Приёмник-преобразователь лазерного излучения
LASER LIGHT RECEIVER-TRANSDUCER

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 [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, 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 [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии. // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66]. 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) [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 131-135], состоящие из панелей солнечных элементов (СЭ) - фотоэлектрических преобразователей. Так, ориентируемая СБ представляет собой 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 [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, 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 [В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Ленинград, «Наука», Ленинградское отделение, 1989, 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 [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, 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 [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, 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 [В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Ленинград, «Наука», Ленинградское отделение, 1989, 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. 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 [Дж. Реди. Промышленные применения лазеров. Москва: Издательство «Мир», 1981, с. 40]. 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.
Необходимо отметить, что одной из важных характеристик потока концентрированного электромагнитного излучения является функция распределения интенсивности ЭМИ, падающей на приемную плоскость приемника-преобразователя. Обычно предпочтительно осуществлять работу с гауссовым пучком, где зависимость интенсивности ЭМИ от радиуса 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 [Дж. Реди. Промышленные применения лазеров. М.: Издательство «Мир», 1981, с. 43].
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 [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 119]. Последнее обстоятельство особенно важно для мощных космических приемников-преобразователей с активной системой охлаждения ФЭ и радиационным сбросом не преобразованного тепла в космос.
Неравномерность распределения интенсивности ЭМИ, падающего на приемную плоскость приемника-преобразователя, отмеченная выше для СФЭУ с концентраторами солнечного излучения, характерна также и для концентрированного монохроматического лазерного излучения.
ФЭ, соединенные параллельно, образуют группы, а соединенные последовательно группы, непосредственно электрически связанные с шинами приемника-преобразователя, составляют цепочку [Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 30]. Таким образом, параллельно-последовательное соединение ФЭ обеспечивает требуемое напряжение и ток на шинах приемника-преобразователя. Неравномерность распределения интенсивности ЭМИ, падающего на приемную плоскость приемника-преобразователя, вызывает весьма высокие схемные потери, обусловленные разбросом электрических параметров ФЭ и групп. В результате в схеме приемника-преобразователя ток в цепочке последовательно соединенных групп определяется током наихудшего из них. Следствие этого - снижение тока и выходной мощности приемника-преобразователя относительно тех значений, которые можно было бы ожидать, исходя из средних значений токов и мощностей отдельных ФЭ.
Наиболее близким техническим решением, позволяющим снизить схемные потери, вызванные неравномерностью распределения интенсивности ЭМИ на приемной плоскости, является приемник-преобразователь концентрированного электромагнитного излучения [Патент RU 2499327, МПК: H01L 31/052 (2006.01), опубл. 20.11.2013]. Приемник-преобразователь включает приемную плоскость, выполненную в виде круговой панели радиусом R, на внешней стороне которой равномерно распределены фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых фотоэлементов с внутренним фотоэффектом для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения кругового лазерного пучка, падающего на приемную плоскость. Лазерный пучок падает нормально на приемную плоскость 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. Последовательно-параллельным соединением фотоэлементов обеспечивается выходная электрическая мощность приемника-преобразователя Р. Предложенное 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. Кроме того, в рассматриваемом техническом решении осуществляется работа с симметричным лазерным пучком, причем предпочтение отдается работе с гауссовым пучком. Однако для многих мощных твердотельных лазеров 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. Так, в примере, приведенном в [Дж. Реди. Промышленные применения лазеров. М.: Издательство «Мир», 1981, с. 45], относительное распределение плотности энергии в несфокусированном пятне импульса излучения рубинового лазера между центральной и отдельными периферийными областями пятна различаются в двадцать раз. Причем распределение плотности по поверхности пятна несимметричное как в радиальном, так и в окружном направлениях.
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.
Техническим результатом изобретения является:
1) повышение энергетической эффективности, характеризуемой в условиях неравномерной интенсивности лазерного 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) повышение КПД приемника-преобразователя за счет снижения разброса электрических параметров групп из параллельно соединенных фотоэлементов;
3) унификация конструкции фотоэлектрического модуля, что позволяет стандартизировать технологию коммутации фотоэлементов приемника-преобразователя.
ПП
u
ФЭ
ПП
Технический результат изобретения достигается тем, что приемник-преобразователь лазерного излучения, включающий несущую силовую конструкцию с установленной на ней приемной плоскостью площадью S, на внешней стороне которой равномерно распределены фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых фотоэлементов с внутренним фотоэффектом для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения кругового лазерного пучка диаметром d, ось которого направлена на геометрический центр приемной плоскости, причем фотоэлементы скоммутированы между собой последовательно-параллельно, выполнены с антиотражающим покрытием и снабжены системой охлаждения, при этом приемная плоскость состоит из n модулей, каждый из которых выполнен площадью s, и конструктивно представляет собой единое целое, состоящее из m фотоэлементов площадью s каждый, одинаковых по конструкции, составу и электрически изолированных друг от друга, причем фотоэлементы, по одному из каждого модуля, параллельным соединением объединены в i групп, в каждой из которых содержится j фотоэлементов, а группы последовательно соединены в цепочку, где в каждой группе из цепочки присутствует q фотоэлементов, принадлежащих k модулям, полностью попадающим в область светового пятна кругового лазерного пучка, падающего на приемную плоскость, причем учитывается выполнение следующих условий: s<<S; n>1; m>1; i=m; j=n; q=k, где 1≤k≤n, обеспечивающих при этом максимальную выходную электрическую мощность приемника-преобразователя, определяемую из уравнения
u
где Е - средняя плотность мощности в поперечном сечении пучка, содержащем u% полной мощности пучка;
α - угол между осью лазерного пучка и нормалью к приемной плоскости;
ФЭ
η - КПД фотоэлемента;
F - суммарный фактор, учитывающий влияние внешних факторов на деградацию параметров приемника-преобразователя.
Суть изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-5).
На фиг. 1 приведен общий вид приемника-преобразователя лазерного излучения, падающего на приемную плоскость с переменной интенсивностью.
u
На фиг. 2 приведен вид А на приемник-преобразователь с модулями фотоэлементов (ФЭ), размещенных на внешней стороне приемной плоскости, и с системой охлаждения с ее внутренней стороны. Здесь α - угол между осью лазерного пучка и нормалью к приемной плоскости; d - диаметр в поперечном сечении пучка, содержащем u% полной мощности пучка.
На фиг. 3 приведена, как вариант, конструктивная схема модуля.
На фиг. 4 приведено сечение Б-Б модуля с фотоэлементами.
На фиг. 5 приведена схема коммутации фотоэлементов, где стрелкой обозначены ФЭ k - модулей, полностью попавших в область светового пятна лазерного излучения. Здесь i - количество групп в цепочке; j - количество ФЭ в каждой группе; q - количество ФЭ в каждой группе, принадлежащих k - модулям, полностью попадающим в область светового пятна.
На фиг. 1-5 приведено:
1 - приемная плоскость;
2 - модуль;
3 - фотоэлемент (ФЭ);
4 - лазерный пучок;
5 - световое пятно;
6 - ось;
7 - несущая силовая конструкция;
8 - система охлаждения (СО);
9 - электроизолирующий слой;
10 - передняя контактная сетка;
11 - полупроводниковая структура;
12 - p-n-переход;
13 - тыльный контакт;
14 - защитное оптическое покрытие;
15 - теплоотводящая платформа-подложка;
16 - электропроводящий элемент;
17 - группа;
18 - шунтирующий диод;
19 - токоведущая шина.
Приемник-преобразователь лазерного излучения конструктивно выполнен следующим образом.
ПП
ПП
ФЭ
Как показано на фиг. 1, приемник-преобразователь лазерного излучения включает приемную плоскость 1, выполненную, например, в виде круга или квадрата площадью S, на внешней стороне которой равномерно распределены модули 2 с фотоэлектрическими преобразователями на основе полупроводниковых фотоэлементов 3 (фиг. 3, 4) с внутренним фотоэффектом для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения кругового лазерного пучка 4, падающего на приемную плоскость 1 и образующего область светового пятна 5. Как показано на фиг. 2 ось 6 лазерного пучка 4 направлена на геометрический центр приемной плоскости 1 под углом α, а приемная плоскость 1 размещена на несущей силовой конструкции 7, включающей систему охлаждения 8 фотоэлементов 3. Приемная плоскость 1 состоит из n модулей 2, где n>1, каждый из которых выполнен с площадью s, где s<<S. Модуль 2, как показано на фиг. 3 и 4, конструктивно выполнен как единое целое, состоящее из m фотоэлементов 3 площадью s каждый, где m>1, одинаковых по конструкции, составу и электрически изолированных друг от друга электроизолирующим слоем 9. Фотоэлемент 3 включает переднюю контактную сетку 10, полупроводниковую структуру 11, p-n-переход 12 и тыльный контакт 13. С лицевой стороны на фотоэлементы 3 каждого модуля 2 нанесено защитное оптическое покрытие 14 с антиотражающим покрытием. С тыльной стороны фотоэлементы 3 через электроизолирующий слой 9 установлены на теплоотводящей платформе-подложке 15. С тыльной стороны из каждого модуля 2 от передней контактной сетки 10 и тыльного контакта 13 каждого фотоэлемента 3 выходят электропроводящие элементы 16. Фотоэлементы 3, как видно из схемы коммутации на фиг. 5, по одному из каждого модуля 2, с помощью электропроводящих элементов 16 параллельным соединением объединяются в i групп 17 с количеством фотоэлементов 3 в каждой группе j, где i=m и j=n. Группы 17 соединяют последовательно, составляя цепочку, причем в каждой группе 17 из цепочки присутствует q фотоэлементов 3, принадлежащих к модулям 2, полностью попадающим в световое пятно 5 кругового лазерного пучка 4, падающего на приемную плоскость 1, где q=k и 1≤k≤n. На фиг. 5 в каждой группе 17 стрелкой отмечены фотоэлементы 3 модулей 2, расположенных в световом пятне 5. Параллельно каждой группе 17 установлены шунтирующие диоды 18. Съем выходной электрической мощности приемника-преобразователя осуществляют через токоведущие шины 19. При этом максимальную выходную электрическую мощность приемника-преобразователя определяют с помощью уравнения (1)
,
u
где E - средняя плотность мощности в поперечном сечении лазерного пучка 4, содержащем u% полной мощности лазерного пучка 4;
α - угол между осью 6 лазерного пучка 4 и нормалью к приемной плоскости 1;
ФЭ
η - КПД фотоэлемента 3;
F - суммарный фактор, учитывающий влияние внешних факторов на деградацию параметров приемника-преобразователя.
Приемник-преобразователь лазерного излучения работает следующим образом.
ПП
u
u
ПП
ФЭ
ПП
Лазерную систему передачи энергии (на рисунке не показана) и приемник-преобразователь пространственно ориентируют на определенном расстоянии друг от друга. Причем лазерную систему передачи энергии пространственно ориентируют относительно приемной плоскости 1 так, чтобы ось лазерного пучка 4 была направлена в ее геометрический центр. После чего на приемную плоскость 1, выполненную в виде круга или квадрата площадью S, установленную на несущую силовую конструкцию 7 приемника-преобразователя, лазерная система передачи энергии направляет поток электромагнитного излучения лазерного пучка 4 диаметром d с длиной волны λ со средней плотностью мощности в поперечном сечении лазерного пучка 4 E, содержащем u% полной мощности лазерного пучка 4. Лазерный пучок 4 направляют на приемную плоскость 1, состоящую из n модулей 2, где n>1, каждый из которых выполнен площадью s, удовлетворяющей условию s<<S, причем каждый модуль 2 конструктивно исполняют как единое целое, состоящее из m фотоэлементов, где m>1, площадью s каждый, одинаковых по конструкции, составу и электрически изолированных друг от друга электроизолирующим слоем 9. Фотоэлементы 3, по одному из каждого модуля 2, с помощью электропроводящих элементов 16, параллельным соединением объединены в i групп 17, с количеством j фотоэлементов 3 в каждой группе 17, где i=m и j=n. Группы 17 соединены последовательно в цепочку. Причем в каждой группе 17 из цепочки присутствует q фотоэлементов 2, принадлежащих к модулям 2, полностью попадающим в область светового пятна 5 кругового лазерного пучка 4, падающего на приемную плоскость 1, где q=k и 1≤k≤n. Лазерный пучок 4 падает на приемную плоскость 1, в общем случае под углом α, и образует на приемной плоскости 1 область светового пятна 5. Поскольку плотность мощности в световом пятне 5 на приемной плоскости 1 может принимать сложные пространственные распределения, то фотоэлементы 3 из области светового пятна 5 будут освещены с различной интенсивностью. Поток лазерного излучения падает на каждый ФЭ 3, попавший в световое пятно 5, проходит через прозрачное защитное покрытие 7, попадает на лицевую сторону ФЭ 3 с передней контактной сеткой 10, и далее проходит в фотоактивную область полупроводниковой структуры 11. Происходит активное поглощение фотонов с максимальным коэффициентом поглощения электромагнитного излучения лазерного пучка 4, благодаря соответствующему подбору материала полупроводниковой структуры 11 для данной длины волны λ монохроматического лазерного излучения. Фотоактивное поглощение сопровождается образованием электронно-дырочных пар и появлением избыточных носителей заряда. Неравновесные носители заряда полупроводниковой структуры 11, собранные к p - n-переходу 12, благодаря наличию контактной разности потенциалов разделяются на нем: неосновные носители свободно проходят через p - n-переход 12, а основные - задерживаются. В результате, под действием лазерного излучения через p-n-переход 12 в обоих направлениях, будет протекать ток неосновных неравновесных носителей заряда - фотоэлектронов и фото дырок [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 94]. Таким образом, под действием лазерного излучения возникает разность потенциалов между передней контактной сеткой 10 и тыльным контактом 13, что при разомкнутой цепи представляет собой фотоЭДС или напряжение холостого хода ФЭ 3. Причем фотоэлектрический ток каждого ФЭ 3 модуля 2, попавшего в световое пятно 5, будет зависеть от числа фотонов, падающих на единицу площади лицевой поверхности ФЭ 3 в единицу времени, т.е. плотности потока лазерного излучения. В каждой группе 17, состоящей каждая из n ФЭ 3, присутствуют q ФЭ 3, принадлежащих модулям 2, попавшим в световое пятно 5. Причем, ФЭ 3 из каждой группы 17 освещаются лазерным пучком 4 с различной интенсивностью, но практически одинаково повторяющейся в каждой группе 17 суммарной мощностью лазерного излучения, падающего на q ФЭ 3, благодаря предлагаемой коммутации и выполнению условия s<<S. Для модулей 2, полностью попавших в световое пятно 5, q фотоэлементов 3 в каждой группе 17 на фиг. 5 отмечены стрелкой, показывающей наличие фототока через p - n-переход 12. Причем, в каждом из q ФЭ 3 группы 17 в общем случае фототок будет различен, поскольку зависим от распределения плотности излучения в лазерном пучке 4, но практически одинаково повторяющийся в каждой группе 17. Таким образом, q ФЭ 3, принадлежащих k модулям 2, полностью попавшим в область светового пятна 5, в каждой группе 17 будут генерировать близкие по величине суммарные токи. Далее соединяют последовательно группы 17, непосредственно связанные с токоведущими шинами 19, в цепочку. Очевидно, близкие по величине суммарные токи, генерируемые в группах 17, позволяют при последовательном соединении групп 17 получать наименьшие потери тока в цепочке, что должно приводить к снижению схемных потерь, к увеличению выходной электрической мощности и КПД приемника-преобразователя. Съем выходной электрической мощности приемника-преобразователя осуществляют через токоведущие шины 19. В приемнике-преобразователе применены шунтирующие диоды 18, которые подключены параллельно группам 17 так, чтобы они пропускали ток в прямом направлении при приложении к группе 17 обратного напряжения смещения. При этом, максимальную выходную электрическую мощность приемника-преобразователя определяют с помощью уравнения (1)
,
u
где Е - средняя плотность мощности в поперечном сечении лазерного пучка 4, содержащем u% полной мощности лазерного пучка 4;
α - угол между осью 6 лазерного пучка 4 и нормалью к приемной плоскости 1;
ФЭ
η - КПД фотоэлемента 3;
F - суммарный фактор, учитывающий влияние внешних факторов на деградацию параметров приемника-преобразователя.
Энергия фотонов лазерного пучка 4, не преобразованная в полезную электрическую мощность в ФЭ 3, попавших в область светового пятна 5, переходит в тепловую энергию. Одна часть этой тепловой энергии разогревает защитное оптическое покрытие 14 и излучением сбрасывается с его наружной поверхности. Другая часть - через тыльные контакты 11 ФЭ 3 и через электроизолирующий слой 9 теплопроводностью передается теплоотводящей платформе-подложке 15, откуда поступает в систему охлаждения 8 приемника-преобразователя.
Приведем расчетный пример проектирования приемника-преобразователя лазерного излучения.
90
90
фэ
5
2
-4
2
Положим лазерная система передачи энергии (на рисунке не показана) направляет поток электромагнитного излучения с длиной волны λ=0,8 мкм со средней плотностью мощности Е=1,0⋅10 Вт/м в поперечном сечении пучка диаметром d=0,316 м под углом между осью лазерного пучка и нормалью к приемной плоскости α=30°. Причем лазерная система передачи энергии пространственно ориентирована относительно приемной плоскости так, чтобы ось лазерного пучка была направлена в ее геометрический центр, а световое пятно не выходило за пределы приемной плоскости. На внешней стороне приемной плоскости равномерно распределены модули с фотоэлектрическими преобразователями на основе полупроводниковых фотоэлементов с внутренним фотоэффектом. В качестве полупроводникового материала выбран GaAs, как материал имеющий наивысший показатель поглощения, для данной длины волны лазера, в сравнении с другими полупроводниками [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 93]. Для расчетного примера в качестве фотоэлементов, конструктивно входящих в состав модуля, используют тонкопленочные однопереходные ФЭП на основе AlGaAs/GaAs [Ж. И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики. // Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 8, с. 937-948], разработанные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН и позволяющие сохранить высокий КПД при уменьшении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии. // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66]. Кроме того, преимуществом ФЭП на основе AlGaAs/GaAs является, по сравнению с кремниевыми ФЭ, более высокая температурная стабильность, возрастающая при увеличении интенсивности излучения и обеспечивающая эффективную работу ФЭ при температурах до 500 К [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 119], что важно при проектировании системы охлаждения приемника-преобразователя космического применения. Примем ограничение по максимальной температуре, обеспечивающей эффективную работу ФЭ, не превышающей Т=500 К. Положим, что фотоэлементы выполнены в виде квадрата площадью s=1⋅10 м; эксперименты в подобной геометрии выполнялись, например, для высокоэффективных экспериментальных гетеропереходных солнечных элементов на основе AlGaAs/GaAs [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М: Наука, 1984, с. 120].
ПП
ПП
ПП
2
3
2
2
ФЭ
90
90
90
90
м
ПП
2
-3
2
2
2
-3
Приемную плоскость, установленную на несущую силовую конструкцию приемника-преобразователя, выполняют в виде квадрата площадью S=0,144 м, где равномерно распределены модули в количестве n=144. Модули выполняют в виде квадрата, площадь которого s=S/n=0,144/144=1,0⋅10 м. Как видно из сравнения площадей модуля и приемной плоскости, удовлетворяется требуемое условие s<<S. Причем каждый модуль конструктивно представляет единое целое, состоящее из m=9 фотоэлементов, одинаковых по конструкции, составу и электрически изолированных друг от друга электроизолирующим слоем. В каждом модуле от каждого ФЭ через тыльную сторону выходят от передней контактной сетки и тыльного контакта электропроводящие элементы для дальнейшей коммутации ФЭ в группы. Переднюю контактную сетку и тыльный контакт фотоэлементов выполняют из материала на основе Au. С лицевой стороны в каждом модуле фотоэлементы защищены оптическим покрытием, поскольку при длительном пребывании ФЭ в космических условиях происходит деградация их основных параметров. В качестве защитного оптического покрытия используют стеклянную пластину из многокомпонентного стекла с антиотражающим покрытием (АП), снижающим коэффициент отражения стекла в рабочей спектральной области ФЭ за счет эффекта интерференции - просветления поверхности. Так, для данного примера лазерного излучения с длиной волны λ=0,8 мкм используют, как вариант, АП для защитного оптического покрытия из стекла К-208 - трехслойное покрытие AlO⋅2ZrO⋅MgF [Защитные покрытия солнечных батарей космических аппаратов с большим ресурсом/ Летин В.А., Гаценко Л.С., Агеева Т.А., Суркова В.Ф. // Автономная энергетика. Технический прогресс и экономика. Журнал НПП 1 «Квант». М.: 2008-2009. №24-25, с. 3-13]. Для принятой интенсивности лазерного излучения, исходя из полученных КПД реальных ФЭ на базе GaAs, примем КПД преобразования энергии излучения в электричество фотоэлементов η=0,45 [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии. // Автометрия. 2012. Т. 48, №2. с. 59-66]. С тыльной стороны фотоэлементы каждого модуля через электроизолирующий слой установлены на теплоотводящей платформе-подложке, выполненной из сплавов на основе меди или серебра, для отвода отбросного тепла термодинамического цикла в систему охлаждения приемника-преобразователя. Фотоэлементы, по одному из каждого модуля, с помощью электропроводящих элементов параллельным соединением объединяются в группу с количеством фотоэлементов в каждой группе j, где j=n=144. Всего i групп, где i=m=9; группы далее последовательно соединяются в цепочку. Положим, падающий на приемную плоскость лазерный пучок диаметром d=0,316 м образует на ней область светового пятна. В первом приближении оценим число k модулей, полностью попадающих в область светового пятна лазерного пучка, взяв за k целую часть от деления площади поперечного сечения лазерного пучка А и площади модуля s, т.е. k=A÷s=(π⋅d/4)÷s=(π⋅0,316/4)÷(1,0⋅10)=78. Таким образом, будем считать, что в область светового пятна полностью попадает 78 модулей, которые в сумме содержат n=k⋅m=78⋅9=702 фотоэлемента, причем в каждой группе из цепочки присутствует q фотоэлементов, принадлежащих модулям, полностью попадающим в область светового пятна, где q=k=78. Эти ФЭ из каждой группы освещаются лазерным пучком с различной интенсивностью, но практически одинаково повторяющейся в каждой группе суммарной мощностью лазерного излучения, падающего на эти q ФЭ, что поддерживается предлагаемой коммутацией ФЭ и условием s<<S. Причем, количество модулей в области светового пятна зависит от выбранной геометрии приемной плоскости, диаметра и угла падения лазерного пучка и должно отвечать условию 1≤k≤n. В процессе ресурсной эксплуатации приемника-преобразователя в космических условиях будем учитывать при выборе F возможность отжига радиационных дефектов в ФЭ для принятых в примере температурных условий и материала ФЭ на основе AlGaAs/GaAs, что утверждалось, например, в [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 119]. Примем для данного примера величину суммарного фактора, учитывающего особенности приемника-преобразователя и влияние внешних факторов, приводящих к возможной деградации параметров приемника-преобразователя, F=0,8. По уравнению (1) выполним оценку основной электрической характеристики приемника-преобразователя, которой является максимальная выходная электрическая мощность Р (эта мощность отличается от действительной выходной мощности, зависящей от нагрузки) при данных конкретных условиях работы и влиянии окружающей среды.
.
С учетом использования антиотражающих покрытий, в рассматриваемом примере будем пренебрегать отражением лазерного излучения от защитного оптического покрытия. Оценим для данного примера мощность W лазерного излучения, которая не преобразована в ФЭ в электроэнергию. С лицевой стороны эта тепловая мощность будет отводиться излучением с внешней поверхности защитного оптического покрытия каждого модуля с ФЭ. С тыльной стороны, с помощью системы охлаждения приемника-преобразователя, тепловая энергия отводится от теплоотводящих платформ-подложек каждого модуля. Как отмечалось, для рассматриваемого в примере материала полупроводниковой структуры принято ограничение по максимальной температуре, обеспечивающее эффективную работу ФЭ, не превышающее Т=500 К. Также считаем, что в конструкции системы охлаждения предусмотрены меры по обеспечению работы ФЭ в равных температурных условиях. Обозначив через ΣW - мощность лазерного пучка, падающего на приемную плоскость, оценим отводимую мощность W из следующего выражения:
90
u
2
2
5
W=ΣW-Р=(π⋅d/4)⋅E⋅-Р=(π⋅0,316/4)⋅1,0⋅10-2200=7843-2200=5643 Вт.
изл
c
Не преобразованная в электричество электромагнитная энергия лазерного пучка в виде тепловой энергии разогревает защитное оптическое покрытие ФЭ, выполненное на основе стеклянных пластин. При работе приемника-преобразователя в космических условиях, одна часть этой энергии излучением Q сбрасывается в космическое пространство с внешней поверхности защитного оптического покрытия с коэффициентом теплового излучения, в диапазоне длин волн более 5 мкм, ε=0,95 [Л.А. Новицкий, Б.М. Степанов. Оптические свойства материалов при низких температурах. Справочник. Москва, Машиностроение, 1980, с. 170].
изл
Используя закон теплового излучения Стефана-Больцмана, определим Q из выражения
-8
2
4
где σ - постоянная Стефана-Больцмана, σ=5,67⋅10 Вт/(м⋅К).
изл
с
ПП
4
-8
4
Q=ε⋅σ⋅Т⋅S=0,95⋅5,67⋅10⋅500⋅0,144=485 Вт.
теп
теп
теп
изл
Другая часть тепловой энергии Q через тыльные контакты ФЭ и через электроизолирующий слой теплопроводностью передается теплоотводящей платформе-подложке. Откуда тепловая энергия Qпоступает в систему охлаждения приемника-преобразователя в количестве Q=W-Q=5643-485=5158 Вт.
теп
Как видно из результатов расчетной оценки, система охлаждения с пассивным охлаждением, даже с привлечением для радиационного сброса тепла тыльной поверхности приемной плоскости, не решает проблему обеспечения предельной температуры ФЭ на уровне, не превышающем Т=500 К. Поэтому в космических условиях для рассматриваемого приемника-преобразователя наиболее вероятна активная система охлаждения с использованием холодильника-излучателя, куда передается тепло Q, например, тепловыми трубами, установленными с тыльной стороны приемной плоскости внутри сотовой конструкции, как выполнено, например, в [RU 2566370, МПК: G01J 5/58 (2006.01), опубл. 27.10.2015], и далее радиационно сбрасывается в космическое пространство.
Использование достаточно миниатюрных ФЭ на основе полупроводниковых гетероструктур, площадь которых может быть порядка квадратного сантиметра [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с.110], при последовательно-параллельной коммутации приводит к схемным потерям. Объединение ФЭ на общей теплоотводящей платформе-подложке в фотоэлектрические модули, одинаковые по конструкции, составу и используемым материалам, позволяет стандартизировать технологию изготовления модулей. Упрощается сборка приемной плоскости из отдельных модулей, что приведет к снижению схемных потерь и увеличению КПД приемника-преобразователя.
Приведем вывод уравнения (1) для оценки максимальной выходной электрической мощности Р наземного или космического приемника-преобразователя, используя соотношение для солнечной батареи из [Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 73]. Максимальную выходную электрическую мощность Р приемника-преобразователя будем оценивать из соотношения
u
2
где Е - средняя плотность мощности в поперечном сечении лазерного пучка, содержащем u% полной мощности пучка, на Земле или в космосе, Вт/м;
α - угол между осью лазерного пучка и нормалью к приемной плоскости;
ФЭ
η - КПД фотоэлемента;
u
2
A - площадь поперечного сечения лазерного пучка, м;
F - суммарный фактор, учитывающий влияние внешних факторов на деградацию параметров приемника-преобразователя;
зап
К - коэффициент заполнения приемной плоскости фотоэлементами.
u
u
u
2
В соотношение (3) подставляем А из выражения A=π⋅d/4. Коэффициент заполнения приемной плоскости фотоэлементами определим из выражения
u
зап
После подстановки в (3) выражения для А и выражения К из (4) получаем уравнение (1):
.
u
ПП
Необходимо отметить, что суммарный ток, генерируемый в каждой группе, в общем случае будет различен, поскольку складывается из основного тока, генерируемого ФЭ модулей, попавших в область светового пятна, и фототоков от отдельных ФЭ, входящих в частично освещенные модули. Кроме того, будет различен и основной ток в каждой группе от ФЭ модулей, попавших в область светового пятна из-за неравномерного освещения ФЭ в модуле. Причем отклонение суммарного тока в группе от основного тока для данного d будет тем выше, чем больше отклонение от выполнения условия s<<S. В любом случае ток в цепочке последовательно соединенных групп будет определяться током наихудшего из них.
Необходимо также отметить, что эффективность работы приемника-преобразователя на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности определяется, при прочих равных условиях, в первую очередь двумя факторами.
Первый фактор определен тем, что ток в цепочке последовательно соединенных групп из параллельно соединенных ФЭ определяется минимальным током группы из этой цепочки, который в свою очередь определяется минимальной мощностью лазерного излучения, падающего на ФЭ этой группы.
Второй фактор определен физическим свойством полупроводниковых ФЭП, у которых типовые вольт-амперные характеристики (ВАХ) ФЭ одинаковых структур имеют нелинейный, почти прямоугольный характер [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984, с. 118] с практически равными фотоЭДС и возрастающими токами короткого замыкания при увеличении интенсивности облучения, что подтверждается экспериментально.
Предлагаемая параллельно-последовательная коммутация ФЭ позволяет учитывать вышеприведенные факторы для создания эффективно работающего приемника-преобразователя.