RU2169963C2

RU2169963C2 - Photoconverter

Info

Publication number: RU2169963C2
Application number: RU99106652A
Authority: RU
Inventors: А.П. Бельсков; П.А. Бельсков
Original assignee: Бельсков Анатолий Павлович; Бельсков Павел Анатольевич
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2001-06-27

Abstract

FIELD: power supplies for equipment used in miscellaneous fields of science and technology. SUBSTANCE: proposed device designed for dc-input-to-dc-output energy conversion has secondary power supply whose input is electrically connected through feedback circuit to photoconverter output. EFFECT: enlarged functional capabilities.

Description

Изобретение относится к физическим источникам тока, предназначенным для преобразования энергии постоянного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе, и может быть использовано в системах электропитания объектов многих областей науки и техники. The invention relates to physical current sources intended for converting direct current energy at the input to direct current energy at the output, and can be used in power supply systems of objects of many fields of science and technology.

В современной научной и производственной практике известны устройства, принцип действия которых основан на последовательном преобразовании энергии светового излучения солнца или искусственного источника света в электрическую энергию. У всех этих устройств источником электрической энергии является фотоэлемент. In modern scientific and industrial practice, devices are known whose operating principle is based on the sequential conversion of the energy of light radiation from the sun or an artificial light source into electrical energy. For all of these devices, the photocell is the source of electrical energy.

Известны фотопреобразователи используемые в системах электропитания космических летательных аппаратов (см. Грилихес В.А. Солнечные космические энергостанции, Л. , 1986 г., с.27). Практика эксплуатации солнечных энергоустановок показывает, что отсутствие на борту космического аппарата первичного источника энергии позволяет избежать многих сложных проблем, возникающих при создании и эксплуатации химических и ядерных энергоустановок, дает возможность повысить надежность и безопасность бортовых систем энергопитания, хотя одновременно приводит и к некоторым негативным последствиям. В частности, нужно постоянно ориентировать солнечную энергоустановку на солнце, а при полетах по частично затененным орбитам необходимо иметь на борту буферный источник электрической энергии (обычно химический) для питания потребителей. Эти обстоятельства несколько снижают эффективность применения солнечных энергетических установок. Known photoconverters used in power systems of spacecraft (see Griliches VA Solar space power stations, L., 1986, p.27). The practice of operating solar power plants shows that the absence of a primary energy source on board the spacecraft avoids many of the complex problems that arise during the creation and operation of chemical and nuclear power plants, and makes it possible to increase the reliability and safety of onboard power supply systems, although at the same time it also leads to some negative consequences. In particular, it is necessary to constantly orient the solar power installation to the sun, and when flying in partially shaded orbits, it is necessary to have a buffer source of electrical energy (usually chemical) on board to power consumers. These circumstances somewhat reduce the effectiveness of the use of solar power plants.

Известен также фотопреобразователь, выполненный в виде высоковольтного источника тока на основе косонапыленной фотовольтаической пленки (см. а.с. СССР N 467786, кл. B 22 D 17/22, 1976 г.). Однако этот источник тока обладает большим внутренним сопротивлением и малыми разрядными токами, что значительно снижает его функциональные возможности. Also known is a photoconverter made in the form of a high-voltage current source based on an oblique photovoltaic film (see AS USSR N 467786, class B 22 D 17/22, 1976). However, this current source has a large internal resistance and low discharge currents, which significantly reduces its functionality.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является высоковольтный фотопреобразователь энергии постоянного тока в импульсный, содержащий фотоэлемент на основе косонапыленной фотовольтаической пленки, первичный источник тока, искусственный источник света, замыкатель и накопитель (см. а. с. СССР N 726415, кл. F 42 S 11/00, H 02 M 3/00, 1980 г.). В случае освещения цепочки микрофотоэлементов солнечным светом или светом от искусственного источника она генерирует ток высокого напряжения, достигающего величины 10⁴ В.Of the known devices, the closest in technical essence is a high-voltage photoconverter of direct current energy to pulsed, containing a photocell based on a slanting photovoltaic film, a primary current source, an artificial light source, a contactor and a storage device (see A.S. USSR N 726415, class F 42 S 11/00, H 02 M 3/00, 1980). In the case of illumination of a microphotoelectric circuit with sunlight or light from an artificial source, it generates a high voltage current reaching 10 ⁴ V.

Генерируемый фотоэлементом ток высокого напряжения, наличие приспособления для механического регулирования положения пластины относительно косонапыленной фотовольтаической пленки и электростатических сил взаимодействия между ними, являются факторами снижающими надежность устройства и ограничивающими области его применения, что в свою очередь свидетельствует об ограниченности его функциональных возможностей. The high voltage current generated by the photocell, the availability of devices for mechanically adjusting the position of the plate relative to the oblique photovoltaic film and the electrostatic forces of interaction between them are factors that reduce the reliability of the device and limit its scope, which in turn indicates the limited functionality of the device.

Во всех известных фотопреобразователях процесс преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию находится в зависимости от фактического состояния естественного или искусственного источника света, то-есть от "светлого" и "темного" времени суток, или "включено"-"выключено" состояние электрического источника тока, питающего искусственный источник света, что является признаком прерывистости процесса преобразования одного вида энергии в другой и ограниченности их функциональных возможностей. In all known photoconverters, the process of converting the energy of light radiation into electrical energy depends on the actual state of a natural or artificial light source, that is, on the "light" and "dark" time of the day, or the "on" - "off" state of the electric current source feeding an artificial light source, which is a sign of the discontinuity of the process of converting one type of energy into another and the limitations of their functionality.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей фотопреобразователя. The aim of the present invention is to expand the functionality of the photoconverter.

Поставленная цель достигается тем, что в состав фотопреобразователя, содержащего первичный источник тока, искусственный источник света, батарею фотоэлементов и коммутационные элементы, введен источник вторичного электропитания в виде пьезотранзисторного преобразователя, наличие которого сводит к минимуму зависимость процесса преобразования энергии светового излучения в энергию постоянного тока на выходе от наличия энергии кратковременно включаемого первичного источника тока, а подача электрической энергии с выхода фотопреобразователя на вход пьезотранзисторного преобразователя, электрически соединенного обратной связью (см. ст. "Обратная связь", Физическая энциклопедия, т. 3, с.384, М., 1992 г.: Физический энциклопедический словарь, с.477, М., 1983 г.), обеспечивает непрерывность процесса преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию и необходимую длительность работы искусственного источника света и батареи фотоэлементов в самоподдерживающемся режиме. This goal is achieved by the fact that a photoconverter containing a primary current source, an artificial light source, a battery of photocells and switching elements introduces a secondary power source in the form of a piezotransistor transducer, the presence of which minimizes the dependence of the process of converting light radiation energy into direct current energy by the output from the presence of energy of a short-time primary current source, and the supply of electrical energy from the output is photoconverted input to a piezotransistor transducer electrically connected by feedback (see article "Feedback", Physical Encyclopedia, vol. 3, p. 384, M., 1992: Physical encyclopedic dictionary, p. 477, M., 1983 d.), ensures the continuity of the process of converting the energy of light radiation into electrical energy and the necessary duration of the artificial light source and the battery of photocells in a self-sustaining mode.

Предлагаемое устройство конструктивно просто и не требует графического изображения. The proposed device is structurally simple and does not require a graphic image.

Практическая реализация технического решения предполагает изготовление множества типов и форм устройства соответствующих конкретной области применения путем помещения его в корпус необходимой конструкции и использования в качестве первичного источника тока электрохимического источника тока или электромеханического преобразователя тока и тому подобного. The practical implementation of the technical solution involves the manufacture of many types and forms of the device corresponding to a specific application by placing it in a housing of the necessary design and using an electrochemical current source or an electro-mechanical current transducer and the like as a primary current source.

Один из типов предлагаемого устройства представляет собой прибор, состоящий из помещенных в корпус контейнерного типа последовательно электрически соединенных между собой первичного источника тока, источника вторичного электропитания, электрически соединенного обратной связью с выходом фотопреобразователя, источника искусственного света и оптически соединенной с ним батареи фотоэлементов. One of the types of the proposed device is a device consisting of a primary current source, a secondary power source, electrically connected by feedback with the output of a photoconverter, an artificial light source and a photocell battery optically connected to it, placed in a container-type case in series.

В качестве корпуса преобразователя использован электросиловой распределительный шкаф соответствующих габаритов, изготовленный из стального листового проката, в нижней и верхней части боковых стенок которого выполнены вентиляционные отверстия. Одна из боковых стенок имеет проем с крышкой и конструктивными элементами для установки и обслуживания первичного источника питания, пьезотранзисторного преобразователя, коммутационных аппаратов и клеммных колодок. С лицевой стороны шкафа имеется одностворчатая дверь, имеющая уплотнительные и запирающие элементы конструкции, необходимая для обслуживания батарей фотоэлементов и искусственных источников света. На верхней и нижней торцевой части шкафа в плоскости параллельной лицевой поверхности его установлены патроны для люминисцентных ламп и конструкции для установки и крепления батарей фотоэлементов таким образом, что световой поток лампы направлен на светочувствительный слой батареи. Конструкционные элементы, предназначенные для установки и крепления батарей фото - элементов и находящиеся между рядами ламп, выполнены с учетом возможности установки батарей попарно в положении противоположно направленных относительно друг друга светочувствительных слоев. Предусмотрена установка батарей на задней стенке и внутренней поверхности двери шкафа. Внутри шкафа имеются конструкционные элементы, необходимые для прокладки и крепления соединительных проводов. На наружной поверхности нижней торцевой части шкафа предусмотрены места установки и крепления опорных элементов. An electric power distribution cabinet of appropriate dimensions, made of rolled steel sheet, with ventilation openings in the lower and upper part of the side walls, is used as a converter case. One of the side walls has an opening with a cover and structural elements for installation and maintenance of the primary power source, piezotransistor transducer, switching devices and terminal blocks. On the front side of the cabinet there is a single-leaf door with sealing and locking structural elements, which is necessary for servicing photocell batteries and artificial light sources. On the upper and lower end of the cabinet in a plane parallel to the front surface of the cabinet there are cartridges for fluorescent lamps and structures for installing and attaching photocell batteries in such a way that the light flux of the lamp is directed to the photosensitive layer of the battery. Structural elements intended for installation and fastening of batteries of photo - elements and located between rows of lamps are made taking into account the possibility of installing batteries in pairs in the position of the photosensitive layers oppositely directed relative to each other. The batteries are installed on the rear wall and the inner surface of the cabinet door. Inside the cabinet there are structural elements necessary for laying and fastening the connecting wires. On the outer surface of the lower end part of the cabinet, there are places for installation and fastening of the supporting elements.

В качестве первичного источника тока использован малогабаритный аккумулятор на номинальное напряжение 12 В. A small battery for a nominal voltage of 12 V is used as the primary current source.

В качестве источника вторичного питания используется пьезотранзисторный преобразователь с автогенератором и пьезокерамическим трансформатором (см. А. А. Ерофеев, Г.А.Данов, В.Н.Фролов: Пьезокерамические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике. М., "Радиосвязь", 1988 г., 3.1, с. 69-77, 3.2, с. 87-89.), высоковольтный выход которого соединен с электродами люминисцентных ламп высоковольтным проводом соответствующего исполнения, а вход соединен с первичным источником тока обычным проводом и обычными коммутирующими элементами. A piezotransistor converter with a self-oscillator and a piezoceramic transformer is used as a secondary power source (see A. A. Erofeev, G.A.Danov, V.N. Frolov: Piezoceramic transformers and their use in radio electronics. M., "Radio Communication", 1988 G., 3.1, pp. 69-77, 3.2, pp. 87-89.), the high-voltage output of which is connected to the electrodes of fluorescent lamps by a high-voltage wire of the corresponding design, and the input is connected to the primary current source by an ordinary wire and ordinary switching elements.

Искусственный источник света представляет собой обычную люминисцентную лампу мощностью 40 Bт, выпускаемую серийно предприятиями электрических источников света. The artificial light source is a conventional 40 Watt fluorescent lamp, which is mass-produced by enterprises of electric light sources.

Батарея фотоэлементов, серийное производство которых осуществляется отечественными заводами, используется в качестве основного источника тока фотопреобразователя. The battery of solar cells, mass production of which is carried out by domestic factories, is used as the main current source of the photoconverter.

В качестве коммутационных элементов используются выключатели, розетки, патроны, электронные реле и тому подобное исполнения соответствующего требованиям "Правил устройства электроустановок". As switching elements, switches, sockets, cartridges, electronic relays and the like are used, corresponding to the requirements of the "Electrical Installation Rules".

При подаче на вход пьезотранзисторного преобразователя постоянного напряжения величиной 12 В, на его выходе появляется переменное высокочастотное напряжение 1 - 2 кВ, поступающее на люминисцентную лампу, создавая поле электромагнитного излучения между ее электродами. Под воздействием энергии электромагнитного излучения происходит возбуждение и пробой газоразрядного промежутка, а затем и стационарный разряд в люминисцентной лампе. Одновременно происходит возбуждение люминофора внутри лампы. Световое излучение газа и возбужденного люминофора вызывает интенсивное световое излучение лампы. When a DC voltage of 12 V is applied to the input of a piezotransistor transducer, an alternating high-frequency voltage of 1 - 2 kV appears on its output, which enters the fluorescent lamp, creating a field of electromagnetic radiation between its electrodes. Under the influence of electromagnetic radiation energy, the gas-discharge gap is excited and broken, and then a stationary discharge in the fluorescent lamp. At the same time, the phosphor is excited inside the lamp. Light emission from gas and excited phosphor causes intense light emission from the lamp.

Под воздействием энергии светового излучения люминисцентной лампы происходит возбуждение светочувствительного слоя батареи фотоэлементов и на ее выходе появляется электрический ток постоянного напряжения. Under the influence of the energy of light radiation from a fluorescent lamp, the photosensitive layer of the battery of photocells is excited and an electric current of constant voltage appears at its output.

В соответствии с принципом обратной связи, с одного из выходов батареи фотоэлементов через коммутационные элементы схемы электрический ток постоянного напряжения 12 В подается на вход пьезотранзисторного преобразователя, первичный источник тока автоматически отключается, а процесс последовательного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения и энергии светового излучения в электрическую энергию становится самоподдерживающимся. In accordance with the feedback principle, from one of the battery outputs of the photocells, through the switching elements of the circuit, a 12 V DC electric current is supplied to the input of the piezotransistor transducer, the primary current source is automatically turned off, and the process of successive conversion of electric energy into light radiation energy and light radiation energy into electrical energy becomes self-sustaining.

Простота конструкции предлагаемого устройства и технологического процесса его сборки, по степени сложности сравниваемого с отверточными технологиями, а также применение в качестве комплектующих изделий, серийно выпускающихся отечественной промышленностью, делает организацию его производства доступной любому предприятию электротехнической промышленности. The simplicity of the design of the proposed device and the technological process of its assembly, in terms of complexity compared with screwdriver technologies, as well as the use of commercially available domestic industry as components, makes the organization of its production accessible to any enterprise in the electrical industry.

Claims

A photoconverter containing a battery of photocells, a primary current source, an artificial light source and switching elements, characterized in that a second power supply source is electrically connected to the output of the photocell battery, the output of which is electrically connected to an artificial light source.