一种兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池及其研制方法
【专利说明】
一、技术领域
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[0001]本发明提供一种兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池及其研制方法，属于航空航天器能源系统技术领域。
二、【背景技术】
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[0002]高空长航时无人机作为可在平流层及其以上高度运行的无人飞行器，可执行情报、监视与侦察，通信中继，目标指示，毁伤评估，电信和电视服务，大气环境监测与天气预报等多种军事及民事任务，已成为当今研究的热点。
[0003]另一方面，以太阳能作为未来飞行器的辅助能源乃至主要能源，是人类发展具有方向性和前沿性的重要研究目标。太阳能飞机是在上世纪70年代随着太阳能电池成本的降低而出现，由于太阳能飞机飞行不需要自带燃料，为长航时飞行创造了条件。因此，不少发达国家均致力于基于太阳能的高空长航时无人机的研发。
[0004]目前的太阳能无人机主要采用太阳能光伏电池作为主要供电部件，受制于飞机表面面积有限，必须对太阳能电池进行高效利用。针对高效太阳能电池阵的应用，目前首推刚性太阳能电池，可应用的主要有砷化镓太阳能电池和单晶硅太阳能电池，但由于受到太阳能无人机翼型弧度、安装结构和重量约束的限制，刚性电池阵平面与翼型曲面合理结合的问题至今仍未能有效解决。另外，高空太阳能无人机上太阳能电池表面与背面温差小(0.5-2°C )，太阳能无人机内部温度环境限制了机载设备的使用。
[0005]为此，本发明提供一种兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池及其研制方法，通过对柔性薄膜太阳能电池制造方法的合理改进与完善，将其应用到刚性太阳能电池的轻质化封装中，并综合现有的低密度柔性隔热材料，开发出具有隔热、高效、轻质特点的刚柔一体化薄膜型太阳能电池模块。从而为机载设备提供良好的工作温度环境，更加符合现行设计中对太阳能飞机结构轻质化、输出能量高效化的综合要求。
三、
【发明内容】
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[0006](1)目的:本发明的目的在于提供一种兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池及其研制方法，基于该方法研制的太阳能电池可有效解决刚性太阳能电池阵与飞机翼型曲面的有效结合问题；由于兼顾隔热，可为机载设备提供良好的工作温度环境；并能满足太阳能无人机在电池转换效率和单位面积电池比功率两方面的综合要求。
[0007](2)技术方案:本发明一种兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池及其研制方法的主要技术措施如下，以高效的刚性太阳能电池为基础，通过柔性薄膜太阳能电池封装技术的合理借鉴与改进，利用双层膜系材料，配以胶膜将刚性太阳能电池进行柔性模块化封装，形成刚柔一体太阳能电池模块；以中空型柔性隔热材料作为隔热层，主要用于复合型衬底结构上下表面温差的有效控制。
[0008]基于上述方案，既可满足无人机用太阳能电池模块轻质化、高效化的使用目的，又满足了太阳能电池模块与机翼结构有效结合的安装问题，可最大限度的降低太阳能无人机的机翼结构重量，提高太阳能无人机的飞行性能和载荷能力。
[0009]上述方案具有结构分明，各层材料工艺可控制性强，制造流程相对简单的优点。既可满足太阳能电池模块与机翼结构有效结合的安装问题，又满足了刚柔一体化太阳能电池有效隔热的需要，还可兼顾轻质化与承力方面的应用需求。
[0010]所述兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池模块主要由自上而下依次叠放的8层材料组成，包括表面封装膜、透明胶膜、刚性太阳能电池片、轻质胶膜A、衬底膜、高强纤维、轻质胶膜B、隔热层。
[0011]该表面封装膜位于刚柔一体太阳能电池模块的上表面，在满足足够透光率的情况下起保护太阳能电池片的作用，该表面封装膜可采用改性的PET膜或透明的TPT膜，该表面封装膜A的透光率需达到90%以上；
[0012]该透明胶膜填充于表面封装膜与刚性太阳能电池片上表面的间隙之中，该透明胶膜可采用透光率需达到90%以上的热熔性胶膜；
[0013]该刚性太阳能电池片可采用高效的砷化镓太阳能电池或高效的单晶硅太阳能电池；
[0014]该轻质胶膜A填充于刚性太阳能电池片下表面与衬底膜的间隙之中，该轻质胶膜A可采用热熔性胶膜；
[0015]该衬底膜位于刚柔一体太阳能电池模块的下表面，用于隔热层材料、强度增强层材料的贴敷，主要由柔性薄膜构成，可采用聚酯薄膜(PET)或聚酰亚胺薄膜(PI)，其中，聚酯薄膜可用于低于420K的工作环境，聚酰亚胺薄膜可用于480K的工作环境；
[0016]该高强纤维主要用于复合型衬底结构使用时的承力，该高强纤维主要由高强度织物构成，可采用玻璃纤维网格布或ΡΒ0网格布或Vectran纤维网格布或芳纶纤维网格布；
[0017]该轻质胶膜B填充于高强纤维网格布与隔热层的间隙中，该轻质胶膜B可采用轻薄型环氧树脂胶膜；
[0018]该隔热层位于刚柔一体太阳能电池模块的最底层，主要由中空型柔性隔热材料构成，通过利用孔隙中静止空气的低导热率进行有效隔热，针对薄膜型的单晶硅太阳能电池或砷化镓太阳能电池可起到一定的弯曲支持作用，该隔热层可采用Ν0ΜΕΧ纸蜂窝或孔隙型泡沫板。
[0019]本发明中一种兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池研制方法，其基本步骤如下:
[0020]1.原材料采购、检验:保证所选材料满足使用要求和工艺成型要求，尤其是力学性能、隔热性能、环境适应性要求；
[0021]2.电池片焊接:为兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池模块封装所用的太阳能电池片焊接电极，其工艺流程包括单片焊接和多片串焊；在单片焊接时，在主栅线方向上，焊带的起始、终止接触点距离太阳能电池片边缘的长度保持在2?3_左右，恒温电烙铁的温度保持在350?400°C左右；多片串焊最好在带预热系统的串接模板上进行，可以保证太阳能电池片尽可能小的变形，从而减小碎片率；其中，在进行太阳能电池片焊接时，为确保该太阳能电池组件输出的高效性，焊接过程应在洁净室(一般为百万级以上)内完成。
[0022]3.裁剪工序(可与步骤2同时进行):用专用裁剪机按兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池的尺寸规格(四周留有5mm的加工余量)裁剪所需的表面封装膜、透明胶膜、轻质胶膜A、衬底膜、高强纤维网格布、轻质胶膜B、中空型柔性隔热材料；对上述裁剪后的各层材料进行擦拭处理，保证膜系材料上无异物、杂质；
[0023]4.叠层工序:将表面封装膜、透明胶膜、串焊后的太阳能电池片、轻质胶膜A、衬底膜、高强纤维网格布、轻质胶膜B、中空型柔性隔热材料按自上而下的顺序叠层；
[0024]5.层压工序:将层叠好的半成品放入层压机中加热、层压，加热温度控制在120?150°C，升温时间控制在30?60分钟，压力控制在0.998?1.5个标准大气压，加热时间不少于0.5小时，最终形成兼顾隔热的刚柔一体太阳能电池模块；层压工艺是刚柔一体太阳能电池模块生产的关键一步，层压温度和层压时间需根据透明胶膜和轻质胶膜的性质综合确定(固化温度、固化时间均以高者为基准)。
[0025]6.后处理:将层压后的半成品进行如下后处理工序，依次为去除毛边、表面清洗、外观检验；
[0026]7.在后处理各工序均合格的情况下投入使用。
[0027](3)优点及功效:本发明一种兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池及其研制方法，基于该方法研制的兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池，可在保持太阳能电池阵高效输出的同时，有效解决刚性太阳能电池阵与太阳能无人机翼型曲面的有效结合问题；由于兼顾隔热，可为机载设备提供良好的工作温度环境；并能满足太阳能无人机在电池转换效率和单位面积电池比功率两方面的综合要求。
四、【附图说明】
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[0028]图1为本发明应用到某具体太阳能无人机机翼的兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池实施例中的结构示意图；
[0029]图2为实施例中兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池结构示意图；
[0030]图3为本实施例中兼顾隔热的刚柔一体化太阳能电池的基本研制流程示意图。
[0031]图中标号说明如下:
[0032]1.表面封装膜，2.透明胶