设置有光伏电池的柔性薄膜的制作方法

1.本发明涉及一种配备有光伏电池的薄膜。本发明适用于卫星和空间设备的领域，也可以应用于地面上的产品。


背景技术：

2.本发明使用用于空间太阳能发电机的薄膜的示例来进行描述，但本发明也适用于涉及薄膜和太阳能电池的任何其他类型的发电。
3.卫星被设置有太阳能发电机，以便从暴露在太阳辐射下的太阳能电池向其供电。通常，太阳能面板是装载在卫星主体上的刚性面板，并被设置有铰接式接头(articulation)，从而允许它们在轨道上一次部署。就机载质量(刚性面板和铰接式接头)和可以机载安装的功率(刚性面板的有限大小)这两点而言，这种解决方案不是最优的，并且不再允许满足强加的空间约束。具体地，期望将功率越来越大的太阳能发电机以有限体积装载在护罩下。
4.这个问题的一种解决方案是转向柔性薄膜。太阳能电池被设置在主基板(substrate)上。然后，组装件(基板和太阳能电池)可以在发射阶段期间处于装载(即，缠绕)配置，并且在操作期间处于部署(即，展开)配置。由于太阳能电池非常脆弱，所以薄膜必须执行若干功能。首先，主基板执行机械功能。在装载配置中，电池必须以预先定义的方式维持和定位，以便保证匝间中心到中心的距离，并确保避免电池相对于彼此的撞击或移动的固定化。在发射期间还需要承担施加到整个主基板和太阳能电池上的载荷。在部署配置中，还必须以预先定义的方式维护和定位电池，特别是为了使所部署的表面平坦。最后，整个机翼的频率必须不能被扰动。换言之，必须保证在平面中的良好的刚度。由薄膜提供的另一功能是电功能。必须确保太阳能电池之间的连接，然后朝向太阳能发电机的底座。薄膜必须提供的最后一个功能是热功能，以便确保电池的良好热调节，并与部分遮光兼容，部分遮光是非常显著的温度梯度的来源(在-100℃到 100℃之间，或甚至在-200℃到 200℃之间)。
5.然而，这种柔性薄膜存在若干缺点。这些元件(特别是太阳能电池)用结构粘合剂、双面粘合剂或通过使用纺织钩和环(也称为尼龙搭扣)的机械紧固系统组装在基板上。
6.使用结构粘合剂的解决方案要求胶粘剂的具体实现方式和2-7天的聚合时间。2天的加速聚合要求将要组装的部件放置在热室中。在大约20米长的太阳能发电机的完整机翼上的这种实现方式将要求相当大且昂贵的手段。在环境空气中聚合(更适合太阳能发电机的大小)要求设备的固定化和储藏室达7天。
7.使用双面粘合剂的解决方案要求具体且复杂的实现方式。即使双面粘合剂黏合不要求聚合时间，但该过程实现起来仍然比较脆弱，所获得的黏合的机械强度比结构粘合剂的机械强度要小得多。在寒冷条件下强度非常低，并且抗辐射能力低。
8.另外地，基于粘合剂黏合或使用纺织钩和环的机械紧固系统的解决方案将元件彼此热解耦，并增加组装件的体积。
9.上述现有技术的三种解决方案另外地具有给要组装的元件增加质量的缺点。结构粘合剂的密度约为1000kg/m3。因此，质量对20米长的机翼的影响是不可忽略的(4kg的数量级)。粘合剂薄层(film)具有与结构粘合剂相当的密度。因此，其质量对机翼的影响是显著的。
10.此外，使用粘合剂黏合的解决方案也具有缺点，即，缺乏对施加到组装件的粘合剂的厚度和量的校准。


技术实现要素：

11.本发明旨在通过提出一种光伏电池的薄膜来克服上述问题中的全部或一些问题，使得有可能制造一种太阳能发电机，其在执行机械、电和热功能的同时具有可能的最大功率并且在最大护罩下具有可能的最小体积和可能的最小机载质量。
12.为此，本发明的一个主题是一种薄膜，其能够从围绕第一轴z缠绕的配置穿过到沿着实质上垂直于第一轴z的第二轴x部署的配置，该薄膜包括：
13.a.主基板，其包括至少部分地由包括第一热塑性聚合物的第一层覆盖的上表面，
14.b.至少一个导电轨道，
15.c.光伏单元，其包括次要基板和被固定到次要基板的上表面的至少一个光伏电池，该光伏单元被设计为产生电流并且电连接到至少一个导电轨道，次要基板包括与次要基板的上表面相对并且朝向主基板的上表面定向的下表面，次要基板的下表面至少部分地由包括第二热塑性聚合物的第二层覆盖，
16.并且光伏单元的次要基板的下表面和主基板的上表面至少部分地热焊接。
17.有利地，光伏单元为包括多个光伏电池的光伏模块，该多个光伏电池被固定到次要基板的上表面。
18.有利地，主基板可以是有孔的。
19.在一个实施例中，根据本发明的薄膜还可以包括至少一个附加元件，该至少一个附加元件包括连接表面，该连接表面至少部分地由包括第三热塑性聚合物的第三层覆盖，附加元件的所述连接表面至少部分地被热焊接到主基板的上表面或与主基板的上表面相对的下表面，该附加元件是保护泡沫、用于线缆的护套、绝缘体、连接器、电气组件、薄膜加强件或用于薄膜加强件的支撑环。
20.有利地，主基板可以包括增强纤维，该增强纤维优选地为玻璃纤维、碳纤维和/或芳纶纤维。
21.有利地，第一热塑性聚合物、第二热塑性聚合物和/或第三热塑性聚合物是来自聚芳醚酮(paek)聚合物家族的聚合物，优选地为聚醚醚酮(peek)类型的聚合物。
22.有利地，第一热塑性聚合物和/或第二热塑性聚合物和/或第三热塑性聚合物是相同的热塑性聚合物。
23.本发明还涉及一种卫星，其包括至少一个这样的薄膜。
附图说明
24.在阅读通过示例方式给出的实施例的详细描述时，本发明将被更好地理解，并且进一步的优点将显而易见，该描述由所附附图示出，在附图中：
25.图1示意性地表示具有现有技术的光伏电池的薄膜；
26.图2示意性地表示具有根据本发明的光伏电池的薄膜；
27.图3示意性地表示根据本发明的薄膜的实施例；
28.图4示意性地表示根据本发明的薄膜的另一实施例；
29.图5示意性地表示根据本发明的薄膜的另一实施例；
30.图6示意性地表示根据本发明的薄膜的另一实施例；
31.图7表示根据本发明的配备有至少一个薄膜的卫星。
具体实施方式
32.为了清楚起见，相同的元素在各种图中有相同的附图标记。在本技术中，本发明使用了旨在用于卫星的薄膜的非限制性示例进行呈现。然而，本发明不仅适用于空间设备，还可以适用于具有太阳能电池的任何薄膜。
33.图1示意性地表示具有现有技术的光伏电池6的薄膜5。薄膜5包括基板7。光伏电池6的下表面通过胶水、粘合剂或尼龙搭扣类型的紧固系统(附图标记8)固定到基板7的上表面。因此，现有技术要求添加材料以在基板7上产生光伏电池6的组件，具有上述所有缺点。
34.图2示意性地表示具有根据本发明的光伏电池17的薄膜10。薄膜10能够从围绕关于第一轴z的心轴缠绕的配置穿过到沿着实质上垂直于第一轴z的第二轴x部署的配置。心轴由驱动设备驱动旋转，这是本领域技术人员通常已知的。根据本发明，薄膜10包括主基板11，该主基板11包括至少部分地由包括第一热塑性聚合物的第一层13覆盖的上表面12。薄膜10包括至少一个导电轨道14。薄膜10包括光伏单元15，该光伏单元15包括次要基板16和固定到次要基板16的上表面18的至少一个光伏电池17。光伏单元15被设计为产生电流，并且电连接到至少一个导电轨道14。导电轨道14被设计为向卫星供应由光伏单元15产生的电能。
35.次要基板16包括与次要基板16的上表面18相对并朝向主基板11的上表面12定向的下表面19。次要基板16的下表面19至少部分地由包括第二热塑性聚合物的第二层23覆盖。
36.光伏单元15的次要基板16的下表面19和主基板11的上表面12至少部分地热焊接。换言之，主基板和次要基板在其接触的两个表面(主基板11的上表面12和次要基板16的下表面19)处熔接在一起。换言之，主基板11和次要基板16形成连续介质。两个基板不表现出任何不连续性。
37.上表面12可以由包括第一热塑性聚合物的第一层13部分覆盖或全部覆盖。同样，次要基板16的下表面19可以由包括第二热塑性聚合物的第二层23部分覆盖或全部覆盖。当第一层13和第二层23部分覆盖表面时，它们可以以条或点的形式，并且具有允许两个基板热焊接在一起的表面积。
38.此外，固定有光伏电池17的次要基板可以被视为中间基板，但该基板也可以是光伏电池17的一部分。换言之，本发明仍然适用于一个或多个光伏电池17，其背面至少部分地由包括第二热塑性聚合物的第二层23覆盖。
39.因此，本发明使得可以在不添加材料的情况下将光伏单元与主基板11组装在一起。组装件是通过将要被组装的部件进行热焊接而获得的。到目前为止，用于这类应用的基
板是由碳、铝或酰亚胺基聚合物(也称为kapton)制成的，即，不可热焊接，这意味着没有动力在用于薄膜的基板上执行针对光伏单元组装件的热焊接。
40.本发明提出的解决方案是对要被组装的部件进行热焊接。该过程适用于热塑性材料或包括由热塑性材料制成的至少一个表面的材料。两个基板的组装件受到外部的热量供应影响。这种外部供应例如可以通过加热镜来实现：要被组装的两个基板彼此面对放置，从而留下一个空间，在该空间中放置从两侧加热的加热镜。使基板朝向该加热镜，直到两层热塑性材料达到它们的表面熔点。当达到熔点时，加热镜被移除。然后使两个基板彼此接触几秒钟，如图2的顶部所示。在冷却几秒钟之后，产生热焊接，如图2的底部所示。两个基板现在正好形成单个一体组件，如可以在附图标记21处看出的。经由区域21，两个基板11、16不再分开。这两个基板11、16结合在一起。材料是连续的。组装件也可以通过热空气或任何其他合适的工艺来实现。
41.因此，由于两个基板11、16熔接在一起，因此增强了组件(主基板11和次要基板16及其光伏单元15)的机械强度。在主基板11与光伏单元15之间不存在机械不连续，这在薄膜10缠绕在其心轴上期间、在薄膜10的部署期间、对于实质上球形热焊接区域的通过以及在薄膜的部分展开位置中维持实质上球形热焊接区域，对于太阳能发电机的功能应力是最佳的。
42.此外，这种薄膜10的生产时间是最佳的，因为热焊接执行得很快。没有要实现的长的聚合或复杂过程。
43.这种解决方案还具有不增加组装件材料的优点，因此，鉴于所采用的材料厚度，这表示对太阳能发电机的质量的显著节省。
44.最后，从热学的观点来看，与通过粘合剂黏合、薄层或尼龙搭扣的常规组装相比，通过热焊接组装在增加两个组装部件之间的热导率方面也被证明是优秀的。
45.通过本发明，太阳能发电机完整机翼上的整体热弹性效应通过在不同部件(这里是基板11、16)之间同质的cte(热膨胀系数)得到优化。这构成了对现有技术的改进，在现有技术中元件及其粘合剂之间可能产生热弹性效应。
46.图3示意性地表示根据本发明的薄膜10的实施例。在该实施例中，主基板11是有孔的。主基板11的穿孔允许经由光伏电池的背面进行热量的更好的热耗散。
47.在一个实施例中，光伏单元15可以是光伏模块20，该光伏模块20包括被固定到次要基板16的上表面18的多个光伏电池17。换言之，本发明涉及一种薄膜10，在其上光伏电池可以被固定到次要基板16的上表面18，其本身热焊接到主基板11。或者，光伏电池本身可以包括热焊接到主基板11的热塑性聚合物层。或者，光伏电池可以以光伏模块的形式分组在一起，光伏模块本身要么包括由热塑性聚合物制成的下表面，要么被固定到具有由热塑性聚合物制成的下表面的基板上。当然，薄膜可以包括这些变型的组合。
48.因此，本发明基于可选地通过热焊接组装在一起并在主基板上的光伏电池或光伏模块。如将在说明书的其余部分中变得显而易见的，本发明还涉及基于相同的热焊接原理将其他附加元件(例如，薄膜加强件、环、线缆支撑件、连接器等)附接到主基板和/或光伏单元。因此，可以在不使用附加的组装件材料的情况下，组装件构成了完整的太阳能发电机机翼，其可以具有非常大的维度。
49.除了已经提到的优点之外，本发明使得可以在抗静电光伏模块的情况下避免电不
连续性。不同基板之间的热导率增加。也可以注意到污染水平的降低，因为粘合剂不进行排气。因此，不存在位于机载仪器视场中的元件的污染。此外，本发明的组装件与传统的粘合剂黏合相比对辐射不敏感。如下面所解释的，本发明还简化了在薄膜的元件发生故障的情况下的修理。
50.该解决方案通过消除主基板与光伏模块之间或光伏模块本身之间的机械不连续性来提供机翼的整体机械性能的增益。由于组装的元件之间的材料连续性，该解决方案提供了热效益。在例如实心(非有孔的)基板上的光伏模块的情况下，这种传导方面是非常重要的，其中在模块的前表面与后表面之间的热交换是至关重要的。这种增加的热导率证明有利于机翼的电气性能。通过降低光伏电池的操作温度，提高了其效率。这意味着，在相同数量的光伏电池的情况下，太阳能发电机具有更好的电气性能，或者，对于递送相同的功率，发电机将利用更少的电池而更便宜。这导致体积和质量的节省。
51.元件之间更好的传导性热耦合使得可以提高诸如二极管和电力线缆之类的高耗散元件的抑制能力。
52.具体地，如下面所描述的，根据本发明的薄膜10还可以包括至少一个附加元件30，该附加元件30包括至少部分地由包括第三热塑性聚合物的第三层33覆盖的连接表面31，附加元件30的所述连接表面31至少部分地热焊接到主基板11的上表面12或与主基板11的上表面12相对的下表面32，附加元件30是保护泡沫34、用于线缆36的护套35、绝缘体、连接器、电气组件、薄膜加强件或用于薄膜加强件的支撑环41。
53.图4示意性地表示根据本发明的薄膜的另一实施例。在该实施例中，薄膜包括保护泡沫34。保护泡沫包括至少部分地由热塑性聚合物层覆盖的连接表面。泡沫34优选地热焊接到主基板11的下表面，以便在薄膜10的缠绕配置中保护缠绕薄膜的下匝的光伏电池。可替代地，泡沫34可以热焊接到次要基板的下表面，或基板11、16的上表面，其位置使得能够防止在薄膜缠绕时在电池和/或附加元件之间可能发生的碰撞。
54.所使用的泡沫整体可以表示大的黏合表面。泡沫与基板的热焊接可以节省薄膜的质量。
55.图5示意性地表示根据本发明的薄膜的另一实施例。在该实施例中，薄膜包括用于薄膜加强件的支撑环41。支撑环41包括至少部分地由热塑性聚合物层覆盖的连接表面。如上面所解释的，支撑环41优选地热焊接到主基板11的下表面，以便确保材料连续性以获得更好的机械性能。然后，可以将加强件滑入支撑环41中，以向薄膜10提供更好的刚度。
56.可替代地，薄膜加强件可以包括至少部分地由热塑性聚合物层覆盖的连接表面，并且加强件随后可以直接热焊接到主基板11。
57.本发明还适用于包括增强纤维(优选地为玻璃纤维、碳纤维和/或芳纶纤维)的主基板11。这些增强纤维优选地在主基板11中。
58.图6示意性地表示根据本发明的薄膜的另一实施例。在该实施例中，薄膜包括用于线缆36的护套35。护套35包括至少部分地由热塑性聚合物层覆盖的连接表面。如上面所解释的，为了确保材料的连续性，护套35优选地热焊接到主基板11的下表面。护套35也可以热焊接到主基板11的上表面，靠近光伏电池。线缆36定位在护套35中。线缆36还可以包括至少部分地由热塑性聚合物层覆盖的连接表面，并且线缆36可以直接热焊接到主基板11。
59.同样的原理适用于可以用于薄膜10上的任何其他附加元件，例如，绝缘体、连接
器、诸如热敏电阻、二极管或二极管板之类的电气组件。
60.最后，本发明提供的解决方案提供了简化对缺陷或损坏元件的替换和/或修理的优点，而无论该元件是光伏电池还是上述附加元件中的一个。所有这些元件在它们有缺陷时，可以用无缺陷的元件替换，而不会有剥离或损坏它们所附接的基板或光伏模块的风险。
61.为了做到这一点，在要更换的元件附近局部施加外部热量供应就足够了。一旦已达到热塑性塑料的熔点，通过执行相同的热焊接过程，将有缺陷的元件从其基板上分离，并将无缺陷的元件附接在那里。因此，即使在修理之后，也能确保与最初情况相同的机械、电气和热性能水平。
62.有利地，第一热塑性聚合物、第二热塑性聚合物和/或第三热塑性聚合物是来自聚芳醚酮(paek)聚合物家族的聚合物，优选地为聚醚醚酮(peek)类型的聚合物。
63.有利地，第一热塑性聚合物和/或第二热塑性聚合物和/或第三热塑性聚合物是相同的热塑性聚合物。这有利于热焊接的执行，因为要达到的熔点是相同的。因此，可以更容易地控制加热镜在要被熔接的表面之间的插入和移除。
64.图7表示根据本发明的配备有至少一个薄膜的卫星。