一种机翼结构-太阳能电池一体化模块及其研制方法

摘要

本发明提供一种机翼结构-太阳能电池一体化模块及其研制方法，该方法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；以蜂窝夹层结构构成的翼肋和主梁作为支撑框架，通过借鉴地面建筑行业的张拉膜结构，将上述刚柔一体太阳能电池模块利用锁紧机构在机翼的上表面进行有效固定；以软质密封胶将刚柔一体太阳能电池模块间的边沿进行密封和光滑过度处理。基于该方法研制的机翼结构-太阳能电池一体化模块，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。

说明书

一、技术领域：

本发明提供一种机翼结构-太阳能电池一体化模块及其研制方法，属于航空航天器能源系统技术领域。 

二、背景技术：

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。 

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。 

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。 

为此，本发明提供一种机翼结构-太阳能电池一体化模块及其研制方法，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，可有效综合两者的应用优势，开发出具有轻质、高效特点的刚柔一体的薄膜型太阳能电池模块，以此为基础，结合翼肋、主梁结构支撑作用的合理利用，可实现电池阵支撑、机翼外形维形的一体化设计。从而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：

（1）目的：本发明的目的在于提供一种机翼结构-太阳能电池一体化模块及其研制方法，基于该方法研制的太阳能无人机机翼可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，并能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。此外，基于该方法，可有效降低太阳能无人机在结构重量方面的损耗，进而提高太阳能无人机的载荷能力。 

（2）技术方案：本发明一种机翼结构-太阳能电池一体化模块及其研制方法，该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；以蜂窝夹层结构构成的机翼肋板和主梁作为支撑框架，通过借鉴地面建筑行业的张拉膜结构，将上述刚柔一体太阳能电池模块利用锁紧机构在机翼的上表面进行有效固定；以软质密封胶将刚柔一体太阳能电池模块间的边沿进行密封和光滑过度处理。 

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。 

所述刚柔一体的太阳能电池模块主要由自上而下依次叠放的6层材料组成，包括表面封装膜A、透明胶膜、刚性太阳能电池片、电极线、轻质胶膜A、表面封装膜B。 

该表面封装膜A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；该电极线主要用于输出刚性太阳能电池片所产生的电能；该轻质胶膜A填充于刚性太阳能电池片下表面与表面封装膜B的间隙之中，该表面封装膜B位于刚柔一体太阳能电池模块的下表面，在满足太阳能电池片密封保护的同时，起到结构支撑的作用。 

其中，该表面封装膜A可采用改性的PET膜或透明的TPT膜； 

其中，该表面封装膜A的透光率需达到90%以上； 

其中，该透明胶膜可采用透光率需达到90%以上的热熔性胶膜； 

其中，该刚性太阳能电池片可采用高效的砷化镓太阳能电池、高效的单晶硅太阳能电池或高效的多晶硅太阳能电池； 

其中，该电极线可采用镀银的退火无氧铜、退火的纯银箔或退火的镀银纯铝； 

其中，该轻质胶膜A可采用热熔性胶膜； 

其中，该表面封装膜B可采用改性的PET膜或TPT膜。 

所述翼肋和主梁主要采用碳纤维蜂窝夹层结构或玻璃纤维蜂窝夹层结构构成。为便于刚柔一体太阳能电池模块的固定，上述蜂窝夹层结构中需内埋加工有连接孔的预埋件。 

其中，碳纤维蜂窝夹层结构采用碳纤维预浸料、轻质胶膜B和蜂窝芯真空层压而成，其中，该碳纤维预浸料可采用密织型正交双向编织布或碳纤维单向布的叠层预浸而成；该轻质胶膜B可采用采用轻薄型环氧树脂胶膜；该蜂窝芯可采用铝蜂窝或NOMEX纸蜂窝。 

其中，玻璃纤维蜂窝夹层结构采用玻璃纤维预浸料、轻质胶膜B和蜂窝芯真空层压而成，其中，该玻璃纤维预浸料可采用密织型正交双向编织布预浸而成；该轻质胶膜B可采用采用轻薄型环氧树脂胶膜；该蜂窝芯可采用铝蜂窝或NOMEX纸蜂窝。 

其中，该预埋件可采用聚甲醛或航空铝合金按既定设计尺寸机加工而成。 

所述锁紧机构可以为螺栓连接机构，也可以是销钉锁紧机构。 

所述软质密封胶可采用地面电池组件密封时常用的橡胶型密封胶或树脂型密封胶。 

本发明中一种机翼结构-太阳能电池一体化模块的研制方法，其基本步骤如下： 

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，尤其是环境适应性要求； 

2.电池片焊接：为刚柔一体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2～3mm左右，恒温电烙铁的温度保持在350～400℃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。 

3.与步骤2同时，可进行裁剪、清理工序，包括：用专用裁剪机按组件规格（四周留有5～10mm的加工余量）裁剪所需的蜂窝芯，裁剪并擦拭所需的膜系材料（包括表面封装膜A、透明胶膜、轻质胶膜A、表面封装膜B、轻质胶膜B），擦净事先加工好安装孔的预埋件，擦净制备翼肋和主梁所需的模具，保证膜系材料、预埋件、模具上无异物、杂质； 

4.将表面封装膜A、透明胶膜、串焊后的太阳能电池片、轻质胶膜A、表面封装膜B按自上而下的顺序叠层，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℃，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）。 

5.与步骤4同时，利用模具将纤维预浸料、轻质胶膜B、蜂窝芯、预埋件按既定的设计方案进行叠层制备翼肋和主梁，具体如下：将层叠好的半成品放入真空热压罐中进行加压、加温处理，压力控制在2～3个标准大气压，加热时间不少于2小时；温度控制在120～150℃，升温时间控制在30～60分钟；此外，为确保表面的平整性，应在上、下纤维预浸料的外侧加放钢化玻璃等平板类物体； 

6.将翼肋和主梁按照既定设计方案进行组合构成机翼单元结构； 

7.按设计方案在刚柔一体太阳能电池模块的边沿开出安装孔，利用锁紧机构将刚柔一体太阳能电池模块安装在机翼单元结构上； 

8.针对刚柔一体太阳能电池模块间的交叠处，利用密封胶进行密封填充，并对其进行光滑过渡处理； 

9.对整个机翼单元进行光顺修形处理，保证其具有良好的气动特性，最终形 成机翼单元并投入使用。 

（3）优点及功效：本发明一种机翼结构-太阳能电池一体化模块及其研制方法，基于该方法研制的机翼结构-太阳能电池一体化模块，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。因而可为太阳能无人机的轻质化设计与载荷能力的提高提供技术支持。 

四、附图说明：

图1为本发明应用到某具体太阳能无人机机翼结构-太阳能电池一体化模块实施例中的结构示意图，本实施例中采用的是前后主梁式结构； 

图2为实施例中刚柔一体太阳能电池模块的结构示意图； 

图3为本实施例中采用的翼肋、主梁结构； 

图4为本实施例中机翼结构-太阳能电池一体化模块的基本研制流程。 

图中标号说明如下： 

1.刚柔一体太阳能电池模块，  2.翼肋和主梁，     3.锁紧机构， 

4.软质密封胶，              5.表面封装膜A，    6.透明胶膜， 

7.电极线，     8.高效刚性太阳能电池片，        9.轻质胶膜A， 

10.表面封装膜B，            11.碳纤维预浸料，  12.轻质胶膜B， 

13.蜂窝芯，    14.预埋件 

五、具体实施方式：

下面结合图1、2、3、4对本发明中的一种机翼结构-太阳能电池一体化模块及其研制方法作进一步的说明： 

本发明一种机翼结构-太阳能电池一体化模块，如图1所示，主要包含刚柔一体太阳能电池模块1、翼肋和主梁2、锁紧机构3、软质密封胶4四个部分。 

该刚柔一体太阳能电池模块1的具体结构形式如图2所示，主要包括表面封装膜A5，透明胶膜6，电极线7，高效刚性太阳能电池片8，轻质胶膜A9，表面封装膜B10六个部分。 

该表面封装膜A5位于本发明电池组件的外表面，本实施例采用透光率为 91%的改性PET，可在满足足够透光率的情况下起保护高效刚性太阳能电池片8的作用； 

该透明胶膜6填充于表面封装膜A5与高效刚性太阳能电池片8上表面的间隙之中，本实施例采用改性EVA胶膜； 

该电极线7焊接在高效刚性太阳能电池片8上下表面的主栅线上，起输出电能的作用，本实施例采用退火的镀银纯铝； 

该高效刚性太阳能电池片8本实施例中采用转换效率为18%的高效单晶硅太阳能电池片； 

该轻质胶膜A9填充于高效刚性太阳能电池片8下表面与表面封装膜B10的间隙之中，本实施例采用TPU热熔胶膜； 

该表面封装膜B10位于刚柔一体太阳能电池模块的下表面，在满足太阳能电池片密封保护的同时，起到结构支撑的作用，本实施例中采用TPT膜。 

该翼肋和主梁2的具体结构形式如图3所示，主要包括碳纤维预浸料11、轻质胶膜B12、蜂窝芯13、预埋件14。 

该碳纤维预浸料11采用密织型正交双向编织布预浸而成；该轻质胶膜B12采用轻薄型环氧树脂胶膜；该蜂窝芯13采用铝蜂窝；该预埋件14按既定尺寸由航空铝合金机加工而成。 

该锁紧机构3为销钉锁紧机构。 

该软质密封胶4采用的是树脂型密封胶。 

本发明一种机翼结构-太阳能电池一体化模块，其基本的研制流程如下： 

整个研制流程如图4所示： 

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，尤其是环境适应性要求； 

2.电池片焊接：为刚柔一体太阳能电池模块1封装所用的高效刚性太阳能电池片8焊接电极线7，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2.5mm左右，恒温电烙铁的温度保持在380℃左右；多片串焊需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； 

3.与步骤2同时，可进行裁剪、清理工序，包括：用专用裁剪机按组件规格（四周留有5mm的加工余量）裁剪所需的蜂窝芯13，裁剪并擦拭所需的膜系材料（包括表面封装膜A5，透明胶膜6，轻质胶膜A9，表面封装膜B10，轻质胶膜B12），擦净事先加工好安装孔的预埋件13，擦净制备翼肋和主梁2所需的模具，保证膜系材料、预埋件、模具上无异物、杂质； 

4.将表面封装膜A5、透明胶膜6、串焊后的太阳能电池片8、轻质胶膜A9、表面封装膜B10按自上而下的顺序叠层，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145℃，升温时间控制在45分钟，真空仪表的显示数据控制在≤200Pa，加热时间0.5小时，最终形成刚柔一体太阳能电池模块1； 

5.与步骤4同时，利用模具将碳纤维预浸料11、轻质胶膜B12、蜂窝芯13、预埋件14按既定的设计方案进行叠层制备翼肋和主梁2，具体如下：将层叠好的半成品放入真空热压罐中进行加压、加温处理，压力控制在2个标准大气压，加热时间为2小时；温度控制在145℃，升温时间控制在45分钟；此外，为确保表面的平整性，应在上、下碳纤维预浸料的外侧加放钢化玻璃等平板类物体； 

6.将翼肋和主梁2按照既定设计方案进行组合构成机翼单元结构； 

7.按设计方案在刚柔一体太阳能电池模块1的边沿开出安装孔，利用锁紧机构3将刚柔一体太阳能电池模块1安装在机翼单元结构上； 

8.针对刚柔一体太阳能电池模块1间的交叠处，利用密封胶4进行密封填充，并对其进行光滑过渡处理； 

9.对整个机翼单元进行光顺修形处理，保证其具有良好的气动特性，最终形成机翼单元并投入使用。 

应当指出，本实例仅列示性说明本发明的应用方法，而非用于限制本发明。任何熟悉此种使用技术的人员，均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。