本公開總體上涉及太陽能電池，特別是但不完全涉及與太陽能電池系統(tǒng)相關的散熱。

背景技術：

在太陽能供電的高空無人駕駛飛行器(uav)的電氣部件中需要散熱的可行性解決方案。高度大于60,000英尺的自由氣流在散熱上變得無效，因為空氣的密度遠低于地球表面上的密度。低速、高空的uavs在自由氣流和翼表面之間具有很厚的邊界層，有效地用作絕緣。此外，太陽能陣列自身在運行中從太陽吸收大量的熱，將其分散在附近的環(huán)境中且有效地升高附近部件的環(huán)境溫度。

這樣條件的結果可能引起設置在太陽能電池陣列附近的電子部件加熱顯著超出它們的規(guī)定工作溫度，并且在某些情況下，最終進入熱失控。傳統(tǒng)的熱沉典型地很重而不能適合于輕重量的應用，例如飛行器，其中它們在外表面上時可能在暴露引起高阻力損失。

附圖說明

本發(fā)明的非限定和非窮盡實施例參考下面的附圖描述，其中類似的附圖標記在全部不同的附圖上表示類似的部分，除非另有規(guī)定。附圖不必按比例，而是重點放在說明所描述的原理。

圖1示出了根據(jù)本公開實施例在太陽能電池失效時旁路二極管的操作。

圖2是根據(jù)本公開實施例的旁路二極管單元的平面圖，該旁路二極管單元安裝在散熱器上以將熱散發(fā)到相鄰的太陽能電池。

圖3是根據(jù)本公開實施例的散熱器和旁路二極管單元的分解透視圖。

圖4是根據(jù)本公開實施例的安裝在太陽能電池之上的旁路二極管單元和散熱器的分解側(cè)視圖。

圖5a和5b示出了根據(jù)本公開實施例的旁路二極管單元的俯視和仰視平面圖。

圖6示出了根據(jù)本公開實施例的具有太陽能電池板的飛行器，旁路二極管安裝在嵌入翼蒙皮中的散熱器上。

具體實施方式

這里描述將旁路二極管產(chǎn)生的熱散發(fā)到太陽能電池中的設備、系統(tǒng)和方法的實施例。在下面的描述中，闡述了很多具體的細節(jié)以提供對實施例的透徹理解。然而，相關技術領域的技術人員應理解，這里描述的技術可在沒有一個或多個具體細節(jié)的情況下實施，或者以其它的方法、部件、材料等實施。在其它情況下，已知的結構、材料或操作沒有詳細示出或描述以避免模糊某些方面。

在整個說明書中，“一個實施例”或“實施例”是指結合實施例描述的特殊特征、結構或特點包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，遍及本說明書的不同位置出現(xiàn)的詞語“在一個實施例中”或“在實施例中”不必是指相同的實施例。此外，特殊的特征、結構或特點可在一個或多個實施例中以任何合適的方式組合。

圖1示出了根據(jù)本公開實施例在太陽能電池失效時旁路二極管的操作。圖1示出了太陽能電池板100，其包括太陽能電池110的兩個組105和106。在所示的實施例中，組105和106串聯(lián)連接，從而增加了它們的輸出電壓。在各種其它配置中，組105和106也可并聯(lián)連接，從而增加了輸出電流。盡管圖1僅示出了太陽能電池的兩個組，每一個組包括五個太陽能電池110，但是應理解實際上太陽能電池板100可包括任何數(shù)量的太陽能電池組，其每一個組包括僅一個太陽能電池至大量的太陽能電池。

旁路二極管115以電分流構型跨接組105，而旁路二極管120以電分流構型跨接組106。在正常運行期間，旁路二極管115和120反偏壓且基本上開路分流通道。然而，如果太陽能電池的一個組內(nèi)的一個或多個太陽能電池110失效，則對應的旁路二極管變?yōu)檎珘?，因此閉路分流通道且允許電流圍繞失效的太陽能電池流動。例如，如果太陽能電池110a失效，則它可通過組105開路電流通道，引起旁路二極管115變?yōu)檎珘?。于是，電流通過正偏壓的旁路二極管115流動，允許太陽能電池板100內(nèi)的太陽能電池的其余組繼續(xù)運行。

太陽能電池板100內(nèi)的太陽能電池110的任何一個因各種原因可能失效。熱收縮/膨脹力、振動、機械應力、鈍傷或其它情況可能導致太陽能電池的破碎或斷裂。斷裂的太陽能電池不再有效運行，從而通過失效太陽能電池的電流通道基本上開路。失效這里廣義地定義為也包括臨時失效的情況，其中太陽能電池110a比組105中的其它太陽能電池110更多地遮蔽太陽能，從而它臨時變?yōu)殚_路。在這樣的臨時失效情形中，來自組106的電流也通過旁路二極管115圍繞組105旁路。旁路二極管115和120操作為失效安全機構，能使太陽能電池板100內(nèi)其它串聯(lián)的組繼續(xù)操作且產(chǎn)生電，與一個或多個失效的太陽能電池110a無關。

當旁路二極管115由于太陽能電池110a的失效變?yōu)檎珘簳r，它使組105分流。來自其它活動組(例如，組106)的電流通過二極管115在圍繞組105旁路。該電流可為大量的。在沒有足夠熱散失的情況下，旁路二極管115將加熱顯著地超過其規(guī)定的工作溫度且甚至最終失效。在重量限制的高空應用中，例如高空飛行器，熱耗散因下面的因素而變得復雜，有效載荷約束排除了重熱沉的使用，效率約束排除了大阻力熱沉的使用，以及稀薄的大氣不提供高效對流的熱耗散。

因此，本應用的實施例將正偏壓旁路二極管中產(chǎn)生的熱傳導到一個或多個周圍太陽能電池110中，將其操作為用于旁路二極管的熱沉。太陽能電池110通過黑體熱輻射和對流耗散到環(huán)境中至周圍環(huán)境可接受的程度而不產(chǎn)生過大的阻力。在一個實施例中，旁路二極管熱連接到其自己周圍組內(nèi)的一個或多個太陽能電池110。這樣，僅不再起作用的太陽能電池改變用途作為熱沉。在其它實施例中，旁路二極管可熱連接到來自多個不同的組的一個或多個太陽能電池110。

圖2、3和4示出了根據(jù)本公開實施例的太陽能電池板200的一部分的不同視圖，太陽能電池板200包括安裝在散熱器上的旁路二極管單元，散熱器將熱耗散到相鄰的太陽能電池中。。圖2是平面圖，圖3是分解透視圖，而圖4分解側(cè)視圖，全部是太陽能電池板200的相同部分。太陽能電池板200表示圖1所示太陽能電池板100的一種可能的實施方案。

太陽能電池板200的所示部分包括太陽能電池205、膠帶210、散熱器215、粘合標簽220和旁路二極管單元225(僅元件的某些例子加了標簽以不使附圖雜亂)。散熱器215的所示實施例包括柔性膜層305、310和315(見圖3和4)。旁路二極管單元225的所示實施例包括基板405、旁路二極管410和電引線415(見圖4)。所示的實施例還包括具有孔425的電絕緣條420和導熱膏430，該導電膏420設置在旁路二極管單元225和散熱器215之間(見圖4)。

散熱器215操作為將旁路二極管410內(nèi)產(chǎn)生的熱通過熱傳導散發(fā)到太陽能電池205。在所示的實施例中，散熱器215由堆疊的柔性膜層305、310和315形成。盡管示出了三層，但是應理解可預期或多或少的層。在一個實施例中，柔性膜層305、310和315同心堆疊，且最小表面面積層305(接近于太陽能電池205)在底部上和最大表面面積層315(接近于旁路二極管410)在頂部上。在該實施例中，柔性膜層在表面面積上從底部到朝著旁路二極管410單調(diào)增加。該技術用于在最接近旁路二極管410處減小熱阻以改善傳導散熱。在一個實施例中，柔性膜層305具有16mm的直徑，柔性膜層310具有32mm的直徑，并且柔性膜層315具有48mm的直徑。當然，可預期各層的其它尺寸和數(shù)量。

散熱器215很好地適合于在輪廓表面中將熱遠離旁路二極管410傳導，其中太陽能電池板200已經(jīng)嵌入物體的外皮中(例如，飛行器的翼蒙皮)中。這樣，散熱器215的各層由柔性導熱片形成。在一個實施例中，柔性膜層305、310和315由熱解石墨片(“pgs”)材料制造。pgs重量輕且薄(例如，0.025mm厚)且高導熱(例如，1600w/mk)，因此，很好地適用于飛行器的重量限制應用。當然，其它的材料和技術可用于實施散熱器215的各層，其包括鋁、銅、銀、蒸汽室(vaporchambers)等。柔性膜層305、310和315設置在太陽能電池205的表面上且與其共形。使它們的形狀和尺寸確定為將熱耗散到一個或多個(例如，兩個或四個)相鄰的太陽能電池205，其自身具有良好的導熱性。在一個實施例中，太陽能電池305是硅太陽能電池。其它類型的導熱太陽能電池也可使用。在成本效益和重量輕的解決方案中，耦合熱到太陽能電池205大大增加了熱耦合到旁路二極管410的熱沉的尺寸。

通過采用高導熱層305、310和315將熱擴散在多個太陽能電池205中，散熱器215在傳統(tǒng)熱沉技術上節(jié)省了重量。這些太陽能電池已經(jīng)存在。這樣的解決方案通過將散熱器215嵌入下層基板的外皮結構中減小了配線復雜性。這樣的解決方案取消了使用散熱片或類似的物件插入氣流中，這可能負面地影響飛行器的空氣動力學性能。盡管這里描述的實施例很好地適用于限重的飛行器，但是旁路二極管單元225和散熱器215也適合于利用具有旁路二極管的太陽能電池板的其它應用的使用(例如，陸地車輛、船舶、靜止的物體等)。

在一個實施例中，膠帶210是單面膠帶，粘合劑側(cè)面對散熱器215以將散熱器215的各層固定在一起。膠帶210應為導熱的以允許熱通過帶傳導到太陽能電池205。膠帶210也可為電絕緣的以防止散熱器215和一個或多個太陽能電池205之間的電短路。在一個實施例中，膠帶210是聚酰亞胺膠帶。

在一個實施例中，粘合標簽220也由單面膠帶制造且用于固定散熱器215在太陽能電池205上的所希望位置。粘合標簽220也可由聚酰亞胺膠帶的小條制造。

為了防止旁路二極管單元225和散熱器215之間的電短路，所示的實施例包括電絕緣條420，該電絕緣條420定位在旁路二極管單元225和散熱器215之間。電絕緣條420在基板405和電引線415重疊散熱器215的部分之下延伸。為了改善導熱，保證旁路二極管410和散熱器215之間的熱接觸，孔425通過電絕緣條420且施加的導熱膏430形成。在一個實施例中，電絕緣條420用聚酰亞胺膠帶制造，其粘合劑側(cè)面對旁路二極管單元225。

圖5a和5b示出了根據(jù)本公開實施例的旁路二極管單元500的俯視和仰視平面圖。旁路二極管單元500是圖2、3和4所示的旁路二極管單元225的一種可能的實施方案。旁路二極管單元500的所示實施例包括基板505、旁路二極管510、電引線515和觸頭520。具有孔530的電絕緣條525粘合到旁路二極管單元500的底面。

在所示的實施例中，旁路二極管510安裝在基板505的底側(cè)上，而電引線515從基板505的頂面連接到觸頭520。在一個實施例中，觸頭520是通過基板的觸頭，以將底面上的旁路二極管510連接到頂面上的電引線515。在一個實施例中，基板505是柔性的，例如柔性印刷電路板，以允許它符合于輪廓表面。

電絕緣條525定位在旁路二極管單元500之下以將觸頭520和電引線515與位于下面的散熱器電絕緣。電絕緣條525應在電引線515下延伸足夠遠以橋接散熱器且防止其間的電連接。在一個實施例中，電絕緣條525是單面聚酰亞胺膠帶，其粘合側(cè)面對基板505。電絕緣條525包括孔530以允許旁路二極管510直接物理接觸散熱器。為了保證良好的熱接觸，導熱膏可施加到旁路二極管510的暴露側(cè)和/或散熱器的接觸部分。

圖6示出了根據(jù)本公開實施例的具有太陽能電池板的示例性飛行器，其旁路二極管安裝在嵌入翼蒙皮中的散熱器上。如上所述，將旁路二極管中產(chǎn)生的熱散發(fā)到周圍太陽能電池的輕重量解決方案很好地適用于飛行器，例如uav。

在所示的實施例中，飛行器600包括窄的、細長的機身621，該機身621連接到一個或多個翼622或其它升力面。飛行器600還可包括穩(wěn)定器吊桿或尾翼624，其支撐一個或多個穩(wěn)定器623以提供穩(wěn)定性和控制功能。飛行器600還可包括推進系統(tǒng)626，進而可包括一個或多個機艙629，其每一個容納電動機628，給對應的螺旋槳627供電。

uav近來已經(jīng)激增，因為它們可執(zhí)行各種有價值的任務而不造成與駕駛飛機相關的成本和風險。典型的uav的任務包括公共安全和通信任務。然而，很多現(xiàn)有的uav的一個缺點是它們具有有限的耐久性，并且可能因此只能停留有限的時間周期。結果，可能難以提供前述的任務持續(xù)很長的時間周期。

解決前述耐久性問題的一個方法是給uav提供太陽能電源，潛在地能使uav保持很長時間周期的停留，因為它在飛行的同時產(chǎn)生所需的功率。飛行器600包括一個或多個電池組以給機載電氣子系統(tǒng)供電(例如，推進系統(tǒng)626、用于調(diào)整飛行表面的致動器、通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等)。太陽能電池板610連接到電池組以在太陽能入射在它們的表面時提供連續(xù)的充電。如所示的太陽能電池板610，其每一個包括一個或多個旁路二極管單元和散熱器，嵌入在翼蒙皮和其它飛行控制表面中。在飛行期間，翼結構上的應力可能導致太陽能電池斷裂，這進而激活旁路二極管以圍繞失效的太陽能電池重新定向電流，因此能使其余的太陽能電池繼續(xù)工作。

飛行器600可特別配置為在由其太陽能電池板610產(chǎn)生的功率下飛行在很高的高度上(例如，65,000ft)。在非常高的高度上，稀薄的大氣不通過對流提供有效的熱傳遞。因此，通過將從旁路二極管產(chǎn)生的熱擴散出來到一個或多個太陽能電池板內(nèi)的太陽能電池，具有通過空氣的較大的熱接觸與較大增加的黑體輻射面積的結合允許在僅略在相鄰太陽能電池的溫度之上的溫度下運行。在一個實施例中，旁路二極管熱連接到它們分流的每個太陽能電池。在該實施例中，僅失效的太陽能電池(或主動旁路的太陽能電池)在失效時重新利用作為熱沉。

本發(fā)明所示實施例的上述描述，包括摘要中的描述，不意味著是詳盡的或限制本發(fā)明到所公開的精確形式。盡管為了說明的目的這里描述了本發(fā)明的具體實施例和示例，但是在本發(fā)明范圍內(nèi)的各種修改是可能的，如相關領域的技術人員所理解。

對本發(fā)明的這些修改可按照上面的詳細描述進行。所附權利要求中使用的術語不應解釋為限制本發(fā)明到說明書中公開的具體實施例。相反，本發(fā)明的范圍完全由所附的權利要求決定，其根據(jù)權利要求解釋確立的原則來解釋。