一种功能集成轻质太阳电池模块及其制备方法
阅读说明：本技术 一种功能集成轻质太阳电池模块及其制备方法 (Function-integrated light solar cell module and preparation method thereof ) 是由 马宁华 徐建明 唐道远 蒋帅 王凯 周丽华 于 2021-08-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种功能集成轻质太阳电池模块及其制备方法,包含：太阳电池、柔性电路基板、平面天线、连接层、轻质结构框架；太阳电池固定连接在柔性电路基板的上表面,柔性电路基板的下表面与轻质结构框架固定,轻质结构框架的下表面还设有天线固定孔；轻质结构框架内设有绷弦网面,该绷弦网面由若干弦线编织构成；连接层包含若干个固定盘、弯曲环,固定盘粘贴在柔性电路基板的下表面,每个弯曲环连接两个相邻的固定盘；弦线穿过弯曲环,连接轻质结构框架和柔性电路基板。本发明通过轻质结构框架,实现太阳电池与平面天线的一体化复合,在不降低单个功能模块性能的情况下,显著降低整个飞行器件的重量和体积。(The invention discloses a function integrated light solar cell module and a preparation method thereof, wherein the method comprises the following steps: the solar cell comprises a solar cell, a flexible circuit substrate, a planar antenna, a connecting layer and a light structural frame; the solar cell is fixedly connected to the upper surface of the flexible circuit substrate, the lower surface of the flexible circuit substrate is fixed with the light structure frame, and the lower surface of the light structure frame is also provided with an antenna fixing hole; a string-stretching net surface is arranged in the light structure frame and is formed by weaving a plurality of strings; the connecting layer comprises a plurality of fixed disks and bending rings, the fixed disks are adhered to the lower surface of the flexible circuit substrate, and each bending ring is connected with two adjacent fixed disks; the strings are threaded through the flex ring to connect the lightweight structural frame and the flexible circuit substrate. According to the invention, the solar cell and the planar antenna are integrated and compounded through the light structural frame, and the weight and the volume of the whole flight device are obviously reduced under the condition of not reducing the performance of a single functional module.)
技术领域
本发明涉及航天器能源系统领域，具体涉及一种功能集成轻质太阳电池模块及其制备方法。
背景技术
随着空间科学与工程的不断推进，对空间飞行器各系统的性能要求越来越高，同时要求尽量减少各系统的重量，从而提升总体任务的载荷比，降低飞行器的发射成本。太阳电池阵是飞行器的主能源，太阳电池阵的输出功率与受光照面积成正比。解决飞行器对能源的功率需求与体积、重量需求的矛盾，是空间飞行器太阳能发电系统设计关注的重点。太阳电池阵的轻量化技术、功能复用技术等可有效利用飞行器的空间，降低整个飞行器的体积和重量，是太阳电池阵技术发展的必然途径。
太阳电池阵、平面天线是飞行器上裸露在外的大面积功能模块，在太阳电池的背面复合大面积天线，将充分利用太阳电池阵面积，大幅降低飞行器功能模块的体积，显著降低整个飞行器的体积重量。目前采用将平面天线直接嵌入在太阳电池阵进行集成的方式，不仅工艺难度大，而且平面天线工作效率降低，同时平面天线及其馈线对太阳电池结构的破坏及遮挡，造成太阳电池发电效率降低。
发明内容
本发明的目的是不降低太阳电池阵转换效率，同时将太阳电池与平面天线模块进行集成复合，大幅降低飞行器的总重量并缩小飞行器的设计体积。
为了达到上述目的，本发明提供了一种功能集成轻质太阳电池模块，包含：太阳电池、柔性电路基板、平面天线、连接层、轻质结构框架；
所述的太阳电池固定连接在所述的柔性电路基板的上表面，所述的柔性电路基板的下表面与所述的轻质结构框架固定，所述的轻质结构框架的下表面还设有天线固定孔，用于固定所述的平面天线；
所述的轻质结构框架内设有绷弦网面，该绷弦网面由若干弦线编织构成；
所述的连接层包含若干个固定盘、弯曲环，固定盘粘贴在柔性电路基板的下表面，每个弯曲环连接两个相邻的固定盘；所述的弦线穿过弯曲环，连接所述的轻质结构框架和柔性电路基板。
较佳地，所述的轻质结构框架的四个侧壁均设有高度在同一水平面的绷弦孔，所述的绷弦网面中，每一根弦线的两端都固定在两侧的绷弦孔上。
较佳地，所述的柔性电路基板包含：上、下表面的基板材料层和设在内部的电路层；所述电路层与基板材料层均通过胶膜粘连。
较佳地，所述的基板材料层选取聚酰亚胺薄膜。
较佳地，所述的聚酰亚胺薄膜经织构化处理过，所述的织构化处理是指，通过等离子溅射或化学腐蚀，以改善聚酰亚胺薄膜的界面特性，提高聚酰亚胺薄膜对所述的固定盘的粘合力。
较佳地，所述的轻质结构框架选取碳纤维框架或轻质铝合金。
较佳地，所述的轻质结构框架还设有若干：机械接口，用于连接其他的轻质结构框架，实现模块间的机械连接；电气接口，用于实现模块间的电连接。
较佳地，所述的轻质结构框架内还设有热控层，以防止所述的太阳电池和平面天线产生的热量相互传递，影响太阳电池和平面天线的性能。
较佳地，所述的轻质结构框架侧面还设有若干个热控固定孔，用于固定所述的热控层。
本发明还公开了上述的功能集成轻质太阳电池模块的制备方法，包含：
S1，制备柔性电路基板；
S2，将太阳电池串并联后粘贴在柔性电路基板的上表面；
S3，加工轻质框架结构，在所述轻质框架结构上设计若干个绷弦孔、天线固定孔；
S4，制备绷弦网面，在均匀拉力下将若干条弦线穿过所述的绷弦孔，形成绷弦网面；
S5，在柔性电路基板下表面安装连接层，所述连接层包含若干个固定盘和弯曲环，固定盘粘贴在柔性电路基板的下表面，每个弯曲环连接两个相邻的固定盘；安装后，使每个弯曲环内均有弦线穿过；
S6，将平面天线与轻质结构框架通过所述的天线固定孔固定。
本发明的技术效果包含：大幅提高功能集成太阳电池模块的面密度。通过轻质结构框架，实现太阳电池与平面天线的一体化复合，在不降低单个功能模块性能的情况下，显著降低整个飞行器件的重量和体积。
附图说明
图1为本发明的集成轻质太阳电池模块结构剖面图；
图2为本发明的连接层的示意图；
图3为绷弦孔和热控固定孔示意图；
图4为轻质结构框架的仰视图；
图5为轻质结构框架各接口的示意图；
图6为轻质结构框架的组合图；
图7为柔性电路基板的结构剖面图；
附图标记：1-太阳电池；2-柔性电路基板；21-焊接窗口；22-胶膜；23-基板材料层；24-电路层；3-绷弦网面；4-连接层；41-固定盘；42-弯曲环；5-热控层；6-平面天线；7-轻质结构框架；71、72-机械接口；73、74-电气接口；75-天线固定孔；76-绷弦孔；77-热控固定孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开了一种功能集成轻质太阳电池模块结构，如图1所示，该结构包含太阳电池1、柔性电路基板2、绷弦网面3、连接层4、平面天线6、轻质结构框架7。所述的绷弦网面3设在轻质结构框架7内，包含若干弦线。对于太阳电池1进行串并联设计后，将太阳电池1固定在柔性电路基板2的上表面，然后将柔性电路基板2的下表面与轻质结构框架7固定连接，所述柔性电路基板2的下表面还设有绷弦网面3和连接层4，用于连接轻质结构框架7和与柔性电路基板2，绷弦网面3也起到支撑柔性电路基板2的作用，防止柔性电路基板2发生形变。
如图2所示，所述的连接层4包含若干个固定盘41和弯曲环42，弯曲环42连接相邻的固定盘41，固定盘41粘贴在柔性电路基板2的下表面，并使得每一个弯曲环42内都有所述的弦线穿过。
如图3所示，所述的轻质结构框架7的四个侧面均设有若干个绷弦孔76，所述的若干个绷弦孔76位于同一高度；在拉线机的作用下，绷弦网面3的若干条弦线的两端固定在轻质结构框架7两侧的绷弦孔76，所述的弦线选取高强度纤维。
如图4所示，轻质结构框架7还设有天线固定孔75，用于固定平面天线6。
一些实施例中，如图1、图3所示，所述轻质结构框架7内还铺设有热控层5，用于防止太阳电池1和平面天线6的产生的热量相互传递，影响太阳电池1和平面天线6的性能。所述的轻质结构框架7还设有热控固定孔77，用于固定热控层5，所述的热控固定孔77设在绷弦孔76的下方。
一些实施例中，如图5、图6所示，所述轻质结构框架7的侧面还设有机械接口71和72，用于连接其他的轻质结构框架7，进而实现模块间的机械连接；所述轻质结构框架7还设有电气接口73和74，用于实现模块间的电连接。
一些实施例中，如图7所示，所述的柔性电路基板2中，基板材料层23优选为聚酰亚胺膜，在基板内部设计电路层24，所述的电路层24与聚酰亚胺膜通过胶膜22粘接。然后对基板材料层23和电路层24进行热压成型；并预设焊接窗口21，用于焊接电池串电极；进一步地，基板材料层23表面通过等离子溅射或化学腐蚀来进行织构化处理，用于提高基板材料层23与固定盘41的粘合力。
所述功能集成轻质太阳电池模块结构的制备方法见实施例。
实施例
S1：柔性电路基板制备。如图7所示，根据需求设计太阳电池的电路层24，本例中，太阳电池的电路层24选取35μm厚的压延铜箔，选取聚酰亚胺膜作为柔性电路基板2的基板材料层23，单层基板材料层23的厚度为25μm，基板材料层23与电路层24通过胶膜22粘接；进一步地，胶膜22选取环氧胶膜；通过对胶膜22、基板材料层23、电路层24的热压完成柔性电路与基板的复合制备。通过等离子溅射，对基板材料层23表面进行织构化处理；然后通过激光在柔性电路基板2表面镂刻9mm×2mm的电路焊接窗口21。
S2：组装太阳电池阵，根据设计需求，选择太阳电池1，进行太阳电池阵的串并联设计。通过真空吸附设备平台固定柔性电路基板2，并使用704硅橡胶将太阳电池1粘贴在柔性电路基板2的上表面；
S3：加工轻质结构框架，如图3、图4、图5、图6所示，轻质结构框架7选取碳纤维结构架，根据电池尺寸及电池布阵布局，在轻质结构框架7的四个侧面均设有若干个绷弦孔76，绷弦孔76孔径为2mm；在绷弦孔76下方设有热控固定孔77，用于固定热控层5；在轻质结构框架7的下表面，预设天线固定孔75；在轻质结构框架7的侧面预设机械接口71和机械接口72，以及电气接口73和电气接口74。
S4：绷弦网面制备，本例中，选取线径为0.9mm的玻璃纤维作为弦线，将所述玻璃纤维穿过绷弦孔76，使用拉线机对每根弦线施加6-8磅的均匀拉力，制备张力均匀的绷弦网面3。
S5：进行轻量化电池阵与绷弦网面的固定结合，本例中，使用GD414硅橡胶将连接层4中的固定盘41与柔性电路基板2的下表面粘贴在一起，固定盘41选取直径为4mm、厚度为0.1mm的镍合金；每两个相邻的固定盘41之间设有一个弯曲环42，并使每一个弯曲环42内都有弦线穿过，弯曲环42选取线径0.5mm长7.5mm的镍丝。
S6：铺设热控层，在轻质结构框架7内部、绷弦网面3的下方，铺设热控层5；本例中，热控层5选取多膜层聚酰亚胺。
S7：将平面天线6与轻质结构框架7通过天线固定孔75结合在一起，实现太阳电池1与平面天线6的一体化复合。
综上所述，所述功能集成轻质太阳电池模块结构可以将太阳电池和平面天线集成在同一个模块内，可以减少飞行器所需体积；通过对轻质框架结构和柔性电路基板的选取，能够降低模块重量。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
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