ПРИЕМНИК-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области беспроводной передачи энергии с потоком концентрированного электромагнитного излучения оптического диапазона, в частности монохроматического электромагнитного излучения лазера /1, с.199/, на приемник-преобразователь на основе фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) и может найти применение в космической энергетике.

В настоящее время в космической технике определился ряд новых направлений, основанных на использовании лазерного излучения. Среди них весьма перспективным направлением следует считать передачу энергии между космическими аппаратами (КА) по оптическому каналу в системах беспроводной передачи электроэнергии. В настоящее время каждый КА оснащен собственной системой генерирования электрической энергии. Однако существует альтернативный способ энергоснабжения, предусматривающий использование централизованных электростанций и передачу энергии космическим аппаратам-потребителям при помощи электромагнитного излучения. При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс /2/.

Широко известны конструкции приемников-преобразователей электромагнитного излучения на основе солнечных батарей (СБ) /1, с.131-135/, состоящих из панелей солнечных элементов (СЭ) - фотоэлектрических преобразователей. Так, ориентируемая СБ представляет электромеханическое устройство, включающее несущую подложку, на которой монтируются СЭ и межэлементные соединения, обеспечивающие электрическую коммутацию СЭ, силовую конструкцию (рамы, балки, мачты и т.п.), механизмы и силовые узлы систем раскрытия и ориентации. Для обеспечения требуемого напряжения на шинах солнечной батареи СЭ коммутируются последовательно в цепочки, которые соединяются между собой параллельно, обеспечивая получение заданного тока на шинах СБ. Скоммутированные СЭ образуют группу. Группы соединяются параллельно в ряды, а несколько последовательно соединенных рядов образуют панель. Полная СБ собирается из нескольких панелей. К недостаткам данных конструкций следует отнести невысокие удельные параметры (выходную мощность с единицы площади и массы) солнечных батарей /1, с.141/.

Наиболее близким по технической сущности является приемник-преобразователь концентрированного солнечного излучения солнечной фотоэлектрической энергоустановки (СФЭУ), включающий панель фотоэлементов с антиотражающим покрытием, скоммутированных между собой, систему концентрирования солнечного излучения, систему отвода тепла от панели с фотоэлементами, несущую силовую конструкцию /3, с.245/ /1, с.119/. Основными элементами системы концентрирования солнечного излучения являются традиционные концентраторы в виде параболоидов, которые успешно используются в наземных солнечных фотоэлектрических установках. В космосе более целесообразны концентраторы конической и клиновидной конфигурации, которые конструктивно объединены с приемниками-преобразователями гелиоустановок и позволяют использовать как прямое, так и отраженное солнечное излучение /1, с.28/. Концентрация солнечного излучения на поверхности СЭ позволяет повысить удельную выходную мощность с единицы площади и массы элемента, а следовательно, уменьшить количество СЭ и расход полупроводниковых материалов, необходимых для обеспечения заданной полной электрической мощности СФЭУ. Это достигается как за счет повышения плотности лучистого потока, падающего на поверхность СЭ, так и вследствие роста их КПД при высоких уровнях облученности /1, с.114/. В СФЭУ, содержащих множество последовательно и параллельно соединенных СЭ, которые должны работать в одинаковых условиях, с целью уменьшения схемных потерь необходимо обеспечивать равномерное облучение всех элементов. Основной недостаток - большие схемные потери, из-за значительной неравномерности распределения плотности сконцентрированного излучения, характерные при использовании конических концентраторов с многоэлементными ФЭП, а также концентраторов с криволинейными образующими и расположением приемника в проходящем потоке излучения /3, с.219/.

Неравномерность распределения плотности энергии, падающей на приемную плоскость приемника-преобразователя, отмечается также для лазерного луча /4, с.43/.

Нужно отметить, что конструкции, преобразующие солнечную энергию, имеют общий недостаток, связанный с неполным использованием падающего на ФЭП потока солнечного излучения для создания фототока. Это связано с тем, что солнечный свет в отличие от лазерного излучения не является монохроматическим, а содержит электромагнитные волны различных частот. Использование лазерного излучения для передачи энергии позволяет поднять КПД приемников-преобразователей энергии в сравнении с обычными солнечными батареями 121, где характерны спектральные потери. При этом значительно снижается разогрев панелей ФЭП, обусловленный спектральными потерями.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД и ресурса приемника-преобразователя электромагнитного излучения за счет снижения неравномерности распределения плотности концентрированного электромагнитного излучения, нормально падающего на его приемную плоскость.

Поставленная задача достигается тем, что в приемнике-преобразователе концентрированного электромагнитного излучения, включающем приемную плоскость, выполненную в виде панели фотоэлементов с антиотражающим покрытием, скоммутированных между собой, систему отвода тепла от фотоэлементов, несущую силовую конструкцию, на внешней поверхности приемной плоскости установлены своими основаниями три симметричные концентричные конические оболочки - центральная, периферийная и средняя между ними, при этом их общая ось симметрии проходит через центр панели фотоэлементов, выполненной в виде круга радиусом R, и перпендикулярна панели, причем периферийная и средняя конические оболочки выполнены усеченными с высотой h каждая, средняя коническая оболочка выполнена со средним радиусом основания r_α и с углом при вершине

периферийная коническая оболочка выполнена со средним радиусом основания r_β=R и углом при вершине β, отвечающим соотношению

центральная коническая оболочка выполнена со средним радиусом основания r_γ и углом при вершине γ, отвечающими соотношению

где

а внешние поверхности средней и центральной конических оболочек и внутренние поверхности периферийной и средней конических оболочек выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения.

В приемнике-преобразователе концентрированного электромагнитного излучения поверхности конических оболочек с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения выполнены в виде полированных подложек с отражающим покрытием из серебра.

Одной из важных характеристик потока концентрированного электромагнитного излучения является функция распределения плотности энергии, падающей на приемную плоскость приемника-преобразователя.

В частности, для монохроматического электромагнитного излучения лазера характерна острая направленность (коллимация) пучка, что позволяет собрать и сфокусировать энергию, переносимую лазерным пучком, на малой площади. Малая величина угла расходимости излучения лазера позволяет эффективно собрать энергию на чрезвычайно больших расстояниях от излучателя /4, с.40/. Обычно предпочтительно осуществлять работу с гауссовым пучком, где зависимость интенсивности I от радиуса r в поперечном сечении лазерного пучка, проводимого из центра пучка, дается выражением /4, с.43/

где I₀ - интенсивность в центре пучка, а r₀ - так называемый радиус гауссового пучка, т.е. радиус, на котором интенсивность снижается в e² раз по сравнению с интенсивностью в центре.

Гауссовы пучки предпочтительней в силу их симметрии и минимальности угла расходимости пучка. Пространственная форма гауссова пучка будет оставаться неизменной и при прохождении пучка через оптические системы /4, с.43/.

Однако во многих твердотельных лазерах наблюдаются более сложные пространственные распределения, не поддающиеся описанию в простых математических выражениях. Эти сложные распределения являются следствием неизбежных дефектов в лазерном стержне, например следствием неоднородностей коэффициента преломления, а также изменений длины оптического пути и двойного лучепреломления в лазерном стержне при накачке, т.е. являются индивидуальной характеристикой конкретного лазера. Так, в примере, приведенном в /4, с.45/, относительное распределение плотности энергии в несфокусированном пятне импульса излучения рубинового лазера между центральной и периферийной областями пятна различается в двадцать раз, резко падая от центральной области к периферии.

Предложенное в заявке техническое решение позволит перераспределить энергию, переносимую концентрированным электромагнитным излучением, в частности лазерным пучком, и более равномерно распределить интенсивность электромагнитного излучения по поверхности приемной плоскости с фотоэлементами. Данное предложение позволит повысить ресурс и КПД приемника-преобразователя, облегчить работу системы отвода тепла от фотоэлементов, уменьшить схемные потери.

Предложение выполнять поверхности конических оболочек, которые участвуют в процессе переотражения концентрированного электромагнитного излучения, в виде полированных подложек с отражающим покрытием из серебра вызвано в первую очередь максимально высоким спектральным коэффициентом отражения пленок серебра ρ_λ /5, с.783/.

Суть изобретения поясняется фиг.1-7. На фиг.1 приведен общий вид приемника-преобразователя концентрированного электромагнитного излучения. На фиг.2 показана коммутация фотоэлементов с антиотражающим покрытием. На фиг.3 дается пояснение к выводу соотношения для угла γ при вершине центральной конической оболочки. На фиг.4 дается пояснение к выводу соотношения для угла γ при вершине периферийной конической оболочки. На фиг.5 и фиг.6 приведен ход лучей между средним и центральным коническими оболочками для двух крайних значений угла γ при вершине центральной конической оболочки 45° и 90° соответственно. На фиг.7 приведена таблица значений параметров для конкретного примера выполнения приемника-преобразователя концентрированного электромагнитного излучения. На фиг.1-7 приведено:

1 - электромагнитное излучение;

2 - приемная плоскость;

3 - фотоэлементы;

4 - антиотражающее покрытие;

5 - система отвода тепла;

6 - несущая силовая конструкция;

7 - периферийная коническая оболочка;

8 - средняя коническая оболочка;

9 - центральная коническая оболочка;

10 - шины;

11 - электрическая коммутация.

Приемник-преобразователь концентрированного электромагнитного излучения работает следующим образом. На приемную плоскость 2, выполненную в виде панели фотоэлементов 3 в виде круга радиусом R и установленную на несущую силовую конструкцию 6, падает нормально поток электромагнитного излучения 1, в частности монохроматическое электромагнитное излучение лазера, с максимальной интенсивностью в центральной области пучка электромагнитного излучения 1 и, например, экспоненциально снижающейся к периферии. Причем пучок электромагнитного излучения 1 направляют в центр панели фотоэлементов 3 приемной плоскости 2. Электромагнитное излучение 1 центральной области пучка, ограниченное радиусом r_α - h верхнего основания средней конической оболочки 8, с максимальной интенсивностью падает на внешнюю зеркальную поверхность центральной конической оболочки 9, отражаясь на приемную плоскость 2 и (или) на зеркальную внутреннюю поверхность средней конической оболочки 8, откуда отражается на приемную плоскость 2. Причем центральная коническая оболочка 9 выполнена так, что ее геометрические параметры отвечают соотношению r_γ=[h+(r_α-h)/tgγ]·tg(γ/2), где 90°≥γ≥45°, что исключает потери энергии при переотражении. Это позволяет перераспределить на гораздо большей площади энергию максимальной интенсивности центральной области пучка электромагнитного излучения 1, т.е. перераспределить энергию максимальной интенсивности на область панели фотоэлементов 3 заключенную в кольце с внутренним радиусом r_γ и внешним r_α. Оставшаяся энергия потока электромагнитного излучения 1 перераспределяется на приемную плоскость 2 в кольце с внутренним радиусом r_α и внешним r_β. Эта энергия частично падает непосредственно на приемную плоскость 2, а другая часть падает на боковую поверхность средней конической оболочки 8, затем зеркально отражаясь от нее на внутреннюю поверхность периферийной конической оболочки 7, откуда отражением попадает на приемную плоскость 2. Таким образом, при использовании как прямого, так и отраженного электромагнитного излучения 1 можно более равномерно перераспределить энергию на область панели фотоэлементов 3, заключенную в кольце с внутренним радиусом r_α и внешним r_β=R. Причем периферийная коническая оболочка 7 выполнена так, что бы ее угол при вершине отвечал соотношению 90°≥β≥arcsin[h/(r_β-r_α)], что исключает потери энергии при переотражении. Внешние поверхности средней 8 и центральной 9 конических оболочек и внутренние поверхности периферийной 7 и средней 8 конических оболочек, с целью максимально высокого отражения электромагнитного излучения 1, выполнены в виде полированных подложек с отражающим покрытием из серебра. После чего электромагнитное излучение 1 проходит через прозрачное антиотражающее покрытие 4 в фотоактивную область фотоэлементов 3, где происходит прямое преобразование энергии электромагнитного излучения 1 в фотоэлектрический ток. Для обеспечения требуемого напряжения на шинах 10 приемника-преобразователя фотоэлементы 3 электрической коммутацией 11 соединяются между собой последовательно, а затем параллельно, что и обеспечивает получение заданного тока. Благодаря более равномерному распределению плотности энергии электромагнитного излучения 1 на приемной плоскости 2 создаются более равномерные условия работы фотоэлементов 3, снижается риск разрушения отдельных фотоэлементов и межэлементных связей, снижается разброс электрических параметров фотоэлементов и групп, что в целом снижает схемные потери, а также повышает ресурс и КПД приемника-преобразователя. Кроме того, создаются более благоприятные условия работы системы отвода тепла 5 от фотоэлементов 3.

Выражения (1)-(4) определяют конструктивные характеристики трех конических оболочек при оптимальном их проектировании с точки зрения равномерности распределения интенсивности электромагнитного излучения по приемной плоскости. Как видно из фиг.1, вся поверхность приемной плоскости состоит из:

1) центральной области площадью и расположенной под центральной конической оболочкой;

2) средней области площадью и расположенной между средней и центральной коническими оболочками, на которую перераспределяется энергия электромагнитного излучения, отраженная от центральной конической оболочки;

3) периферийной области площадью и расположенной между периферийной и средней коническими оболочками, на которую падает прямое электромагнитное излучение и отраженное от внешней средней и внутренней периферийной поверхностей конических оболочек.

Причем периферийная область может состоять из двух зон, как показано на фиг.4:

- зона воздействия только прямого электромагнитного излучения площадью ;

- зона смешанного воздействия, прямого и отраженного, электромагнитного излучения площадью .

Одна часть энергии электромагнитного излучения, с максимальной интенсивностью в центральной области, падая на поверхность центрального конуса, перераспределяется на среднюю область приемной плоскости. Причем параметры центральной конической оболочки (угол γ и r_γ) выражают через предварительно заданные параметры (r_α, h) средней конической оболочки. Эти параметры определяют исходя из недопущения потерь энергии электромагнитного излучения, отраженной от центральной оболочки, как это показано для хода лучей на фиг.3. Средний радиус основания центральной оболочки r_γ, как видно на фиг.3, можно определить из треугольников ΔABC и ΔDOC. В соответствии с законом отражения волн следует, что ∠ACB=γ, a ∠DCO=γ/2.

Из ΔABC следует, что АВ/ВС=tgγ. Поскольку АВ=r_α-h, можно определить сторону BC из соотношения

Из ΔDOC следует, что DO/ОС=tg γ/2. Поскольку DO=r_γ и ОС=h+ВC, то

Подставляем выражение (6) для ВС в (7) и определяем средний радиус основания центральной оболочки r_γ, т.е. получаем соотношение (3). В соотношении (3) угол γ отвечает выражению (4), т.е. 90°≥γ≥45°, при этом выражения для r_γ, при граничных значениях γ, как следует из (3), приводятся к виду: r_γ=h при γ=90° и r_γ=r_αtg(45°/2) при γ=45°. Ход лучей, падающих на центральную коническую оболочку, для граничных значений γ приведен на фиг.5 и фиг.6.

Другая часть энергии электромагнитного излучения, падающая на боковую поверхность средней конической оболочки, выполненной с углом при вершине α=90°, затем отражается от нее на внутреннюю поверхность периферийной конической оболочки, выполненную с углом при вершине β, откуда и распределяется, в зависимости от угла β, по поверхности периферийной области приемной плоскости. Границы угла β, т.е. соотношение (2), определены исходя из недопущения потерь энергии электромагнитного излучения, падающего на среднюю коническую оболочку. Минимальный угол β^min при вершине периферийной конической оболочки определен исходя из минимальной затененности поверхности приемной плоскости и недопущения попадания переотраженного луча на внешнюю поверхность средней конической оболочки, как это видно на фиг.4. Исходя из вышесказанного максимальный угол β^max не должен превышать 90°, а выражение для угла β в общем виде можно получить из двух прямоугольных треугольников ΔADB и ΔDBC на фиг.4. В соответствии с законом отражения волн следует, что ∠ABD=β/2, a ∠BCD=β. Откуда из ΔADB следует, что AD=htg(β/2), а из ΔDBC следует, что DC=h/tgβ. Поскольку AD+DC=r_β-r, получаем соотношение

Пользуясь соотношением для половинного угла tg(β/2)=(1-cosβ)/sinβ, из (8) получаем выражение для угла β

где r_β>r≥r_α, откуда при r=r_α получаем выражение для минимального угла β^min

Приведем расчетный пример выполнения приемника-преобразователя концентрированного электромагнитного излучения.

Положим, что на приемную плоскость, состоящую из панели фотоэлементов и выполненную в виде круга радиуса R=0,564 м, что соответствует суммарной площади ΣS=1 м², падает нормально концентрированное электромагнитного излучение, в частности монохроматическое электромагнитное излучение полупроводникового лазера /6, с.188-192/. Положим лазер излучает с суммарной мощностью ΣQ=18,2 кВт, работает в непрерывном режиме и испускает электромагнитные волны длиной λ=0,8 мкм /7, с.338/. Для этой длины волны коэффициент отражения пленки серебра, которую используем в качестве покрытия конических поверхностей, ρλ=0,964 /5, с.783/. В качестве полупроводникового материала фотоэлементов приемника-преобразователя выбираем, например, GaAs как эффективный полупроводниковый материал для ФЭП. В частности, этот материал имеет наивысший показатель поглощения для данной длины волны лазера в сравнении с другими полупроводниками /1, с.93/. Антиотражающее покрытие фотоэлементов предположим выполнено из ZnS /8/. Разделим площадь панели фотоэлементов ΣS на пять участков, каждая площадью , как показано в таблице на фиг.7, где i - целое число, принимающее значения от 0 до 5, a r_i - текущий радиус.

Положим в данном лазерном пучке наблюдаются сложные пространственные распределения, не поддающиеся описанию в простых математических выражениях и являющиеся индивидуальной характеристикой данного лазера, и отвечают характерным для большинства лазеров распределением плотности энергии - максимальной в центральной части лазерного пучка экспоненциально падающей к периферии. Это принятое в данном примере распределение плотности энергии лазерного излучения W_i в зависимости от r_i приведено в таблице на фиг.7, причем, как видно из таблицы, интенсивность в центральной части пучка в двадцать раз превышает интенсивность на периферии. В этой же таблице приведены значения соответствующей мощности падающей на каждый участок панели фотоэлементов Q_i=S_i·(W_i+W_i-1)/2, а также процентные соотношения площади участка и соответствующей мощности излучения, падающего на этом участке.

Исходя из вида распределения по радиусу плотности лазерного излучения, падающего на приемную плоскость, приведенную для примера в таблице на фиг.7, принимаем для средней конической оболочки r_α=r₂=0,22 м и h=0,13 м. Как видно из таблицы, на центральную коническую оболочку поступает часть энергии лазерного излучения с максимальной концентрацией энергии, а на среднюю коническую оболочку поступает часть энергии лазерного излучения с максимальным градиентом концентрации по радиусу круга приемной плоскости.

Предварительно выбираем угол при вершине центральной конической оболочки в соответствии с условием (4), например γ=45°.

Для центральной конической оболочки определим средний радиус основания r_γ из соотношения (3)

r_γ=[h+(r_α-h)/tgγ]·tg(γ/2)=r_αtg(45°/2)=0,22·tg(45°/2)=0,091 м.

Разделим периферийную область приемной плоскости на зону смешанного воздействия прямого лазерного излучения и отраженного площадью и зону воздействия только прямого лазерного излучения площадью , приняв значение пограничного радиуса r между зонами периферийной области равным 0,33 м.

Угол при вершине периферийной конической оболочки β, удовлетворяющей условию (2), определим из выражения (9), имея в виду, что r_β=R=0,564 м

β=arcsin/(r_β-r)]=arcsin[0,13/(0,654-0,33)]=33,75°.

С учетом воздействия на распределение плотности энергии лазерного излучения установленных на приемной плоскости конических оболочек, оценим среднюю плотность энергии, поступающей на поверхность каждого ее участка (см. фиг.7).

На среднюю область площадью S₂, расположенную между средней и центральной коническими оболочками, перераспределяется мощность Q₁ лазерного излучения, отраженная от центральной конической оболочки, со средней плотностью .

На части периферийной области, расположенной между периферийной и средней коническими оболочками, образующей зону воздействия только прямого лазерного излучения мощностью Q₃ на площади S₃=S_П, средняя плотность .

На другой части периферийной области, расположенной между периферийной и средней коническими оболочками, образующей зону воздействия прямого и отраженного лазерного излучения суммарной мощностью Q₂+Q₄+Q₅ на площади S₄+S₅=S_С, при этом средняя плотность .

Нужно отметить, что при оптимальном проектировании приемника-преобразователя концентрированного электромагнитного излучения необходимо учитывать связь функции распределения интенсивности энергии, передаваемой электромагнитным излучением на приемную плоскость и конструктивными характеристиками системы из трех отражающих конических оболочек в соответствии с выражениями (1)-(4).

Таким образом, применение предлагаемой конструкции позволяет:

1) повысить КПД приемника-преобразователя концентрированного электромагнитного излучения благодаря созданию более равномерной интенсивности облучения последовательно и параллельно соединенных фотоэлементов, что позволяет снизить разброс электрических параметров фотоэлементов и групп, что в целом уменьшает схемные потери полезной электрической энергии;

2) увеличить ресурс приемника-преобразователя за счет снижения риска разрушения отдельных фотоэлементов и межэлементных связей благодаря более равномерному температурному распределению по поверхности приемной плоскости;

3) создать более благоприятные условия работы системы отвода тепла от панели фотоэлементов приемника-преобразователя.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.А.Грилихес, П.П.Орлов, Л.Б.Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.

2. Перспективы использования беспроводной передачи электрической энергии в космических транспортных системах // Грибков А.С., Евдокимов Р.А. и др.// Изв. РАН. Энергетика. 2009. №2. С.118-123.

3. В.М.Андреев, В.А.Грилихес, В.Д.Румянцев. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Ленинград «Наука» Ленинградское отделение 1989.

4. Дж.Реди. Промышленные применения лазеров Москва: Издательство «Мир», 1981.

5. Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. Москва: Энергоатомиздат, 1991.

6. Ю.Айхлер, Г.-И.Айхлер. Мир физики и техники. Лазеры. Исполнение, управление, применение. Москва: Техносфера, 2008.

7. Физический энциклопедический словарь. Москва, «Советская энциклопедия», 1983.

8. Высокоэффективные концентраторные (2500 солнц) AlGaAs/GaAs - солнечные элементы // Андреев В.М., Хвостиков В.П., Ларионов В.Р. и др. // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып.9, с.1070-1072.