[go: up one dir, main page]

RU2818993C1 - Photoelectric concentrator module - Google Patents

Photoelectric concentrator module Download PDF

Info

Publication number
RU2818993C1
RU2818993C1 RU2023111600A RU2023111600A RU2818993C1 RU 2818993 C1 RU2818993 C1 RU 2818993C1 RU 2023111600 A RU2023111600 A RU 2023111600A RU 2023111600 A RU2023111600 A RU 2023111600A RU 2818993 C1 RU2818993 C1 RU 2818993C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
base
rectangular
module
concentrator
alloy
Prior art date
Application number
RU2023111600A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Михайлович Андреев
Николай Юрьевич Давидюк
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Application granted granted Critical
Publication of RU2818993C1 publication Critical patent/RU2818993C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: cosmonautics.
SUBSTANCE: photoelectric concentrator module includes a Fresnel lens panel, a rectangular base located parallel to the plane of the Fresnel lens panel, and end walls in the form of rigid rectangular plates, connected to each other by eight cylindrical hinges, by one hinge at the corners of the base and the lens panel, with hinge axes installed parallel to the ends of the base. An electric motor and a reduction gear are attached to the base, to the shaft of which a rectangular plate is attached, the rotation of which provides the opening of the module in space.
EFFECT: higher efficiency and rigidity during module space orbit launch.
7 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к фотоэнергетике, в частности к солнечным фотоэнергетическим и лазерным системам, предназначенным для выработки электроэнергии на космических аппаратах. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного и лазерного излучения является одним из наиболее эффективных способов получения электрической энергии от Солнца и лазерного излучения в космическом пространстве при использовании высокоэффективных каскадных солнечных элементов, фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения и устройств ориентации модулей на Солнце или на источник лазерного излучения.The invention relates to photoenergy, in particular to solar photoenergetic and laser systems intended for generating electricity on spacecraft. Photoelectric conversion of concentrated solar and laser radiation is one of the most effective ways to obtain electrical energy from the Sun and laser radiation in outer space using highly efficient cascade solar cells, photoelectric converters of laser radiation and devices for orienting modules to the Sun or to a source of laser radiation.

Известен фотоэлектрический концентраторный модуль (см. US20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубл. 27.01.2011), содержащий несущую конструкцию космического аппарата, на которой закреплены фотоэлектрические концентраторные модули, включающие в себя множество отражателей Френеля, направляющих свет на панель фотоэлектрических элементов, термически подключенных к центральной несущей конструкции через радиатор тепловой трубы. Тепловая труба обеспечивает передачу тепла от панели фотоэлектрических элементов и рассеяние его на радиаторе тепловой трубы и элементах несущей конструкция.A photoelectric concentrator module is known (see US20110017875, IPC B64G 1/44, HOIL 31/042, publ. 01/27/2011), containing a supporting structure of a spacecraft on which photoelectric concentrator modules are mounted, including a plurality of Fresnel reflectors that direct light to a panel of photovoltaic cells thermally connected to a central supporting structure via a heat pipe radiator. The heat pipe ensures the transfer of heat from the panel of photovoltaic elements and its dissipation on the heat pipe radiator and elements of the supporting structure.

Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного модуля является низкий удельный энергосъем из-за отсутствия системы слежения за Солнцем фотоэлектрических модулей и значительный объем модуля при запуске в космос, вследствие отсутствия системы складывания модуля в транспортном состоянии.The disadvantages of the known photovoltaic concentrator module are low specific energy consumption due to the lack of a solar tracking system for photovoltaic modules and a significant volume of the module when launched into space, due to the lack of a system for folding the module in a transport state.

Известна солнечная фотоэлектрическая установка (см. RU2286517 МПК 7F24J2/42, опубл. 27.10.2006), включающая прямоугольный корпус, содержащий фотоэлектрические преобразователи, находящиеся в фокусах линз Френеля, и размещенный на механической системе ориентации на Солнце, содержащей приводы зенитального и азимутального вращения, снабженные шаговыми мотор-редукторами, и систему слежения, оснащенную датчиками положения Солнца. Механическая система включает две рамы - базовую, вращающуюся вокруг вертикальной оси, и подвешенную с закрепленными концентраторными фотоэлектрическими модулями, обеспечивающую поворот вокруг горизонтальной оси.A solar photovoltaic installation is known (see RU2286517 IPC 7F24J2/42, publ. October 27, 2006), including a rectangular housing containing photoelectric converters located at the foci of Fresnel lenses, and placed on a mechanical system for orientation to the Sun, containing drives for zenithal and azimuthal rotation, equipped with stepper gear motors, and a tracking system equipped with solar position sensors. The mechanical system includes two frames - a base frame, rotating around a vertical axis, and a suspended frame with fixed concentrator photovoltaic modules, providing rotation around a horizontal axis.

Известная солнечная фотоэлектрическая установка имеет недостаточную общую энергоэффективность вследствие большой площади нефотоактивной области и значительный объем модулей в транспортном состоянии, что не обеспечивает компактность и эффективную ее работу в космических условиях эксплуатации.The known solar photovoltaic installation has insufficient overall energy efficiency due to the large area of the non-photoactive region and a significant volume of modules in the transport state, which does not ensure its compactness and efficient operation in space operating conditions.

Известен теплофотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения (см. RU2554674, МПК H01L 31/054, опубл. 27.06.2015), включающий асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейный фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль оси. Линейный ФЭП снабжен устройством протока теплоносителя. Форма отражающей поверхности концентратора определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности ФЭП, выполненных в виде линейки из коммутированных ФЭП и расположенных под углом к миделю концентратора.A known thermal photovoltaic module with a parabolic cylindrical concentrator of solar radiation (see RU2554674, IPC H01L 31/054, published on June 27, 2015), including an asymmetric parabolic cylindrical concentrator with a mirror internal reflection surface and a linear photoelectric converter (PVC) located in the focal region with a uniform distribution concentrated radiation along the axis. The linear solar cell is equipped with a coolant flow device. The shape of the reflective surface of the concentrator is determined by a system of equations corresponding to the condition of uniform illumination of the surface of the solar cells, made in the form of a line of switched solar cells and located at an angle to the midsection of the concentrator.

Изобретение обеспечивает работу теплофотоэлектрического модуля при высоких концентрациях и равномерное освещение ФЭП, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения и повышение КПД преобразования. Недостатками известного теплофотоэлектрического модуля является необходимость организации теплоотвода путем циркуляции теплоносителя, а также малая компактность модуля при отсутствии конструкции складывания модуля для его транспортировки в космос, что ведет к увеличению массово-габаритных параметров модуля при его запуске для базирования на космическом летательном аппарате.The invention ensures the operation of a thermal photovoltaic module at high concentrations and uniform illumination of the solar cell, obtaining a technically acceptable voltage on one solar cell and increasing the conversion efficiency. The disadvantages of the known thermophotovoltaic module are the need to organize heat removal by circulation of the coolant, as well as the small compactness of the module in the absence of a folding design for the module for its transportation into space, which leads to an increase in the mass-dimensional parameters of the module when it is launched for deployment on a spacecraft.

Известна концентраторная солнечная энергетическая установка (см. RU2740437, МПК H01L 31/02, опубл. 14.01.2021), включающая ряд концентраторных фотоэлектрических модулей с корпусами прямоугольной или квадратной формы с отбортовками для прикрепления силиконом-герметиком панелей из линз Френеля и с ФЭП, размещенными в фокусах линз Френеля. Фотоэлектрические концентраторные модули сопряжены внахлест отбортовками по высоте в шахматном порядке. При этом в крайнем ряду концентраторных фотоэлектрических модулей и в рядах фотоэлектрических концентраторных модулей, параллельных крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда фотоэлектрических концентраторных модулей сопряжены внахлест вплотную. В рядах модулей, перпендикулярных этому крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда фотоэлектрических концентраторных модулей отстоят по высоте друг от друга на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине отбортовки, силикона-герметика и панели из линз Френеля.A concentrator solar power plant is known (see RU2740437, IPC H01L 31/02, publ. 01/14/2021), including a number of concentrator photovoltaic modules with rectangular or square-shaped housings with flanges for attaching panels of Fresnel lenses with silicone sealant and with FEPs placed at the foci of Fresnel lenses. Photovoltaic concentrator modules are interconnected with overlapping flanges along the height in a checkerboard pattern. In this case, in the outer row of concentrator photovoltaic modules and in the rows of photovoltaic concentrator modules parallel to the outer row, the flanges of photovoltaic concentrator modules adjacent along the row are closely overlapped. In rows of modules perpendicular to this outermost row, the flanges of photovoltaic concentrator modules adjacent along the row are spaced in height from each other at a distance at least equal to the total thickness of the flange, silicone sealant and Fresnel lens panel.

Недостатком известной концентраторной солнечной энергетической установки является недостаточная компактность модулей из-за отсутствия конструкции складывания модуля в транспортном состоянии, вследствие чего усложняется и удорожается ее транспортировка в космос, что не позволяет использовать концентраторную солнечную энергетическую установку на космическом аппарате.The disadvantage of the known concentrator solar power plant is the insufficient compactness of the modules due to the lack of a design for folding the module in a transport state, as a result of which its transportation into space becomes more complicated and more expensive, which does not allow the use of a concentrator solar power plant on a spacecraft.

Известен складной фотоэлектрический концентраторный модуль (см. RU193323, МПК H02S10/40, H02S 30/20, F24H1/06, H02S 40/44, опубл. 24.10.2019), содержащий концентратор параболоцилиндрического типа, двусторонние ФЭП, расположенные в фотоприемнике, и теплоноситель. Концентратор выполнен складным, оснащен цилиндрическими шарнирами для складывания и стойками с отверстиями для ФЭП. Модуль в сложенном состоянии обладает функцией защиты двусторонних ФЭП, а его профиль обеспечивает освещенность одной или одновременно двух приемных поверхностей ФЭП. Корпус ФЭП выполнен металлическим, имеет комбинированные полости для различных функций и обеспечивает своей структурой полости для теплоносителя с входом и выходом, с возможностью непосредственного теплосъема с теплоносителя. Двусторонние ФЭП имеют p-n-переходы, параллельные потоку концентрированного солнечного излучения. Теплоизоляция теплоносителя и двусторонних ФЭП выполнена с обеих сторон. Теплоноситель омывает непосредственно герметизированные двусторонние ФЭП, защищенные прозрачными закаленными стеклами.A folding photovoltaic concentrator module is known (see RU193323, IPC H02S10/40, H02S 30/20, F24H1/06, H02S 40/44, published 10/24/2019), containing a parabolic-cylindrical type concentrator, double-sided solar cells located in the photodetector, and a coolant . The concentrator is foldable, equipped with cylindrical hinges for folding and stands with holes for photovoltaic cells. When folded, the module has the function of protecting double-sided solar cells, and its profile provides illumination of one or two receiving surfaces of solar cells at the same time. The FEP body is made of metal, has combined cavities for various functions and provides its structure with cavities for coolant with inlet and outlet, with the possibility of direct heat removal from the coolant. Double-sided solar cells have p-n junctions parallel to the flow of concentrated solar radiation. Thermal insulation of the coolant and double-sided solar cells is made on both sides. The coolant directly washes sealed double-sided solar cells protected by transparent tempered glass.

Недостатком известного фотоэлектрического концентраторного модуля является недостаточная жесткость конструкции концентратора. Наличие стыка между складными элементами концентратора приводит к возрастанию оптических потерь при концентрировании солнечного излучения. Также выбранное размещение ФЭП ведет к смещению фокуса концентратора относительно ФЭП, к снижению равномерности засветки ФЭП и к увеличению отражения солнечного излучения.A disadvantage of the known photovoltaic concentrator module is the insufficient rigidity of the concentrator structure. The presence of a joint between the folding elements of the concentrator leads to an increase in optical losses when concentrating solar radiation. Also, the selected placement of the PV leads to a shift in the focus of the concentrator relative to the PV, to a decrease in the uniformity of illumination of the PV and to an increase in the reflection of solar radiation.

Известен фотоэлектрический концентраторный модуль (см. US20140078607 МПК G02B 5/10, опубл. 20.03.2014). Известный концентраторный модуль включает основание, оснащенное вращательным элементом, параболоцилиндрические концентраторы с зеркальной внутренней поверхностью отражения, установленные на основании, цилиндрические направляющие которых параллельны основанию и друг другу, линейные цепочки ФЭП, установленные на верхней кромке тыльной стороны каждого последующего концентратора в фокальной линии каждого предыдущего концентратора. При этом сечение каждого параболоцилиндрического концентратора, перпендикулярное цилиндрическим направляющим, является половиной параболы. Тыльная поверхность первого концентратора и тыльная поверхность второго концентратора обращены к вращательному элементу, а фронтальные поверхности первого и второго концентраторов обращены в разные стороны, так что центр равновесия находится на вращательном элементе.A photovoltaic concentrator module is known (see US20140078607 IPC G02B 5/10, published 03/20/2014). The known concentrator module includes a base equipped with a rotational element, parabolic-cylindrical concentrators with a mirror internal reflection surface installed on the base, the cylindrical guides of which are parallel to the base and to each other, linear chains of solar cells installed on the upper edge of the back side of each subsequent concentrator in the focal line of each previous concentrator . In this case, the cross-section of each parabolic-cylindrical concentrator, perpendicular to the cylindrical guides, is half a parabola. The rear surface of the first concentrator and the rear surface of the second concentrator face the rotational element, and the front surfaces of the first and second concentrators face in different directions, so that the center of balance is on the rotational element.

Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного модуля являются повышенные массово-габаритные параметры модуля, вследствие расположения вращательного элемента на светоприемной области модуля. Кроме того отсутствие складной конструкции затрудняет и удорожает доставку модулей в космос и размещение их на космическом летательном аппарате.The disadvantages of the known photovoltaic concentrator module are the increased mass-dimensional parameters of the module, due to the location of the rotational element on the light-receiving area of the module. In addition, the lack of a folding structure makes it difficult and expensive to deliver modules into space and place them on a spacecraft.

Известен фотоэлектрический концентраторный модуль (см. патент US6111190, МПК H01L 31/045, МПК H01L 31/052, B64G 1/44, F24J 2/36, B64G 1/50, опубл. 29.08.2000) на основе надувной линзы Френеля. Модуль состоит из гибкой линзы Френеля, гибких сторон и задней поверхности, совместно охватывающих объем полости, которая может быть заполнена газом низкого давления для развертывания концентраторного модуля на орбите. На задней поверхности модуля размещен фотопреобразователь солнечной энергии, расположенный в фокальной области линзы Френеля. Кроме того, задняя поверхность может служить теплосбрасывателем. Перед развертыванием спущенную гибкую линзу и боковины складывают на задней поверхности с образованием плоской малообъемной упаковки для эффективного запуска в космос. Фотоэлектрический концентраторный модуль с использованием надувной линзы обеспечивают уменьшение массы и объема модуля перед его запуском в космос.A photoelectric concentrator module is known (see patent US6111190, IPC H01L 31/045, IPC H01L 31/052, B64G 1/44, F24J 2/36, B64G 1/50, publ. 08.29.2000) based on an inflatable Fresnel lens. The module consists of a flexible Fresnel lens, flexible sides and a back surface that together enclose a cavity volume that can be filled with low-pressure gas to deploy the concentrator module in orbit. On the rear surface of the module there is a solar energy photoconverter located in the focal region of the Fresnel lens. In addition, the rear surface can serve as a heat dissipator. Before deployment, the deflated flexible lens and sidewalls are folded on the rear surface to form a flat, low-volume package for efficient launch into space. A photovoltaic concentrator module using an inflatable lens reduces the mass and volume of the module before launching it into space.

Существенным недостатком известного надувного концентраторного модуля является низкий КПД вследствие низкого оптического КПД надувной линзы Френеля.A significant disadvantage of the known inflatable concentrator module is its low efficiency due to the low optical efficiency of the inflatable Fresnel lens.

Известен фотоэлектрический концентраторный модуль (см. патент US6075200, МПК H01L 31/052, H01L 31/0232, B64G 1/22, F24J 2/08, B64G 1/44, опубл. 13.06.2000), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотоэлектрический концентраторный модуль включает складной корпус со складными торцевыми стенками и с устройством его развертывания, размещенные в складном корпусе панель линз Френеля и параллельная ей фотогенерирующая панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности прямоугольного основания фотогенерирующей панели, тыльная сторона которого закреплена на системе ориентации на Солнце. Панель линз Френеля выполнена гибкой и прикреплена к складным торцевым стенкам, при этом торцевые стенки растягивают панель линз Френеля для сохранения ее правильного положения и формы в космосе. Корпус включает в себя средства для развертывания панели линз Френеля в космосе. Перед развертыванием гибкая панель линз Френеля и торцевые стенки корпуса складываются в плоскую малогабаритную упаковку при запуске в космос.A photovoltaic concentrator module is known (see patent US6075200, IPC H01L 31/052, H01L 31/0232, B64G 1/22, F24J 2/08, B64G 1/44, publ. 06/13/2000), which coincides with the present technical solution to the greatest extent number of essential features and adopted as a prototype. The photovoltaic concentrator module includes a folding housing with folding end walls and a device for its deployment, a Fresnel lens panel housed in the folding housing and a parallel photogenerating panel with solar cells located at the foci of the Fresnel lenses on the front surface of the rectangular base of the photogenerating panel, the back side of which is fixed to solar orientation system. The Fresnel lens panel is flexible and attached to collapsible end walls, with the end walls stretching the Fresnel lens panel to maintain its correct position and shape in space. The housing includes a means for deploying the Fresnel lens panel in space. Before deployment, the flexible Fresnel lens panel and housing end walls are folded into a flat, compact package when launched into space.

Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного модуля-прототипа являются низкий КПД и недостаточная жесткость складной конструкции, приводящая к расфокусировке линз Френеля.The disadvantages of the known prototype photoelectric concentrator module are low efficiency and insufficient rigidity of the folding structure, leading to defocusing of the Fresnel lenses.

Задачей настоящего технического решения является разработка фотоэлектрического концентраторного модуля, который бы имел увеличенный КПД и повышенную жесткость при запуске модуля на космическую орбиту.The objective of this technical solution is to develop a photovoltaic concentrator module that would have increased efficiency and increased rigidity when launching the module into space orbit.

Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический концентраторный модуль включает складной корпус со складными торцевыми стенками и с устройством его развертывания, размещенные в складном корпусе панель линз Френеля и параллельная ей фотогенерирующая панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности прямоугольного основания фотогенерирующей панели, тыльная сторона которого закреплена на системе ориентации на Солнце. Новым в фотоэлектрическом концентраторном модуле является то, что торцевые стенки выполнены в виде жестких прямоугольных пластин, прикрепленных к соответствующему торцу прямоугольной линзовой панели и соответствующему торцу прямоугольного основания посредством цилиндрических шарниров, закрепленных на каждом углу основания и линзовой панели. Оси шарниров установлены параллельно торцам прямоугольного основания. К прямоугольному основанию прикреплен электропривод с валом, являющимся осью двух цилиндрических шарниров на углах основания, закрепленным на торце одной из прямоугольных пластин. На торце основания, прилегающем к валу электропривода, установлен выступающий над основанием плоский прямоугольный магнит, на верхней грани которого установлен нормально разомкнутый конечный электрический выключатель, а на обращенной к прямоугольной пластине боковой грани - нормально замкнутый конечный электрический выключатель. Оба конечных электрических выключателя последовательно включены в электрическую цепь электропитания электропривода.The problem is solved in that the photoelectric concentrator module includes a folding housing with folding end walls and a device for its deployment, a Fresnel lens panel housed in the folding housing and a parallel photogenerating panel with solar cells located at the foci of the Fresnel lenses on the front surface of the rectangular base of the photogenerating panel , the back side of which is fixed to the solar orientation system. What is new in the photovoltaic concentrator module is that the end walls are made in the form of rigid rectangular plates attached to the corresponding end of the rectangular lens panel and the corresponding end of the rectangular base by means of cylindrical hinges attached to each corner of the base and lens panel. The hinge axes are installed parallel to the ends of the rectangular base. Attached to the rectangular base is an electric drive with a shaft, which is the axis of two cylindrical hinges at the corners of the base, fixed to the end of one of the rectangular plates. At the end of the base adjacent to the electric drive shaft, there is a flat rectangular magnet protruding above the base, on the upper face of which there is a normally open limit electric switch, and on the side face facing the rectangular plate there is a normally closed limit electrical switch. Both limit electrical switches are connected in series to the electrical power supply circuit of the electric drive.

В фотоэлектрическом концентраторном модуле электропривод может быть выполнен в виде электродвигателя, снабженного редуктором. Прямоугольное снование может быть выполнено из легкого сплава с высокой теплопроводностью, например, алюминиево-магниевого сплава АМг или из алюминиево-марганцевого сплава АМц для снижения веса модуля и обеспечения эффективного теплоотвода от фотоэлементов, находящихся в фокусах линз Френеля.In a photoelectric concentrator module, the electric drive can be made in the form of an electric motor equipped with a gearbox. The rectangular base can be made of a light alloy with high thermal conductivity, for example, aluminum-magnesium alloy AMg or aluminum-manganese alloy AMts to reduce the weight of the module and ensure effective heat removal from photocells located at the foci of Fresnel lenses.

Прямоугольная пластина, закрепленная на валу редуктора, может быть выполнена из легкого магнитного сплава, например, из сплава пермалоя марки 80НХС либо 79НМ или из сплава пермендюра марки 49К2ФА либо 49КФ.A rectangular plate mounted on the gearbox shaft can be made of a light magnetic alloy, for example, from a permalloy alloy of grade 80НХС or 79НМ or from a permendur alloy of grade 49K2FA or 49КФ.

Вторая прямоугольная пластина может быть выполнена из углепластика, что обеспечивает снижение веса модуля при сохранении достаточной жесткости конструкции.The second rectangular plate can be made of carbon fiber, which reduces the weight of the module while maintaining sufficient structural rigidity.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:

На фиг. 1 показана конструкция модуля в раскрытом рабочем состоянии при эксплуатации на космическом аппарате: 1 - панель из восьми линз Френеля; 2 - прямоугольное основание; 3,4 - прямоугольные торцевые стенки; 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 - фотоэлементы в фокусах линз Френеля; 12, 13 - торцы панели линз Френеля; 14, 15 - торцы прямоугольного основания 2 модуля; 16, 17, 18, 19 - цилиндрические шарниры на углах линзовой панели; 20, 21, 22, 23 - цилиндрические шарниры на углах основания 2 модуля; 24 -электродвигатель, снабженный редуктором; 25 - вал электродвигателя 24; 26, 27 - торцы прямоугольного основания;In fig. Figure 1 shows the design of the module in an open operating state during operation on a spacecraft: 1 - panel of eight Fresnel lenses; 2 - rectangular base; 3,4 - rectangular end walls; 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 - photocells at the foci of Fresnel lenses; 12, 13 - ends of the Fresnel lens panel; 14, 15 - ends of the rectangular base of 2 modules; 16, 17, 18, 19 - cylindrical hinges at the corners of the lens panel; 20, 21, 22, 23 - cylindrical hinges at the corners of the base of module 2; 24 - electric motor equipped with a gearbox; 25 - electric motor shaft 24; 26, 27 - ends of the rectangular base;

На фиг. 2 изображена конструкция модуля в сложенном транспортном состоянии: 28 - магнит; 29 - конечный нормально разомкнутый выключатель; 30 - конечный нормально замкнутый выключатель;In fig. Figure 2 shows the design of the module in a folded transport state: 28 - magnet; 29 - final normally open switch; 30 - final normally closed switch;

На фиг. 3 - Конструкция модуля в сложенном транспортном состоянии: 32 - защитный кожух модуля; 33 - часть корпуса космического аппарата или часть конструкции фотоэлектрической батареи.In fig. 3 - Module design in a folded transport state: 32 - module protective casing; 33 - part of the spacecraft body or part of the photovoltaic battery structure.

Настоящий фотоэлектрический концентраторный модуль включает плоскую прямоугольную панель 1 линз Френеля (фиг. 1), плоское прямоугольное основание 2, расположенное параллельно плоскости прямоугольной панели 1 линз Френеля, выполненное с длиной и шириной, равными размерам прямоугольной панели 1, соединенные между собой жесткими прямоугольными пластинами 3,4, установленными перпендикулярно плоскостям панели 1 и основания 2, и фотоэлементы 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, расположенные на основании 2 в точечных фокусах линз Френеля. Две жесткие торцевые прямоугольные пластины 3, 4 соединены с двумя торцами 12, 13 панели 1 линз Френеля и с двумя торцами 14, 15 основания 2 восемью цилиндрическими шарнирами 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23 по одному шарниру на каждом углу основания 2 и линзовой панели 1, при этом оси этих цилиндрических шарниров установлены параллельно упомянутым торцам основания 2. Такая конструкция модуля с использованием восьми цилиндрических шарниров 16-23 для соединения линзовой панели 1 с основанием 2 позволяет осуществлять взаимное горизонтальное и вертикальное перемещение линзовой панели 1 относительно основания 2, что необходимо для складывания модуля в транспортном состоянии при его доставке на орбиту в составе космического аппарата и для последующего раскрытия модуля в рабочем состоянии. К основанию 2 модуля прикреплен электродвигатель 24, снабженный редуктором (фиг. 2), вал 25 которого, установлен на двух цилиндрических шарнирах 21, 23 соосных с валом 25, к которому прикреплена своим торцом прямоугольная пластина 3. Использование электродвигателя 24, снабженного редуктором (фиг. 2), прикрепленного к основанию 2, необходимо для обеспечения раскрытия модуля и приведения его в рабочее состояние, показанное на фиг. 1, после его доставки на космическую орбиту. При этом раскрытие модуля обеспечивается вращением вала 25 и прикрепленной к валу 25 жесткой прямоугольной пластины 3 модуля в направлении, показанном на фиг. 2 стрелкой. На торце 15 основания 2, прилегающем к валу 25, установлен выступающий над основанием 2 плоский прямоугольный магнит 28, на верхней грани которого размещен нормально разомкнутый конечный электрический выключатель 29, а на обращенной к прямоугольной пластине 3 боковой грани - нормально замкнутый конечный электрический выключатель 30. Электрические выключатели 29 и 30 последовательно включены в электрическую цепь электропитания электродвигателя 24 (на чертеже не показано). Магнит 28 (фиг. 2), установленный на торце 15 основания 2, обеспечивает фиксацию положения прямоугольной пластины 3 после завершения раскрытия модуля и приведения его в рабочее состояние (фиг. 1). Фотоэлектрический модуль в сложенном транспортном состоянии может быть оснащен защитным кожухом 32 (фиг. 3), прилегающим к линзовой панели 1 и к первому нормально разомкнутому выключателю 29 (фиг. 3), выполненному с возможностью включения электродвигателя 24 при удалении защитного кожуха 32, а второй нормально замкнутый выключатель 30 (фиг. 2) выполнен с возможностью выключения электродвигателя 24 в рабочем раскрытом состоянии модуля при механическом контакте выключателя 30 и магнита 28 с прямоугольной пластиной 3, вращаемой валом 25. Защитный кожух 32, закрывающий фронтальную поверхность модуля в закрытом транспортном состоянии, может быть необходим для предотвращения повреждающих воздействий на модуль при неблагоприятных условиях окружающей среды в процессе запуска и вывода космического аппарата 33 на орбиту. Защитный кожух 32 при установке прилегает к нормально разомкнутому первому выключателю 29, что препятствует включению электродвигателя 24 в транспортном состоянии модуля. При удалении («отстреле») защитного кожуха 32 обеспечивается включение электродвигателя 24 и раскрытие модуля. Нормально замкнутый выключатель 30 обеспечивает выключение электродвигателя 24 в результате механического контакта прямоугольной пластины 3 модуля с выключателем 24 в момент завершения раскрытия модуля.This photovoltaic concentrator module includes a flat rectangular Fresnel lens panel 1 (Fig. 1), a flat rectangular base 2 located parallel to the plane of the rectangular Fresnel lens panel 1, made with a length and width equal to the dimensions of the rectangular panel 1, interconnected by rigid rectangular plates 3 ,4, installed perpendicular to the planes of panel 1 and base 2, and photocells 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, located on base 2 at the point foci of Fresnel lenses. Two rigid end rectangular plates 3, 4 are connected to two ends 12, 13 of the Fresnel lens panel 1 and to two ends 14, 15 of the base 2 by eight cylindrical hinges 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, one hinge per each corner of the base 2 and the lens panel 1, while the axes of these cylindrical hinges are installed parallel to the mentioned ends of the base 2. This design of the module using eight cylindrical hinges 16-23 to connect the lens panel 1 with the base 2 allows for mutual horizontal and vertical movement of the lens panel 1 relative to the base 2, which is necessary for folding the module in a transport state when it is delivered to orbit as part of a spacecraft and for the subsequent deployment of the module in working condition. Attached to the base 2 of the module is an electric motor 24 equipped with a gearbox (Fig. 2), the shaft 25 of which is mounted on two cylindrical hinges 21, 23 coaxial with the shaft 25, to which a rectangular plate 3 is attached at its end. Using an electric motor 24 equipped with a gearbox (Fig. . 2), attached to the base 2, is necessary to ensure the opening of the module and bring it into the operating state shown in Fig. 1, after its delivery into space orbit. In this case, the opening of the module is ensured by the rotation of the shaft 25 and the rigid rectangular plate 3 of the module attached to the shaft 25 in the direction shown in Fig. 2 arrow. At the end 15 of the base 2 adjacent to the shaft 25, a flat rectangular magnet 28 protruding above the base 2 is installed, on the upper face of which there is a normally open limit electric switch 29, and on the side face facing the rectangular plate 3 there is a normally closed limit electric switch 30. Electrical switches 29 and 30 are connected in series to the electrical power supply circuit of the electric motor 24 (not shown in the drawing). Magnet 28 (Fig. 2), installed at the end 15 of the base 2, ensures fixation of the position of the rectangular plate 3 after completion of the module opening and bringing it into working condition (Fig. 1). The photovoltaic module in the folded transport state can be equipped with a protective casing 32 (Fig. 3) adjacent to the lens panel 1 and to the first normally open switch 29 (Fig. 3), configured to turn on the electric motor 24 when removing the protective casing 32, and the second a normally closed switch 30 (Fig. 2) is configured to turn off the electric motor 24 in the operating open state of the module with mechanical contact of the switch 30 and the magnet 28 with a rectangular plate 3 rotated by the shaft 25. The protective casing 32, covering the front surface of the module in a closed transport state, may be necessary to prevent damaging effects on the module under adverse environmental conditions during the launch and insertion of the spacecraft 33 into orbit. When installed, the protective casing 32 is adjacent to the normally open first switch 29, which prevents the electric motor 24 from being turned on in the transport state of the module. When removing (“shooting”) the protective casing 32, the electric motor 24 is turned on and the module opens. The normally closed switch 30 turns off the electric motor 24 as a result of mechanical contact of the rectangular plate 3 of the module with the switch 24 at the moment the module opens.

Использование алюминиево-магниевых сплавов АМг или алюминиево-марганцевых сплавов АМц, обладающих высокой теплопроводностью (160-178)Вт/м⋅К) и низкой плотностью (2.64-2,78 г/см3) для изготовления основания 2 модуля, обеспечивает эффективный отвод тепла от фотоэлементов при работе фотоэлектрического концентраторного модуля и снижает вес концентраторного модуля.The use of aluminum-magnesium alloys AMg or aluminum-manganese alloys AMts, which have high thermal conductivity (160-178) W/m⋅K) and low density (2.64-2.78 g/cm 3 ) for the manufacture of the base of 2 modules, ensures effective removal heat from photocells during operation of the photovoltaic concentrator module and reduces the weight of the concentrator module.

Сплавы пермалоя марки 80НХС либо 79НМ и сплавы пермендюра марки 49К2ФА либо 49КФ, применяемые для изготовления прямоугольной пластины 3, обладают высокой магнитной проницаемостью - (120-250)103 Гн/м и высокой прочностью и эластичностью, что обеспечивает большое усилие прижима пластины 3 за счет магнитного притяжения к боковой поверхности магнита 28 и хорошую жесткость конструкции в рабочем положении модуляPermalloy alloys of grade 80НХС or 79НМ and permendur alloys of grade 49K2FA or 49КФ, used for the manufacture of rectangular plate 3, have high magnetic permeability - (120-250)10 3 GN/m and high strength and elasticity, which provides a high clamping force of plate 3 per due to magnetic attraction to the side surface of the magnet 28 and good structural rigidity in the operating position of the module

ПримерExample

Был изготовлен концентраторный фотоэлектрический модуль на основе панели с восемью линзами Френеля размером 12 см × 12 см каждая и восемью фотоэлементами размером 0,5 см × 0,5 см каждый, расположенными в фокусах точечных линз Френеля. Размеры модуля в раскрытом рабочем состоянии составляли 48 см × 24 см × 22 см. Размеры модуля в закрытом транспортном состоянии составляли 70 см × 24 см × 1 см. Толщина основания, изготовленного из сплава АМг2, была 0,6 см, линзовой панели - 0,4 см. Диаметры цилиндрических шарниров, толщины электродвигателя, магнита и выключателей составляли 1 см каждый. Боковая пластина, прилегающая к магниту, была изготовлена из сплава пермалоя марки 80НХС. Таким образом, изготовленный модуль обеспечивал уменьшение объема модуля более чем в 15 раз в сложенном транспортном состоянии по сравнению с объемом модуля в раскрытом рабочем состоянии. Модуль имел КПД > 32% преобразования солнечного излучения, что превышает величину КПД фотоэлектрических модулей с линейным линзами Френеля.A concentrator photovoltaic module was fabricated based on a panel with eight Fresnel lenses measuring 12 cm × 12 cm each and eight photocells measuring 0.5 cm × 0.5 cm each located at the foci of point Fresnel lenses. The dimensions of the module in the opened working state were 48 cm × 24 cm × 22 cm. The dimensions of the module in the closed transport state were 70 cm × 24 cm × 1 cm. The thickness of the base, made of AMg2 alloy, was 0.6 cm, the thickness of the lens panel was 0 .4 cm. The diameters of the cylindrical hinges, the thickness of the electric motor, magnet and switches were 1 cm each. The side plate adjacent to the magnet was made of permalloy alloy grade 80НХС. Thus, the manufactured module provided a reduction in the volume of the module by more than 15 times in the folded transport state compared to the volume of the module in the open operating state. The module had an efficiency of >32% solar radiation conversion, which exceeds the efficiency of photovoltaic modules with linear Fresnel lenses.

Разработанный складной фотоэлектрический концентраторный модуль обеспечивает снижение более чем в 15 раз объема модуля в сложенном транспортном состоянии, что, в свою очередь, существенно снижает затраты на его доставку в космос в составе космического аппарата.The developed folding photovoltaic concentrator module provides a more than 15-fold reduction in the volume of the module in the folded transport state, which, in turn, significantly reduces the cost of delivering it into space as part of a spacecraft.

Claims (7)

1. Фотоэлектрический концентраторный модуль, включающий складной корпус со складными торцевыми стенками и с устройством его развертывания, размещенные в складном корпусе панель линз Френеля и параллельная ей фотогенерирующая панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности прямоугольного основания фотогенерирующей панели, тыльная сторона которого закреплена на системе ориентации на Солнце, отличающийся тем, что торцевые стенки выполнены в виде жестких прямоугольных пластин, прикрепленных к соответствующему торцу прямоугольной линзовой панели и соответствующему торцу прямоугольного основания посредством цилиндрических шарниров, закрепленных на каждом углу основания и линзовой панели, оси шарниров установлены параллельно торцам прямоугольного основания, к прямоугольному основанию прикреплен электропривод с валом, являющимся осью двух цилиндрических шарниров на углах основания, закрепленным на торце одной из прямоугольных пластин; на торце основания, прилегающем к валу электропривода, установлен выступающий над основанием плоский прямоугольный магнит, на верхней грани которого установлен нормально разомкнутый конечный электрический выключатель, а на обращенной к прямоугольной пластине боковой грани - нормально замкнутый конечный электрический выключатель, последовательно включенные в электрическую цепь электропитания электропривода.1. Photovoltaic concentrator module, including a folding housing with folding end walls and a device for its deployment, a Fresnel lens panel housed in the folding housing and a parallel photogenerating panel with solar cells located at the foci of the Fresnel lenses on the front surface of the rectangular base of the photogenerating panel, the back side which is fixed to the solar orientation system, characterized in that the end walls are made in the form of rigid rectangular plates attached to the corresponding end of the rectangular lens panel and the corresponding end of the rectangular base by means of cylindrical hinges fixed at each corner of the base and the lens panel, the hinge axes are installed parallel the ends of the rectangular base, an electric drive with a shaft is attached to the rectangular base, which is the axis of two cylindrical hinges at the corners of the base, fixed to the end of one of the rectangular plates; At the end of the base adjacent to the electric drive shaft, there is a flat rectangular magnet protruding above the base, on the upper face of which there is a normally open limit electric switch, and on the side face facing the rectangular plate there is a normally closed limit electric switch, connected in series to the electrical power supply circuit of the electric drive. . 2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что электропривод выполнен в виде электродвигателя, снабженного редуктором.2. The module according to claim 1, characterized in that the electric drive is made in the form of an electric motor equipped with a gearbox. 3. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что прямоугольное основание выполнено из легкого сплава с высокой теплопроводностью.3. Module according to claim 1, characterized in that the rectangular base is made of a light alloy with high thermal conductivity. 4. Модуль по п. 3, отличающийся тем, что основание выполнено из алюминиево-магниевого сплава или из алюминиево-марганцевого сплава.4. The module according to claim 3, characterized in that the base is made of an aluminum-magnesium alloy or an aluminum-manganese alloy. 5. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что прямоугольная пластина, закрепленная на валу редуктора, выполнена из легкого магнитного сплава.5. The module according to claim 1, characterized in that the rectangular plate mounted on the gearbox shaft is made of a light magnetic alloy. 6. Модуль по п. 5, отличающийся тем, что прямоугольная пластина, закрепленная на валу редуктора, выполнена из сплава пермалоя или из сплава пермендюра.6. The module according to claim 5, characterized in that the rectangular plate mounted on the gearbox shaft is made of permalloy alloy or permendur alloy. 7. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что вторая прямоугольная пластина выполнена из углепластика.7. Module according to claim 1, characterized in that the second rectangular plate is made of carbon fiber.
RU2023111600A 2023-05-03 Photoelectric concentrator module RU2818993C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2818993C1 true RU2818993C1 (en) 2024-05-08

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6075200A (en) * 1999-06-30 2000-06-13 Entech, Inc. Stretched Fresnel lens solar concentrator for space power
CN101189732B (en) * 2005-04-27 2010-12-22 索尔3G有限公司 Submodule for photovoltaic concentration modules, photovoltaic concentration module, solar power installation, packing method and position calibration method for photovoltaic concentration modules
EP2294630A2 (en) * 2008-05-16 2011-03-16 Soliant Energy, Inc. Solar systems that include one or more shade-tolerant wiring schemes
RU2475888C1 (en) * 2011-08-02 2013-02-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Photovoltaic module design
RU2578735C1 (en) * 2014-12-10 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Concentrator solar photovoltaic module

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6075200A (en) * 1999-06-30 2000-06-13 Entech, Inc. Stretched Fresnel lens solar concentrator for space power
CN101189732B (en) * 2005-04-27 2010-12-22 索尔3G有限公司 Submodule for photovoltaic concentration modules, photovoltaic concentration module, solar power installation, packing method and position calibration method for photovoltaic concentration modules
EP2294630A2 (en) * 2008-05-16 2011-03-16 Soliant Energy, Inc. Solar systems that include one or more shade-tolerant wiring schemes
RU2475888C1 (en) * 2011-08-02 2013-02-20 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Photovoltaic module design
RU2578735C1 (en) * 2014-12-10 2016-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Concentrator solar photovoltaic module

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2078309B1 (en) Curved focal plane receiver for concentrating light in a photovoltaic system
US8513515B1 (en) Generating alternating current from concentrated sunlight
US8664514B2 (en) Multiplexing solar light chamber
US8049150B2 (en) Solar collector with end modifications
CN101496272A (en) Planar concentrating photovoltaic solar panel with individually bonded concentrating devices
US20070193620A1 (en) Concentrating solar panel and related systems and methods
US9660122B2 (en) Compact LCPV solar electric generator
US8088994B2 (en) Light concentrating modules, systems and methods
JP2008547209A5 (en)
TW200917508A (en) Photovoltaic receiver
WO1999045596A1 (en) Method and apparatus for directing solar energy to solar energy collecting cells
WO2008039509A2 (en) Optical concentrators having one or more line foci and related methods
US7915523B2 (en) Compact solar apparatus for producing electricity and method of producing electricity using a compact solar apparatus
WO2008112496A2 (en) Compact photovoltaic generation assembly and power supply
US9605877B2 (en) Compact parabolic solar concentrators and cooling and heat extraction system
US20120255594A1 (en) Solar Power Generator Module
US9171984B2 (en) Optical system and method of use
RU2818993C1 (en) Photoelectric concentrator module
WO2012097048A2 (en) Solar collection system and solar collector therefor
RU2812093C1 (en) Photovoltaic module with radiation concentrator
RU2805279C1 (en) Solar concentrator battery
WO2017164670A1 (en) Solar photovoltaic power generation module and generation device capable of high efficiency and high concentration
WO2018211318A1 (en) Device for harvesting sunlight
RU2848580C1 (en) Photoelectric concentrator device
RU2740437C1 (en) Concentrator solar power plant