Алматы 2015 Almaty
жүктеу/скачать 20,3 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Лазерлік сәулесі арқылы электр энергиясын беру жүйесіндегі фототүрлендіргіштер Түйіндеме.
- Photoconverters in the power transmission system by laser beam Summary.
- Суйменбаева Ж.Б., Кусаинов Б.К., Омар Р.Т.
- ОСОБЕННОСТИ НИОКР В СФЕРЕ ВОЕННО-КОСМИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Аннотация.
- Ключевые слова
Рисунок 3 - Конструкции ФЭП для преобразования мощного лазерного излучения (изготовлено в лаборатории МФТИ В.М.Андреевым) 890
Рисунок 4 - Спектр внешней квантовой эффективности и зависимость КПД фотопреобразователей от величины фотопотока (из работы В.М.Андреева и др.) [16]
Рисунок 5 - Высокая температурная стабильность параметров концентраторных СФЭУ Уменьшение мощности солнечных электростанций (1 МВт при 25ºС) на основе кремния и концентраторных батарей при увеличении температуры (из работы В.М.Андреева и др.) [18]
Как видно из рисунка 6 (см. Рис. 6) на графике эффективности преобразования лазерного излучения в электрическую энергию на длине волны 1,55 мкм максимальная эффективность преобразования (45 ± 1%) для ФЭП достигается при плотности фототока равной 1 кВт/м 2 , далее эффективность преобразования падает из-за повышенной тепловой нагрузки и потери на сопротивление.
Рисунок 6 - Зависимость эффективности преобразования ФЭП от падающей плотности мощности на длине волны 1550 нм
891 Фактор заполнения (насыщение) при 1 кВт/м2 был 75 ± 1%. Так как эффективное насыщение ФЭП происходит при примерно 1 кВт/м 2 , то даже в отсутствие тепловых эффектов, увеличение интенсивности падающего излучения увеличивает тепловую нагрузку на ФЭП, тем самым снижая ее эффективность из-за температурно-зависимых механизмов рекомбинации носителя. Следует отметить, что характеристики ФЭП, указанные здесь, очень хорошо соответствуют характеристикам, измеренным в лабораторных условиях. Максимальный полученный оптико-электрический КПД преобразования составляет 45 ± 1% (коэффициента насыщения: 75 ± 1%) при плотности мощности 1 кВт/м 2 . При превышении порога плотности мощности в 1 кВт/м 2 эффективность преобразования падает из-за повышенного тепловой нагрузки на ФЭП. Дальнейшая оптимизация изготовления такого ФЭП, как ожидается, позволит повысить эффективности преобразования до 50% и выше при падающей плотности мощности лазерного излучения равной 1 кВт/м 2 . КПД от розетки (электрический, в оптический, и обратно в электрический) системы в настоящее время ограничивается, главным образом, КПД волоконного лазера с диодной накачкой (12,5%). В настоящее время изучаются улучшенные схемы управления температурным режимом ФЭП, которые потребуются особенно при использовании массивов ФЭП, в целях поддержания максимально достижимой эффективности преобразования ФЭП на 1 кВт/м 2 при
еще более высоких плотностях мощности нашей системы ЛКПЭ. Такая система ЛКПЭ будет весьма полезна в будущем в качестве (зеленого и безопасного) источника энергии особенно в регионах и для задач, где обычные системы доставки энергии являются невозможными. Однако СКЭС с использованием ЛКПЭ имеют различные технологические и экономические проблемы. Конечно, в таких системах должны применяться концентраторы весьма разнообразных форм, таких как, например SunSimba. Принцип действия очень прост. Концентратор Sun Simba состоит из асферических бороздок, расположенных по кругу (см. Рис. 7). Они фокусируют параллельно падающее излучение в маленькие «промежутки». Далее излучение попадает в клин, из которого не может выбраться, и распространяется до солнечного элемента.
Рисунок 7 - Система SunSimba [19]
Наряду с очевидными достоинствами, необходимо отметить следующие преимущества: - Компактность по сравнению с той же линзой Френеля, параболическим зеркалом и системой Кассегрена; - Малая потеря энергии. В последние годы в мире активно обсуждается проблема передачи энергии с помощью лазерного излучения. При этом рассматриваются такие задачи, как задача снабжения электрической энергией искусственных спутников и самоходных аппаратов на поверхности Луны и планет, задача поддержания искусственных спутников на низких орбитах вокруг Земли, задача коррекции орбит спутников и перевода космических аппаратов с низких орбит на геосинхронную орбиту, задача возвращения на Землю космических аппаратов, отслуживших свой срок, или их фрагментов (уничтожение космического мусора). Рассматривается также и передача энергии с космических солнечных батарей па Землю. Лазерное излучение может быть эффективно преобразовано в электроэнергию с помощью фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводниковых гетероструктур. Такое преобразование может быть реализовано в системах дистанционного энергопитания космических аппаратов лазерным излучением, передаваемым с Земли, а также при передаче энергии между
892 космическими аппаратами и с космических солнечных батарей на Землю. Главной проблемой фотоэлектрического преобразования лазерной энергии является обеспечение достаточно высокой эффективности преобразования при падающей оптической мощности в диапазоне 0.1-100 Вт/см 2 .
освоения и использования космоса в XXI веке, так и для разрешения техногенных экологических проблем Земли и околоземного пространства. Таким образом, в результате проведенных исследований получены следующие результаты. Проведен анализ основных требований к лазерному каналу передачи энергии, которые должны включать: достижение высокого КПД (более 50%); возможность достижения высокой мощности единичных образцов (более 10 кВт); высокое качество пучка лазерного излучения (близкого к дифракционному уровню); возможность фазового суммирования лазерных пучков без потери их качества; минимальный ограничения по плотности мощности лазерного излучения, падающего на Землю. минимальные массогабаритные параметры и минимальное количество подвижных систем. На основе проведенных расчетов предлагается выбор фотопреобразователей для наземного пункта приёма лазерной энергии. Максимальный полученный оптико-электрический КПД преобразования составляет 45 ± 1% (коэффициента насыщения: 75 ± 1%) при плотности мощности 1 кВт/м 2
2 эффективность преобразования падает из-за повышенного тепловой нагрузки на ФЭП. Дальнейшая оптимизация изготовления такого ФЭП, как ожидается, позволит повысить эффективности преобразования до 50% и выше при падающей плотности мощности лазерного излучения равной 1 кВт/м 2 . КПД от розетки (электрический, в оптический, и обратно в электрический) системы в настоящее время ограничивается, главным образом, КПД волоконного лазера с диодной накачкой (12,5%). В настоящее время изучаются улучшенные схемы управления температурным режимом ФЭП, которые потребуются особенно при использовании массивов ФЭП, в целях поддержания максимально достижимой эффективности преобразования ФЭП на 1 кВт/м 2 при
еще более высоких плотностях мощности нашей системы ЛКПЭ. Такая система ЛКПЭ будет весьма полезна в будущем в качестве (зеленого и безопасного) источника энергии особенно в регионах и для задач, где обычные системы доставки энергии являются невозможными.
ЛИТЕРАТУРА 1 Мейтин М. «Фотовольтика – материалы, технология, перспективы» // Электроника. – 2000.-№6.- С. 40-46. 2 XEUS-Physics off the Hot Evolving Universe Meeting // XEUS workshop held at ESTEC on 5-6 March 2008, pp. 1-314. 3 Сысоев В.К., Пичхадзе К.М., Фельдман Л.И., Арапов Е.А., Лузянин А.С. «Концепция разработки космической солнечной электростанции» // Вестник, ФГУП НПО им.С.А.Лавочкина. – 2011. -№2. – С. 12-19. 4 База данных NASA https://eosweb.larc.nasa.gov/sse. 5 Changing System Parameters. http://rredc.nrel.gov. 6 Пресс-релиз http://www.gasu.ru/univer/edu/dep/fmf/kaf/fiz/ station.pdf. 7 Сысоев В.К. «Анализ архитектуры лазерного информационно-измерительного канала дистанционной передачи энергии в космосе» // Исследовано в России.- 2007.- №076.- С.799-807 8 Takeda К., Tanaka М., Miura S., Hashimoto K., Kawashiina К. «Laser power transmission for the energy supply to the rover exploring ice an the bottom of the crater in the lunar polar region» // Proc. SPIE, 2003, V.4800, pp. 411-419. 9 Сысоев В.К., Полищук Г.М., Пичхадзе К.М., Нестерин И.М., Арапов Е.А. «Солнечная космическая электростанция. Возможное решение» // Альтернативная энергетика и экология.- 2009.- №10(78).- С.52-59. 10 Любин Д.Ж. «Композитные материалы» // М.: Мир, 1988.- 350с. 11 Barker D., Summerer L. «Assessment of field wireless power transmission for fractionated spacecraft application» // 62 International Astronautical Congress, oct. 2011, Cap Town, С.3.37, p.1-5. 12 P.C.Shardlow, M.J.Damzen. Phase conjugate self - organizedcoher- ent beam combination: apassive technique for laser powerscaling, Opt. Lett.35(2010)1082–1084. 13 Сысоев В.К., Пичхадзе К.М. ,Папченко Б.П., Верлан А.А. «Концепция модульной космической электростанции с лазерным каналом передачи энергии» // Оптический журнал.- 2012.- т. 79.- №8.-С.52-56. 14 Электронный ресурс http://www.ntoire-polus.ru. 15 Лазерная космическая связь: Пер. с англ./ Под ред. - М. Кацмана. - М.: Радио и связь.- 1993. – С.240. 16 Электронный ресурс http://www.ioffe.ru/pvlab/pdf/3P-B5-33.pdf 17 Колпаков А. «Охлаждение в системах высокой мощности» // Силовая Электроника.- 2010г.-№ 3.- С. 62-66. 18 Электронный ресурс http://geektimes.ru/post/200140/ 19 Электронный ресурс http://geektimes.ru/post/200140/
893
REFERENCES 1 Meitin M. «Fotovoltika – materialy, tekhnologiya, perspektivy» // Elektronika. – 2000.-№6.- S. 40-46. 2 XEUS-Physics off the Hot Evolving Universe Meeting // XEUS workshop held at ESTEC on 5-6 March 2008, pp. 1-314. 3 Sysoev V.K., Pichkhadze K.M., Feldman L.I., Arapov Е.А., Lusyanin А.S. «Konceptsiya razrabotki kosmicheskoi solnechnoy elektrostanstii» // Vestnik, FGUP NPO im. S.А.Lavochkina. – 2011. -№2. – S. 12-19. 4 Basa dannykh NASA https://eosweb.larc.nasa.gov/sse. 5 Changing System Parameters. http://rredc.nrel.gov. 6 Press-reliz http://www.gasu.ru/univer/edu/dep/fmf/kaf/fiz/ station.pdf. 7 Sysoev V.K. «Analiz arkhitektury lazernogo informatsionno-izmeritelnogo kanala distantsionnoy peredachi energii v kosmose» // Issledovano v Rossii.- 2007.- №076.- S.799-807 8 Takeda К., Tanaka М., Miura S., Hashimoto K., Kawashiina К. «Laser power transmission for the energy supply to the rover exploring ice an the bottom of the crater in the lunar polar region» // Proc. SPIE, 2003, V.4800, pp. 411-419. 9 Sysoev V.K., Polishchuk G.M., Pichkhadze K.M., Nesterin I.V., Arapov E.A. «Solnechnaya kosmicheskaya elektrostantsiya. Vozmoznoe reshenie» // Alternativnaya energetika i ekologiya.- 2009.- №10(78).- S.52-59. 10 Lyubin D.Zh. «Kompozitnye materialy» // М.: Мir, 1988.- 350s. 11 Barker D., Summerer L., «Assessment of field wireless power transmission for fractionated spacecraft application» // 62 International Astronautical Congress, oct. 2011, Cap Town, С.3.37, p.1-5. 12 P.C. Shardlow, M.J. Damzen. Phase conjugate self - organizedcoher- ent beam combination: apassive technique for laser powerscaling, Opt. Lett.35(2010)1082–1084. 13 Sysoev V.K., Pichkhadze K.M., Papchenko B.P., Verlan A.A. «Kontseptstiya modulnoy kosmicheskoy elektrostancii s lazernym kanalom peredachi energii» // Opticheskiy zhurnal.- 2012.- t. 79.- №8.-S.52-56. 14 Elektronnyi resurs http://www.ntoire-polus.ru. 15 Lazernaya kosmicheskaya svyaz: Per. s angl./ Pod red. - М. Katsmana. - М.: Radio i svyaz.- 1993. – S.240. 16 Elektronnyi resurs http://www.ioffe.ru/pvlab/pdf/3P-B5-33.pdf 17 Kolpakov A. «Okhlazhdenie v sistemakh vysokoi moshchnosti» // Silovaya Elektronika.- 2010g.-№ 3.- S. 62-66. 18 Elektronnyi resurs http://geektimes.ru/post/200140/ 19 Elektronnyi resurs http://geektimes.ru/post/200140/
Суйменбаев Б.Т., Сысоев В.К., Ермолдина Г.Т., Суйменбаева Ж.Б., Гусейнов С.Р., Бапышев А.М. Лазерлік сәулесі арқылы электр энергиясын беру жүйесіндегі фототүрлендіргіштер Түйіндеме. Ғарыш күн сәулесі электр станциясын құру тұжырымдамасында қабылдау жүйесін зерттеу және электр энергиясын лазерлік энергиясына түрлендіру үлкен қызығушылық туғызады. Бұл мақалада барынша мүмкін қабылдаушы-таратушы күшін қарауы бойынша фотоэлектрлі түрлендіргіштеріне таңдау және анализ жүргізіледі, сондай-ақ ең жоғарғы тиімділігін осы материалдар таңдауы арқылы бойынша қол жеткізуге болады. Күн энергиясының концентраторларына таңдау талдауы жүргізілді.
жартылай өткізгіш құрылғылар, күн концентраторлары.
Suimenbayev B.T., Sysoev V.K., Yermoldina G.T., Suimenbayeva Zh. B., Gusseinov S.R., Bapyshev A.M. Photoconverters in the power transmission system by laser beam Summary. At the concept construction of space solar power considerable interest is the study of reception and transformation of laser energy into electricity. This article provides on analysis and selection of photovoltaic cells for reasons of maximum possible both receiving and transmitting power, as well as the choice of material, on which one can achieve this with maximum efficiency. The analysis in the selection of solar concentrators was conducted. Key words: space solar power station, laser energy transmission channel, photovoltaics, semiconductors, solar concentrators.
Суйменбаева Ж.Б., Кусаинов Б.К., Омар Р.Т. Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева, г. Алматы, Республика Казахста rahmetkali@mail.ru
космической деятельности имеют особенности. Это связано с особенностью самих космических систем охватывать и рассматривать вместе как ситуацию на определенной поверхности Земли, так и ситуации
894 поведения космических средств в околоземном космическом пространстве. С одной стороны с Земли нужно как можно эффективнее контролировать оперативную ситуацию в космическом пространстве, связанную с поведением космических аппаратов. С другой стороны космические средства и системы должны эффективно отслеживать оперативно-тактическую ситуацию на Земле в районах дислокации тех или иных военных формирований и оперативно давать необходимую информацию. Одной из важных особенностей НИОКР в сфере военно-космической деятельности является наукоемкость, а выполнение НИР и ОКР в инженерно- техническом и технологическом плане требуют соответствующего финансирования для обеспечения лабораторий самой современной измерительно-испытательной базой. Эти инвестиции возвращаются, как значительное повышение эффективности действия войск на основе оперативного использования космической информации, получаемой на основе выполнения работ по внедрению результатов ОКР в сферу военно- космической деятельности. Ключевые слова: военно-космическая деятельность, космические системы и средства, НИОКР, наукоемкость, космическая информация и информационные технологии.
Понятие военно-космической деятельности введено в сравнительно недавнем историческом отрезке времени и было связано с созданием и боевым применением ракетно-космической техники и космических систем. Космическое обеспечение боевых действий войск, действующих в других средах (на суше, на море, в воздухе) становится одной из важных целей военной реформы Вооруженных Сил ведущих государств. Оценки зарубежных специалистов показывают, что рациональное использование космической информации на поле боя может повысить эффективность действия войск и сил флота в 1.5...3.0 раза 1 . Американцы при проведении в Афганистане в 2002 году антитеррористической операции "Несокрушимая Свобода" широко использовали разнообразные космические средства (таблица 1). Во время операции "Шок и трепет" против Ирака США задействовали группировку разнородных космических аппаратов в составе 50 единиц (таблица 4) 2 .
США продолжают лидировать в сфере «военного космоса» в части бюджета, организации, технической базы и стратегических возможностей. Китай развивается в качестве основного конкурента США в области военного космоса. Успешные испытания противоспутникового оружия в 2007 г. выявили потенциал Китая по асимметричному реагированию в области военного космоса. США сталкиваются также с соперничеством со стороны возрождающейся России. Европа, оставаясь союзником США, в настоящее время усиливает свои позиции в части военно- космической деятельности по мере продвижения в части внутренней интеграции и формирования общеевропейских структур безопасности; Индия и
вкладывают ресурсы
в совершенствование военно-космических средств, однако в краткосрочной перспективе их стратегические усилия, по всей видимости, будут оставаться на региональном уровне. Военные организации, участвующие в космической деятельности, все в большей степени полагаются на коммерческий сектор для получения космических услуг и технологий, например, ГИС- технологий, технологий спутниковых сетей связи, технологий дистанционного зондирования Земли из космоса, технологий наблюдения космического пространства и ряда других 3 . Все более важным направлением военно-космической деятельности становится получение информация об оперативной обстановке в космосе. Слежение за действующими и пассивными космическими объектами осуществляется с помощью наземной сети специализированных служб и пунктов наблюдений, где наряду с наряду с радиотехническими средствами, функционирует мощная сеть оптических систем. Например, в рамках системы GEODSS (США) функционирует мощная сеть оптических систем (до 16 на данный момент), вблизи г. Нурек (горы Санглок, Республика Таджикистан) функционирует оптико-электронный комплекс «Окно», являющийся уникальным и не имеющим альтернатив по целому ряду параметров. В качестве основных задач контроля космического пространства следует отметить следующие:
1 Безбородов В.Г. Военно-космические силы пришли в Гороховец//Новости космонавтики, № 20, 1996. 2 Виноградов М.С. Проблемы военного использования космоса. http://www.armscontrol.ru/course/lectures03a/msv30401b.htm 3 Препринт ЦСП № 1001 — 1. Космическая деятельность ведущих государств мира. 2010. 895 Таблица 1 Состав космических средств США, примененных в операции "Несокрушимая свобода" в Афганистане в 2002 г.
Принадлежность Наименование средств Типы
аппаратов К-во
Использование в операции Военные Гражд. +
Оптико-электронная разведка KH-11 ЕO 1
(НАСА) 3 1 Изображение объектов, образцов ВВТ, дислокация войск талибов, степень поражения объектов +
Радиолокационная разведка Лакросс
3 Определение мест расположения объектов и дислокации объектов
+ Разведка природных ресурсов Земли Лэндсат-7 Терра
Орбавью
Составление и обновление карт местности, инженерное оборудование зоны +
Радиоэлектронная разведка Аквакейд 2 Перехват сигналов радио, радиорелейных и тропосферных связей +
+ Системы связи DSCS Милстар
UFO SDS
TDPSS Иридиум
6 3 2 6
66 Стратегическая связь. Стратег, и тактич. Оперативная ВМС, ВВС, ВС Передача данных Оперативная связь Мобильная связь
+
NAVSTAR 24
Координаты своих войск +
Метеоразведка NPDESS
Квиксат 2 1 Сводки погоды, прогнозы, облачность
1. Контроль, распознавание и сопровождение военно-космических систем различного назначения. 2. Отработка взаимодействия оптических и радиотехнических средств контроля за околоземным космическим пространством. 3. Выявление активизации и передислокации военно-космических объектов в зоне интересов государств. 4. Прогнозирование вероятных действий владельцев военно-космических систем в зоне интересов государств. 5. Отработка методов активного воздействия и перехвата информации с военно-космических объектов в зоне интересов государств. 6. Прогнозирование вероятных столкновений космических аппаратов и выработка рекомендаций. Особенность военного применения космических и информационных технологий состоит в том, что они относятся к быстроразвивающимся направлениям науки и техники и обновление оборудования происходит в среднем на 5-6 летнем цикле. Коммерческий сектор более адаптирован к этим условиям. Примером может служить динамика развития сотовой связи, Интернет, компьютерной техники. На достаточно коротком отрезке времени технология дистанционного зондирования уходит в сторону гиперспектральных космических съемок, а топогеодезическая служба в сторону ГИС-технологий с использованием спутниковых данных. Но все же значительный рывок вперед совершили технологии спутниковых систем связи и спутниковых радионавигационных систем, ставшие лидерами потребительского спроса как в оборонном, так и в гражданском секторе. В качестве приоритетных задач военно-экономического и военно-технического обеспечения можно выделить формирование современной единой и скоординированной государственной военно- технической политики, базирующейся на гармоничном сочетании мер по развитию отечественного оборонно-промышленного комплекса, международной военно-технической интеграции, а также поставках современной техники из-за рубежа с учетом совместимости с имеющимся вооружением и военной техникой. 896 Указанное лишний раз подчеркивает, что роль военных НИОКР, выполняемых в таких высокотехнологических сферах, как космическая, значительно возрастает. Возможно, этим объясняется положительная динамика применения космических средств военными структурами практически всех стран мира. Рассмотрим некоторые характерные особенности НИОКР в сфере военно-космической деятельности.
жүктеу/скачать 20,3 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|