓緊研制相關(guān)產(chǎn)品。

傳統(tǒng)光伏組件采用單晶硅或多晶硅太陽電池，用聚乙烯-醋酸乙烯酯熱熔膠、鋼化玻璃和TPT背板層壓制造而成。這種工藝制造出的太陽電池組件雖然能夠具備長效發(fā)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。即使后采用了透明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折疊位置可實現(xiàn)局部彎曲的組件，采用薄晶硅剛性電池作為發(fā)電單元，無法避免太陽電池受到內(nèi)部彎曲或扭轉(zhuǎn)力后引起的碎裂，因此必須在含有電池的部分用厚度不低于3mm的鋁蜂窩板進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，單純的鋁蜂窩板雖然已經(jīng)大量用于航天領(lǐng)域，但其結(jié)構(gòu)密度至少在600g/m2以上，因此加上電池和膠的重量后，存在太陽電池陣重量將不會小于900g/m²，全陣轉(zhuǎn)換效率不高于19％等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣。

本發(fā)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(shè)、牢固可靠、可彎曲扭轉(zhuǎn)、質(zhì)量面密度小的全柔性薄膜太陽電池陣列，實現(xiàn)太陽電池功率的高效穩(wěn)定輸出等特點的適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣。

本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新點包括：

采用全柔性薄膜多結(jié)砷化鎵電池，并在電池器件工藝上進(jìn)行了革新設(shè)計。柔性太陽電池背面設(shè)計為導(dǎo)電的銅鍍層，正面主柵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，降低主柵電極高度，增加主柵的寬度，以利于通過含銀導(dǎo)電膠與另一片電池的銅背電極充分接觸。

采用串聯(lián)方向依次疊瓦式電池電路連接結(jié)構(gòu)，大大降低了焊帶和互聯(lián)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(jìn)而提高單位面積的發(fā)電功率。

陣列前板和背板創(chuàng)新采用含氟聚合物薄膜，薄膜厚度12.5～25微米，即起到保護(hù)電池電路的作用，又能承載一定的機(jī)械載荷。徹底擺脫襯板或背板加強(qiáng)材料的約束，真正達(dá)到了結(jié)構(gòu)與電路的一體化。

陣列正負(fù)極引出線通過與匯流條焊接的編織扁軟線垂直于組陣邊緣引出，扁軟線為一種特制的帶有局部絕緣材料的扁平狀鍍銀銅線束，其優(yōu)勢在于可經(jīng)受彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)而保持電纜的穩(wěn)定輸出狀態(tài)。

本發(fā)明適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣所采取的技術(shù)方案是：

一種適用于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，電池串采用柔性多結(jié)砷化鎵電池作為發(fā)電單元，采用電池交疊接觸方式，實現(xiàn)電池之間的串并聯(lián)，匯流條采用鍍銀銅芯編織扁軟線，組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進(jìn)行封裝，粘合劑采用熱熔聚烯烴膠膜，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(jìn)行熱熔粘合，柔性太陽電池陣一次高溫層壓成型。

本發(fā)明適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣還可以采用如下技術(shù)方案：

所述的適用于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后外邊框采取制作銅制綁扎孔、背面粘貼魔術(shù)粘扣以及直接與碳纖維結(jié)構(gòu)部件膠接的方式與機(jī)體實現(xiàn)機(jī)械連接。

所述的適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣，其特點是：電池串采用厚度為20－50微米的柔性多結(jié)砷化鎵電池作為發(fā)電單元。

所述的適用于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進(jìn)行封裝。

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

本發(fā)明具有的優(yōu)點和積極效果是：

適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣由于采用了本發(fā)明全新的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明包括以下特點：

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

2、電池為柔性，并采用疊瓦式串聯(lián)方式代替焊接，有效提高組陣平整度和穩(wěn)定性，且陣列可自由彎曲，曲率半徑達(dá)到50mm時，性能無影響；

3、本專利采用高效率的柔性多結(jié)砷化鎵電池，效率在31％以上，可根據(jù)實際需求尺寸進(jìn)行陣列設(shè)計組合。組件最佳功率點功率重量比大于600W/kg；

4、組件采用超薄封裝材料和超薄電池制成，組合后，組件厚度僅為180微米，組件面密度350g/m²；

5、組件耐環(huán)境能力強(qiáng)，10天紫外輻照試驗后功率衰降小于2％。組件經(jīng)歷10天濕熱試驗后，功率衰降小于3％，可耐受-80℃～80℃范圍的溫度交變，在低氣壓4kPa環(huán)境下30天存放，不發(fā)生開膠起泡等現(xiàn)象；

6、與飛行器結(jié)構(gòu)一體化接口友好，不易破損。

采用這種高效、高比功率、低面密度的太陽電池陣制作高空超長航時飛行器發(fā)電模塊，可以有效降低能源系統(tǒng)重量，提高能源利用效率。通過一體化設(shè)計，太陽電池陣可以作為太陽能無人機(jī)蒙皮材料。

附圖說明

圖1是適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣結(jié)構(gòu)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(dǎo)電膠帶。

具體實施方式

為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及功效，茲列舉以下實施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下：

參閱附圖1和圖2。

實施例1

一種適用于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，電池串采用柔性多結(jié)砷化鎵電池作為發(fā)電單元，采用電池交疊接觸方式，實現(xiàn)電池之間的串并聯(lián)，匯流條采用鍍銀銅芯編織扁軟線，組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進(jìn)行封裝，粘合劑采用熱熔聚烯烴膠膜，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(jìn)行熱熔粘合，柔性太陽電池陣一次高溫層壓成型。

適用于臨近空間超長航時飛行器的柔性太陽電池陣：

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

通過電池交疊接觸的方式，實現(xiàn)電池之間的串并聯(lián)，省去電池串并聯(lián)的焊接過程。匯流條采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進(jìn)行封裝。

粘合劑采用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(jìn)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(jù)不同的技術(shù)要求，陣列成型后外邊框可采取制作銅制綁扎孔、背面粘貼魔術(shù)粘扣以及直接與碳纖維結(jié)構(gòu)部件膠接的方式與機(jī)體實現(xiàn)機(jī)械連接。充分滿足飛艇、浮空氣球、無人機(jī)等多種平臺設(shè)計要求。

本實施例的具體制作過程：

串聯(lián)制作：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(jī)均勻涂覆一層含銀導(dǎo)電膠，再將各片電池通過手工或自動化設(shè)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，示例中制作了4個相同的電池串，待導(dǎo)電膠自然凝固粘牢后，再將其全部轉(zhuǎn)移至組陣模具上，組陣模具用于控制各串電池的間隙，最終通過導(dǎo)電膠帶6將4串電池的首尾分別連接在一起，形成陣列。導(dǎo)電膠帶6一半搭接在電池上，一半露在電池陣外，用于焊接電極引出電纜。

電極的制作：在導(dǎo)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(dǎo)線方向與導(dǎo)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(dǎo)電膠帶上至少焊接2根導(dǎo)線作為電極。

疊層制作：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(jié)構(gòu)上。最后將預(yù)留的電極引出端從背膜中穿出。

層壓制作：選用多段真空層壓的方式將上述疊層結(jié)構(gòu)放置在層壓機(jī)上，層壓1小時后取出，裁切多余膠膜后，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(zhuǎn)、質(zhì)量面密度小，可以有效降低能源系統(tǒng)重量，提高能源利用效率，可以一體化設(shè)計，進(jìn)行大面積鋪設(shè)，實現(xiàn)太陽電池功率的高效穩(wěn)定輸出等積極效果。