FR2864346A1 - Solar array panel for satellites, has solar cells with triangular or rectangular surfaces and trimmed on their edges, where arrangement of cells in form of grid provides reduced free spaces in gaps between trimmings of neighboring cells - Google Patents
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Abstract
Description
PANNEAU GENERATEUR SOLAIRE ET SATELLITE ASSOCIESOLAR GENERATOR PANEL AND ASSOCIATED SATELLITE
La présente invention est relative, d'une manière générale, au domaine des panneaux générateurs d'énergie solaire, notamment pour applications spatiales. Elle concerne, plus particulièrement, un panneau générateur solaire comprenant un réseau plan de chaînes de cellules photovoltaïques disposées côte à côte et formant sensiblement un quadrillage. The present invention relates, in a general manner, to the field of solar energy generating panels, especially for space applications. More particularly, it relates to a solar generator panel comprising a planar array of photovoltaic cell chains arranged side by side and forming substantially a grid.
Les panneaux générateurs solaires transportés dans un véhicule lo spatial, tel qu'un satellite, comprennent en général: - un réseau de cellules solaires formées de chaînes de cellules ("strings" en anglais) connectées électriquement au satellite, ce réseau recouvrant la surface de panneaux de support et destiné à transformer l'énergie solaire en énergie électrique, lesdits panneaux de support des réseaux de cellules, comprenant un substrat. The solar generator panels transported in a space vehicle, such as a satellite, generally comprise: an array of solar cells formed of strings in electrical connection with the satellite, this network covering the surface of support panels for transforming solar energy into electrical energy, said support panels of cell arrays comprising a substrate.
De tels panneaux générateurs solaires peuvent être répartis selon des configurations très diverses. Il s'agit classiquement d'une succession longitudinale, parallèle à une direction s'éloignant du corps du véhicule spatial et autour de laquelle le panneau générateur est destiné à tourner pour suivre le soleil. Toutefois, pour augmenter la puissance électrique disponible, il a été proposé de disposer, en plus des panneaux précédents, des panneaux supplémentaires latéraux. On connaît aussi des configurations dans lesquelles les panneaux sont disposés selon une direction transversale, c'est à dire selon une direction transversale à la direction longitudinale précitée selon laquelle s'étend l'étrier ou bras d'éloignement ("yoke" en anglais) qui relie le générateur au corps du satellite, et autour de laquelle le générateur est adapté à tourner pour suivre le soleil. Such solar generator panels can be distributed in very different configurations. It is classically a longitudinal succession, parallel to a direction away from the body of the spacecraft and around which the generator panel is intended to rotate to follow the sun. However, to increase the available electrical power, it has been proposed to have, in addition to the previous panels, additional side panels. Also known configurations in which the panels are arranged in a transverse direction, that is to say in a direction transverse to the aforesaid longitudinal direction that extends the stirrup or arm of removal ("yoke" in English) which connects the generator to the body of the satellite, and around which the generator is adapted to turn to follow the sun.
Un autre facteur d'augmentation de la puissance électrique disponible des panneaux réside dans le taux de remplissage des cellules solaires au sein du panneau. II est courant d'utiliser des cellules au silicium, qui permettent d'atteindre un taux de remplissage de 0.94, jugé excellent. Bien entendu, cet excellent résultat provient du nombre peu élevé de chaînes par panneau caractéristique des chaînes de cellules au silicium, engendrant des pertes en surface faibles. Another factor for increasing the available electrical power of the panels lies in the filling rate of the solar cells within the panel. It is common to use silicon cells, which make it possible to achieve a filling ratio of 0.94, which is considered excellent. Of course, this excellent result comes from the low number of chains per panel characteristic of silicon cell chains, resulting in low surface losses.
Cependant, la recherche s'oriente désormais de plus en plus vers l'utilisation de cellules GaAs, qui procurent un taux de conversion énergétique élevé. However, research is now turning more and more towards the use of GaAs cells, which provide a high energy conversion rate.
Malgré tout, plusieurs contraintes s'élèvent face à l'utilisation des cellules GaAs: - il faut tout d'abord trouver la solution à la connexion des multiples bornes positives et négatives des chaînes de cellules, solution qui puisse optimiser l'espace occupé pour ces bornes, - d'autre part, il est connu que, si la tension entre les cellules voisines est plus élevée qu'un certain seuil, le courant utile de la chaîne peut alors circuler entre les deux cellules via un plasma créé par une décharge électrostatique primaire. Cet arc secondaire entretenu par le courant utile du générateur peut être maintenu pendant quelques secondes ou plus. Il apparaît alors que cet arc secondaire dissipe suffisamment d'énergie pour chauffer le substrat isolant, et ce jusqu'à une température telle que le polymère de résistance élevée se transforme en matériau de très faible résistance. Ce processus de pyrolyse entraîne un court circuit permanent entre les deux cellules, et donc entre les deux rangées de cellules adjacentes, ce qui cause la destruction permanente d'une partie du générateur solaire, incapable de délivrer toute la puissance utile aux équipements du satellite. Nevertheless, there are several constraints to the use of GaAs cells: - First of all, we must find the solution to the connection of the multiple positive and negative terminals of the cell chains, a solution that can optimize the space occupied for these terminals, - on the other hand, it is known that, if the voltage between the neighboring cells is higher than a certain threshold, the useful current of the chain can then flow between the two cells via a plasma created by a discharge primary electrostatic. This secondary arc maintained by the useful current of the generator can be maintained for a few seconds or more. It appears then that this secondary arc dissipates enough energy to heat the insulating substrate, and up to a temperature such that the high resistance polymer is transformed into a very low resistance material. This pyrolysis process causes a permanent short circuit between the two cells, and therefore between the two rows of adjacent cells, which causes the permanent destruction of part of the solar generator, unable to deliver all the useful power to the satellite equipment.
Pour les panneaux dans lesquels les bornes +, - des chaînes de cellules se trouvent sur le même bord du panneau, usuellement qualifiés à configuration en "U" (en anglais "U-shape"), deux bornes +, - qui sont associées à un même "U" sont relativement proches et ont une différence de potentiel qui vaut la chute de tension de toute la chaîne correspondante. Ainsi, la différence de potentiel maximale apparaît entre ces bornes successives, et entre les deux cellules contiguës qui sont chacune à une extrémité d'une même chaîne en "U". II en découle que la faible distance qui sépare ces cellules (ou ces bornes) associée à une forte différence de potentiel constitue un risque d'apparition d'arc électrique tel qu'expliqué ci-dessus. For the panels in which the terminals +, - chains of cells are on the same edge of the panel, usually qualified configuration in "U" (in English "U-shape"), two terminals +, - which are associated with the same "U" are relatively close and have a potential difference that is equal to the voltage drop of the entire corresponding chain. Thus, the maximum potential difference appears between these successive terminals, and between the two contiguous cells which are each at one end of the same "U" chain. It follows that the short distance between these cells (or these terminals) associated with a large potential difference is a risk of occurrence of electric arc as explained above.
C'est la raison pour laquelle on est obligé d'imposer une tension maximum entre cellules voisines (de l'ordre de 40 V). This is the reason why it is necessary to impose a maximum voltage between neighboring cells (of the order of 40 V).
Par ailleurs, une méthode pour réduire les risques de décharge secondaire entre rangées adjacentes réside dans l'augmentation de l'intervalle entre rangées de cellules. Toutefois, l'espace ainsi créé entraîne une diminution du taux de remplissage du panneau en cellules et grève alors la puissance collectrice d'énergie solaire du panneau. En effet, dans l'état actuel des connaissances, le taux de remplissage des cellules GaAs plafonne entre 0.90 et 0.92. Ce taux est notamment atteint en utilisant des cellules obtenues par le procédé, tel qu'illustré sur la figure 1, de découpe des cellules 1 au sein de disques 2 de Ge 5 (terme couramment utilisé "wafer"), mettant en évidence la rognure des sommets des deux cellules 1. Les fournisseurs de cellules 1 ont notamment pris l'habitude de couper le carré 3 en deux pour fournir les deux cellules rectangulaires à sommets rognés sur deux des leurs à partir d'un même disque 2. In addition, one method of reducing the risk of secondary discharge between adjacent rows is in increasing the interval between rows of cells. However, the space thus created causes a decrease in the filling rate of the panel in cells and then strike the collector power of solar energy of the panel. Indeed, in the current state of knowledge, the filling rate of GaAs cells peaks between 0.90 and 0.92. This rate is achieved in particular by using cells obtained by the method, as illustrated in FIG. 1, of cutting cells 1 within Ge 5 disks 2 (commonly used term "wafer"), highlighting the clipping. vertices of the two cells 1. The suppliers of cells 1 have in particular made the habit of cutting the square 3 in two to provide the two rectangular cells with vertices trimmed on two of theirs from the same disk 2.
La figure 2 illustre les chaînes 4 de cellules utilisées de nos jours. Figure 2 illustrates the cell chains 4 used today.
La chaîne 4 est constituée de cellules 1 solaires connectées en série deux à deux, formant ainsi une rangée de cellules. Les extrémités de la chaîne 4, qui peuvent se trouver sur la même rangée ou sur des rangées différentes, sont chacune connectées à une borne +, - du panneau, pour que le courant électrique fourni par chaque chaîne soit collecté par des cablâges 5 et conduit, via des ouvertures 6 dédiées, en direction des équipements du satellite. Cependant, la surface 7 dédiée aux câbles 5, à leurs connexions aux cellules terminales et à l'ouverture de connexion, correspond généralement à la surface d'une cellule, voire plus, grèvant ainsi considérablement le taux de remplissage du panneau. The chain 4 consists of solar cells 1 connected in series in pairs, thus forming a row of cells. The ends of the chain 4, which may be on the same row or in different rows, are each connected to a terminal +, - of the panel, so that the electric current supplied by each string is collected by wiring 5 and leads via dedicated openings 6 towards the satellite equipment. However, the surface 7 dedicated to the cables 5, to their connections to the terminal cells and to the connection opening, generally corresponds to the surface of a cell, or even more, thereby significantly reducing the filling rate of the panel.
L'invention a donc pour but un panneau générateur solaire comprenant un réseau plan de chaînes de cellules solaires, qui résolve les inconvénients cités ci-dessus en permettant de réduire la surface perdue pour les connexions des bornes des chaînes avec le satellite, et les risques de tension différencielle entre cellules voisines. The invention therefore aims a solar generator panel comprising a planar array of solar cell chains, which solves the disadvantages mentioned above by reducing the lost area for the connections of the chain terminals with the satellite, and the risks differential voltage between neighboring cells.
A cet effet, la présente invention a pour objet un panneau générateur solaire comprenant un réseau plan de chaînes de cellules photovoltaïques disposées côte à côte et formant sensiblement un quadrillage sur une première face du panneau dite face avant, lesdites cellules étant électriquement connectées selon une pluralité de chaînes indépendantes, chaque chaîne étant constituée de cellules connectées en série deux à deux formant des rangées de cellules parallèles les unes aux autres, deux rangées successives d'une chaîne étant électriquement connectées par leurs extrémités via des moyens de connexions traversant le panneau par des premières ouvertures et plaqués sur la face arrière, chaque chaîne comprenant des bornes positives et des bornes négatives, lesdites bornes positives et négatives étant réparties le long de chaque chaîne et sur la surface du panneau pour que les bornes positives soient éloignées des bornes négatives, afin de diminuer un risque d'apparition d'arc électrique entre deux bornes, chaque cellule terminale d'une chaîne étant connectée à au moins un câble collecteur d'énergie électrique passant par au moins une ouverture respective de rassemblement de câbles collecteurs dite seconde ouverture, caractérisé en ce que les cellules sont de surface carrée ou rectangulaire et sont rognées sur leurs quatre sommets, l'agencement des cellules sous forme de quadrillage faisant apparaître, suite auxdites rognures des sommets, des espaces libres réduits dans les interstices entre rognures de cellules voisines, espaces dans lesquels sont créées les premières ouvertures et les secondes ouvertures de rassemblement des câbles collecteurs, vers lesquels ces derniers sont dirigés. For this purpose, the subject of the present invention is a solar generator panel comprising a planar array of photovoltaic cell chains arranged side by side and substantially forming a grid on a first face of the so-called front panel, said cells being electrically connected according to a plurality independent chains, each chain consisting of cells connected in series in pairs forming rows of cells parallel to each other, two successive rows of a chain being electrically connected at their ends via connection means passing through the panel by means of first apertures and plated on the rear face, each chain including positive and negative terminals, said positive and negative terminals being distributed along each chain and on the surface of the panel so that the positive terminals are remote from the negative terminals, so decreases r a risk of occurrence of arcing between two terminals, each terminal cell of a chain being connected to at least one electrical energy collecting cable passing through at least one respective collection opening collector cable called second opening, characterized in that the cells are of square or rectangular surface and are trimmed on their four vertices, the arrangement of the cells in the form of a grid showing, following said trimming of the vertices, reduced free spaces in the interstices between clippings of neighboring cells, spaces in which are created the first openings and the second collecting openings of the collector cables, to which they are directed.
Selon un mode de réalisation, dans au moins un espace libre ne lo comportant pas ledites premières et secondes ouvertures a été aménagée au moins une ouverture destinée à recevoir, en phase de lancement, une colonne de gerbage qui traverse, de part en part, d'autres panneaux avec lequel ledit panneau est empilé selon une direction normale aux plans des panneaux, et qui est destinée à maintenir les panneaux en appui les uns sur les autres pour mieux reprendre les efforts mécaniques de la phase de lancement. According to one embodiment, in at least one free space not comprising at least said first and second openings has been arranged at least one opening intended to receive, in launching phase, a stacking column which passes right through other panels with which said panel is stacked in a direction normal to the plans of the panels, and which is intended to keep the panels resting on each other to better resume the mechanical forces of the launch phase.
Selon un mode de réalisation, les cellules sont fabriquées en utilisant un procédé de découpe d'une tranche de Ge. In one embodiment, the cells are fabricated using a method of cutting a Ge slice.
Selon un mode de réalisation, les connexions électriques des 20 cellules sont réalisées au niveau des rognures. According to one embodiment, the electrical connections of the cells are made at the level of the clippings.
L'invention a également pour objet un satellite, caractérisé en ce qu'il comporte un panneau générateur solaire selon l'invention. The invention also relates to a satellite, characterized in that it comprises a solar generator panel according to the invention.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante des exemples particuliers de réalisation en référence aux figures suivantes: - la figure 1 schématise le procédé de découpe des cellules, - la figure 2 illustre les chaînes de cellules telles que combinées 30 dans l'état de la technique, la figure 3 schématise un réseau plan de cellules selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 illustre un autre mode de réalisation de l'invention ? - la figure 5 schématise un réseau plan de cellules octogonales selon une variante de la figure 3. Other features and advantages of the invention will emerge more clearly on reading the following description of the particular embodiments with reference to the following figures: FIG. 1 schematizes the method of cutting the cells; FIG. 2 illustrates the chains; of cells as combined in the state of the art, Figure 3 schematizes a plane array of cells according to a first embodiment of the invention; - Figure 4 illustrates another embodiment of the invention; FIG. 5 schematizes a planar array of octagonal cells according to a variant of FIG. 3.
Les éléments exerçant une fonction identique ou similaire porteront dans la suite la même référence. Elements carrying out an identical or similar function will in the following be given the same reference.
io La figure 3 schématise un réseau plan 100 de cellules octogonales selon un premier mode de réalisation de l'invention. FIG. 3 schematizes a plane array 100 of octagonal cells according to a first embodiment of the invention.
Pour une meilleure clarté dans la distinction des différentes chaînes de cellules, il n'a été illustré que deux chaînes de cellules, la première comportant les cellules référencées de la à 8a alors que la seconde comporte les cellules référencées de lb à 8b. For a better clarity in the distinction of the different cell chains, only two cell chains have been illustrated, the first having the cells referenced from 8a to 8a, while the second comprises the cells referenced from 1b to 8b.
L'ordre de numérotation correspond à la continuité électrique réalisée. Ainsi, deux cellules successives d'une même chaîne sont reliées par une connexion 8. En fait, cette connexion est composée de deux sousconnexions 81, 82, chacune étant solidaire à l'une des deux cellules successives, les deux sous-connexions étant soudées l'une à l'autre au niveau d'un point de jonction 83. On notera que les liaisons électriques en face avant sont illustrées en traits pleins alors que les liaisons en face arrière sont réalisées en traits pointillés. On notera également que la jonction 83 peut être réalisée par tout autre moyen connu de l'Homme du Métier que par la soudure. The numbering order corresponds to the electrical continuity achieved. Thus, two successive cells of the same chain are connected by a connection 8. In fact, this connection is composed of two sub-connections 81, 82, each being integral with one of the two successive cells, the two sub-connections being welded. one to the other at a junction point 83. It will be noted that the electrical connections on the front face are illustrated in solid lines while the links on the rear face are made in dashed lines. It will also be noted that the junction 83 can be made by any other means known to those skilled in the art than by welding.
Ainsi qu'il en ressort de la figure 3, la cellule terminale 4a de la rangée 70 comporte des sous-connexions 84 qui sont reliées, par des fils de connexion 51 traversant des ouvertures 61 et plaqués contre la face arrière du panneau, à la cellule 5a via l'ouverture 61 logée dans son espace libre associé. On remarquera que la cellule 5a est au bord opposé de celui de la cellule 4a. As is apparent from FIG. 3, the terminal cell 4a of the row 70 has sub-connections 84 which are connected, by connection wires 51 passing through openings 61 and pressed against the rear face of the panel, at the cell 5a via the opening 61 housed in its associated free space. It will be noted that the cell 5a is at the edge opposite that of the cell 4a.
Comme on le constate, les rognures 30 sur les sommets des cellules ont permis de créer un espace 7' libre réduit permettant d'y placer 5 les connexions 8. As can be seen, the clippings on the vertices of the cells have made it possible to create a reduced free space 7 'making it possible to place the connections 8 therein.
Ces connexions dans l'espace réduit créé permettent également grâce à l'invention de réduire la tension différentielle entre cellules voisines. These connections in the reduced space created also make it possible, thanks to the invention, to reduce the differential voltage between neighboring cells.
En outre, dans les espaces libres ne comportant ni les ouvertures so de rassemblement des câbles collecteurs ni les ouvertures permettant de relier deux cellules terminales, a été aménagée des ouvertures 10 destinées à recevoir, en phase de lancement, des colonnes de gerbage qui traversent, de part en part, d'autres panneaux avec lequel le présent panneau est empilé selon une direction normale aux plans des panneaux. Furthermore, in the free spaces with neither the openings for collecting the collecting cables nor the openings making it possible to connect two terminal cells, openings have been provided for receiving, during the launch phase, stacking columns which pass through, from one side to the other panels with which the present panel is stacked in a direction normal to the plans of the panels.
Ces colonnes de gerbage sont destinées à maintenir les panneaux en appui les uns sur les autres pour mieux reprendre les efforts mécaniques de la phase de lancement. Ainsi, grâce à l'invention, on a augmenté la zone disponible pour le montage des colonnes de gerbage et une meilleure répartition de ceux-ci est réalisée, sans nécessité de suppression de cellules pour le montage des colonnes de gerbage. These stacking columns are intended to keep the panels resting on each other to better resume the mechanical efforts of the launch phase. Thus, thanks to the invention, it has increased the area available for mounting the stacking columns and a better distribution thereof is carried out without the need for removal of cells for mounting the stacking columns.
Rappelons que ce genre de structure de satellite à panneaux multiples (non représentés) et les panneaux qu'elle comporte sont généralement dimensionnés par des efforts multidirectionnels apparaissant en phase de lancement du satellite, et plus particulièrement, par les différents modes vibratoires que génère cette phase. Ces colonnes de gerbage sont destinées à maintenir les panneaux plaqués les uns aux autres pour favoriser la reprise des efforts qui sont appliqués à la structure en phase de lancement du satellite. Les colonnes de gerbage sont constituées de plusieurs douilles creuses, chacune solidaire d'un panneau, qui forment un conduit qui est traversé par une tige comprimant les douilles en appui les unes sur les autres. Ces colonnes sont suffisamment éloignées des bords des panneaux pour ne pas interférer avec la cinématique de déploiement. Recall that this kind of multi-panel satellite structure (not shown) and the panels it comprises are generally dimensioned by multidirectional forces appearing in the launch phase of the satellite, and more particularly, by the different vibratory modes that generates this phase . These stacking columns are intended to keep the panels clad to each other to promote the recovery of the forces that are applied to the structure in the launch phase of the satellite. The stacking columns consist of several hollow bushings, each integral with a panel, which form a conduit which is traversed by a rod compressing the bushes resting on each other. These columns are sufficiently far from the edges of the panels to not interfere with the deployment kinematics.
Plus particulièrement, les panneaux sont en appui les uns par rapport aux autres au niveau des douilles creuses et de points d'appui non représentés qui sont disposés en périphérie de chaque panneau. Avant l'étape de déploiement du générateur solaire, les tiges sont sectionnées par exemple par procédé pyrotechnique, de sorte que les panneaux deviennent mécaniquement libérés les uns des autres pour autoriser leur lo déploiement. More particularly, the panels are supported relative to each other at the hollow bushings and unrepresented bearing points which are arranged at the periphery of each panel. Before the step of deployment of the solar generator, the rods are severed for example by pyrotechnic process, so that the panels become mechanically released from each other to allow their deployment.
La figure 4 illustre un mode de réalisation de l'invention où une cellule terminale 58c d'une chaîne est contigue à une autre cellule 58b contigue d'une autre chaîne. Des câbles 52 reliés chacun à une borne des cellules terminales 58b et 58c sont reliés à une ouverture 62 pour être dirigés vers le satellite. FIG. 4 illustrates an embodiment of the invention where a terminal cell 58c of one chain is contiguous with another adjacent cell 58b of another chain. Cables 52 each connected to a terminal of the end cells 58b and 58c are connected to an opening 62 to be directed to the satellite.
La figure 5 schématise un réseau plan de cellules octogonales selon une variante de la figure 3. FIG. 5 schematizes a planar array of octagonal cells according to a variant of FIG. 3.
En effet, la connexion entre deux cellules terminales 4a et 5a, respectivement 4b et 5b, d'une même chaîne se fait sur le même bord. Indeed, the connection between two terminal cells 4a and 5a, respectively 4b and 5b, of the same chain is on the same edge.
Comme on le remarque, les connexions passent tout de même par des ouvertures 61 pour être plaquées sur une partie de leur chemin sur la face arrière du panneau. As noted, the connections still pass through openings 61 to be plated on part of their path on the back side of the panel.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de 25 réalisation décrits dans la présente demande. Of course, the invention is not limited to the embodiments described in the present application.
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