Алматы 2015 Almaty


Күн қондырғыларының функциональдық, математикалық модель құрылымы және



Pdf көрінісі
бет121/130
Дата12.03.2017
өлшемі19,96 Mb.
#9035
1   ...   117   118   119   120   121   122   123   124   ...   130

Күн қондырғыларының функциональдық, математикалық модель құрылымы және 

оңтайландырылған алгоритмдер бірізділігі. 

Аңдатпа  Зерттеу  нысаны  эксперименталдi  күн  қозғалысын  аңдушы  гелиоконцентратор  қондырғысы, 

оның негiзiнде қондырғыны әзiрлеу және автоматтандыру жүйесiн зерттеу болып табылады. 

Бұл  бағыттың  дамуындағы  маңызды  кезең  кең  ауқымды  есептеу-жобалау  және  теориялық  ізденістер, 

машиналық  эксперимент  және  станция  схемаларын  мүмкін  болатын  нұсқасын  автоматтандыру  болып 

табылады.Бұл деңгейдегі тапсырманы тікелей шешу  мәселенің ауқымдылығымен түсіндіріледі. 

 Түйіндік  сөздер;  жылулық  реактор,  бағыт,  оңтайландырукүн  сәулесі,  гелиостат  қондырғысы,  аңду 

жүйесi, параболалық гелиоконцентратор 

 

Satybaldyieva F.A. 



The functional structure of the solar installation, the structure of the mathematical model and sequence 

optimization algorithms 

Аbstract The object of research is experimental solar concentrator installing a follower of the Sun position, on the 

basis of which the work is underway on the development and research unit of the automation systems. 

An important moment in the development of this direction is to conduct a large scale settlement and design and 

theoretical studies using computer experiment and automation of selection options schemes station. The complexity of 

direct experiment to a level tasks for development stages explains the magnitude of the problem. 

List  of  keywords:  thermal  reactor,  orientation,  optimization,  solar  radiation,  heliostat  installation,  tracking 

system, parabolic solar concentrator. 



857 

Секция 

Космическая техника и технологии 

 

 

 

 

 

УДК 550.388.2 



 

Гусейнов С.Р. магистрант

1

, Суйменбаев Б.Т.

1

, Сысоев В.К.

2

,  

Ермолдина Г.Т. магистрант

1

, Суйменбаева Ж.Б. магистрант

1

,  

Бапышев А.М. магистрант

1

 

1

Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева  



г. Алматы, Республика Казахстан, 

2

Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина,  



г. Химки, Российская Федерация 

gulerm@mail.ru 

 

ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ  

ПО ЛАЗЕРНОМУ ЛУЧУ 

 

Аннотация.  В  концепции  построения  солнечной  космической  электростанции  немалый  интерес 

представляет изучение системы приема и преобразования лазерной энергии в электрическую. В данной статье 

приводится  анализ  и  выбор  фотоэлектрических  преобразователей  из  соображений  максимальной  возможной 

как принимаемой, так и передаваемой мощности, а также выбор материалов, на основе которых можно достичь 

этого с максимальными значениями КПД. Проведен анализ в выборе концентраторов солнечной энергии. 



Ключевые  слова:  солнечная  космическая  электростанция,  лазерный  канал  передачи  энергии, 

фотопреобразователи, полупроводниковые приборы, солнечные концентраторы. 



 

Как  известно,  программы  развития  альтернативной  энергетики  основаны  на  применении 

солнечной энергии путем использования фотовольтаики [1]. 

Существующие  фотоэнергетические  станции  основаны  на  технологии  полупроводниковых 

материалов,  позволяющих  в  отдельных  странах  вывести  солнечные  электростанции  на  основе 

фотовольтаик 

на 

3-4 


место 

по 


объёму 

вырабатываемой 

энергии 

[2]. 


Поля 

таких 


фотопреобразователей достигают сотни квадратных метров. 

В последние годы возрос интерес к лазерным солнечным космическим электростанциям (СКЭС) 

в связи с успехами на базе нанотехнологий в разработке инфракрасных полупроводниковых лазеров 

(длина волны порядка 1 микрона) и волоконных лазеров [3], которые существенно эффективнее СВЧ 

метода: 

КПД 


преобразования 

электроэнергии 

в 

инфракрасный 



лазерный 

сигнал 


в 

полупроводниковом лазере доходит до 80%; значительно меньшая расходимость (10

-6

 рад) лазерного 



луча  по  сравнению  с  СВЧ  -  сигналом  (с  геостационарной  орбиты  на  Землю  лазер  даёт  пятно  36м, 

СВЧ 


 15-20 км); реальные достижения в миниатюризации элементной базы (по световоду диаметром 

250 микрон передаётся световая мощность 25 кВт). 

Развитие  технологии  космических  солнечных  электростанций  с  лазерным  каналом  передачи 

энергии,  требует  как  развития  специализированных  фотопреобразователей  под  выбранный  тип 

лазерного излучателя, так и разработку специализированных конструкций наземной техники [4-6]. 

Целесообразность  освоения солнечной энергии с помощью расположенных в космосе лазерных 

источников излучения (лазерный канал передачи энергии - ЛКПЭ) была подробно исследована [7-11]. 

При наличии конкурирующих технологий, использующих микроволновое излучение, расположенные 

в  космосе  (СКЭС)  лазерные  источники  излучения  признают  верным  решением,  несмотря  на 

смешанные  мнения  по  соображениям  общей  стоимости  системы  и  ее  эффективности.  Хотя  система 

микроволновой передачи энергии в настоящее время обладает более высокой эффективностью (всего 

процесса)  по  сравнению  с  лазерной,  на  нее  влияет  интерференция  от  сигналов  с  других  спутников 

связи, а также необходим большой размер приемника энергии ограничивающего его маневренность и 

точнонаправленную энергетическую доставку, которая является основным преимуществом в системе 

ЛКПЭ. Последние технологические достижения в производстве высокомощных волоконных лазеров 

и фотовольтаики теперь достигли таких результатов, когда концепция СКЭС через ЛКПЭ может быть 

реализована на практике с общей эффективностью системы 10 % и более [12-13]. 


858 

Для  того,  чтобы  передать  энергию  на  Землю  (или  любую  другую  цель)  с  высокой  точностью 

наведения и стабильностью, где она превращается в электрическую энергию с помощью специальных 

фотоэлементов,  СКЭС  для  ЛКПЭ  использует  высокомощные  лазеры,  либо  непосредственно 

накачиваемые солнечным излучением, либо с диодной накачкой, которые в свою очередь, управляются 

электрической энергией, вырабатываемой на борту СКЭС посредством солнечных батарей (солнечно-

синхронно).  Последние  достижения  в  области  волоконных  лазеров  с  диодной  накачкой  предлагают 

очень  высокую  точность  наведения  и  качество  излучения  при  очень  высоких  мощностях  [14]. 

Преобразование  излучаемой  оптической  энергии  в  электрическую  можно  достичь  с  помощью 

специальных преобразователей лазерного излучения (т.е. фотоэлектрических преобразователей (ФЭП)), 

которые  могут  преобразовать  оптическое  излучение  одной  определенной  длины  волны  в 

электрическую энергию с очень высокой эффективностью в отличие от обычных солнечных элементов. 

Это 

возможно 



потому, 

что 


фотоэлектрический 

элемент 


обладает 

максимальным 

КПД 

фотоэлектрического  преобразования  при  освещении  монохроматическим  светом  с  длиной  волны, 



соответствующей ширине запрещенной зоны выбранного материала, поглощающего энергию.  

Такая  система  ЛКПЭ  в  сочетании  со  специальными  ФЭПами  не  только  находит  применение  в 

СКЭС,  но  и  полезна  и  для  ряда  других  наземных  применений  передачи  оптического  излучения.  В 

частности, такая система может быть использована для наземной линии визирования канала лазерной 

передачи  энергии,  дистанционного  питания  беспилотных  летательных  аппаратов.  Волоконно-

оптические передающие системы могут быть использованы со специальными ФЭПами для передачи 

энергии  в  места,  где  не  представляется  возможным  использование  обычных  проводов  в  связи  с 

наличием взрывоопасных или летучих веществ, чувствительных к электромагнитным помехам. 

Выбор  длины  волны  для  системы  ЛКПЭ  в  открытом  космосе  в  основном  зависит  от  двух 

важных соображений: 

безопасность для глаз и кожи; 



поглощение  и  ослабление  оптического  излучения  при  прохождении  через  атмосферу  или 

любой другой канал (например, оптическое волокно). 

В  настоящее  время  хорошо  известно,  что  излучение  с  длинами  волн  больше,  чем  1,4  мкм 

является безопасным как для человеческих глаз, так и для кожи, при плотности мощности лазерного 

излучения  до  1кВт/м

2

  (эквивалентно  излучению  одного  солнца).  Окно  прозрачности  атмосферы 



Земли,  в  котором  ослабления  оптического  излучения  минимальны,  находится  в  пределах  от  около 

1,55 мкм до 2,1 мкм в ближнем и среднем ИК-спектре. 

На  сегодняшний  день  представлены  сверх  высокомощные  волоконные  лазеры    как  на  длину 

волны  1,55  мкм,  так  и  на  2.1  мкм.  Таким  образом,  чтобы  соответствовать  указанным  выше 

требованиям,  требуется  оптимизировать  ячейки  ФЭП  таким  образом,  чтобы  достичь  максимальную 

эффективность  преобразования  на  длинах  волн  1,55  мкм  и  2,1  мкм.  Разработаны  новые  ФЭП  на 

основе  полупроводников  III-V,  которые  оптимизированы  специально  для  преобразования 

монохроматического  лазерного  излучения  с  безопасной  для  глаз  длиной  волны  1,55  мкм  в 

электрическую  энергию.  Следует  отметить,  что  выбранная  ячейка  ФЭП  для  длины  волны  2,1  мкм 

имеет  существенно  меньшую  эффективность  преобразования из-за  более  низкой  энергии  фотона  на 

длине волны 2 мкм по сравнению с 1,55 мкм.  

Во  всех  применениях  лазеров,  важнейшим  является  то  обстоятельство,  что  лазерное  излучение 

должно  быть  сформировано  в  пучок,  расходимость  которого  составляет  не  более  10

-4

  рад. 



Существенным  преимуществом  лазерного  излучения  по  сравнению,  например,  с  микроволновым, 

является  малая  длина  волны  излучения,  а.  следовательно,  и  малая  дифракционная  расходимость 

излучения.  Поэтому  использование  лазерного  излучения,  в  принципе,  позволяет  решить  задачу 

решить  задачу  передачи  энергии  и  космосе  при  разумных  размерах  излучающей  и  приемной 

апертуры. 

По сравнению с наземными лазерными системами концепция, использующая размещение лазера 

в космосе, имеет следующие преимущества: 

1) 


Пучок  излучения  не  проходит  через  атмосферу,  поглощающую  существенную  долю 

излучения  (~30%)  и,  кроме  того,  приводящую  к  рассеянию  лазерного  пучка  вследствие 

турбулентности.  Помимо  устранения  потерь,  связанных  с  поглощением  и  рассеянием,  последнее 

обстоятельство позволяет: 

а) 

избежать воздействия нелинейных процессов, ограничивающих передаваемую мощность; 



б) 

обеспечить высокое качество наблюдения объекта, на который с помощью лазерного пучка 

транспортируется энергия, и осуществить точную адресацию пучка на приемник излучения; 


859 

2) 


Дистанция  передачи  энергии  может  быть  значительно  короче,  чем  при  наземном 

расположении  лазера,  что  обеспечивает  значительный  выигрыш  в  габаритах  и  массе  передающей  и 

приемной системы. 

Требования  к  системам  передачи  энергии  по  лазерному  лучу  определяются,  с  одной  стороны, 

особенностями характеристик лазерного излучения при дистанционном энергоснабжении объектов:  

- непрерывным или импульсно-периодическим режимом его поступления;  

- большой мощностью;  

- монохроматичностью;  

-  широким  диапазоном  возможного  изменения  средней  плотности  потока  лазерного  излучения, 

падающего на фотоэлектрическую батарею (0.1-100 Вт/см

2

);  


-  неравномерным  распределением  плотности  лазерного  излучения  по  поверхности  ФЭП  и 

колебаниями этого распределения в процессе передачи энергии. 

С  другой  стороны,  эти  требования  определяются  необходимостью  обеспечения  таких  свойств 

фотоэлектрической системы преобразования лазерного излучения как:  

-  минимально  возможная  площадь  и  масса  на  единицу  вырабатываемой  электрической 

мощности; 

- высокая надежность и длительный (10-15 лет и более) ресурс работы;  

- стабильность выходных электрических параметров системы;  

- низкая стоимость. 

Исходя  из  особенностей  характеристик  лазерного  излучения  и  ограничений  на  параметры 

фотоэлектрической системы определяются основные требования к последней и ее элементам (ФЭП): 

- высокий КПД при выбранных длинах волн (0.8 и мкм) лазерного излучения; 

-  возможность  эффективной  и  надежной  работы  ФЭП  при  различной  плотности  падающего 

излучения и повышенных температурах; 

- возможность эффективного отвода тепла от системы без существенного увеличения массы; 

-  устойчивость  к  длительному  воздействию  внешних  факторов,  в  первую  очередь, 

климатические воздействия;  

- возможность компенсации неравномерного распределения плотности лазерного излучения. 

В  мире  исследования  в  области  дистанционной  передачи  энергии  по  лазерному  лучу  носит  в 

основном  теоретический  характер.  В  качестве  источников  излучения  предлагается  использование 

мощных  лазеров,  а  в  качестве  приемников  излучения  фотопреобразователей  на  основе 

гетероструктур [15]. 

Фотоэлектрические  преобразователи  являются  важными  элементами  в  системах  передачи 

энергии по лазерному лучу. При фотоэлектрическом преобразовании лазерного излучения возможно 

достижение  эффективности  до  60%.  Полупроводниковые  соединения  типа  А

3

В



3

  с  «прямой» 

структурой зон являются наиболее перспективными материалами для создания таких ФЭП. GaAs, InP 

и GaSb являются материалами, на основе которых могут быть созданы такие фотопреобразователи. 

При  этом  на  основе  GaAs  обеспечивается  эффективное  преобразование  излучения  в  диапазоне 

длин  волн  0.4-0.8  мкм,  на  основе  InP/InGaAsP  –  1,0-1.6  мкм,  а  на  основе  GaSb  могут  быть 

изготовлены ФЭП на спектральный диапазон излучения 1-1,7 мкм. Основными преимуществами этих 

материалов  являются:  высокое  качество,  обеспечивающее  достижение  близкого  к  95%  внешнего 

квантового выхода фотоответа, и возможность получения гетероструктур на основе этих материалов 

с использованием высокопроизводительных методов жидкофазной и газофазной эпитаксий. 

Большой задел в области солнечных батарей позволяет развернуть «широким фронтом» работы 

по  преобразователям  лазерного  излучения.  Теоретическое  значения  КПД  преобразований  лазерного 

излучения показаны линиями 2, 3 и 4 на рисунке 1 для трех значений фототока i

ph

. На этом рисунке 



по  оси  абсцисс  отложена  длина  волны,  которую  в  данном  случае  следует  рассматривать  как 

граничную  длину  волны  (λ

г

)  лазерного  излучения,  которое  может  быть  преобразовано 



фотоэлементами  на  основе  указанных  полупроводниковых  материалов.  Для  каждого  материала 

значения  КПД  преобразования  более  коротковолнового  по  сравнению  с  λ

г

  излучения  должны  быть 



уменьшены  в  λ  /  λ

г

  раз,  что  в  качестве  примера  изображено  четырьмя  наклонными  прямыми  для 



материалов InGaP (5) GaAs (6), GaSb(7) и Ge (8) и i

ph

 = 1.0 А×см



-2

 (из работы В.М.Андреева и др.). 

 


860 

  

200



 

400


 

600


 

800


 

1000


 

1200


 

1400


 

1600


 

1800


 

2000


 

0.00


 

0.05


 

0.10


 

0.15


 

0.20


 

Длина волны 

0

 

20



 

40

 



60

 

80



 

100


 

8

 



7

 

GaSb



 

Ge

 



6

 

5



 

1

 



2

 

3



 

4

 



InGaP   GaAs    

 

 К



П

Д

 п



р

ео

б



р

аз

о



в

ан

и



я 

 

л



аз

ер

н



о

го

 и



зл

у

ч



ен

и

я,



 %

 

И



н

те

н



си

в

н



о

ст

ь



 с

о

л



н

еч

н



о

го

 



и

зл

у



ч

ен

и



я

[m



W

·c

m



-2

·n

m



-1

 



 

 

Рисунок 1 - Зависимости значения монохроматического КПД для величин фототока [16] 



i

ph

 = 0,1;1,0 и 10 А×см

2

 (линии 2, 3, 4 соответственно) в зависимости от граничной волны полупроводникового 

материала; 1 - энергетический спектр солнечного излучения АМ0; 5, 6, 7, 8 - КПД преобразования энергии 

монохроматического излучения для идеализированных ФЭП на основе InGaP. InGaAsP. GaAs GaSb и Ge 

соответственно в зависимости от длины волны преобразуемого излучения. 

 

Теоретический  максимум  КПД  идеализированного  фотоэлектрического  преобразователя 



лазерной  энергии  на  основе  каждого  из  выбранных  материалов  увеличивается  с  увеличением 

плотности фототока, т.е. с увеличением мощности лазерного излучения, и уменьшается с увеличение 

длины  волны  лазерного  излучения.  При  этом,  как  видно  из  рисунка    4  для  лазерного  излучения  с 

длиной  волны  0.8  мкм  оптимальным  материалом  для  изготовления  ФЭП  является  GaAs.  Для 

лазерного излучения с длиной волны 1,07 мкм оптимальным материалом являются твердые растворы 

InGaAsP с Eg = 1,1 эВ. 

Данные  значения  КПД  рассчитаны  в  предположении  о  нулевых  оптических  потерях  излучения 

на  отражение  света  от  поверхности  ФЭП,  и  на  затенение  контактами  и  нулевых  рекомбиционных 

потерях  фотогенерированных  электронно-дырочных  пар  до  их  разделения  р-n-переходом.  Не 

учитывались  также  эффекты,  связанные  с  протеканием  в  объеме  р-  и  n-области  ФЭП 

фотогенерированных носителей тока. 

Причинами  оптических  потерь  в  преобразовании  лазерного  излучения  являются:  отражение 

части  излучения  от  поверхности  ФЭП  и  затенение  контактной  сеткой.  Снижение  коэффициента 

отражения R достигается нанесением на поверхность ФЭП просветляющих покрытий в виде тонких 

пленок,  обеспечивающих  интерференцию  и  взаимное  гашение  световых  волн,  отраженных  от 

поверхности пленки и от границы пленка-проводник. Интегральный коэффициент отражения, таким 

образом,  может  быть  уменьшен  от    R ≈ 35%  для  непросветленной  поверхности  и  до  R ≈ 50%  при 

использовании просветляющих покрытий.  

Для  гладкой  поверхности  ФЭП  (непросветленной  или  просветленной)  коэффициент  отражения 

почти  не  меняется  при  увеличении  угла  падения  лазерных  лучей  до  30-40°,  однако  затем  быстро 

увеличивается,  стремясь  к  единице  при  углах  падения,  близких  к  90°.  При  использовании 

концентраторов  лазерного  излучения  (линзы,  сферические  зеркала),  углы  падения  лучей,  как 

правило, не превосходят 30-40°. 

Вторую  часть  оптических  потерь  в  ФЭП  составляют  потери  на  затенение  светочувствительной 

поверхности электрическим контактом к освещаемой области р-n-перехода. Для снижения омических 

потерь контакт обычно выполняется в виде металлической сетки с шагом от одного миллиметра (для 

преобразования  лазерного  излучения  малой  мощности  -  0,1  Вт/см

2

)  до  0,1  мм  (для  преобразования 



мощного  лазерного  излучения  -  10-100  Вт/см

2

).  При  этом  потери  на  затенение  могут  составлять  от 



нескольких процентов до 10-15%. 

Другим  источником  потерь  являются  рекомбинационные  потери  в  ФЭП.  В  реальном  ФЭП 

электронно-дырочные  пары  могут  быть  генерированы  лазерным  излучением  как  в  n-,  так  и  в  р-

области, в зависимости от того, на какой глубине произошло поглощение фотонов с данной энергией. 

Неосновные носители тока - электроны в р-области и дырки в n-области - двигаются к р-n-переходу, 

электрическое  поле  которого  осуществляет  собирание  электронов  в  n-область.  а  дырок  в  р-область. 

Часть  неосновных  носителей  тока  может  исчезнуть  в  результате  рекомбинации.  За  меру 

эффективности  процесса  собирания  фотогенерированных  носителей  принимается  коэффициент  Q 



861 

(коэффициент  собирания),  равный  отношению  количества  электронно-дырочных  пар,  разделенных 

полем  р-n-перехода,  к  общему  количеству  генерированных  светом  электронно-дырочных  пар. 

Величина  Q  существенно  зависит  от  длины  возбуждающего  излучения,  поскольку  имеет  место 

спектральная  зависимость  показателя  поглощения  полупроводников,  и  генерация  носителей 

происходит  на  разном  расстоянии  от  р-n-перехода.  Величина  рекомбинационных  потерь  в 

гетероструктурных ФЭП составляет порядка 5% (рисунок 2). 

 

 



 

Рисунок 2 - Фотоэлектрическое преобразование лазерного излучения 



Максимальные теоретические значения монохроматического КПД фотоэлектрических преобразователей для величин 

фототока Iph = 0,1; 1,0 и 10 A·cм-2 (линии 2, 3, 4 соответственно) в зависимости от длины волны излучения. 

 

Увеличение КПД в фотопреобразователях лазерного излучения может быть достигнуто и за счет 

разработки  высокоэффективных  наногетероструктур  с  внутренним  Брэгговским  зеркалом. 

Встроенные  в  гетероструктуру  Брегговские  зеркала  (на  основе  периодических  структур, 

образованных  слоями  с  толщинами  50-70  нм),  обеспечивают  отражение  в  фотоактивную  область 

"надзонных"  фотонов.  Использование  внутреннего  Брэгговского  рефлектора  должно  обеспечить 

увеличение фотоответа, вызываемое сильным отражением от Брэгговского зеркала в длинноволновой 

области  чувствительности  ФЭП.  что  крайне  важно  для  повышения  эффективности  при 

преобразовании монохроматического излучения [10, 17]. 

В  результате  выполнения  указанных  исследований  могут  быть  созданы  высокоэффективные 

гетероструктурные  фотопреобразователи  лазерного  излучения  и  изготовлены  системы  передачи 

энергии по лазерному лучу, не имеющие аналогов в мире (рисунок 3-5).  




Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   117   118   119   120   121   122   123   124   ...   130




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет