ПРИЕМНИК-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LASER RADIATION RECEIVER-CONVERTER

Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности. Области применения такого преобразования - беспроводные системы дистанционного энергопитания воздушных или космических объектов /1, с. 199/.
В настоящее время в космической технике определился ряд новых направлений, основанных на использовании лазерного излучения. Среди них весьма перспективным направлением следует считать передачу энергии космическим аппаратам (КА) с помощью лазерных систем передачи энергии /2/. 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 (ЭМИ). При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс.
Широко известны конструкции приемников-преобразователей электромагнитного излучения, выполненных из полупроводниковых фотоэлементов (ФЭ), действие которых основано на внутреннем фотоэффекте. К таким приемникам-преобразователям относятся солнечные батареи (СБ) /1, с. 131-135/, состоящие 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/.
Известна также конструкция приемника-преобразователя концентрированного солнечного излучения солнечной фотоэлектрической энергоустановки (СФЭУ), включающая панель фотоэлементов с защитным покрытием, скоммутированных между собой, систему концентрирования солнечного излучения, систему отвода тепла от панели с фотоэлементами, несущую силовую конструкцию /3, с. 245/. 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 технического решения - 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/.
Нужно также отметить, что рассмотренные выше 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, где характерны спектральные потери. При этом значительно снижается разогрев панелей ФЭП, обусловленный также спектральными потерями.
Неравномерность распределения интенсивности ЭМИ, падающего на приемную плоскость приемника-преобразователя, отмеченная выше для СФЭУ с концентраторами солнечного излучения, характерна также и для концентрированного монохроматического электромагнитного излучения лазерного пучка /4, с. 43/. При сборке ФЭ в группы из последовательных цепочек ток в каждой из них определяется током наихудшего ФЭ из данной группы, а напряжение при параллельном соединении групп определяется наименьшим из напряжений групп ФЭ. Данное обстоятельство, при неравномерном облучении ФЭ, вызывает схемные потери, обусловленные разбросом электрических параметров ФЭ, что неизбежно влечет за собой потери выходной электрической мощности и КПД приемника-преобразователя.
Наиболее близким техническим решением, позволяющим снизить схемные потери, вызванные неравномерностью распределения интенсивности ЭМИ на приемной плоскости, является приемник-преобразователь концентрированного ЭМИ, рассмотренный в /5/. Приемник-преобразователь включает приемную плоскость, выполненную в виде круговой панели фотоэлементов с защитным покрытием, на которую падает нормально поток монохроматического электромагнитного излучения, с максимальной интенсивностью в центральной области лазерного пучка, в том числе гауссового пучка, и экспоненциально снижающейся к периферии. Причем ось пучка электромагнитного излучения направляют в геометрический центр панели фотоэлементов приемной плоскости. Снижение неравномерности интенсивности распределения ЭМИ нормально падающего на его приемную плоскость добиваются с помощью установки на внешней поверхности приемной плоскости своими основаниями трех симметричных концентрических конических оболочек. Конические оболочки: центральная, периферийная и средняя, выполнены так, что внешние поверхности средней и центральной конических оболочек и внутренние поверхности периферийной и средней конических оболочек выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. При этом их общая ось симметрии проходит через геометрический центр панели ФЭ, что позволяет использовать в данном техническом решении как прямое, так и отраженное ЭМИ. Для обеспечения требуемого напряжения на шинах приемника-преобразователя фотоэлементы электрической коммутацией соединяются между собой последовательно, а затем параллельно, что и обеспечивает получение заданного тока. Предложенное в /5/ техническое решение позволяет перераспределить энергию, переносимую лазерным пучком, т.е. более равномерно распределить интенсивность ЭМИ по поверхности приемной плоскости с фотоэлементами.
К недостаткам данного технического решения следует отнести усложнение конструкции приемной плоскости за счет введения системы концентричных конических оболочек. Кроме того, предлагаемая конструкция приемной плоскости чувствительна к отклонениям от нормали оси лазерного пучка, направленного в геометрический центр приемной плоскости, что приводит к искажению картины переотражения электромагнитного излучения коническими оболочками на приемную плоскость, т.е. приводит к потерям электрической мощности преобразователя и, соответственно, КПД.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы приемника-преобразователя лазерного излучения, повышение его КПД в условиях неравномерной интенсивности ЭМИ лазерного пучка, падающего на приемную плоскость, а также упрощение конструкции, унификация и стандартизация технологии производства.
ФЭМ
Поставленная задача достигается тем, что приемник-преобразователь лазерного излучения, включающий приемную плоскость, выполненную в виде круговой панели радиусом R, на внешней стороне которой установлены фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых фотоэлементов с внутренним фотоэффектом для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения кругового гауссового лазерного пучка, ось которого нормально направлена на центр круговой панели, при этом последовательно соединенные упомянутые фотоэлементы, в количестве более одного, объединены в одинаковые по конструкции и составу фотоэлектрические модули с максимальным габаритным размером b, отвечающим соотношению
2
2
i-1
i
где А=1-ехр[-R/(2σ)], скоммутированные в группы с одинаковым напряжением на каждом из n кольцевых участков круговой панели, с внутренним радиусом кольцевого участка r и внешним радиусом r, отвечающими соотношениям
а группы фотоэлектрических модулей, расположенные на всех кольцевых участках, соединены параллельно, обеспечивая таким образом заданное напряжение и ток на шинах приемника-преобразователя, где
i - номер кольцевого участка, i=1, 2,…, k,…,.n;
0
r=0;
σ - расстояние от оси до точки перегиба кривой заданного радиального распределения интенсивности лазерного излучения на круговой панели, удовлетворяющее соотношению
Суть изобретения поясняется фиг. 1-8.
ФЭМ
На фиг. 1 приведен общий вид приемника-преобразователя лазерного излучения падающего на его приемную плоскость с переменной интенсивностью. Преобразование энергии излучения лазера осуществлено с помощью фотоэлементов, из которых собраны фотоэлектрические модули, установленные на приемной плоскости приемника-преобразователя. На фиг. 2-7, как возможные варианты, приведены две конструктивные схемы фотоэлектрических модулей с сечениями, где приведен максимальный габаритный размер b. Фотоэлектрические модули собраны из последовательно соединенных фотоэлементов, причем на фиг. 4 для лучшего показа передней контактной сетки приведен фотоэлектрический модуль без защитного покрытия. На фиг. 8 приведена кривая радиального распределения интенсивности электромагнитного излучения (распределение Гаусса) на круговой панели и аппроксимирующая ее кусочно-постоянная функция Ê(r), и где круговая панель состоит из кольцевых участков, т.е. из центрального круга и концентричных круговых колец.
На фиг. 1-8 приведено:
1 - поток электромагнитного излучения (поток ЭМИ);
2 - приемная плоскость;
3 - фотоэлектрический модуль (ФЭМ);
4 - несущая силовая конструкция;
5 - система охлаждения (СО);
6 - шины;
7 - защитное покрытие (ЗП);
8 - фотоэлемент (ФЭ);
9 - передняя контактная сетка;
10 - полупроводниковая структура;
11 - тыльный контакт;
12 - межэлементное соединение;
13 - межмодульные контакты;
14 - электроизолирующий слой;
15 - теплоотводящая платформа-подложка;
16 - распределение Гаусса;
17 - кусочно-постоянная функция;
18 - точка перегиба.
Приемник-преобразователь лазерного излучения работает следующим образом.
Лазерную систему передачи энергии (не показана) и приемник-преобразователь пространственно ориентируют на определенном расстоянии друг от друга. Причем приемную плоскость 2 пространственно ориентируют относительно лазерной системы передачи энергии так, что бы ось лазерного пучка была нормально направлена в ее центр. После чего на приемную плоскость 2, выполненную в виде круговой панели радиусом R с фотоэлектрическими модулями 3 и установленную на несущую силовую конструкцию 4, лазерная система передачи энергии направляет поток ЭМИ 1 лазерного пучка мощностью W. Лазерная система передачи энергии направляет поток ЭМИ 1 с заданным радиальным распределением интенсивности лазерного излучения Е(r), по поверхности приемной плоскости 2, отвечающим распределению Гаусса 16, с точкой перегиба 18. Монохроматический поток ЭМИ 1 лазера падает на приемную плоскость 2 с максимальной интенсивностью в центральной области круговой панели, экспоненциально снижаясь к периферии.
Поток ЭМИ 1 лазера падает на каждый ФЭМ 3, состоящий из последовательно соединенных через межэлементные соединения 12 ФЭ 8, проходит через прозрачное защитное покрытие 7, попадает на лицевую сторону ФЭ 8 с передней контактной сеткой 9, имеющей вид гребенки, как показано на фиг. 4-7, и далее в фотоактивную область полупроводниковой структуры 10 ФЭ 8, где происходит прямое преобразование энергии потока ЭМИ 1 в фотоэлектрический ток.
Размещенные на приемной плоскости 2, в соответствии с признаками расположения кольцевых участков с геометрией, соответствующей соотношениям (2), фотоэлектрические модули 3, максимальный габарит которых отвечает соотношению (1), коммутируем, с помощью межмодульных контактов 13, в группы с одинаковым напряжением на каждом кольцевом участке. Затем группы фотоэлектрических модулей 3 всех кольцевых участков коммутируют параллельно, обеспечивая таким образом заданное напряжение и ток на шинах 6 приемника-преобразователя.
Не преобразованная в фототок энергия потока ЭМИ 1 в каждом ФЭМ 3 через тыльные контакты 11 ФЭ 8 и через электроизолирующий слой 14 теплопроводностью передается теплоотводящей платформе-подложке 15. Откуда не преобразованная в фототок энергия потока ЭМИ 1, в виде тепловой энергии, поступает в систему охлаждения 5 приемника-преобразователя.
Приведем расчетный пример проектирования приемника-преобразователя лазерного излучения.
2
Положим, имеем одномодовый лазер для дистанционной передачи электромагнитной энергии на базе мощного волоконного лазера, с длиной волны излучения λ=0,8 мкм, с профилем интенсивности, отвечающей распределению Гаусса /6, с. 446/ и представляющей собой колоколообразную кривую. А приемник-преобразователь, преобразующий энергию ЭМИ лазера в электроэнергию, включает приемную плоскость, выполненную в виде круговой панели радиусом R=0,564 м, что соответствует площади S=1 м с фотоэлектрическими преобразователями энергии, выполненными на основе полупроводниковых гетероструктур. Полагаем, что лазерная система передачи энергии и взаимное расположение относительно нее приемника-преобразователя спроектированы так, что в рабочем состоянии ось лазерного пучка нормально направлена в центр круговой панели с известной функцией распределения радиальной интенсивности Е(r) лазерного излучения на круговой панели.
Приемную плоскость в виде круговой панели устанавливаем на несущую силовую конструкцию приемника-преобразователя, размещенного, например, на КА.
Распределение радиальной интенсивности лазерного излучения, отвечающее распределению Гаусса, запишем в виде
где W - мощность непрерывного лазерного излучения.
Для определенности функции Е(r) зададим в данном расчетном примере W=10 кВт и σ=0,2 м, что удовлетворяет соотношению (3), тогда
или
Положим, что приемная плоскость состоит из n=12 кольцевых участков в виде центрального круга и 11 круговых колец, геометрию которых определяем по соотношениям (2). Кольцевые участки отмечены на плоскости круговой панели приемной плоскости, например с помощью нанесенных механически кольцевых рисок (фиг. 8).
Для заданного n=12 определяем максимальный габарит фотоэлектрических модулей, который отвечает соотношению (1)
ФЭМ
2
2
b≤ехр(0,5)σ{1-ехр[-R/(2·σ)]}/n=
2
2
ехр(0,5) 0,2 {1-ехр[-0,564/(2·0,2)]}/12=0,027 м = 27 мм.
x
1-x
2
3
ФЭМ
ФЭМ
Используем в качестве ФЭП, например, гетеропереходные ФЭ со структурой pAlGaAs-pGaAs-nGaAs, выполненные в виде квадрата со стороной 12,25 мм и включающие полупроводниковые слои р-типа и n-типа, выращенные на подложке из n-GaAs. Фронтальный омический контакт (передняя контактная сетка) выполнен в виде контактных полосок на лицевой стороне ФЭ и сплошной омический контакт выполнен на тыльной стороне ФЭ (тыльный контакт). Омические контакты, как на лицевой, так и на тыльной стороне, изготовлены на основе Au. На лицевую сторону ФЭ нанесено защитное покрытие с просветляющим покрытием из ZnS /7/. Фотоэлементы межэлементными соединениями последовательно объединены в ФЭМ. Предположим, что выбрали конструкцию ФЭМ, состоящую из четырех ФЭ, как показано на фиг. 4-7, которая собирается через электроизолирующий слой (например, слой из AlO) на общей теплоотводящей платформе-подложке, выполненной, например, из Cu или Ag, через которую не преобразованная энергия лазера поступает в систему охлаждения приемника-преобразователя. Максимальный габаритный размер ФЭМ (b), с учетом межэлементных соединений, примерно равен b ~ 26,5 мм, что отвечает, как показано выше, требуемому соотношению (1).
i
Известно, что при последовательном соединении источников тока - фотоэлементов, напряжение холостого хода на межмодульных контактах ФЭМ будет равно сумме фото-ЭДС фотоэлементов, из которых состоит ФЭМ. Положим, что для выбранного типа гетеропереходных ФЭ получена фото-ЭДС, равная ~1 В /1, с. 112/, тогда напряжение холостого хода на межмодульных контактах ФЭМ будет равно ~4 В, а ток в последовательной цепочке ФЭ фотоэлектрического модуля будет определяться наименьшим током ФЭ, на который падает ЭМИ с наименьшей на данном круговом участке интенсивностью E(r). Согласно вышеприведенным признакам кольцевых участков и ограничению (1) по габаритам ФЭМ, размещенных на кольцевых участках круговой панели, фотоэлектрические модули на каждом кольцевом участке скоммутированы в группы с одинаковым напряжением холостого хода, предположим равным ~12 В. Группы фотоэлектрических модулей со всех кольцевых участков, соединенные параллельно, обеспечивают заданное напряжение и ток на шинах приемника-преобразователя.
2
i
Нужно отметить, что в реальном ФЭП на базе GaAs, оптимизированном для умеренной интенсивности (0,1-1,0 Вт/см) лазерного излучения (с длиной волны излучения лазера λ=0,8 мкм), получен КПД 40-43% /2/. Пользуясь этими данными для рассматриваемого примера можно оценить, в первом приближении, эффективность фотоэлектрического преобразования рассмотренного приемника-преобразователя лазерного излучения при использовании вышерассмотренных признаков расположения кольцевых участков на приемной плоскости и условия ограничивающего габариты ФЭМ. Учитываем тот факт, что при коммутации ФЭ в последовательные цепочки ток в цепочке, размещенной на кольцевом участке, определяется наименьшим током ФЭ, на который падает ЭМИ с наименьшей на данном i-м кольцевом участке интенсивностью E(r). Что соответствует кусочно-постоянной функции Ê(r), вписанной в кривую распределения Гаусса и являющейся приближением функции Е(r), как показано на фиг. 8. Таким образом, учитывая вышесказанные особенности коммутации ФЭ, оценим для данного примера мощность (W) лазерного излучения, которая может быть эффективно преобразована в ФЭП в электроэнергию и которую определяем, используя соотношения (2) и (5), из выражения
пп
Учитывая достаточно слабое изменение КПД гетеропереходных ФЭ от интенсивности концентрированного ЭМИ при данной температуре, как показано в /1, с. 120/, с учетом (6), оценим полезную электрическую мощность Р, снимаемую с шин данного приемника-преобразователя, из выражения
где η - КПД ФЭП, который примем равным 0,43;
w
k=Ŵ/W=8,1/10=0,81 - коэффициент эффективности лазерного облучения приемной плоскости для принятого приближения Ê(r);
s
k - коэффициент заполнения приемной плоскости фотоэлементами, который примем равным 0,8.
Откуда из (7) определим
Выражения (1) и (2) получены следующим образом.
Вывод выражений (1) и (2) определен целью избежать схемных потерь при коммутации ФЭ и фотоэлектрических модулей в условиях неравномерной интенсивности лазерного излучения, падающего на приемную плоскость с профилем интенсивности, отвечающей распределению Гаусса, и определялся в первую очередь двумя факторами.
Первый фактор определен тем, что ток в цепочке последовательно соединенных ФЭ, размещенных на каждом кольцевом участке, определяется минимальным током ФЭ из этой цепочки, который в свою очередь определяется минимальной интенсивностью лазерного излучения, падающего на этом участке.
Второй фактор определен физическим свойством полупроводниковых ФЭП, у которых типовые вольт-амперные характеристики (ВАХ) ФЭ одинаковых структур имеют нелинейный, почти прямоугольный характер /1, с. 118/ с практически равными фото-ЭДС и возрастающими токами короткого замыкания при увеличении интенсивности облучения, что подтверждается экспериментально.
Для решения поставленной выше задачи предложено фотоэлектрические модули размещать на n кольцевых участках, каждый из которых имеет свой признак расположения на приемной плоскости и разграничены друг от друга, например, механически с помощью рисок на круговой панели (см. фиг. 8). Радиальная интенсивность на каждом кольцевом участке соответствует функции распределения Гаусса Е(r). А ток, согласно первому фактору, последовательно соединенных ФЭ, размещенных на каждом кольцевом участке, будет определяться током ФЭ, на который падает ЭМИ наименьшей интенсивности на этом кольцевом участке, т.е. фактически определяется кусочно-постоянной функцией Ê(r), являющейся приближением Е(r).
Принимаем кусочно-постоянную функцию в виде (фиг. 8)
0
n
где i - номер кольцевого участка, i=1, 2,…, k,…,.n; r=0; r=R;
i-1
i
i-1
i-1
r<r≤r; ΔÊ=ΔE=E(r)-E(r)=const.
Откуда очевидно
1
i-1
i
k-1
k
Таким образом, как видно из фиг. 8, кольцевые участки, являющиеся проекциями на приемную плоскость функции Ê(r), выполнены в виде центрального круга, радиусом r, и круговых колец, с внутренним радиусом r и внешним радиусом r. Причем, при выполнении условия (3), существует k-й кольцевой участок, где верно соотношение r<σ≤r. Ha фиг. 8 k-й кольцевой участок отмечен штриховкой.
k-1
k-1
k
Поскольку Е(r) - гладкая функция, имеющая непрерывную производную, то оценка приближения на интервале (r), где r<σ≤r, отвечает соотношению /8, с. 19/
Для распределения Гаусса, производная функции Е(r) принимает максимальное значение (по модулю) в точке перегиба, что соответствует наименьшей ширине k-го кругового кольца, при принятом условии ΔЕ=const.
Откуда из (10), при Е′(σ)=max|Е′(r) |, определяем величину отрезка
3
Из выражения (4) определим Е′(σ)=W/[2·π·ехр(0,5)·σ].
Подставляя Е′(σ) в (11), получим выражение для минимальной ширины из n кольцевых участков, а именно ширины k-го кругового кольца
Из выражения (4) определим
0
n
Подставляя в (9) выражения (13) и (14) для Е(r) и Е(r), получим
Откуда, с учетом (9) и (15), из (12) получим
ФЭМ
ΔÊ выбирается при проектировании приемника-преобразователя так, чтобы согласовать технологические возможности изготовления фотоэлементов, с последующей сборкой их в ФЭМ и дальнейшим размещением ФЭМ на площади k-го кругового кольца. Причем k-е круговое кольцо минимальной ширины, на которое падает поток ЭМИ с максимальным (по модулю) радиальным градиентом интенсивности, заполнено ФЭМ, максимальный габарит которых b, с учетом выражений (12) и (16), логично должен отвечать соотношению (1).
1
Определим r для первого кольцевого участка из соотношения
Пользуясь выражениями (4), (13) и (15), из (17) вытекает равенство
1
1
2
2
2
2
ехр[-r /(2·σ)]=1-А/n или -r /(2·σ)=ln(1-А/ n), откуда
2
Определим r для второго кольцевого участка из соотношения
Подставляя выражения (4), (13) и (15) в (19), получаем
Аналогично продолжая для третьего и последующих кольцевых участков, получаем соотношения (2).
Необходимо отметить, что одной из важных характеристик потока концентрированного электромагнитного излучения является функция распределения интенсивности ЭМИ, 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 ЭМИ от радиуса r в поперечном сечении лазерного пучка, проводимого из центра пучка, определяется распределением Гаусса. 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/.
Также необходимо отметить, что наиболее перспективными для космических приемников-преобразователей концентрированного ЭМИ, каковым является лазерное излучение, следует считать гетеропереходные фотоэлементы на основе арсенида галлия, обладающие повышенной радиационной стойкостью, высокими температурной стабильностью КПД и удельной мощностью в диапазоне температур вплоть до 500 К /1, с. 119/. Последнее обстоятельство особенно важно для мощных космических приемников-преобразователей с активной системой охлаждения ФЭ и радиационным сбросом не преобразованного тепла в космос.
x
1-x
2
2
В соответствии с особенностями структуры и физическими свойствами полупроводниковых ФЭП, типовая вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеального ФЭ имеет нелинейный, почти прямоугольный характер, чем выгодно отличается от характеристик других прямых преобразователей тепловой энергии /1, с. 97/. Этими свойствами обладают и гетеропереходные ФЭ на основе GaAs. Так приведенная в /1, с. 110/ экспериментальная ВАХ гетеропереходного ФЭ со структурой pAlGaAs-pGaAs-nGaAs площадью 1,5 см, измеренная под имитатором внеатмосферного солнечного излучения, имела нелинейный, почти прямоугольный характер с коэффициентом заполнения 0,82, с фото-ЭДС ~1 В и током короткого замыкания ~26 мА/см. А приведенные в /1, с. 118/ экспериментальные ВАХ гетеропереходного ФЭ на основе AlGaAs-GaAs, измеренные в широком интервале интенсивности солнечного ЭМИ, показали почти прямоугольный характер ВАХ с одним и тем же фото-ЭДС, равным 1,05 В, и возрастающим током короткого замыкания при увеличении интенсивности облучения. Вышеприведенные экспериментальные результаты, являющиеся следствием в первую очередь особенностей структуры и физических свойств гетеропереходных ФЭ на основе GaAs, учитывались при конструировании приемника-преобразователя.
ФЭМ
При проектировании приемников-преобразователей мощного лазерного излучения для беспроводной системы дистанционного энергопитания КА мощностью от единиц до сотен киловатт требуются ФЭ в количестве десятков тысяч и более, объединенные между собой коммутацией. Использование достаточно миниатюрных ФЭ на основе полупроводниковых гетероструктур, максимальная площадь которых порядка квадратного сантиметра /1, с. 110/, при последовательно-параллельной коммутации приводит к схемным потерям. Объединение нескольких последовательно соединенных ФЭ на общей теплоотводящей платформе в фотоэлектрический модуль позволяет стандартизировать технологию коммутации ФЭ в ФЭМ, упростить сборку отдельных ФЭМ в группы, унифицировать конструкцию ФЭМ, что приведет к снижению схемных потерь и увеличит КПД приемника-преобразователя. ФЭМ на каждом кольцевом участке с соответствующим признаком расположения коммутацией объединяют в группы с одинаковым напряжением. Затем все группы со всех площадок объединяют параллельной коммутацией, получая таким образом требуемые параметры напряжения и тока на шинах приемника-преобразователя. Нужно отметить, что ожидаемые характеристики приемника-преобразователя могут быть определены только с учетом конкретной геометрии ФЭМ и их схемно-коммутационных решений, размера и параметров отдельных ФЭ, воспроизводимости технологии их изготовления и т.д. Так, например, напряжение холостого хода на межмодульных контактах ФЭМ будет определяться суммой фото-ЭДС последовательной сборки ФЭ, из которых состоит ФЭМ, а ток ФЭМ определяется током ФЭ облучаемого ЭМИ с наименьшей интенсивностью. Отсюда становится логичным принятое приближение для функции Е(r), являющейся распределением Гаусса, вписанной в нее кусочно-постоянной функцией Ê(r), а также выбор наименьшего по ширине k-го кругового кольца и связанного с этим максимального габарита ФЭМ (b).
Кроме того, при проектировании приемников-преобразователей мощного лазерного излучения важно разработать такой способ коммутации ФЭМ в группы внутри каждого кольцевого участка и параллельной коммутации групп из всех кольцевых участков, который обеспечит минимальные схемные потери. Кроме того, нужно иметь в виду, что снижение омических потерь требует уплотнения ФЭ в ФЭМ и уменьшения зазора между отдельными ФЭМ или цепочками ФЭМ. Выполнение этих требований может приводить к перегреву сильноточных ФЭМ, т.к. расстояние между ФЭМ будет влиять на эффективность теплоотвода, что может приводить к перегреву и к потерям в КПД /1, с. 120/.
Таким образом, в условиях неравномерности распределения интенсивности лазерного излучения, падающего на приемную плоскость, за счет использования признаков расположения и выбора габарита ФЭМ предложенное техническое решение позволяет:
1) повысить энергетическую эффективность, характеризуемую, в условиях неравномерной интенсивности облучения, минимально возможным снижением мощности на выходных шинах приемника-преобразователя по отношению к суммарной мощности, вырабатываемой всеми фотоэлементами (в условиях независимости друг от друга);
2) снизить схемные потери при коммутации фотоэлементов и фотоэлектрических модулей и разброс электрических параметров фотоэлементов и групп фотоэлектрических модулей, за счет использования признаков расположения и выбора максимального габарита фотоэлектрического модуля, что приводит к повышению КПД приемника-преобразователя;
3) унифицировать конструкцию фотоэлектрического модуля и стандартизировать технологию коммутации отдельных фотоэлементов модуля;
4) упростить конструкцию приемника-преобразователя, т.к. исключена система концентричных оболочек на приемной плоскости, как в прототипе.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.
2. В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66.
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. Патент №2499327. Приемник-преобразователь концентрированного электромагнитного излучения. Опубл. 20.11.2013, бюл. №32.
6. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Издание тринадцатое, исправленное. М.: "Наука", 1986.
7. 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.
8. В.Ф. Дьяченко. Основные понятия вычислительной математики. Издание второе. М.: «Наука», 1977.