一种易展收的模块化大折展比太阳能电池结构

技术领域

本发明涉及可折展太阳能电池结构领域，特别涉及一种大折展比、易展收、模块化的便携式可折展太阳能电池结构。

背景技术

随着国民经济的快速发展和社会的不断进步，电子设备和数码产品已经成为人们工作和生活中不可或缺的工具，而这些产品对电力的需求及依赖程度非常高。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有清洁性、安全性、低成本、易获取等优点，利用太阳能电池发电技术将太阳能转变为电能是当今太阳能发电的主流，目前太阳能电池发电技术已经广泛应用与航天、交通、通信、建筑等领域，且随着技术的不断发展，在能源战略中会具有更重要的地位。

太阳能电池的应用场景很多，其功能决定了对其结构参数的要求，如航天设备的太阳能电池阵需要满足大折展比、自动且精确的展开要求，路灯等公共设施上的太阳能电池需要适应一些极端的天气条件。对于便携式太阳能电池，与人们的日常生活更为紧密，需要实现收纳尺寸小、功率足够、重量轻易携带等特点，主要应用于户外旅行等场景为电子设备供电。

目前的便携式太阳能电池仍存在着一些问题。大多便携式太阳能电池都在使用简单的一维或二维的简单矩形对折收纳，其展开和折叠过程步骤复杂，折展比有限，不方便携带和运输；运用特殊可展结构制作的太阳能电池只是展开过程良好，其收纳折叠时依旧十分繁琐，会发生机构处于死点状态等现象。同时便携式太阳能电池的折叠尺寸与展开尺寸是固定的，对于不同工作场景的泛用性不高。

综上所述，便携式太阳能电池以日常使用方便为目标，需要考虑较多功能需求，因此可折展结构的设计工作至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式太阳能电池的可折展结构，以解决目前存在的上述问题。本发明运用折纸机构学的研究方法，设计折痕分布形式，获得可折展结构的折展单元；在验证其具有良好的折展特征的基础上充分考虑加工工艺性，设计结构的几何参数，并进行拓展，在几乎不改变折叠投影面积的同时增加面板数量，提高工作面积。本发明为解决在大折展比便携式太阳能电池无法快速收纳的问题提供了一个新的解决方案，同时模块化的设计使其适用性得到了提升，对于便携式太阳能电池领域具有重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种易展收的模块化大折展比太阳能电池结构，由二十个电池板模块组成，太阳能电池结构分为上部单元和下部单元，上部单元和下部单元中的每个电池板模块之间均通过柔性铰链可拆卸的相连，所述上部单元和下部单元呈轴线对称，所述上部单元和下部单元均由两行五列的电池板模块组成，上部单元的第一行电池板模块之间的柔性铰链按照宽柔性铰链、窄柔性铰链交替设置，上部单元的第二行电池板模块之间的柔性铰链按照窄柔性铰链、宽柔性铰链交替设置，下部单元的第一行电池板模块之间的柔性铰链按照窄柔性铰链、宽柔性铰链交替设置，下部单元的第二行电池板模块之间的柔性铰链按照宽柔性铰链、窄柔性铰链交替设置；上部单元及下部单元中每列的各个电池板模块之间的倾斜方向不同；上部单元与下部单元通过三个等宽且宽度最大的柔性铰链相互连接。

进一步的，所述电池板模块依次分别为板一、板二、板三、板四、板五、板六、板七、板八、板九、板十、板十一、板十二、板十三、板十四、板十五、板十六、板十七、板十八、板十九、板二十；

柔性铰链设置有二十九个，分别为铰链一、铰链二、铰链三、铰链四、铰链五、铰链六、铰链七、铰链八、铰链九、铰链十、铰链十一、铰链十二、铰链十三、铰链十四、铰链十五、铰链十六、铰链十七、铰链十八、铰链十九、铰链二十、铰链二十一、铰链二十二、铰链二十三、铰链二十四、铰链二十五、铰链二十六、铰链二十七、铰链二十八、铰链二十九；

所述板一与板二在x方向上相邻并通过铰链十四连接，板二与板三在x方向上相邻并通过铰链十五连接，板三与板四在x方向上相邻并通过铰链十六连接，板四与板五在x方向上相邻并通过铰链十七连接，板六与板七在x方向上相邻并通过铰链十八连接，板七与板八在x方向上相邻并通过铰链十九连接，板八与板九在x方向上相邻并通过铰链二十连接，板九与板十在x方向上相邻并通过铰链二十一连接，板十一与板十二在x方向上相邻并通过铰链二十二连接，板十二与板十三在x方向上相邻并通过铰链二十三连接，板十三与板十四在x方向上相邻并通过铰链二十四连接，板十四与板十五在x方向上相邻并通过铰链二十五连接，板十六与板十七在x方向上相邻并通过铰链二十六连接，板十七与板十八在x方向上相邻并通过铰链二十七连接，板十八与板十九在x方向上相邻并通过铰链二十八连接，板十九与板二十在x方向上相邻并通过铰链二十九连接；

所述板一与板六在y方向上相邻并通过铰链一连接，板二与板七在y方向上相邻并通过铰链二连接，板三与板八在y方向上相邻并通过铰链三连接，板四与板九在y方向上相邻并通过铰链四连接，板五与板十在y方向上相邻并通过铰链五连接，板六与板十一在y方向上相邻并通过铰链六连接，板八与板十三在y方向上相邻并通过铰链七连接，板十与板十五在y方向上相邻并通过铰链八连接，板十一与板十六在y方向上相邻并通过铰链九连接，板十二与板十七在y方向上相邻并通过铰链十连接，板十三与板十八在y方向上相邻并通过铰链十一连接，板十四与板十九在y方向上相邻并通过铰链十二连接，板十五与板二十在y方向上相邻并通过铰链十三连接；

所述铰链一、铰链二、铰链三、铰链四、铰链五、铰链六、铰链七、铰链八、铰链九、铰链十、铰链十一、铰链十二、铰链十三的轴线相互平行，铰链十四、铰链十五、铰链十六、铰链十七、铰链二十二、铰链二十三、铰链二十四、铰链二十五的轴线相互平行，铰链十八、铰链十九、铰链二十、铰链二十一、铰链二十六、铰链二十七、铰链二十八、铰链二十九的轴线相互平行；

所述板一、板二、板三、板四、板五、板六、板七、板八、板九、板十、铰链一、铰链二、铰链三、铰链四、铰链五、铰链十四、铰链十五、铰链十六、铰链十七、铰链十八、铰链十九、铰链二十、铰链二十一组成太阳能电池结构的上部单元，板十一、板十二、板十三、板十四、板十五、板十六、板十七、板十八、板十九、板二十、铰链九、铰链十、铰链十一、铰链十二、铰链十三、铰链二十二、铰链二十三、铰链二十四、铰链二十五、铰链二十六、铰链二十七、铰链二十八、铰链二十九组成太阳能电池结构的下部单元；所述上部单元与下部单元关于铰链六、铰链七、铰链八的轴线对称；

进一步的，所述电池板模块由两层结构组成，上层结构为太阳能电池板，下层结构为平行四边形基板，各个平行四边形基板的形状及尺寸相同且等厚度。

进一步的，根据平行四边形基板与太阳能电池板配合表面的不同，分为两类电池板模块，所述板一、板二、板三、板四、板五、板十一、板十二、板十三、板十四、板十五为同一类电池板模块，板六、板七、板八、板九、板十、板十六、板十七、板十八、板十九、板二十为同一类电池板模块。

进一步的，所述平行四边形基板的每条侧边上各设有两个连接插孔，所述柔性铰链由铰链主体和连接插头组成；所述电池板模块与柔性铰链连接时，连接插头与连接插孔形成连接配合。

进一步的，通过改变所述电池板模块中平行四边形基板外形尺寸与内角角度的几何参数，得到不同折展比的太阳能电池结构。平行四边形基板内锐角均为86°。

进一步的，所述柔性铰链在折叠过程中按照折叠方向分别对应两种折痕类型，铰链一、铰链二、铰链三、铰链四、铰链五、铰链九、铰链十、铰链十一、铰链十二、铰链十三、铰链十四、铰链十六、铰链十九、铰链二十一、铰链二十三、铰链二十五、铰链二十六、铰链二十八对应谷线折痕，铰链六、铰链七、铰链八、铰链十五、铰链十七、铰链十八、铰链二十、铰链二十二、铰链二十四、铰链二十七、铰链二十九对应山线折痕；

通过柔性铰链相连的池板模块之间存在间隙，所述间隙为柔性铰链的工作宽度；记电池板模块的厚度为T，柔性铰链的厚度为t，柔性铰链工作宽度的条件满足：

铰链一、铰链二、铰链三、铰链四、铰链五、铰链九、铰链十、铰链十一、铰链十二、铰链十三、铰链十五、铰链十七、铰链十八、铰链二十、铰链二十二、铰链二十四、铰链二十七、铰链二十九的工作宽度大于等于2(T+t)，铰链十四、铰链十六、铰链十九、铰链二十一、铰链二十三、铰链二十五、铰链二十六、铰链二十八的工作宽度大于等于4(T+t)，铰链六、铰链七、铰链八的工作宽度大于等于16(T+t)；

进一步的，太阳能电池结构采用分步折叠的方式，第一步折叠将板一、板二、板三、板四、板五整行折叠至板六、板七、板八、板九、板十所在行，同时将板十六、板十七、板十八、板十九、板二十整行折叠至板十一、板十二、板十三、板十四、板十五所在行，在投影方向上形成两行结构；第二步折叠可通过自身的结构特性形成一步折叠；太阳能电池结构的展开步骤与折叠步骤相反。

进一步的，太阳能电池结构能够在上下两端同时加上整行面板，实现无限拓展，得到更大的折展比。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明的太阳能电池结构折展比大，折叠状态下投影面积较小，方便储存、运输或携带，展开状态下表面积较大，可完全展平，工作功率大。

2.本发明的太阳能电池结构采用折纸机构设计方法，展开步骤少，展开效果优秀，在折叠时可实现双手操作下的快速收纳。

3.本发明的太阳能电池结构的平行四边形基板外形规格统一，适用于批量化生产。

4.本发明的太阳能电池结构采用模块化设计，适合批量化加工封装。

5.本发明的太阳能电池结构采用柔性铰链连接，对制造误差的敏感性较低，加工难度低。

6.本发明的太阳能电池结构可以根据工况选择不同的电池板模块的外形尺寸，以满足对整体尺寸的不同需求。

7.本发明的太阳能电池结构可以根据工况选择不同的电池板模块数量，可快速组装，以满足对折展比的不同需求。

8.本发明的太阳能电池结构在实际使用过程中存在多种工作构型，满足不同的应用场景。

附图说明

图1为本实施例中太阳能电池结构的投影结构示意图。

图2为本发明所采用的厚板折纸原理图。

图3为本发明中电池板模块的示意图。

图4-1为板六的仰视投影图，图4-2为铰链一的示意图，图4-3为板六、板一与铰链一的局部装配仰视投影图。

图5-1为内锐角86°时的平行四边形基板及结构折叠后的投影图，图5-2为内锐角60°时的平行四边形基板及结构折叠后的投影图.

图6-1至图6-5为本实施例中太阳能电池结构示意图及其折叠过程，其中图6-1为太阳能电池结构示意图，图6-2为第一步折叠过程中的结构示意图，图6-3为第一步折叠完成的结构示意图，图6-4为第二步折叠过程中的结构示意图，图6-5为最终得到的折叠状态结构示意图。

图7为本发明的拓展方法示意图。

附图标记：1-电池板模块，11-平行四边形基板，12-太阳能电池板，13-连接插孔；2-柔性铰链，21-铰链主体，22-连接插头；

P1-板一，P2-板二，P3-板三，P4-板四，P5-板五，P6-板六，P7-板七，P8-板八，P9-板九，P10-板十，P11-板十一，P12-板十二，P13-板十三，P14-板十四，P15-板十五，P16-板十六，P17-板十七，P18-板十八，P19-板十九，P20-板二十；

X1-铰链一，X2-铰链二，X3-铰链三，X4-铰链四，X5-铰链五，X6-铰链六，X7-铰链七，X8-铰链八，X9-铰链九，X10-铰链十，X11-铰链十一，X12-铰链十二，X13-铰链十三，Y14-铰链十四，Y15-铰链十五，Y16-铰链十六，Y17-铰链十七，Y18-铰链十八，Y19-铰链十九，Y20-铰链二十，Y21-铰链二十一，Y22-铰链二十二，Y23-铰链二十三，Y24-铰链二十四，Y25-铰链二十五，Y26-铰链二十六，Y27-铰链二十七，Y28-铰链二十八，Y29-铰链二十九。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1所示，本实例提供了一种易展收的模块化大折展比太阳能电池结构，包括二十个电池板模块1和二十九个柔性铰链2；电池板模块1依次分别为板一P1、板二P2、板三P3、板四P4、板五P5、板六P6、板七P7、板八P8、板九P9、板十P10、板十一P11、板十二P12、板十三P13、板十四P14、板十五P15、板十六P16、板十七P17、板十八P18、板十九P19、板二十P20；柔性铰链2依次分别为铰链一X1、铰链二X2、铰链三X3、铰链四X4、铰链五X5、铰链六X6、铰链七X7、铰链八X8、铰链九X9、铰链十X10、铰链十一X11、铰链十二X12、铰链十三X13、铰链十四Y14、铰链十五Y15、铰链十六Y16、铰链十七Y17、铰链十八Y18、铰链十九Y19、铰链二十Y20、铰链二十一Y21、铰链二十二Y22、铰链二十三Y23、铰链二十四Y24、铰链二十五Y25、铰链二十六Y26、铰链二十七Y27、铰链二十八Y28、铰链二十九Y29。

板一P1与板二P2在x方向上相邻并通过铰链十四Y14连接，板二P2与板三P3在x方向上相邻并通过铰链十五Y15连接，板三P3与板四P4在x方向上相邻并通过铰链十六Y16连接，板四P4与板五P5在x方向上相邻并通过铰链十七Y17连接，板六P6与板七P7在x方向上相邻并通过铰链十八Y18连接，板七P7与板八P8在x方向上相邻并通过铰链十九Y19连接，板八P8与板九P9在x方向上相邻并通过铰链二十Y20连接，板九P9与板十P10在x方向上相邻并通过铰链二十一Y21连接，板十一P11与板十二P12在x方向上相邻并通过铰链二十二Y22连接，板十二P12与板十三P13在x方向上相邻并通过铰链二十三Y23连接，板十三P13与板十四P14在x方向上相邻并通过铰链二十四Y24连接，板十四P14与板十五P15在x方向上相邻并通过铰链二十五Y25连接，板十六P16与板十七P17在x方向上相邻并通过铰链二十六Y26连接，板十七P17与板十八P18在x方向上相邻并通过铰链二十七Y27连接，板十八P18与板十九P19在x方向上相邻并通过铰链二十八Y28连接，板十九P19与板二十P20在x方向上相邻并通过铰链二十九Y29连接。

板一P1与板六P6在y方向上相邻并通过铰链一X1连接，板二P2与板七P7在y方向上相邻并通过铰链二X2连接，板三P3与板八P8在y方向上相邻并通过铰链三X3连接，板四P4与板九P9在y方向上相邻并通过铰链四X4连接，板五P5与板十P10在y方向上相邻并通过铰链五X5连接，板六P6与板十一P11在y方向上相邻并通过铰链六X6连接，板八P8与板十三P13在y方向上相邻并通过铰链七X7连接，板十P10与板十五P15在y方向上相邻并通过铰链八X8连接，板十一P11与板十六P16在y方向上相邻并通过铰链九X9连接，板十二P12与板十七P17在y方向上相邻并通过铰链十X10连接，板十三P13与板十八P18在y方向上相邻并通过铰链十一X11连接，板十四P14与板十九P19在y方向上相邻并通过铰链十二X12连接，板十五P15与板二十P20在y方向上相邻并通过铰链十三X13连接。

铰链一X1、铰链二X2、铰链三X3、铰链四X4、铰链五X5、铰链六X6、铰链七X7、铰链八X8、铰链九X9、铰链十X10、铰链十一X11、铰链十二X12、铰链十三X13的轴线相互平行，铰链十四Y14、铰链十五Y15、铰链十六Y16、铰链十七Y17、铰链二十二Y22、铰链二十三Y23、铰链二十四Y24、铰链二十五Y25的轴线相互平行，铰链十八Y18、铰链十九Y19、铰链二十Y20、铰链二十一Y21、铰链二十六Y26、铰链二十七Y27、铰链二十八Y28、铰链二十九Y29的轴线相互平行。

板一P1、板二P2、板三P3、板四P4、板五P5、板六P6、板七P7、板八P8、板九P9、板十P10、铰链一X1、铰链二X2、铰链三X3、铰链四X4、铰链五X5、铰链十四Y14、铰链十五Y15、铰链十六Y16、铰链十七Y17、铰链十八Y18、铰链十九Y19、铰链二十Y20、铰链二十一Y21、组成太阳能电池结构的上部单元，板十一P11、板十二P12、板十三P13、板十四P14、板十五P15、板十六P16、板十七P17、板十八P18、板十九P19、板二十P20、铰链九X9、铰链十X10、铰链十一X11、铰链十二X12、铰链十三X13、铰链二十二Y22、铰链二十三Y23、铰链二十四Y24、铰链二十五Y25、铰链二十六Y26、铰链二十七Y27、铰链二十八Y28、铰链二十九Y29组成太阳能电池结构的下部单元；上部单元与下部单元关于铰链六X6、铰链七X7、铰链八X8的轴线对称。

柔性铰链2在连接电池板模块1时会使电池板模块之间存在一定的距离，此距离称为柔性铰链2的工作宽度；记电池板模块的厚度为T，柔性铰链的厚度为t，可得到柔性铰链2工作宽度的条件：铰链一X1、铰链二X2、铰链三X3、铰链四X4、铰链五X5、铰链九X9、铰链十X10、铰链十一X11、铰链十二X12、铰链十三X13、铰链十五Y15、铰链十七Y17、铰链十八Y18、铰链二十Y20、铰链二十二Y22、铰链二十四Y24、铰链二十七Y27、铰链二十九Y29的工作宽度不小于2(T+t)，铰链十四Y14、铰链十六Y16、铰链十九Y19、铰链二十一Y21、铰链二十三Y23、铰链二十五Y25、铰链二十六Y26、铰链二十八Y28的工作宽度不小于4(T+t)，铰链六X6、铰链七X7、铰链八X8的工作宽度不小于16(T+t)。

参见图2所示，本实例的折叠原理是将原本不能实现谷线折叠的两板间隔放开，中间使用薄膜覆盖在两板下方，在折叠过程中，薄膜的宽度提供了容纳板厚的空间，从而实现谷线折叠。

参见图3所示，电池板模块1由两层结构组成，下层结构为平行四边形基板11，上层结构为太阳能电池板12，各个平行四边形基板11的形状及尺寸相同且等厚度；根据平行四边形基板11与太阳能电池板12配合表面的不同，可分出两类电池板模块，如图1中的板一P1、板二P2、板三P3、板四P4、板五P5、板十一P11、板十二P12、板十三P13、板十四P14、板十五P15为同一种电池板模块，板六P6、板七P7、板八P8、板九P9、板十P10、板十六P16、板十七P17、板十八P18、板十九P19、板二十P20为同一种电池板模块。

参见图4-1所示，平行四边形基板11的每条侧边上各有两个连接插孔13；参见图4-2所示，柔性铰链2由铰链主体21和连接插头22组成；参见图4-3所示，电池板模块1与柔性铰链2连接时，连接插头22与连接插孔13形成连接配合。

参见图5-1和图5-2所示，通过改变电池板模块中平行四边形基板外形尺寸与内角角度的几何参数，可以得到不同折展比的太阳能电池结构；对于面积均为0.029m

参见图6-1至图6-5所示，太阳能电池结构采用分步折叠的方式，如图6-1和6-2所示，第一步折叠将板一P1、板二P2、板三P3、板四P4、板五P5整行折叠至板六P6、板七P7、板八P8、板九P9、板十P10所在行，同时将板十六P16、板十七P17、板十八P18、板十九P19、板二十P20整行折叠至板十一P11、板十二P12、板十三P13、板十四P14、板十五P15所在行，在投影方向上形成两行结构，如图6-3所示；如图6-4所示，第二步折叠可通过自身的结构特性形成一步折叠，最终得到图6-5所示的完全折叠状态，实现太阳能电池结构的快速收纳；太阳能电池结构的展开步骤与折叠步骤相反；由图中可看到柔性铰链在折叠过程中按照折叠方向分别对应两种折痕类型，铰链一X1、铰链二X2、铰链三X3、铰链四X4、铰链五X5、铰链九X9、铰链十X10、铰链十一X11、铰链十二X12、铰链十三X13、铰链十四Y14、铰链十六Y16、铰链十九Y19、铰链二十一Y21、铰链二十三Y23、铰链二十五Y25、铰链二十六Y26、铰链二十八Y28对应谷线折痕，铰链六X6、铰链七X7、铰链八X8、铰链十五Y15、铰链十七Y17、铰链十八Y18、铰链二十Y20、铰链二十二Y22、铰链二十四Y24、铰链二十七Y27、铰链二十九Y29对应山线折痕。

参见图7所示，太阳能电池结构可在y方向上的两端同时加上整行面板，实现结构的拓展，图中定义x方向为水平方向，y方向为竖直方向，沿x方向划分面板列数为M，沿y方向划分面板行数为2N，用小写字母n与m作为序号来确定特定的行数与列数，此时结构仍具有轴对称特性，对称轴上方的行数沿x正方向为第1行至第N行，对称轴上方的行数沿x负方向为第-1行至第-N行；

对称轴上方的折痕分布为：x方向上，当n为奇数时，第n行与第n+1行之间的柔性铰链对应谷线，当n为偶数时，第n行与第n+1行之间的柔性铰链对应为山线；在y方向上，在第1行位置处，当n为奇数时，第m列与第m+1列之间的柔性铰链对应为山线，当m为偶数时，第m列与第m+1列之间的柔性铰链对应为谷线；随着行数n的增加，同一列的柔性铰链对应的山谷线类型交替变换；对称轴下方的柔性铰链对应关系与对称轴上方柔性铰链对应关系关于水平对称轴对称；

将电池板模块的厚度记为T，柔性铰链的厚度记为t，将柔性铰链的工作宽度记为H，其约束条件为：水平对称轴处的连接铰链工作宽度不小于：H

图7给出的结构与图1中的结构在完全折叠状态下的投影面积一致，此方法可以实现结构的无限拓展，得到更大的折展比。

最后需要指出的是：以上实例仅用以说明本发明的计算过程，而非对其限制。尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实例所记载的计算过程进行修改，或者对其中部分参数进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应计算方法的本质脱离本发明计算方法的精神和范围。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。