CN107078176A - 采用太阳能电池作为旁路二极管热沉 - Google Patents

Abstract

一种太阳能电池板包括多个太阳能电池、旁路二极管单元和散热器。旁路二极管单元包括旁路二极管，该旁路二极管以电分流配置跨过多个太阳能电池的至少第一太阳能电池连接，以在第一太阳能电池失效的情况下围绕至少第一太阳能电池旁路电流。散热器设置在一个或多个太阳能电池的一部分之上。旁路二极管单元设置在散热器的第一侧上，旁路二极管与散热器热接触。散热器的第二侧安装为与一个或多个太阳能电池热接触，以将旁路二极管中产生的热散发到该一个或多个太阳能电池。

Description

采用太阳能电池作为旁路二极管热沉

技术领域

本公开总体上涉及太阳能电池，特别是但不完全涉及与太阳能电池***相关的散热。

背景技术

在太阳能供电的高空无人驾驶飞行器(UAV)的电气部件中需要散热的可行性解决方案。高度大于60,000英尺的自由气流在散热上变得无效，因为空气的密度远低于地球表面上的密度。低速、高空的UAVs在自由气流和翼表面之间具有很厚的边界层，有效地用作绝缘。此外，太阳能阵列自身在运行中从太阳吸收大量的热，将其分散在附近的环境中且有效地升高附近部件的环境温度。

这样条件的结果可能引起设置在太阳能电池阵列附近的电子部件加热显著超出它们的规定工作温度，并且在某些情况下，最终进入热失控。传统的热沉典型地很重而不能适合于轻重量的应用，例如飞行器，其中它们在外表面上时可能在暴露引起高阻力损失。

附图说明

本发明的非限定和非穷尽实施例参考下面的附图描述，其中类似的附图标记在全部不同的附图上表示类似的部分，除非另有规定。附图不必按比例，而是重点放在说明所描述的原理。

图1示出了根据本公开实施例在太阳能电池失效时旁路二极管的操作。

图2是根据本公开实施例的旁路二极管单元的平面图，该旁路二极管单元安装在散热器上以将热散发到相邻的太阳能电池。

图3是根据本公开实施例的散热器和旁路二极管单元的分解透视图。

图4是根据本公开实施例的安装在太阳能电池之上的旁路二极管单元和散热器的分解侧视图。

图5A和5B示出了根据本公开实施例的旁路二极管单元的俯视和仰视平面图。

图6示出了根据本公开实施例的具有太阳能电池板的飞行器，旁路二极管安装在嵌入翼蒙皮中的散热器上。

具体实施方式

这里描述将旁路二极管产生的热散发到太阳能电池中的设备、***和方法的实施例。在下面的描述中，阐述了很多具体的细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关技术领域的技术人员应理解，这里描述的技术可在没有一个或多个具体细节的情况下实施，或者以其它的方法、部件、材料等实施。在其它情况下，已知的结构、材料或操作没有详细示出或描述以避免模糊某些方面。

在整个说明书中，“一个实施例”或“实施例”是指结合实施例描述的特殊特征、结构或特点包括在本发明的至少一个实施例中。因此，遍及本说明书的不同位置出现的词语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必是指相同的实施例。此外，特殊的特征、结构或特点可在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合。

图1示出了根据本公开实施例在太阳能电池失效时旁路二极管的操作。图1示出了太阳能电池板100，其包括太阳能电池110的两个组105和106。在所示的实施例中，组105和106串联连接，从而增加了它们的输出电压。在各种其它配置中，组105和106也可并联连接，从而增加了输出电流。尽管图1仅示出了太阳能电池的两个组，每一个组包括五个太阳能电池110，但是应理解实际上太阳能电池板100可包括任何数量的太阳能电池组，其每一个组包括仅一个太阳能电池至大量的太阳能电池。

旁路二极管115以电分流构型跨接组105，而旁路二极管120以电分流构型跨接组106。在正常运行期间，旁路二极管115和120反偏压且基本上开路分流通道。然而，如果太阳能电池的一个组内的一个或多个太阳能电池110失效，则对应的旁路二极管变为正偏压，因此闭路分流通道且允许电流围绕失效的太阳能电池流动。例如，如果太阳能电池110A失效，则它可通过组105开路电流通道，引起旁路二极管115变为正偏压。于是，电流通过正偏压的旁路二极管115流动，允许太阳能电池板100内的太阳能电池的其余组继续运行。

太阳能电池板100内的太阳能电池110的任何一个因各种原因可能失效。热收缩/膨胀力、振动、机械应力、钝伤或其它情况可能导致太阳能电池的破碎或断裂。断裂的太阳能电池不再有效运行，从而通过失效太阳能电池的电流通道基本上开路。失效这里广义地定义为也包括临时失效的情况，其中太阳能电池110A比组105中的其它太阳能电池110更多地遮蔽太阳能，从而它临时变为开路。在这样的临时失效情形中，来自组106的电流也通过旁路二极管115围绕组105旁路。旁路二极管115和120操作为失效安全机构，能使太阳能电池板100内其它串联的组继续操作且产生电，与一个或多个失效的太阳能电池110A无关。

当旁路二极管115由于太阳能电池110A的失效变为正偏压时，它使组105分流。来自其它活动组(例如，组106)的电流通过二极管115在围绕组105旁路。该电流可为大量的。在没有足够热散失的情况下，旁路二极管115将加热显著地超过其规定的工作温度且甚至最终失效。在重量限制的高空应用中，例如高空飞行器，热耗散因下面的因素而变得复杂，有效载荷约束排除了重热沉的使用，效率约束排除了大阻力热沉的使用，以及稀薄的大气不提供高效对流的热耗散。

因此，本应用的实施例将正偏压旁路二极管中产生的热传导到一个或多个周围太阳能电池110中，将其操作为用于旁路二极管的热沉。太阳能电池110通过黑体热辐射和对流耗散到环境中至周围环境可接受的程度而不产生过大的阻力。在一个实施例中，旁路二极管热连接到其自己周围组内的一个或多个太阳能电池110。这样，仅不再起作用的太阳能电池改变用途作为热沉。在其它实施例中，旁路二极管可热连接到来自多个不同的组的一个或多个太阳能电池110。

图2、3和4示出了根据本公开实施例的太阳能电池板200的一部分的不同视图，太阳能电池板200包括安装在散热器上的旁路二极管单元，散热器将热耗散到相邻的太阳能电池中。。图2是平面图，图3是分解透视图，而图4分解侧视图，全部是太阳能电池板200的相同部分。太阳能电池板200表示图1所示太阳能电池板100的一种可能的实施方案。

太阳能电池板200的所示部分包括太阳能电池205、胶带210、散热器215、粘合标签220和旁路二极管单元225(仅元件的某些例子加了标签以不使附图杂乱)。散热器215的所示实施例包括柔性膜层305、310和315(见图3和4)。旁路二极管单元225的所示实施例包括基板405、旁路二极管410和电引线415(见图4)。所示的实施例还包括具有孔425的电绝缘条420和导热膏430，该导电膏420设置在旁路二极管单元225和散热器215之间(见图4)。

散热器215操作为将旁路二极管410内产生的热通过热传导散发到太阳能电池205。在所示的实施例中，散热器215由堆叠的柔性膜层305、310和315形成。尽管示出了三层，但是应理解可预期或多或少的层。在一个实施例中，柔性膜层305、310和315同心堆叠，且最小表面面积层305(接近于太阳能电池205)在底部上和最大表面面积层315(接近于旁路二极管410)在顶部上。在该实施例中，柔性膜层在表面面积上从底部到朝着旁路二极管410单调增加。该技术用于在最接近旁路二极管410处减小热阻以改善传导散热。在一个实施例中，柔性膜层305具有16mm的直径，柔性膜层310具有32mm的直径，并且柔性膜层315具有48mm的直径。当然，可预期各层的其它尺寸和数量。

散热器215很好地适合于在轮廓表面中将热远离旁路二极管410传导，其中太阳能电池板200已经嵌入物体的外皮中(例如，飞行器的翼蒙皮)中。这样，散热器215的各层由柔性导热片形成。在一个实施例中，柔性膜层305、310和315由热解石墨片(“PGS”)材料制造。PGS重量轻且薄(例如，0.025mm厚)且高导热(例如，1600W/mK)，因此，很好地适用于飞行器的重量限制应用。当然，其它的材料和技术可用于实施散热器215的各层，其包括铝、铜、银、蒸汽室(vapor chambers)等。柔性膜层305、310和315设置在太阳能电池205的表面上且与其共形。使它们的形状和尺寸确定为将热耗散到一个或多个(例如，两个或四个)相邻的太阳能电池205，其自身具有良好的导热性。在一个实施例中，太阳能电池305是硅太阳能电池。其它类型的导热太阳能电池也可使用。在成本效益和重量轻的解决方案中，耦合热到太阳能电池205大大增加了热耦合到旁路二极管410的热沉的尺寸。

通过采用高导热层305、310和315将热扩散在多个太阳能电池205中，散热器215在传统热沉技术上节省了重量。这些太阳能电池已经存在。这样的解决方案通过将散热器215嵌入下层基板的外皮结构中减小了配线复杂性。这样的解决方案取消了使用散热片或类似的物件***气流中，这可能负面地影响飞行器的空气动力学性能。尽管这里描述的实施例很好地适用于限重的飞行器，但是旁路二极管单元225和散热器215也适合于利用具有旁路二极管的太阳能电池板的其它应用的使用(例如，陆地车辆、船舶、静止的物体等)。

在一个实施例中，胶带210是单面胶带，粘合剂侧面对散热器215以将散热器215的各层固定在一起。胶带210应为导热的以允许热通过带传导到太阳能电池205。胶带210也可为电绝缘的以防止散热器215和一个或多个太阳能电池205之间的电短路。在一个实施例中，胶带210是聚酰亚胺胶带。

在一个实施例中，粘合标签220也由单面胶带制造且用于固定散热器215在太阳能电池205上的所希望位置。粘合标签220也可由聚酰亚胺胶带的小条制造。

为了防止旁路二极管单元225和散热器215之间的电短路，所示的实施例包括电绝缘条420，该电绝缘条420定位在旁路二极管单元225和散热器215之间。电绝缘条420在基板405和电引线415重叠散热器215的部分之下延伸。为了改善导热，保证旁路二极管410和散热器215之间的热接触，孔425通过电绝缘条420且施加的导热膏430形成。在一个实施例中，电绝缘条420用聚酰亚胺胶带制造，其粘合剂侧面对旁路二极管单元225。

图5A和5B示出了根据本公开实施例的旁路二极管单元500的俯视和仰视平面图。旁路二极管单元500是图2、3和4所示的旁路二极管单元225的一种可能的实施方案。旁路二极管单元500的所示实施例包括基板505、旁路二极管510、电引线515和触头520。具有孔530的电绝缘条525粘合到旁路二极管单元500的底面。

在所示的实施例中，旁路二极管510安装在基板505的底侧上，而电引线515从基板505的顶面连接到触头520。在一个实施例中，触头520是通过基板的触头，以将底面上的旁路二极管510连接到顶面上的电引线515。在一个实施例中，基板505是柔性的，例如柔性印刷电路板，以允许它符合于轮廓表面。

电绝缘条525定位在旁路二极管单元500之下以将触头520和电引线515与位于下面的散热器电绝缘。电绝缘条525应在电引线515下延伸足够远以桥接散热器且防止其间的电连接。在一个实施例中，电绝缘条525是单面聚酰亚胺胶带，其粘合侧面对基板505。电绝缘条525包括孔530以允许旁路二极管510直接物理接触散热器。为了保证良好的热接触，导热膏可施加到旁路二极管510的暴露侧和/或散热器的接触部分。

图6示出了根据本公开实施例的具有太阳能电池板的示例性飞行器，其旁路二极管安装在嵌入翼蒙皮中的散热器上。如上所述，将旁路二极管中产生的热散发到周围太阳能电池的轻重量解决方案很好地适用于飞行器，例如UAV。

在所示的实施例中，飞行器600包括窄的、细长的机身621，该机身621连接到一个或多个翼622或其它升力面。飞行器600还可包括稳定器吊杆或尾翼624，其支撑一个或多个稳定器623以提供稳定性和控制功能。飞行器600还可包括推进***626，进而可包括一个或多个机舱629，其每一个容纳电动机628，给对应的螺旋桨627供电。

UAV近来已经激增，因为它们可执行各种有价值的任务而不造成与驾驶飞机相关的成本和风险。典型的UAV的任务包括公共安全和通信任务。然而，很多现有的UAV的一个缺点是它们具有有限的耐久性，并且可能因此只能停留有限的时间周期。结果，可能难以提供前述的任务持续很长的时间周期。

解决前述耐久性问题的一个方法是给UAV提供太阳能电源，潜在地能使UAV保持很长时间周期的停留，因为它在飞行的同时产生所需的功率。飞行器600包括一个或多个电池组以给机载电气子***供电(例如，推进***626、用于调整飞行表面的致动器、通信***、导航***、控制***等)。太阳能电池板610连接到电池组以在太阳能入射在它们的表面时提供连续的充电。如所示的太阳能电池板610，其每一个包括一个或多个旁路二极管单元和散热器，嵌入在翼蒙皮和其它飞行控制表面中。在飞行期间，翼结构上的应力可能导致太阳能电池断裂，这进而激活旁路二极管以围绕失效的太阳能电池重新定向电流，因此能使其余的太阳能电池继续工作。

飞行器600可特别配置为在由其太阳能电池板610产生的功率下飞行在很高的高度上(例如，65,000ft)。在非常高的高度上，稀薄的大气不通过对流提供有效的热传递。因此，通过将从旁路二极管产生的热扩散出来到一个或多个太阳能电池板内的太阳能电池，具有通过空气的较大的热接触与较大增加的黑体辐射面积的结合允许在仅略在相邻太阳能电池的温度之上的温度下运行。在一个实施例中，旁路二极管热连接到它们分流的每个太阳能电池。在该实施例中，仅失效的太阳能电池(或主动旁路的太阳能电池)在失效时重新利用作为热沉。

本发明所示实施例的上述描述，包括摘要中的描述，不意味着是详尽的或限制本发明到所公开的精确形式。尽管为了说明的目的这里描述了本发明的具体实施例和示例，但是在本发明范围内的各种修改是可能的，如相关领域的技术人员所理解。

对本发明的这些修改可按照上面的详细描述进行。所附权利要求中使用的术语不应解释为限制本发明到说明书中公开的具体实施例。相反，本发明的范围完全由所附的权利要求决定，其根据权利要求解释确立的原则来解释。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

多个太阳能电池；

旁路二极管单元，所述旁路二极管单元包括以电分流构型跨过所述多个太阳能电池的至少第一太阳能电池连接的旁路二极管，以在该第一太阳能电池失效的情况下围绕该至少第一太阳能电池旁路电流；以及

散热器，所述散热器设置在一个或多个太阳能电池的一部分之上，其中该旁路二极管单元设置在该散热器的第一侧上，旁路二极管与散热器热接触，且该散热器的第二侧与所述一个或多个太阳能电池热接触，以将该旁路二极管中产生的热散发到该一个或多个太阳能电池。

2.如权利要求1所述的设备，其中该散热器包括柔性散热器，该柔性散热器包括至少一层柔性膜，其将从该旁路二极管产生的热传导到该一个或多个太阳能电池。

3.如权利要求2所述的设备，其中该柔性膜包括热解石墨片(“PGS”)。

4.如权利要求2所述的设备，其中该散热器包括彼此上下堆叠的两层或更多层柔性膜，其中该柔性膜的各层在表面面积上单调增加，其最大面积层接近于该旁路二极管且其最小面积层接近于该一个或多个太阳能电池。

5.如权利要求4所述的设备，其中该两层或更多层柔性膜同心堆叠且排列在该旁路二极管之下。

6.如权利要求5所述的设备，其中该两层或更多层柔性膜包括三层热解石墨片。

7.如权利要求1所述的设备，其中该旁路二极管单元包括：

柔性基板，所述柔性基板具有第一侧和第二侧；

该旁路二极管，所述旁路二极管设置在该第一侧上；

电引线，所述电引线从该第二侧延伸；以及

触头，所述触头延伸通过该柔性基板以将该第一侧上的该旁路二极管连接到该第二侧上的该电引线。

8.如权利要求7所述的设备，还包括：

电绝缘条，所述电绝缘条设置在该散热器和该旁路二极管单元之间以将该电引线与该散热器电绝缘，其中该电绝缘条包括在该旁路二极管之下的孔；以及

导热膏，所述导热膏设置在该孔中以将该旁路二极管热连接到该散热器。

9.如权利要求1所述的设备，还包括：

单面胶带，所述单面胶带设置在该散热器和该一个或多个太阳能电池之间，其中该单面胶带的粘合剂侧面对该散热器以粘合到该散热器，其中该单面胶带将该散热器与该一个或多个太阳能电池电绝缘。

10.如权利要求9所述的设备，还包括：

单面粘合标签，该单面粘合标签桥接该散热器和该一个或多个太阳能电池以将该散热器固定到该一个或多个太阳能电池。

11.一种飞行器，包括：

翼，所述翼具有翼蒙皮；

太阳能电池板，所述太阳能电池板嵌入在该翼蒙皮中以给该飞行器的一个或多个电气子***供电，该太阳能电池板包括：

多个太阳能电池；

旁路二极管单元，所述旁路二极管单元包括旁路二极管，该旁路二极管以电分流配置跨过太阳能电池组连接，以在该组内的该太阳能电池之一失效的情况下围绕该太阳能电池组旁路电流；以及

散热器，所述散热器设置在一个或多个太阳能电池的一部分之上，其中该旁路二极管单元设置在该散热器的第一侧，且该散热器的第一侧与该散热器热接触，该散热器的第二侧与该一个或多个太阳能电池热接触，以将该旁路二极管中产生的热耗散到该一个或多个太阳能电池。

12.如权利要求11所述的飞行器，其中该散热器包括柔性散热器，该柔性散热器包括至少一层柔性膜，其将来自该旁路二极管的热传导到该一个或多个太阳能电池。

13.如权利要求12所述的飞行器，其中该柔性膜包括热解石墨片(“PGS”)。

14.如权利要求12所述的飞行器，其中该散热器包括彼此上下堆叠的两层或更多层柔性膜，其中该柔性膜层在表面面积上单调增加，其最大面积层接近于该旁路二极管且最小面积层接近于该一个或多个太阳能电池。

15.如权利要求14所述的飞行器，其中该两层或更多层柔性膜同心堆叠且排列在该旁路二极管之下。

16.如权利要求15所述的飞行器，其中该两层或更多层柔性膜包括三层热解石墨片。

17.如权利要求11所述的飞行器，其中该旁路二极管单元包括：

柔性基板，该柔性基板具有第一侧和第二侧；

该旁路二极管，该旁路二极管设置在该第一侧上；

电引线，该电引线从该第二侧延伸；以及

触头，该触头延伸通过该柔性基板以将该第一侧上的该旁路二极管电连接到该第二侧上的该电引线。

18.如权利要求17所述的飞行器，还包括：

电绝缘条，该电绝缘条设置在该散热器和该旁路二极管单元之间以将该电引线与该散热器电绝缘，其中该电绝缘条包括在该旁路二极管之下的孔；以及

导热膏，所述导热膏设置在该孔中，以将该旁路二极管热连接到该散热器。

19.如权利要求11所述的飞行器，还包括：

单面胶带，所述单面胶带设置在该散热器和该一个或多个太阳能电池之间，其中该单面胶带的粘合剂侧面对该散热器以粘合到该散热器，其中该单面胶带将该散热器与该一个或多个太阳能电池电绝缘。

20.如权利要求19所述的飞行器，还包括：

单面粘合标签，所述单面粘合标签桥接该散热器和该一个或多个太阳能电池以将该散热器固定到该一个或多个太阳能电池。