配备聚光式太阳能发电机且使用优化太阳能电池布置来向飞行中的气球供电的气球的制作方法

本发明涉及配备聚光式太阳能发电机并且使用最优化的太阳能电池的布置来向飞行中的气球供电的所述气球。

特别地，本发明涉及一种高空气球，其旨在于在平流层内巡航，并且承受紧固在下方的吊舱，该吊舱在舱内承载一个或多个负载。

背景技术：

一般来说，气球(balloon)有很大的潜在应用范围，这不仅因为它们相对于人造卫星成本更低，还因为高度的原因，特别是在12km至45km范围延伸的平流层的那些高度，在这些高度所述气球巡航并且可以得到有效利用。

鉴于人造卫星是不能进入平流层的，并且探空火箭穿过平流层太快，气球(或使用科学术语来讲，轻航空器(aerostat))可在大气中的这个“中间”层巡航很长一段时间，并且对于一定数量的应用的需求来说是非常有前途的，特别是在通讯领域。

常规上，高空气球必须满足两个要求：

.-一方面，它们必须提供符合要求的升力(lift)，并因此气球的气囊必须有足够的容积；以及

.-另一方面，必须提供推力，以便能够驾驶气球并能够使气球沿着所期望的路径，这需要足够的可利用能源。

一般且常规而言，为了使一个可操纵的高空气球能够自主地维持其位置数月，有必要使高空气球使用光伏电池来产生其自己的动力。在平流层的风力条件下(通常具有高于10m/s的风速)，以及为了固定和连续的任务，白天产生的电能存储在舱内以便在夜间使用。白天发电迅速地达到几十千瓦，并且需要大面积的光伏电池，这显著且不利地影响了气球的重量预算。

为了降低为给定任务产生足够电能所需的光伏电池的数量，并由此降低气球的总重量，专利申请FR 2 982 840描述了配备有聚光式太阳能发电机的气球。该气球使用具有旨在接收太阳光线的有源面的光伏装置，并且包括气囊。该气囊包括至少一个对太阳光线透明的第一区域，反射所述太阳光线的第二区域，和包括所述光伏装置的第三区域。第二区域和第三区域被定位和相互作用，以便将太阳光线重新定向为朝向所述第三区域。

这种配备有聚光式太阳能发电机的气球至少局部地经受温度上升，这导致了对于气囊和/或气囊包含的提升气体损坏的危险，特别是当提升气体是可燃气体时。

此外，使用聚光式太阳能发电机意味着必须持续对聚光器或反射装置进行控制以使之朝向太阳对准。在太阳未对准(misalignment)的情况下，例如由特定的任务需求(指向天线或传感器)或气象条件或太阳本身的跟踪的限制所决定，可取的是在太阳辐射的入射角相对于气球变化时减缓由聚光式太阳能发电机输送的电能的快速下降。

此外，太阳能或光伏电池的温度增高(该增高是由太阳辐射的聚集所诱导的)在将太阳能向电能的转化的方面降低了太阳能电池的效率。

第一技术问题是降低聚光系统的温度，以减小关于气囊和包含在该气囊中的提升气体的危险。

第二个技术问题是进一步减缓在太阳未对准的情况下，由太阳能面板输送的电能根据太阳辐射的入射角的迅速下降。

第三个技术问题进一步是降低太阳能电池的温度，以使它们能以更好的效率工作。

技术实现要素：

为了这个目的，本发明的主题是一种配备有聚光式太阳能发电机的气球，该气球包括含有提升气体的气囊和聚集太阳辐射的太阳能发电机，该太阳能发电机包括：

.-太阳光线的反射器，该反射器在气囊中放置在该气囊的第一区域；

.-气囊的第二区域，其对太阳光线是透明的，以便让太阳光线传至所述反射器；以及

.-光伏电池的第一阵列，该阵列被放置在气囊的第三区域，具有朝向所述反射器的第一有源面；

光伏电池的第一阵列和反射器配置成当所述反射器被放置在太阳对准位置时使得所述反射器将太阳光线聚集在光伏电池的第一阵列的第一有源面上；

所述气球的特征在于

.-所述太阳能发电机还包括光伏电池的第二阵列，该阵列被放置在气囊的第四区域或气囊的第三区域，并具有朝向气囊的外部的第二有源面；或

.-所述太阳能发电机包括单个第一阵列，该第一阵列的太阳能电池是双面太阳能电池，且所述第一阵列包括朝向气囊的外部的第二有源面；以及

.-反射器，双面光伏电池的单个第一阵列或光伏电池的第一阵列和第二阵列配置成如果反射器的转动方向的太阳失准角绝对值小于或等于10度，则确保所述第一有源面和第二有源面都产生电能。

根据特定实施方案，配备有聚光式太阳能发电机的气球包括以下特征中的一个或多个：

.-反射器，双面光伏电池的单个第一阵列或光伏电池的第一和第二阵列配置成如果第二有源面的转动方向的太阳失准角小于或等于80度，则保持所述第二有源面受到照射；

.-光伏电池的第一和第二阵列是分开的，并分别放置在不同的第三和第四区域；

.-光伏电池的第一和第二阵列是分开的，且各自包括单面光伏电池；且所述第一和第二阵列在同一区域在气囊的外侧放置在气囊上；并且所述第一和第二阵列彼此叠置，所述第二阵列被放置于气囊的最外侧，第一阵列和第二阵列的光伏电池的有源面定向在相反的方向；

.-第一阵列和第二阵列按照气囊的变形而与所述气囊机械隔离，和/或与所述气囊和所述气囊所包含的提升气体热隔离；

.-光伏电池的第一阵列是双面光伏电池的阵列，该阵列位于气囊的第三区域上方，每个双面电池具有与第一电偏压相关联的第一面和与第二电偏压相关联的第二面；

.-用于制造双面电池的技术选自PERT(发射结钝化全背场扩散)硅技术、硅异质结(HTJ)技术和IBC(交指背接触)硅技术；

.-用于制造和连接双面电池的技术是与SmartWire或SWCT连接技术相结合的双面异质结太阳能电池制造技术；

.-双面电池是双面异质结光伏电池，其彼此相关地布置，以产生串联电连接的一串或多串太阳能电池，且从而使电池的对应面经由平面的互连而连接，而不需要使用从阵列的一个面到另一个面的穿过阵列的厚度的互连；

.-光伏电池的阵列包括多个保护电子开关，所述多个保护电子开关各自包括至少一个形成用于保护一个或多个光伏电池的二极管的结，以便保护一个或多个光伏电池免受反射器对第二有源面的照射均匀性的缺陷所导致的温度连续上升的影响。

.-通过用于支撑电池的阵列和将电池的阵列与气囊隔开的结构，双面光伏电池的阵列与气囊和气囊所包含的提升气体热隔离，隔开和支撑结构在第三区域被紧固到所述气囊，而双面太阳能电池的阵列被紧固至所述隔开和支撑结构，并且由所述气囊、所述结构和电池阵列界定的空间形成用于通过自然或强制对流来冷却该双面太阳能电池的空气流动通道；

.-所述气球进一步包括一个或多个风扇，其用于使空气流动通过所述通道并冷却光伏电池的阵列；

.-隔开和支撑结构是可变形的，以便吸收气囊的热机械变形，和/或在气囊和电池的阵列之间保持足够大的间隔，以使所述电池能得到冷却；

.-气囊的第二区域(其对太阳光线是透明的)部分地或完全地围绕所述第三区域，旨在从所述反射器接收太阳光线的光伏电池的第一阵列位于第三区域，并且所述第二区域的面积被调整以确保对第一阵列的光伏电池的足够的照射，并防止太阳能电池和/或气囊和/或气囊所包含的提升气体过热。

附图说明

在阅读下面对多个实施方案的描述的基础上，本发明将得到更好的理解，其中描述仅以示例的方式并参考附图给出，附图中：

-图1是根据本发明的配备有聚光式太阳能发电机和单面太阳能电池的两个阵列的气球的第一实施方案的视图，该气球被放置在第一工作配置，其中聚光器的反射器产生小于或等于10度的并不是很高的太阳对准角度；

-图2是根据本发明的如图1所示的气球的视图，该气球被置于第二工作配置，其中单面太阳能电池的第二阵列的有源面产生严格大于10度且小于或等于80度的高太阳对准角度；

-图3是根据本发明的配备有聚光式太阳能发电机和具有双面太阳能电池的两个相对面的单个阵列的气球的第二实施方案的视图，该气球被放置在第一操作配置，其中聚光器的反射器产生小于或等于10度的并不是很高的太阳能对准角度；

-图4是根据本发明的如图3所示的气球的视图，该气球被置于第二工作配置，其中双面太阳能电池的单个阵列的第二有源面产生严格大于10度且小于或等于80度的高太阳对准角度；

-图5是使用异质结硅技术的双面光伏或太阳能电池的示意图；

-图6是如图5所示的使用与SmartWire或SWCT连接技术相结合的异质结硅技术的双面太阳能电池的视图；

-图7是图3和图4的双面太阳能电池阵列的太阳能电池的平面互连的示意视图，所述互连形成串联电连接的太阳能电池串，在此所述阵列限于所述串；

-图8是图7中的太阳能电池串的通过太阳能电池的厚度的局部截面图，该图示出了电池的布置和它们的互连布局；

-图9是互连在一起的图7的太阳能电池的阵列的比例视图；以及

-图10是用于保护太阳能电池免受聚集光线的照射的突然变化的保护装置的视图。

具体实施方式

如图1和2所示，根据第一实施方案，气球2(在此是高空气球)包括填充有提升气体6(例如氦)的正加压膨胀的气囊4，且包括聚集太阳辐射的太阳能发电机8。

太阳能发电机8包括：太阳光线12的反射器10，该反射器在气囊4内部放置于该气囊的第一区域14：和气囊4的第二区域16，它对太阳光线是透明的，以便让太阳光线12传至反射器10。

气囊4是例如由增强的聚氨酯复合物制成。气囊4的第二区域16可以通过下述方式制造：使用对太阳光线透明的用于气囊的聚氨酯并且避免会阻挡太阳辐射的通过的涂层覆盖气囊的第二区域16。

太阳能发电机8还包括单面光伏电池24的第一阵列22，该阵列放置在气囊4的第三区域26中，该电池的有源面都被引导并定向为朝向反射器10，并形成第一阵列22的第一有源面28。

反射器10的反射面的形状为适合于将太阳光线聚集在第一阵列22的单面光伏电池24上，并设置为这样的角度，在该角度太阳光线的反射光束的通量聚集在第一阵列22的单面光伏电池24的有源面上。

聚光反射器10可以由涂覆有反射涂层并在气囊4的第一区域14层压到所述聚氨酯气囊的织物制成。因此太阳光线在第一阵列22的光伏电池24上的几何聚光可以显著降低光伏电池24的第一阵列22的面积并且因此显著降低相关的重量。聚集的太阳能由此穿过气囊的第二透明部分，该第二透明部分对应于气囊4的第三区域26的部分或全部。

太阳能发电机8还包括光伏电池34的第二阵列32，该阵列被放置在气囊4的第三区域26中并在第一阵列22上方。第二阵列32的电池34的光伏有源面被引导和定向为朝向气囊4的外部，并形成第二阵列32的第二有源面36。

作为变形，单面光伏电池的第二阵列被放置在与气囊的第三区域隔开的第四区域，第二阵列的电池的光伏有源面被引导并定向为朝向气囊的外部。

一般地，反射器10，气囊的第二区域16，单面光伏电池24的第一阵列22和单面光伏电池34的第二阵列32被配置为确保如果聚光反射器10的转动方向的(rollwise)太阳失准角Δθ1的绝对值小于或等于10度，光伏电池的第一阵列22和第二阵列32两者均产生电能，该照射结构的示例示于图1。

如图1所示，聚光反射器10的转动方向的太阳失准角Δθ1是在反射器10的光轴37和太阳的当前方向38之间形成的角度。

如图1和2所示，假设该气球具有在纵向方向39的穿过气球2的重心G的轴线39，该轴线以一端示出在图1和2中，并在后面的附图中朝前定向，并且该气球2可以绕该轴线以滚转角θ旋转。

如图1和2所示，假定气球2的正向(headingwise)姿态已被设置为，使得反射器10的光轴37和气球2朝向太阳的当前对准方向形成以气球2的纵向方向39为法线的平面。

此外，特别的是，聚光反射器10，气囊的第二区域16，单面太阳能电池的第一阵列22和第二阵列32被配置成如果第二阵列32的第二有源面36的转动方向(rollwise)太阳失准角Δθ2小于或等于80度，那么保持第二阵列32的光伏电池34受到照射，该照射结构的示例示于图2。

如图2所示，第二阵列32的第二有源面36的转动方向太阳失准角Δθ2是第二阵列32的第二有源面36的对准法线37′和太阳光的当前方向38′之间形成的角度。

第一和第二阵列22，32均在同一个第三区域26中设置在气囊上方和外侧。

第一和第二阵列22，32叠置，第二阵列32被置于在气囊4的最外侧，且第一和第二阵列22，32的第一和第二有源面28，36定向为在相反的方向。

由于光伏电池位于气囊的外部且因此在气囊的外部受到加热，这种结构促进了第一和第二阵列22，32的光伏电池24，34的冷却，并因此从自然或强制通风中受益。

一方面光伏电池的第一和第二阵列22，32和另一方面气囊4和气囊4所包含的提升气体6的热隔离通过结构40实现，结构40用于支撑太阳能电池24，34的阵列22，32并将它们与气囊4隔开。

在这里，在图1和2中，两个柱42，44表示该隔开和支撑结构40的一部分。支撑结构40在第三区域26中被紧固到气囊4，并且单面光伏电池24，34的第一和第二阵列22，32被紧固到支撑结构40。由气囊4，结构40和电池24，34的阵列界定的空间48形成了用于通过强制或自然对流来冷却电池24，34的空气流动通道。

这里，在图1和2中，通过四个风扇52，54，56，58来强制和确保对流。

此外，隔开和支撑结构40是可变形的，以便吸收气囊的热机械变形和/或保持气囊和电池阵列之间的间隔足够大以使电池能够得到冷却。

如图3和4所示，根据本发明的气球的第二实施方案，配备有聚光式太阳能发电机的气球202具有与图1和2中的气球2类似的架构。如图3和4所示，气球202的姿态配置和太阳对气球的照射分别与图1和2中所示相同。

气球202与气球2的不同之处在于，光伏电池的第一和第二阵列22，32形成双面光伏电池206的同一个单个阵列204，该阵列位于气囊的第三区域26上方。

双面太阳能电池206的阵列204具有：第一有源面208，其定向为朝向聚光反射器10；和第二有源面210，其定向为朝向气囊4的外部，并具有与第一面208相反的对准方向。

通常，聚光反射器10，气囊4的第二区域16，双面光伏电池206的阵列204的第一有源面208和第二有源面210被配置成如果聚光反射器10的转动方向太阳失准角Δθ1的绝对值小于或等于10度，则确保双面光伏电池的阵列204的第一和第二有源面208，210都产生电能，该照射结构的示例示于图3。

此外，特别的是，聚光反射器10，气囊的第二区域16，双面太阳能电池的阵列204的第一有源面208和第二有源面210被配置成如果阵列204的第二有源面210的转动方向太阳失准角Δθ2小于或等于80度，则保持阵列204的第二有源面210受到照射，该照射结构的示例示于图4中。

类似于图1和2中的气球2，双面太阳能电池206的阵列204通过隔开和支撑结构40与气囊4和包含在气囊4中的提升气体6热隔离。太阳能电池与气球的气囊的隔离使得能够通过自然或强制对流对双面太阳能电池进行冷却，从而提高太阳能电池的效率，这是因为太阳能电池在低温下更有效率。

如图3和4中所示，这里通过四个风扇52，54，56和58来强制并确保对流。

此外，隔开和支撑结构40是可变形的，以便吸收气囊4的热机械变形和/或保持气囊4和双面太阳能电池206的阵列204之间的间隔足够大以使电池能够得到冷却。

用于制造双面电池206的技术选自：PERT(发射结钝化全背场扩散)硅技术、硅异质结(HTJ)技术和IBC(交指背接触)硅技术。

如图5所示，根据常规的使用异质结硅技术的双面太阳能电池结构，双面光伏或太阳能电池302包括一组叠置的层。

太阳能电池302包括形成高品质n型单晶硅衬底的中间层304，在该中间层304的第一面310和第二面312上沉积纳米尺度厚度的非晶硅层306，308以形成结，并因此确保良好的表面钝化。透明氧化物层314，316沉积在非晶硅层306，308上，其保证了电荷的横向传导，并使得光限制得到改善。分别形成第一组栅指状电极324和第二组栅指状电极326的金属化合物322被沉积在面318，320上，以确保所产生的电荷的有效收集。

因此，太阳能电池302的这种对称结构允许两个面或侧面都是在照射下电活性(electrically active)的。

优选地，用于制造和连接双面电池技的术是与SmartWire或SWCT连接技术相结合的双面异质结光伏电池制造技术。

在SWCT过程中，金属线被嵌入在聚合物片层(sheet)中，该聚合物片层被直接施加到太阳能电池的金属化表面。接着，对由太阳能电池和嵌入金属线的聚合物片层构成的组件进行层压。从而金属线紧固到电池的金属层上并形成电接触。

增加穿过双面太阳能电池的面的每个的汇流条的数量和减小所述汇流条的厚度，使得能够获得在栅指状电极的欧姆损耗的降低和太阳能电池的表面遮蔽的减小之间的更好的折衷。

SmartWire或SWCT连接技术的使用是这种演变的最终结果，金属化分布在太阳能电池的整个表面上，如图6中由典型的电池352所示。

有利的是，相对于使用汇流条的技术，SWCT技术的使用(其与硅异质结HTJ技术兼容)降低了太阳能电池的电阻和遮蔽，使机械应力分散在电池的整个表面上，并且增加了连接对热循环的抵抗性。

优选的是，与太阳能电池352相同类型的太阳能电池通过组件的相应的有源面互连在一起，从而避免了必须穿过第一电池的面(与阵列的第一面位于同一侧)和邻接于第一电池的第二电池的面(与阵列的第二面位于同一侧)连接。

该工艺被称为用于将双面异质结太阳能电池互连的平面工艺，包括第一步骤和第二步骤。

在第一步骤中，旨在串联电连接的给定的电池串的双面异质结电池彼此相关而布置，以在阵列的第一有源面上获得第一和第二极性的第一交替分布，每个双面电池具有与第一极性关联的第一面和具有第二极性的第二面。在极性方面的互补，同一太阳能电池串在阵列的第二有源面上具有第二极性和第一极性的第二交替分布。

接着，在第二步骤中，对于双面电池阵列的每个面，根据旨在形成一个或多个串的电池的布置，电池的对应面经由平面互连连接在一起，而无需使用从阵列的一个有源面到另一个有源面的穿过阵列的厚度的互连。

平面互连减少了热循环期间损坏的风险并简化了用于制造双面太阳能电池阵列的工艺。

有利的是，平面互连工艺以及用于实施SWCT技术的工艺可以通过在共享烘烤步骤中同时执行SWCT技术的层叠工序和互连工艺的实际互连第二步骤而相结合。

如图7所示，根据示例性的电池互连布局，双面太阳能电池的阵列402包括多个双面太阳能电池，在此是6个太阳能电池404，406，408，410，412和414，它们通过金属带422，424，426，428，430，432和434连接在一起以形成光伏电池串，在此所述光伏电池在第一极性的(在此为正极)的第一电端子442和第二极性(在此为负极)的第二电端子444之间串联电连接。

每个双面太阳能电池404，406，408，410，412和414分别包括第一极性的第一面454，456，458，460，462和464以及第二极性的第二面474，476，478，480，482和484。

带422，424，426，428，430，432和434分别将第一电端子442，第二面474，第二面476，第二面478，第二面480，第二面482和第二面484连接到第一面454，第一面456，第一面458，第一面460，第一面462，第一面464和第二电端子444。

因此，通过将太阳能电池串联设置在第一电端子和第二电端子之间所产生的电动势等于太阳能电池404，406，408，410，412和414的电动势的总和。

太阳能电池阵列402形成具有显然比一个太阳能电池的尺寸大的曲率半径的太阳能电池面板或太阳能电池模块，该面板或模块具有旨在定向为朝向气球的外部且受到太阳直接照射的第一面492和旨在定向为朝向气球的内部并受到聚光反射器照射的第二面494。

在图8中通过阵列402的局部横截面显示和示出了形成图7中的阵列402的单个串的一部分的太阳能电池410，412和414的互连布局。

可以在图8中清楚地看到，不存在从一个有源面到另一个有源面的穿过阵列的厚度的电池之间的互连。

图9是从上方示出的根据在图7和8中所示的互连布局而互连在一起的太阳能电池404，406，408，410，412和414的阵列402的比例视图。

应当指出的是，通常双面太阳能电池阵列并不限于太阳能电池的单个串。

如图10所示，根据双面太阳能电池阵列的一个示例，光伏电池阵列502包括多个504保护电子开关506，508和510，每个保护电子开关包括至少一个形成二极管的结。

多个504保护电子开关506，508和510被配置为保护一个或多个光伏电池522，524和526免受由聚光反射器对阵列502的第一有源面的照射的均匀性的缺陷所导致的温度上升的影响。

电子开关例如是分立的二极管或晶体管，或二极管和/或晶体管的组合。

应当注意的是，使用单面太阳能电池的第二阵列或双面太阳能电池的单个阵列的第二有源面除了通过其在标称的参考对准对给定的电能的传输的贡献而具有调节作用外，在阵列的发热上，可以在如上所述的实施方案的变形中提出用于保护气囊的第二外层，以使第二外层接收太阳光线的聚集光束。特定聚氨酯膜可以用于此目的。

不管所使用的变形如何，气囊的第二区域的反射区会具有气囊的形状：在这种情况下，气囊的形状被选择为优化气球的上升和太阳光线朝向光伏电池的光聚集两者。

根据本发明的一个变形，气囊可以包括第一外层和包括反射器的反射区的第二外层，从而反射区能够具有与气囊不同的形状。在这种情况下，气囊的形状和反射器的反射表面的形状可独立地选择。气囊的形状可以适合于优化上升，而反射表面的形状则纯粹基于光学的原因进行选择。在这种情况下有利的是，该反射区可以是可变形的，以便优化其形状且考虑到太阳光线的入射角度。该角度会根据白天的时间、季节、海拔和气球的地理位置而变化。

一般地，气囊的形状优选是对称的。椭圆体的气囊形状适于确保满足需求的上升和光学性能，特别是如果反射表面与该气囊的形状相同。可替代地，气囊可以是抛物面形状的。

常规的气囊形状(如抛物面形状那样，其同样可以是球形的)也可以使用，尤其是如果反射区的形状独立于气囊的形状的话。

反射区优选是抛物面形状的。

总而言之，气囊的配置将大量在光伏电池的方向聚集的太阳光线传至形成气囊的部分的反射区。聚光因子可以是可调节的，通常可以是高于1且低于5，并且由于太阳光线的角度θ随白天的时间变化，聚光因子也随白天的时间而变化。

总的来说，在根据本发明的气球的所有实施方案中，当太阳能电池处于标称对准时，太阳能电池受到来自气球的内部的聚光照射，并在气球的外部受到太阳的直接辐射，由此能够在给定的产生电能，相对于单独使用聚光器的方案而限制了聚光器的辐射功率(其是损坏气球的风险的潜在来源，这是因为气囊和/或包含在气囊中的提升气体可能受到加热)。

在充分的转动方向失准的情况下(即约10度)，如果气球的转动方向失准角保持为低于80度，配置成从聚光器接收辐射的太阳能电池将不再从气球的内部受到照射，但那些定向为朝向气球的外部的太阳能电池仍将受到太阳直接照射，从而可以限制舱内蓄电系统的使用(该舱内蓄电系统例如为燃料电池堆)。此外，该系统对于任何偏航方向的失准(即前进方向的变化)更健壮(robust)。

该解决方案的优点是，在失准的情况下，即使在聚光不可工作，直接朝向太阳定向的面仍可工作，特别是在气球的平移(transition)和/或操纵(manoeuvre)期间。

为了获得等同的结果和等效的性能，双面电池可以由一对单面太阳能电池替代，或实际上太阳能发电机的两个功能(具有内部聚光及没有外部聚光)可以分离，并放置在不同的位置。

这些解决方案相对于使用双面电池的方案是非理想的，因为在这些情况下，形成两个阵列的太阳能电池的总数量实际上是加倍的，因此导致更大的重量和复杂性的增大。

一般地，如果本发明的特征保持不变，上述高空气球可被由任何旨在于在大气的其它层巡航的任何类型气球替代。