RU2594953C2 - Laser radiation receiver-converter - Google Patents
Laser radiation receiver-converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2594953C2 RU2594953C2 RU2014147995/28A RU2014147995A RU2594953C2 RU 2594953 C2 RU2594953 C2 RU 2594953C2 RU 2014147995/28 A RU2014147995/28 A RU 2014147995/28A RU 2014147995 A RU2014147995 A RU 2014147995A RU 2594953 C2 RU2594953 C2 RU 2594953C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fem
- converter
- circular
- receiver
- laser
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности. Области применения такого преобразования - беспроводные системы дистанционного энергопитания воздушных или космических объектов /1, с. 199/.The invention relates to the field of creating receiver-converters based on semiconductor photoelectric converters (PEC) for converting electromagnetic energy of high density laser radiation. The fields of application of such a conversion are wireless systems for remote power supply of air or space objects / 1, p. 199 /.
В настоящее время в космической технике определился ряд новых направлений, основанных на использовании лазерного излучения. Среди них весьма перспективным направлением следует считать передачу энергии космическим аппаратам (КА) с помощью лазерных систем передачи энергии /2/. В настоящее время каждый КА оснащен собственной системой генерирования электрической энергии. Однако существует альтернативный способ энергоснабжения, предусматривающий использование централизованных электростанций и передачу энергии космическим аппаратам-потребителям при помощи электромагнитного излучения (ЭМИ). При этом можно реализовать схему централизованного энергоснабжения как отдельных КА, так и их группировок, что расширяет их функциональные возможности и увеличивает их ресурс.Currently, a number of new areas based on the use of laser radiation have been determined in space technology. Among them, a very promising direction should be considered the transfer of energy to spacecraft (SC) using laser energy transfer systems / 2 /. Currently, each spacecraft is equipped with its own electric energy generation system. However, there is an alternative way of energy supply, involving the use of centralized power plants and the transfer of energy to spacecraft-consumers using electromagnetic radiation (EMP). At the same time, it is possible to implement a centralized power supply scheme for both individual spacecraft and their groupings, which expands their functional capabilities and increases their resource.
Широко известны конструкции приемников-преобразователей электромагнитного излучения, выполненных из полупроводниковых фотоэлементов (ФЭ), действие которых основано на внутреннем фотоэффекте. К таким приемникам-преобразователям относятся солнечные батареи (СБ) /1, с. 131-135/, состоящие из панелей солнечных элементов (СЭ) - фотоэлектрических преобразователей. Так, ориентируемая СБ представляет электромеханическое устройство, включающее несущую подложку, на которой монтируются СЭ и межэлементные соединения, обеспечивающие электрическую коммутацию СЭ, силовую конструкцию (рамы, балки, мачты и т.п.), механизмы и силовые узлы систем раскрытия и ориентации. Для обеспечения требуемого напряжения на шинах солнечной батареи СЭ коммутируются последовательно в цепочки, которые соединяются между собой параллельно, обеспечивая получение заданного тока на шинах СБ. Скоммутированные СЭ образуют группу. Группы соединяются параллельно в ряды, а несколько последовательно соединенных рядов образуют панель. Полная СБ собирается из нескольких панелей. К недостаткам данных конструкций следует отнести невысокие удельные параметры (выходную мощность с единицы площади и массы) солнечных батарей /1, с. 141/.The designs of electromagnetic radiation receivers-converters made of semiconductor photocells (PV) are widely known, the action of which is based on the internal photoelectric effect. Such receiver converters include solar panels (SB) / 1, p. 131-135 /, consisting of panels of solar cells (SE) - photoelectric converters. So, the oriented SB represents an electromechanical device including a supporting substrate on which SCs and interconnects are mounted, which provide electrical commutation of SCs, a power structure (frames, beams, masts, etc.), mechanisms and power units of disclosure and orientation systems. To ensure the required voltage on the tires of the solar battery, the solar cells are switched sequentially in chains that are connected together in parallel, providing a given current on the buses of the SB. Commutated SCs form a group. Groups are connected in parallel in rows, and several series-connected rows form a panel. Full Sat is assembled from several panels. The disadvantages of these structures include low specific parameters (output power per unit area and mass) of solar batteries / 1, s. 141 /.
Известна также конструкция приемника-преобразователя концентрированного солнечного излучения солнечной фотоэлектрической энергоустановки (СФЭУ), включающая панель фотоэлементов с защитным покрытием, скоммутированных между собой, систему концентрирования солнечного излучения, систему отвода тепла от панели с фотоэлементами, несущую силовую конструкцию /3, с. 245/. Основными элементами системы концентрирования солнечного излучения являются традиционные концентраторы в виде параболоидов, которые успешно используются в наземных солнечных фотоэлектрических установках. В космосе более целесообразны концентраторы конической и клиновидной конфигурации, которые конструктивно объединены с приемниками-преобразователями гелиоустановок и позволяют использовать как прямое, так и отраженное солнечное излучение /1, с. 28/. Концентрация солнечного излучения на поверхности СЭ позволяет повысить удельную выходную мощность с единицы площади и массы элемента, а следовательно, уменьшить количество СЭ и расход полупроводниковых материалов, необходимых для обеспечения заданной полной электрической мощности СФЭУ. Это достигается как за счет повышения плотности лучистого потока, падающего на поверхность СЭ, так и вследствие роста их КПД при высоких уровнях облученности /1, с. 114/.Also known is the design of the receiver-converter of concentrated solar radiation from a solar photovoltaic power plant (SFEU), including a panel of solar cells with a protective coating, connected to each other, a system for concentrating solar radiation, a heat removal system from a panel with solar cells, carrying a power structure / 3, p. 245 /. The main elements of the solar radiation concentration system are traditional concentrators in the form of paraboloids, which are successfully used in terrestrial solar photovoltaic installations. In space, concentrators of a conical and wedge-shaped configuration are more suitable, which are structurally combined with solar receivers and converters and allow the use of both direct and reflected solar radiation / 1, p. 28 /. The concentration of solar radiation on the surface of the solar cells allows you to increase the specific output power per unit area and mass of the element, and therefore, to reduce the number of solar cells and the consumption of semiconductor materials necessary to provide a given total electrical power SFU. This is achieved both by increasing the density of the radiant flux incident on the surface of the solar cells, as well as by increasing their efficiency at high levels of irradiation / 1, s. 114 /.
В СФЭУ, содержащих множество последовательно и параллельно соединенных СЭ, которые должны работать в одинаковых условиях, с целью уменьшения схемных потерь необходимо обеспечивать равномерное облучение всех элементов. Основной недостаток технического решения - большие схемные потери, из-за значительной неравномерности распределения плотности сконцентрированного излучения, характерные при использовании конических концентраторов с многоэлементными ФЭП, а также концентраторов с криволинейными образующими и расположением приемника в проходящем потоке излучения /3, с. 219/.In SFEU, containing many series-parallel and parallel connected solar cells, which should work under the same conditions, in order to reduce circuit losses, it is necessary to ensure uniform irradiation of all elements. The main drawback of the technical solution is the large circuit losses due to the significant non-uniformity of the density distribution of concentrated radiation, typical when using conical concentrators with multi-element PECs, as well as concentrators with curvilinear generators and the location of the receiver in the transmitted radiation flux / 3, p. 219 /.
Нужно также отметить, что рассмотренные выше конструкции, преобразующие солнечную энергию, имеют общий недостаток, связанный с неполным использованием падающего на ФЭП потока солнечного излучения для создания фототока. Это связано с тем, что солнечный свет, в отличие от лазерного излучения, не является монохроматическим, а содержит электромагнитные волны различных частот. Использование лазерного излучения для передачи энергии позволяет поднять КПД приемников-преобразователей энергии в сравнении с обычными солнечными батареями, где характерны спектральные потери. При этом значительно снижается разогрев панелей ФЭП, обусловленный также спектральными потерями.It should also be noted that the above constructions that convert solar energy have a common drawback associated with the incomplete use of the solar radiation flux incident on the PEC to create a photocurrent. This is due to the fact that sunlight, in contrast to laser radiation, is not monochromatic, but contains electromagnetic waves of various frequencies. The use of laser radiation for energy transfer allows you to increase the efficiency of the energy-receiving receivers in comparison with conventional solar panels, where spectral losses are characteristic. At the same time, the heating of the solar cells is significantly reduced, which is also due to spectral losses.
Неравномерность распределения интенсивности ЭМИ, падающего на приемную плоскость приемника-преобразователя, отмеченная выше для СФЭУ с концентраторами солнечного излучения, характерна также и для концентрированного монохроматического электромагнитного излучения лазерного пучка /4, с. 43/. При сборке ФЭ в группы из последовательных цепочек ток в каждой из них определяется током наихудшего ФЭ из данной группы, а напряжение при параллельном соединении групп определяется наименьшим из напряжений групп ФЭ. Данное обстоятельство, при неравномерном облучении ФЭ, вызывает схемные потери, обусловленные разбросом электрических параметров ФЭ, что неизбежно влечет за собой потери выходной электрической мощности и КПД приемника-преобразователя.The uneven distribution of the intensity of the EMP incident on the receiving plane of the receiver-converter, noted above for SFEU with solar radiation concentrators, is also characteristic of concentrated monochromatic electromagnetic radiation of a laser beam / 4, p. 43 /. When assembling PV into groups of consecutive chains, the current in each of them is determined by the current of the worst PV from this group, and the voltage in parallel connection of groups is determined by the smallest of the voltages of PV groups. This circumstance, with uneven exposure to the PV, causes circuit losses due to the spread of the electric parameters of the PV, which inevitably entails the loss of the output electric power and the efficiency of the receiver-converter.
Наиболее близким техническим решением, позволяющим снизить схемные потери, вызванные неравномерностью распределения интенсивности ЭМИ на приемной плоскости, является приемник-преобразователь концентрированного ЭМИ, рассмотренный в /5/. Приемник-преобразователь включает приемную плоскость, выполненную в виде круговой панели фотоэлементов с защитным покрытием, на которую падает нормально поток монохроматического электромагнитного излучения, с максимальной интенсивностью в центральной области лазерного пучка, в том числе гауссового пучка, и экспоненциально снижающейся к периферии. Причем ось пучка электромагнитного излучения направляют в геометрический центр панели фотоэлементов приемной плоскости. Снижение неравномерности интенсивности распределения ЭМИ нормально падающего на его приемную плоскость добиваются с помощью установки на внешней поверхности приемной плоскости своими основаниями трех симметричных концентрических конических оболочек. Конические оболочки: центральная, периферийная и средняя, выполнены так, что внешние поверхности средней и центральной конических оболочек и внутренние поверхности периферийной и средней конических оболочек выполнены с максимально высоким коэффициентом зеркального отражения. При этом их общая ось симметрии проходит через геометрический центр панели ФЭ, что позволяет использовать в данном техническом решении как прямое, так и отраженное ЭМИ. Для обеспечения требуемого напряжения на шинах приемника-преобразователя фотоэлементы электрической коммутацией соединяются между собой последовательно, а затем параллельно, что и обеспечивает получение заданного тока. Предложенное в /5/ техническое решение позволяет перераспределить энергию, переносимую лазерным пучком, т.е. более равномерно распределить интенсивность ЭМИ по поверхности приемной плоскости с фотоэлементами.The closest technical solution to reduce circuit losses caused by the uneven distribution of EMR intensity on the receiving plane is the receiver-converter of concentrated EMR, considered in / 5 /. The receiving transducer includes a receiving plane made in the form of a circular panel of photocells with a protective coating, onto which the flow of monochromatic electromagnetic radiation normally falls, with a maximum intensity in the central region of the laser beam, including the Gaussian beam, and exponentially decreasing to the periphery. Moreover, the axis of the beam of electromagnetic radiation is sent to the geometric center of the photocell panel of the receiving plane. Reducing the uneven intensity of the EMP distribution normally incident on its receiving plane is achieved by installing three symmetrical concentric conical shells on the outer surface of the receiving plane with their bases. Conical shells: central, peripheral and middle, are made so that the outer surfaces of the middle and central conical shells and the inner surfaces of the peripheral and middle conical shells are made with the highest possible mirror reflection coefficient. Moreover, their common axis of symmetry passes through the geometric center of the PV panel, which allows using both direct and reflected EMP in this technical solution. To provide the required voltage on the tires of the receiver-converter, the photocells are electrically switched interconnected in series and then in parallel, which ensures obtaining a given current. The technical solution proposed in / 5 / makes it possible to redistribute the energy transferred by the laser beam, i.e. more evenly distribute the intensity of EMP on the surface of the receiving plane with photocells.
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.The disadvantages of this technical solution include the complexity of the design of the receiving plane due to the introduction of a system of concentric conical shells. In addition, the proposed design of the receiving plane is sensitive to deviations from the normal axis of the laser beam directed to the geometric center of the receiving plane, which leads to a distortion of the pattern of re-reflection of electromagnetic radiation by conical shells to the receiving plane, i.e. leads to losses of electric power of the converter and, accordingly, efficiency.
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.The objective of the invention is to increase the efficiency of the receiver-converter of laser radiation, increase its efficiency under conditions of uneven intensity of the electromagnetic radiation of the laser beam incident on the receiving plane, as well as simplifying the design, unification and standardization of production technology.
Поставленная задача достигается тем, что приемник-преобразователь лазерного излучения, включающий приемную плоскость, выполненную в виде круговой панели радиусом R, на внешней стороне которой установлены фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых фотоэлементов с внутренним фотоэффектом для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения кругового гауссового лазерного пучка, ось которого нормально направлена на центр круговой панели, при этом последовательно соединенные упомянутые фотоэлементы, в количестве более одного, объединены в одинаковые по конструкции и составу фотоэлектрические модули с максимальным габаритным размером bФЭМ, отвечающим соотношениюThis object is achieved in that the laser radiation receiver-converter, comprising a receiving plane made in the form of a circular panel of radius R, on the outside of which there are installed photoelectric converters based on semiconductor photocells with an internal photoelectric effect for direct conversion of electromagnetic radiation energy of a circular Gaussian laser beam, axis which is normally directed to the center of the circular panel, while said photocells are connected in series cops, in an amount of more than one, combined in the same structure and composition of PV modules with a maximum overall dimension b PEM corresponding to the relation
где А=1-ехр[-R2/(2σ2)], скоммутированные в группы с одинаковым напряжением на каждом из n кольцевых участков круговой панели, с внутренним радиусом кольцевого участка ri-1 и внешним радиусом ri, отвечающими соотношениямwhere A = 1-exp [-R 2 / (2σ 2 )], commutated into groups with the same voltage on each of the n annular sections of the circular panel, with an inner radius of the annular portion r i-1 and an outer radius r i corresponding to the relations
а группы фотоэлектрических модулей, расположенные на всех кольцевых участках, соединены параллельно, обеспечивая таким образом заданное напряжение и ток на шинах приемника-преобразователя, гдеand groups of photovoltaic modules located on all annular sections are connected in parallel, thus providing a given voltage and current on the tires of the receiver-converter, where
i - номер кольцевого участка, i=1, 2,…, k,…,.n;i is the number of the annular section, i = 1, 2, ..., k, ..., .n;
r0=0;r 0 = 0;
σ - расстояние от оси до точки перегиба кривой заданного радиального распределения интенсивности лазерного излучения на круговой панели, удовлетворяющее соотношениюσ is the distance from the axis to the inflection point of the curve for a given radial distribution of laser radiation intensity on a circular panel, satisfying the relation
Суть изобретения поясняется фиг. 1-8.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1-8.
На фиг. 1 приведен общий вид приемника-преобразователя лазерного излучения падающего на его приемную плоскость с переменной интенсивностью. Преобразование энергии излучения лазера осуществлено с помощью фотоэлементов, из которых собраны фотоэлектрические модули, установленные на приемной плоскости приемника-преобразователя. На фиг. 2-7, как возможные варианты, приведены две конструктивные схемы фотоэлектрических модулей с сечениями, где приведен максимальный габаритный размер bФЭМ. Фотоэлектрические модули собраны из последовательно соединенных фотоэлементов, причем на фиг. 4 для лучшего показа передней контактной сетки приведен фотоэлектрический модуль без защитного покрытия. На фиг. 8 приведена кривая радиального распределения интенсивности электромагнитного излучения (распределение Гаусса) на круговой панели и аппроксимирующая ее кусочно-постоянная функция Ê(r), и где круговая панель состоит из кольцевых участков, т.е. из центрального круга и концентричных круговых колец.In FIG. 1 shows a General view of the receiver-transducer of laser radiation incident on its receiving plane with variable intensity. The conversion of laser radiation energy is carried out using photocells from which the photoelectric modules mounted on the receiving plane of the receiver-transducer are assembled. In FIG. 2-7, as possible options, two structural diagrams of photovoltaic modules with sections are given, where the maximum overall size b of the FEM is given . Photovoltaic modules are assembled from series-connected photocells, and in FIG. 4, for a better view of the front contact grid, a photovoltaic module without a protective coating is shown. In FIG. Figure 8 shows the curve of the radial distribution of the intensity of electromagnetic radiation (Gaussian distribution) on the circular panel and the piecewise constant function Ê (r) approximating it, and where the circular panel consists of circular sections, i.e. from the center circle and concentric circular rings.
На фиг. 1-8 приведено:In FIG. 1-8 are given:
1 - поток электромагнитного излучения (поток ЭМИ);1 - flux of electromagnetic radiation (flux of electromagnetic radiation);
2 - приемная плоскость;2 - receiving plane;
3 - фотоэлектрический модуль (ФЭМ);3 - photoelectric module (FEM);
4 - несущая силовая конструкция;4 - supporting power structure;
5 - система охлаждения (СО);5 - cooling system (WITH);
6 - шины;6 - tires;
7 - защитное покрытие (ЗП);7 - a protective coating (ZP);
8 - фотоэлемент (ФЭ);8 - photocell (PV);
9 - передняя контактная сетка;9 - front contact grid;
10 - полупроводниковая структура;10 - semiconductor structure;
11 - тыльный контакт;11 - back contact;
12 - межэлементное соединение;12 - interelement compound;
13 - межмодульные контакты;13 - intermodular contacts;
14 - электроизолирующий слой;14 - electrical insulating layer;
15 - теплоотводящая платформа-подложка;15 - heat sink platform-substrate;
16 - распределение Гаусса;16 - Gaussian distribution;
17 - кусочно-постоянная функция;17 - piecewise constant function;
18 - точка перегиба.18 - inflection point.
Приемник-преобразователь лазерного излучения работает следующим образом.The receiver-converter of laser radiation operates as follows.
Лазерную систему передачи энергии (не показана) и приемник-преобразователь пространственно ориентируют на определенном расстоянии друг от друга. Причем приемную плоскость 2 пространственно ориентируют относительно лазерной системы передачи энергии так, что бы ось лазерного пучка была нормально направлена в ее центр. После чего на приемную плоскость 2, выполненную в виде круговой панели радиусом R с фотоэлектрическими модулями 3 и установленную на несущую силовую конструкцию 4, лазерная система передачи энергии направляет поток ЭМИ 1 лазерного пучка мощностью W. Лазерная система передачи энергии направляет поток ЭМИ 1 с заданным радиальным распределением интенсивности лазерного излучения Е(r), по поверхности приемной плоскости 2, отвечающим распределению Гаусса 16, с точкой перегиба 18. Монохроматический поток ЭМИ 1 лазера падает на приемную плоскость 2 с максимальной интенсивностью в центральной области круговой панели, экспоненциально снижаясь к периферии.The laser power transmission system (not shown) and the receiver-transducer are spatially oriented at a certain distance from each other. Moreover, the receiving
Поток ЭМИ 1 лазера падает на каждый ФЭМ 3, состоящий из последовательно соединенных через межэлементные соединения 12 ФЭ 8, проходит через прозрачное защитное покрытие 7, попадает на лицевую сторону ФЭ 8 с передней контактной сеткой 9, имеющей вид гребенки, как показано на фиг. 4-7, и далее в фотоактивную область полупроводниковой структуры 10 ФЭ 8, где происходит прямое преобразование энергии потока ЭМИ 1 в фотоэлектрический ток.The
Размещенные на приемной плоскости 2, в соответствии с признаками расположения кольцевых участков с геометрией, соответствующей соотношениям (2), фотоэлектрические модули 3, максимальный габарит которых отвечает соотношению (1), коммутируем, с помощью межмодульных контактов 13, в группы с одинаковым напряжением на каждом кольцевом участке. Затем группы фотоэлектрических модулей 3 всех кольцевых участков коммутируют параллельно, обеспечивая таким образом заданное напряжение и ток на шинах 6 приемника-преобразователя.Placed on the receiving
Не преобразованная в фототок энергия потока ЭМИ 1 в каждом ФЭМ 3 через тыльные контакты 11 ФЭ 8 и через электроизолирующий слой 14 теплопроводностью передается теплоотводящей платформе-подложке 15. Откуда не преобразованная в фототок энергия потока ЭМИ 1, в виде тепловой энергии, поступает в систему охлаждения 5 приемника-преобразователя.The energy of the
Приведем расчетный пример проектирования приемника-преобразователя лазерного излучения.We give a calculated example of the design of a receiver-converter for laser radiation.
Положим, имеем одномодовый лазер для дистанционной передачи электромагнитной энергии на базе мощного волоконного лазера, с длиной волны излучения λ=0,8 мкм, с профилем интенсивности, отвечающей распределению Гаусса /6, с. 446/ и представляющей собой колоколообразную кривую. А приемник-преобразователь, преобразующий энергию ЭМИ лазера в электроэнергию, включает приемную плоскость, выполненную в виде круговой панели радиусом R=0,564 м, что соответствует площади S=1 м2 с фотоэлектрическими преобразователями энергии, выполненными на основе полупроводниковых гетероструктур. Полагаем, что лазерная система передачи энергии и взаимное расположение относительно нее приемника-преобразователя спроектированы так, что в рабочем состоянии ось лазерного пучка нормально направлена в центр круговой панели с известной функцией распределения радиальной интенсивности Е(r) лазерного излучения на круговой панели.Suppose we have a single-mode laser for remote transmission of electromagnetic energy based on a high-power fiber laser, with a radiation wavelength λ = 0.8 μm, with an intensity profile corresponding to the Gaussian distribution / 6, s. 446 / and representing a bell-shaped curve. A receiver-converter that converts the energy of an EMP laser into electricity includes a receiving plane made in the form of a circular panel with a radius of R = 0.564 m, which corresponds to an area of S = 1 m 2 with photoelectric energy converters based on semiconductor heterostructures. We believe that the laser energy transfer system and the relative position of the receiver-transducer relative to it are designed so that in the working state the axis of the laser beam is normally directed to the center of the circular panel with the known function of the distribution of the radial intensity E (r) of the laser radiation on the circular panel.
Приемную плоскость в виде круговой панели устанавливаем на несущую силовую конструкцию приемника-преобразователя, размещенного, например, на КА.The receiving plane in the form of a circular panel is installed on the supporting power structure of the receiver-transducer located, for example, on the spacecraft.
Распределение радиальной интенсивности лазерного излучения, отвечающее распределению Гаусса, запишем в видеThe distribution of the radial intensity of laser radiation corresponding to the Gaussian distribution can be written as
где W - мощность непрерывного лазерного излучения.where W is the power of continuous laser radiation.
Для определенности функции Е(r) зададим в данном расчетном примере W=10 кВт и σ=0,2 м, что удовлетворяет соотношению (3), тогдаFor definiteness of the function E (r), we set W = 10 kW and σ = 0.2 m in this calculation example, which satisfies relation (3), then
Положим, что приемная плоскость состоит из n=12 кольцевых участков в виде центрального круга и 11 круговых колец, геометрию которых определяем по соотношениям (2). Кольцевые участки отмечены на плоскости круговой панели приемной плоскости, например с помощью нанесенных механически кольцевых рисок (фиг. 8).We assume that the receiving plane consists of n = 12 annular sections in the form of a central circle and 11 circular rings, the geometry of which is determined by the relations (2). The annular sections are marked on the plane of the circular panel of the receiving plane, for example using mechanically applied annular patterns (Fig. 8).
Для заданного n=12 определяем максимальный габарит фотоэлектрических модулей, который отвечает соотношению (1)For a given n = 12, we determine the maximum size of the photovoltaic modules, which corresponds to the relation (1)
bФЭМ≤ехр(0,5)σ{1-ехр[-R2/(2·σ2)]}/n=b FEM ≤exp (0.5) σ {1-exp [-R 2 / (2 · σ 2 )]} / n =
ехр(0,5) 0,2 {1-ехр[-0,5642/(2·0,22)]}/12=0,027 м = 27 мм.exp (0.5) 0.2 {1-exp [-0.564 2 / (2 · 0.2 2 )]} / 12 = 0.027 m = 27 mm.
Используем в качестве ФЭП, например, гетеропереходные ФЭ со структурой pAlxGa1-xAs-pGaAs-nGaAs, выполненные в виде квадрата со стороной 12,25 мм и включающие полупроводниковые слои р-типа и n-типа, выращенные на подложке из n-GaAs. Фронтальный омический контакт (передняя контактная сетка) выполнен в виде контактных полосок на лицевой стороне ФЭ и сплошной омический контакт выполнен на тыльной стороне ФЭ (тыльный контакт). Омические контакты, как на лицевой, так и на тыльной стороне, изготовлены на основе Au. На лицевую сторону ФЭ нанесено защитное покрытие с просветляющим покрытием из ZnS /7/. Фотоэлементы межэлементными соединениями последовательно объединены в ФЭМ. Предположим, что выбрали конструкцию ФЭМ, состоящую из четырех ФЭ, как показано на фиг. 4-7, которая собирается через электроизолирующий слой (например, слой из Al2O3) на общей теплоотводящей платформе-подложке, выполненной, например, из Cu или Ag, через которую не преобразованная энергия лазера поступает в систему охлаждения приемника-преобразователя. Максимальный габаритный размер ФЭМ (bФЭМ), с учетом межэлементных соединений, примерно равен bФЭМ ~ 26,5 мм, что отвечает, как показано выше, требуемому соотношению (1).We use as PECs, for example, heterojunction PVs with the structure pAl x Ga 1-x As-pGaAs-nGaAs, made in the form of a square with a side of 12.25 mm and including p-type and n-type semiconductor layers grown on a substrate of n -GaAs. The front ohmic contact (front contact grid) is made in the form of contact strips on the front side of the FE and the continuous ohmic contact is made on the back side of the FE (back contact). Ohmic contacts, both on the front and on the back, are made on the basis of Au. A protective coating with an antireflection coating of ZnS / 7 / is applied to the front side of the PV. Photocells by inter-cell compounds are successively combined in a FEM. Assume that you have chosen a FEM design consisting of four PVs, as shown in FIG. 4-7, which is going through the electrically insulating layer (e.g., a layer of Al 2 O 3) on a common platform of the heat sink substrate, made for example of Cu or Ag, through which the laser energy is not converted enters the converter cooling system receiver. The maximum overall size of the FEM (b FEM ), taking into account interelement compounds, is approximately equal to b FEM ~ 26.5 mm, which corresponds, as shown above, to the required relation (1).
Известно, что при последовательном соединении источников тока - фотоэлементов, напряжение холостого хода на межмодульных контактах ФЭМ будет равно сумме фото-ЭДС фотоэлементов, из которых состоит ФЭМ. Положим, что для выбранного типа гетеропереходных ФЭ получена фото-ЭДС, равная ~1 В /1, с. 112/, тогда напряжение холостого хода на межмодульных контактах ФЭМ будет равно ~4 В, а ток в последовательной цепочке ФЭ фотоэлектрического модуля будет определяться наименьшим током ФЭ, на который падает ЭМИ с наименьшей на данном круговом участке интенсивностью E(ri). Согласно вышеприведенным признакам кольцевых участков и ограничению (1) по габаритам ФЭМ, размещенных на кольцевых участках круговой панели, фотоэлектрические модули на каждом кольцевом участке скоммутированы в группы с одинаковым напряжением холостого хода, предположим равным ~12 В. Группы фотоэлектрических модулей со всех кольцевых участков, соединенные параллельно, обеспечивают заданное напряжение и ток на шинах приемника-преобразователя.It is known that with a series connection of current sources - photocells, the open circuit voltage at the intermodular contacts of the FEM will be equal to the sum of the photo-emf of the photocells that make up the FEM. Let us assume that for the selected type of heterojunction PV, a photo-emf of ~ 1 V / 1 s was obtained. 112 /, then the open-circuit voltage at the intermodular contacts of the FEM will be ~ 4 V, and the current in the serial chain of the PV of the photovoltaic module will be determined by the smallest FE current, which emits EMR with the lowest intensity E (r i ) in this circular section. According to the above characteristics of the annular sections and the restriction (1) on the dimensions of the FEM located on the annular sections of the circular panel, the photovoltaic modules on each annular section are switched into groups with the same open-circuit voltage, suppose to be ~ 12 V. Groups of photovoltaic modules from all the annular sections, connected in parallel, provide the specified voltage and current on the tires of the receiver-converter.
Нужно отметить, что в реальном ФЭП на базе GaAs, оптимизированном для умеренной интенсивности (0,1-1,0 Вт/см2) лазерного излучения (с длиной волны излучения лазера λ=0,8 мкм), получен КПД 40-43% /2/. Пользуясь этими данными для рассматриваемого примера можно оценить, в первом приближении, эффективность фотоэлектрического преобразования рассмотренного приемника-преобразователя лазерного излучения при использовании вышерассмотренных признаков расположения кольцевых участков на приемной плоскости и условия ограничивающего габариты ФЭМ. Учитываем тот факт, что при коммутации ФЭ в последовательные цепочки ток в цепочке, размещенной на кольцевом участке, определяется наименьшим током ФЭ, на который падает ЭМИ с наименьшей на данном i-м кольцевом участке интенсивностью E(ri). Что соответствует кусочно-постоянной функции Ê(r), вписанной в кривую распределения Гаусса и являющейся приближением функции Е(r), как показано на фиг. 8. Таким образом, учитывая вышесказанные особенности коммутации ФЭ, оценим для данного примера мощность (W) лазерного излучения, которая может быть эффективно преобразована в ФЭП в электроэнергию и которую определяем, используя соотношения (2) и (5), из выраженияIt should be noted that in a real GaAs PEC optimized for moderate intensity (0.1-1.0 W / cm 2 ) of laser radiation (with a laser radiation wavelength of λ = 0.8 μm), an efficiency of 40-43% was obtained / 2 /. Using these data for the considered example, we can estimate, to a first approximation, the photoelectric conversion efficiency of the considered laser radiation receiver / converter when using the above signs of the location of the ring sections on the receiving plane and the conditions of the limiting dimensions of the FEM. We take into account the fact that when switching PVs in sequential circuits, the current in the circuit located in the annular section is determined by the smallest PV current, which emits electromagnetic radiation with the lowest intensity E (r i ) in this ith ring section. Which corresponds to the piecewise constant function Ê (r) inscribed in the Gaussian distribution curve and is an approximation of the function E (r), as shown in FIG. 8. Thus, taking into account the above-mentioned features of PV switching, we estimate for this example the laser radiation power (W), which can be effectively converted into a photomultiplier into electric energy and which is determined using relations (2) and (5) from the expression
Учитывая достаточно слабое изменение КПД гетеропереходных ФЭ от интенсивности концентрированного ЭМИ при данной температуре, как показано в /1, с. 120/, с учетом (6), оценим полезную электрическую мощность Рпп, снимаемую с шин данного приемника-преобразователя, из выраженияGiven a rather weak change in the efficiency of heterojunction FEs from the intensity of concentrated EMR at a given temperature, as shown in / 1, p. 120 /, taking into account (6), we estimate the useful electric power P pp removed from the tires of this receiver-converter from the expression
где η - КПД ФЭП, который примем равным 0,43;where η is the efficiency of the photomultiplier, which we take equal to 0.43;
kw=Ŵ/W=8,1/10=0,81 - коэффициент эффективности лазерного облучения приемной плоскости для принятого приближения Ê(r);k w = Ŵ / W = 8.1 / 10 = 0.81 is the efficiency coefficient of laser irradiation of the receiving plane for the accepted approximation Ê (r);
ks - коэффициент заполнения приемной плоскости фотоэлементами, который примем равным 0,8.k s is the fill factor of the receiving plane with photocells, which is assumed to be equal to 0.8.
Откуда из (7) определимWhere from (7) we define
Выражения (1) и (2) получены следующим образом.Expressions (1) and (2) are obtained as follows.
Вывод выражений (1) и (2) определен целью избежать схемных потерь при коммутации ФЭ и фотоэлектрических модулей в условиях неравномерной интенсивности лазерного излучения, падающего на приемную плоскость с профилем интенсивности, отвечающей распределению Гаусса, и определялся в первую очередь двумя факторами.The derivation of expressions (1) and (2) is determined in order to avoid circuit losses during switching of PVs and photoelectric modules under conditions of uneven intensity of laser radiation incident on the receiving plane with an intensity profile corresponding to the Gaussian distribution, and was determined primarily by two factors.
Первый фактор определен тем, что ток в цепочке последовательно соединенных ФЭ, размещенных на каждом кольцевом участке, определяется минимальным током ФЭ из этой цепочки, который в свою очередь определяется минимальной интенсивностью лазерного излучения, падающего на этом участке.The first factor is determined by the fact that the current in a chain of PV connected in series located in each annular section is determined by the minimum PV current from this chain, which in turn is determined by the minimum intensity of laser radiation incident on this section.
Второй фактор определен физическим свойством полупроводниковых ФЭП, у которых типовые вольт-амперные характеристики (ВАХ) ФЭ одинаковых структур имеют нелинейный, почти прямоугольный характер /1, с. 118/ с практически равными фото-ЭДС и возрастающими токами короткого замыкания при увеличении интенсивности облучения, что подтверждается экспериментально.The second factor is determined by the physical property of semiconductor photomultipliers, for which the typical current-voltage characteristics (I – V) of photomultipliers of the same structure have a nonlinear, almost rectangular character / 1, p. 118 / s with almost equal photo-emf and increasing short-circuit currents with increasing irradiation intensity, which is confirmed experimentally.
Для решения поставленной выше задачи предложено фотоэлектрические модули размещать на n кольцевых участках, каждый из которых имеет свой признак расположения на приемной плоскости и разграничены друг от друга, например, механически с помощью рисок на круговой панели (см. фиг. 8). Радиальная интенсивность на каждом кольцевом участке соответствует функции распределения Гаусса Е(r). А ток, согласно первому фактору, последовательно соединенных ФЭ, размещенных на каждом кольцевом участке, будет определяться током ФЭ, на который падает ЭМИ наименьшей интенсивности на этом кольцевом участке, т.е. фактически определяется кусочно-постоянной функцией Ê(r), являющейся приближением Е(r).To solve the above problem, it was proposed to place the photovoltaic modules on n annular sections, each of which has its own sign of location on the receiving plane and are delimited from each other, for example, mechanically using the notches on the circular panel (see Fig. 8). The radial intensity in each annular section corresponds to the Gaussian distribution function E (r). And the current, according to the first factor, of the PV connected in series located on each ring section, will be determined by the PV current, on which the EMP of the lowest intensity falls on this ring section, i.e. in fact, is determined by the piecewise constant function Ê (r), which is the approximation of E (r).
Принимаем кусочно-постоянную функцию в виде (фиг. 8)Take a piecewise constant function in the form (Fig. 8)
где i - номер кольцевого участка, i=1, 2,…, k,…,.n; r0=0; rn=R;where i is the number of the annular section, i = 1, 2, ..., k, ..., .n; r 0 = 0; r n = R;
ri-1<r≤ri; ΔÊ=ΔE=E(ri-1)-E(ri-1)=const.r i-1 <r≤r i ; ΔÊ = ΔE = E (r i-1 ) -E (r i-1 ) = const.
Откуда очевидно 
Таким образом, как видно из фиг. 8, кольцевые участки, являющиеся проекциями на приемную плоскость функции Ê(r), выполнены в виде центрального круга, радиусом r1, и круговых колец, с внутренним радиусом ri-1 и внешним радиусом ri. Причем, при выполнении условия (3), существует k-й кольцевой участок, где верно соотношение rk-1<σ≤rk. Ha фиг. 8 k-й кольцевой участок отмечен штриховкой.Thus, as can be seen from FIG. 8, the annular sections, which are projections onto the receiving plane of the function Ê (r), are made in the form of a central circle with a radius r 1 and circular rings with an inner radius r i-1 and an outer radius r i . Moreover, under condition (3), there is a k-th annular section where the relation r k-1 <σ≤r k is true. Ha FIG. The 8th kth annular portion is marked by hatching.
Поскольку Е(r) - гладкая функция, имеющая непрерывную производную, то оценка приближения на интервале (rk-1), где rk-1<σ≤rk, отвечает соотношению /8, с. 19/Since E (r) is a smooth function having a continuous derivative, the approximation estimate on the interval (r k-1 ), where r k-1 <σ≤r k , corresponds to the relation / 8, p. 19/
Для распределения Гаусса, производная функции Е(r) принимает максимальное значение (по модулю) в точке перегиба, что соответствует наименьшей ширине k-го кругового кольца, при принятом условии ΔЕ=const.For the Gaussian distribution, the derivative of the function E (r) takes the maximum value (modulo) at the inflection point, which corresponds to the smallest width of the k-th circular ring, under the accepted condition ΔЕ = const.
Откуда из (10), при Е′(σ)=max|Е′(r) |, определяем величину отрезкаWhence from (10), for E ′ (σ) = max | E ′ (r) |, we determine the value of the segment
Из выражения (4) определим Е′(σ)=W/[2·π·ехр(0,5)·σ3].From expression (4) we define E ′ (σ) = W / [2 · π · exp (0.5) · σ 3 ].
Подставляя Е′(σ) в (11), получим выражение для минимальной ширины из n кольцевых участков, а именно ширины k-го кругового кольцаSubstituting E ′ (σ) in (11), we obtain the expression for the minimum width of n ring sections, namely, the width of the kth circular ring
Из выражения (4) определимFrom the expression (4) we define
Подставляя в (9) выражения (13) и (14) для Е(r0) и Е(rn), получимSubstituting expressions (13) and (14) for E (r 0 ) and E (r n ) in (9), we obtain
Откуда, с учетом (9) и (15), из (12) получимFrom where, taking into account (9) and (15), from (12) we get
ΔÊ выбирается при проектировании приемника-преобразователя так, чтобы согласовать технологические возможности изготовления фотоэлементов, с последующей сборкой их в ФЭМ и дальнейшим размещением ФЭМ на площади k-го кругового кольца. Причем k-е круговое кольцо минимальной ширины, на которое падает поток ЭМИ с максимальным (по модулю) радиальным градиентом интенсивности, заполнено ФЭМ, максимальный габарит которых bФЭМ, с учетом выражений (12) и (16), логично должен отвечать соотношению (1).ΔÊ is chosen during the design of the receiver-converter in such a way as to coordinate the technological capabilities of manufacturing photocells, with their subsequent assembly in the FEM and further placement of the FEM on the area of the k-th circular ring. Moreover, the k-th circular ring of minimum width, onto which the EMR stream with the maximum (modulo) radial intensity gradient falls, is filled with a FEM, the maximum dimension of which is b FEM , taking into account expressions (12) and (16), should logically correspond to the relation (1 )
Определим r1 для первого кольцевого участка из соотношенияWe define r 1 for the first annular section from the relation
Пользуясь выражениями (4), (13) и (15), из (17) вытекает равенствоUsing expressions (4), (13) and (15), from (17) the equality
ехр[-r1 2/(2·σ2)]=1-А/n или -r1 2/(2·σ2)=ln(1-А/ n), откудаexp [-r 1 2 / (2 · σ 2 )] = 1-A / n or -r 1 2 / (2 · σ 2 ) = ln (1-А / n), whence
Определим r2 для второго кольцевого участка из соотношенияWe define r 2 for the second annular section from the relation
Подставляя выражения (4), (13) и (15) в (19), получаемSubstituting expressions (4), (13) and (15) in (19), we obtain
Аналогично продолжая для третьего и последующих кольцевых участков, получаем соотношения (2).Continuing in a similar way for the third and subsequent annular sections, we obtain relations (2).
Необходимо отметить, что одной из важных характеристик потока концентрированного электромагнитного излучения является функция распределения интенсивности ЭМИ, падающей на приемную плоскость приемника-преобразователя. В частности, для монохроматического электромагнитного излучения лазера характерна острая направленность (коллимация) пучка, что позволяет собрать и сфокусировать энергию, переносимую лазерным пучком, на малой площади. Малая величина угла расходимости излучения лазера позволяет эффективно собрать энергию на чрезвычайно больших расстояниях от излучателя /4, с. 40/. Обычно предпочтительно осуществлять работу с гауссовым пучком, где зависимость интенсивности ЭМИ от радиуса r в поперечном сечении лазерного пучка, проводимого из центра пучка, определяется распределением Гаусса. Гауссовы пучки предпочтительней в силу их симметрии и минимальности угла расходимости пучка. Пространственная форма гауссова пучка будет оставаться неизменной и при прохождении пучка через оптические системы /4, с. 43/.It should be noted that one of the important characteristics of the concentrated electromagnetic radiation flux is the distribution function of the intensity of the electromagnetic radiation incident on the receiving plane of the receiver-transducer. In particular, the monochromatic electromagnetic radiation of a laser is characterized by a sharp directivity (collimation) of the beam, which makes it possible to collect and focus the energy carried by the laser beam over a small area. The small divergence angle of the laser radiation allows you to efficiently collect energy at extremely large distances from the emitter / 4, p. 40 /. It is usually preferable to work with a Gaussian beam, where the dependence of the EMR intensity on the radius r in the cross section of a laser beam conducted from the center of the beam is determined by the Gaussian distribution. Gaussian beams are preferable because of their symmetry and the minimum angle of divergence of the beam. The spatial form of the Gaussian beam will remain unchanged when the beam passes through the optical systems / 4, p. 43 /.
Также необходимо отметить, что наиболее перспективными для космических приемников-преобразователей концентрированного ЭМИ, каковым является лазерное излучение, следует считать гетеропереходные фотоэлементы на основе арсенида галлия, обладающие повышенной радиационной стойкостью, высокими температурной стабильностью КПД и удельной мощностью в диапазоне температур вплоть до 500 К /1, с. 119/. Последнее обстоятельство особенно важно для мощных космических приемников-преобразователей с активной системой охлаждения ФЭ и радиационным сбросом не преобразованного тепла в космос.It should also be noted that heterojunction photocells based on gallium arsenide, which have increased radiation resistance, high temperature stability, and specific power in the temperature range up to 500 K / 1, should be considered the most promising for space-based concentrators of EMPs, such as laser radiation. , from. 119 /. The latter circumstance is especially important for high-power space receivers-converters with an active PV cooling system and the radiation discharge of not converted heat into space.
В соответствии с особенностями структуры и физическими свойствами полупроводниковых ФЭП, типовая вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеального ФЭ имеет нелинейный, почти прямоугольный характер, чем выгодно отличается от характеристик других прямых преобразователей тепловой энергии /1, с. 97/. Этими свойствами обладают и гетеропереходные ФЭ на основе GaAs. Так приведенная в /1, с. 110/ экспериментальная ВАХ гетеропереходного ФЭ со структурой pAlxGa1-xAs-pGaAs-nGaAs площадью 1,5 см2, измеренная под имитатором внеатмосферного солнечного излучения, имела нелинейный, почти прямоугольный характер с коэффициентом заполнения 0,82, с фото-ЭДС ~1 В и током короткого замыкания ~26 мА/см2. А приведенные в /1, с. 118/ экспериментальные ВАХ гетеропереходного ФЭ на основе AlGaAs-GaAs, измеренные в широком интервале интенсивности солнечного ЭМИ, показали почти прямоугольный характер ВАХ с одним и тем же фото-ЭДС, равным 1,05 В, и возрастающим током короткого замыкания при увеличении интенсивности облучения. Вышеприведенные экспериментальные результаты, являющиеся следствием в первую очередь особенностей структуры и физических свойств гетеропереходных ФЭ на основе GaAs, учитывались при конструировании приемника-преобразователя.In accordance with the structural features and physical properties of semiconductor photomultipliers, the typical current-voltage characteristic (I – V) of an ideal photomultiplier has a nonlinear, almost rectangular character, which compares favorably with the characteristics of other direct thermal energy converters / 1, p. 97 /. These properties are also possessed by GaAs-based heterojunctural FEs. So given in / 1, p. 110 / experimental I – V characteristic of a heterojunction PV with a pAl x Ga 1-x As-pGaAs-nGaAs structure measuring 1.5 cm 2 , measured under a simulator of extra-atmospheric solar radiation, had a nonlinear, almost rectangular character with a fill factor of 0.82, with photo emf ~ 1 V and short circuit current ~ 26 mA / cm 2 . And given in / 1, p. 118 / The experimental I – V characteristics of a heterojunction PV based on AlGaAs-GaAs, measured over a wide range of solar EMR intensities, showed an almost rectangular character of the I – V characteristic with the same photo-emf equal to 1.05 V and increasing short-circuit current with increasing irradiation intensity. The above experimental results, which are primarily a consequence of the structural features and physical properties of GaAs based heterojunction photoelectrics, were taken into account when designing the receiver-converter.
При проектировании приемников-преобразователей мощного лазерного излучения для беспроводной системы дистанционного энергопитания КА мощностью от единиц до сотен киловатт требуются ФЭ в количестве десятков тысяч и более, объединенные между собой коммутацией. Использование достаточно миниатюрных ФЭ на основе полупроводниковых гетероструктур, максимальная площадь которых порядка квадратного сантиметра /1, с. 110/, при последовательно-параллельной коммутации приводит к схемным потерям. Объединение нескольких последовательно соединенных ФЭ на общей теплоотводящей платформе в фотоэлектрический модуль позволяет стандартизировать технологию коммутации ФЭ в ФЭМ, упростить сборку отдельных ФЭМ в группы, унифицировать конструкцию ФЭМ, что приведет к снижению схемных потерь и увеличит КПД приемника-преобразователя. ФЭМ на каждом кольцевом участке с соответствующим признаком расположения коммутацией объединяют в группы с одинаковым напряжением. Затем все группы со всех площадок объединяют параллельной коммутацией, получая таким образом требуемые параметры напряжения и тока на шинах приемника-преобразователя. Нужно отметить, что ожидаемые характеристики приемника-преобразователя могут быть определены только с учетом конкретной геометрии ФЭМ и их схемно-коммутационных решений, размера и параметров отдельных ФЭ, воспроизводимости технологии их изготовления и т.д. Так, например, напряжение холостого хода на межмодульных контактах ФЭМ будет определяться суммой фото-ЭДС последовательной сборки ФЭ, из которых состоит ФЭМ, а ток ФЭМ определяется током ФЭ облучаемого ЭМИ с наименьшей интенсивностью. Отсюда становится логичным принятое приближение для функции Е(r), являющейся распределением Гаусса, вписанной в нее кусочно-постоянной функцией Ê(r), а также выбор наименьшего по ширине k-го кругового кольца и связанного с этим максимального габарита ФЭМ (bФЭМ).When designing high-power laser radiation receivers-converters for a spacecraft wireless remote energy supply system with units from hundreds to hundreds of kilowatts, PVs in the amount of tens of thousands or more are required, interconnected by switching. The use of sufficiently miniature PVs based on semiconductor heterostructures with a maximum area of the order of a square centimeter / 1, s. 110 /, in series-parallel switching leads to circuit losses. The combination of several series-connected PVs on a common heat sink platform into a photovoltaic module makes it possible to standardize the switching technology of PVs in a FEM, simplify the assembly of individual FEMs into groups, unify the design of the FEMs, which will reduce the circuit losses and increase the efficiency of the receiver-converter. FEM on each ring section with the corresponding sign of the location of the switching are combined into groups with the same voltage. Then all groups from all sites are combined by parallel switching, thus obtaining the required voltage and current parameters on the receiver-converter buses. It should be noted that the expected characteristics of the receiver-converter can only be determined taking into account the specific geometry of the FEM and their circuit-switching solutions, the size and parameters of individual PVs, the reproducibility of their manufacturing technology, etc. So, for example, the open-circuit voltage at the intermodular contacts of the FEM will be determined by the sum of the photo-emf of the sequential assembly of the FEM, of which the FEM consists, and the current of the FEM is determined by the PE current of the irradiated EMR with the lowest intensity. Hence, the accepted approximation for the function E (r), which is the Gaussian distribution inscribed in it by the piecewise constant function Ê (r), and also the choice of the smallest kth circular ring and the associated maximum size of the FEM (b FEM ) .
Кроме того, при проектировании приемников-преобразователей мощного лазерного излучения важно разработать такой способ коммутации ФЭМ в группы внутри каждого кольцевого участка и параллельной коммутации групп из всех кольцевых участков, который обеспечит минимальные схемные потери. Кроме того, нужно иметь в виду, что снижение омических потерь требует уплотнения ФЭ в ФЭМ и уменьшения зазора между отдельными ФЭМ или цепочками ФЭМ. Выполнение этих требований может приводить к перегреву сильноточных ФЭМ, т.к. расстояние между ФЭМ будет влиять на эффективность теплоотвода, что может приводить к перегреву и к потерям в КПД /1, с. 120/.In addition, when designing high-power laser radiation receivers / converters, it is important to develop such a method of switching the FEM into groups within each ring section and parallel switching of groups from all ring sections, which will ensure minimal circuit losses. In addition, it must be borne in mind that the reduction of ohmic losses requires compaction of the FE in the FEM and a decrease in the gap between the individual FEM or FEM chains. Fulfillment of these requirements can lead to overheating of high-current FEMs, as the distance between the FEM will affect the efficiency of the heat sink, which can lead to overheating and to losses in efficiency / 1, s. 120 /.
Таким образом, в условиях неравномерности распределения интенсивности лазерного излучения, падающего на приемную плоскость, за счет использования признаков расположения и выбора габарита ФЭМ предложенное техническое решение позволяет:Thus, under conditions of uneven distribution of the intensity of laser radiation incident on the receiving plane, by using the signs of the location and choice of the size of the FEM, the proposed technical solution allows:
1) повысить энергетическую эффективность, характеризуемую, в условиях неравномерной интенсивности облучения, минимально возможным снижением мощности на выходных шинах приемника-преобразователя по отношению к суммарной мощности, вырабатываемой всеми фотоэлементами (в условиях независимости друг от друга);1) to increase the energy efficiency, characterized, under conditions of uneven irradiation intensity, by the minimum possible decrease in power at the output buses of the receiver-converter with respect to the total power generated by all photocells (in conditions of independence from each other);
2) снизить схемные потери при коммутации фотоэлементов и фотоэлектрических модулей и разброс электрических параметров фотоэлементов и групп фотоэлектрических модулей, за счет использования признаков расположения и выбора максимального габарита фотоэлектрического модуля, что приводит к повышению КПД приемника-преобразователя;2) reduce circuit losses when switching photocells and photoelectric modules and the dispersion of the electrical parameters of photocells and groups of photoelectric modules, by using signs of location and choosing the maximum size of the photoelectric module, which increases the efficiency of the receiver-converter;
3) унифицировать конструкцию фотоэлектрического модуля и стандартизировать технологию коммутации отдельных фотоэлементов модуля;3) to unify the design of the photovoltaic module and standardize the switching technology of individual photocells of the module;
4) упростить конструкцию приемника-преобразователя, т.к. исключена система концентричных оболочек на приемной плоскости, как в прототипе.4) to simplify the design of the receiver-converter, because excluded the system of concentric shells on the receiving plane, as in the prototype.
ЛИТЕРАТУРАLITERATURE
1. В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.1. V.A. Griliches, P.P. Orlov, L.B. Popov. Solar energy and space travel. M .: Nauka, 1984.
2. В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т. 48, №2, с. 59-66.2. V.I. Kishko, V.F. Matyukhin. The principles of constructing adaptive repeaters for stratospheric energy transfer systems // Avtometriya. 2012.V. 48, No. 2, p. 59-66.
3. В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Ленинград, «Наука» Ленинградское отделение, 1989.3. V.M. Andreev, V.A. Griliches, V.D. Rumyantsev. Photoelectric conversion of concentrated solar radiation. Leningrad, “Science” Leningrad Branch, 1989.
4. Дж. Реди. Промышленные применения лазеров. Москва, Издательство «Мир», 1981.4. J. Redi. Industrial applications of lasers. Moscow, Mir Publishing House, 1981.
5. Патент №2499327. Приемник-преобразователь концентрированного электромагнитного излучения. Опубл. 20.11.2013, бюл. №32.5. Patent No. 2499327. The receiver-converter of concentrated electromagnetic radiation. Publ. 11/20/2013, bull. Number 32.
6. И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Издание тринадцатое, исправленное. М.: "Наука", 1986.6. I.N. Bronstein, K.A. Semendyaev. A reference book in mathematics for engineers and students of technical colleges. The thirteenth edition, corrected. M .: "Science", 1986.
7. Высокоэффективные концентраторные (2500 солнц) AlGaAs/GaAs - солнечные элементы // Андреев В.М., Хвостиков В.П., Ларионов В.Р. и др. // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 9, с. 1070-1072.7. Highly efficient concentrator (2500 suns) AlGaAs / GaAs - solar cells // Andreev VM, Khvostikov VP, Larionov VR et al. // Physics and Engineering of Semiconductors, 1999, Volume 33, no. 9, p. 1070-1072.
8. В.Ф. Дьяченко. Основные понятия вычислительной математики. Издание второе. М.: «Наука», 1977.8. V.F. Dyachenko. Basic concepts of computational mathematics. Second Edition. M .: "Science", 1977.
Claims (1)
bФЭМ≤exp(0,5)·
где A=1-ехр[-R2/(2
а группы фотоэлектрических модулей, расположенные на всех кольцевых участках, соединены параллельно, обеспечивая таким образом заданное напряжение и ток на шинах приемника-преобразователя, где
i - номер кольцевого участка, i=1, 2, …, k, …,.n;
r0=0;
b FEM ≤exp (0,5)
where A = 1-exp [-R 2 / (2
and groups of photovoltaic modules located on all annular sections are connected in parallel, thus providing a given voltage and current on the tires of the receiver-converter, where
i is the number of the annular section, i = 1, 2, ..., k, ..., .n;
r 0 = 0;
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014147995/28A RU2594953C2 (en) | 2014-11-27 | 2014-11-27 | Laser radiation receiver-converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014147995/28A RU2594953C2 (en) | 2014-11-27 | 2014-11-27 | Laser radiation receiver-converter |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014147995A RU2014147995A (en) | 2016-06-20 |
| RU2594953C2 true RU2594953C2 (en) | 2016-08-20 |
Family
ID=56131830
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014147995/28A RU2594953C2 (en) | 2014-11-27 | 2014-11-27 | Laser radiation receiver-converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2594953C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2691945C1 (en) * | 2018-10-04 | 2019-06-19 | Леонид Петрович Гаврилов | Device for wireless transmission of periodic electromagnetic oscillations of industrial frequency by means of lasers |
| RU196522U1 (en) * | 2019-12-20 | 2020-03-03 | Сергей Станиславович Шафранов | Simulator of the spectral dependence of light signals |
| RU2800338C1 (en) * | 2022-11-30 | 2023-07-20 | Леонид Петрович Гаврилов | Photoelectric energy converter of high-power laser radiation into ac energy |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU713232A1 (en) * | 1977-01-17 | 1982-05-23 | Предприятие П/Я А-1067 | Thermoelectric sensor for laser radiation |
| JPS6215416A (en) * | 1985-07-12 | 1987-01-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Laser beam energy distribution measuring instrument |
| JP2004317375A (en) * | 2003-04-17 | 2004-11-11 | Nikon Corp | Determination method and measuring instrument for shape of beam and light intensity distribution in beam, wave front measuring instrument, regulation method for image-focusing optical system, and manufacturing method for exposure device |
| RU2499327C1 (en) * | 2012-04-11 | 2013-11-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Concentrated electromagnetic radiation receiver/converter |
-
2014
- 2014-11-27 RU RU2014147995/28A patent/RU2594953C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU713232A1 (en) * | 1977-01-17 | 1982-05-23 | Предприятие П/Я А-1067 | Thermoelectric sensor for laser radiation |
| JPS6215416A (en) * | 1985-07-12 | 1987-01-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Laser beam energy distribution measuring instrument |
| JP2004317375A (en) * | 2003-04-17 | 2004-11-11 | Nikon Corp | Determination method and measuring instrument for shape of beam and light intensity distribution in beam, wave front measuring instrument, regulation method for image-focusing optical system, and manufacturing method for exposure device |
| RU2499327C1 (en) * | 2012-04-11 | 2013-11-20 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Concentrated electromagnetic radiation receiver/converter |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2691945C1 (en) * | 2018-10-04 | 2019-06-19 | Леонид Петрович Гаврилов | Device for wireless transmission of periodic electromagnetic oscillations of industrial frequency by means of lasers |
| RU196522U1 (en) * | 2019-12-20 | 2020-03-03 | Сергей Станиславович Шафранов | Simulator of the spectral dependence of light signals |
| RU2800338C1 (en) * | 2022-11-30 | 2023-07-20 | Леонид Петрович Гаврилов | Photoelectric energy converter of high-power laser radiation into ac energy |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014147995A (en) | 2016-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7081584B2 (en) | Solar based electrical energy generation with spectral cooling | |
| US11227964B2 (en) | Luminescent solar concentrators and related methods of manufacturing | |
| CA1073996A (en) | Photovoltaic system including a lens structure | |
| Segev et al. | Performance of CPV modules based on vertical multi-junction cells under non-uniform illumination | |
| Datas et al. | Monolithic interconnected modules (MIM) for high irradiance photovoltaic energy conversion: A comprehensive review | |
| WO2003023867A1 (en) | Three-dimensional array of photovoltaic cells | |
| Valdivia et al. | Five-volt vertically-stacked, single-cell GaAs photonic power converter | |
| Bett et al. | III–V solar cells under monochromatic illumination | |
| RU2487438C1 (en) | Photocell of space laser radiation detector-converter | |
| Khvostikov et al. | Laser (λ= 809 nm) power converter based on GaAs | |
| US4151005A (en) | Radiation hardened semiconductor photovoltaic generator | |
| Huang et al. | Four-junction AlGaAs/GaAs laser power converter | |
| Strebkov et al. | Investigation of high-voltage silicon solar modules | |
| RU2594953C2 (en) | Laser radiation receiver-converter | |
| US20090229651A1 (en) | Solar energy production system | |
| US4162174A (en) | Solar cell array | |
| Xian-long et al. | Improvements of PV receiver in laser wireless power transmission by non-imaging optics | |
| Huang et al. | Characterizations of high-voltage vertically-stacked GaAs laser power converter | |
| Xia et al. | Opportunities for increased efficiency in monochromatic photovoltaic light conversion | |
| Bogushevskaya et al. | An experimental investigation of the feasibility of using silicone and gallium arsenide solar batteries on space vehicles for receiving energy of laser infrared emission | |
| Sumaryada et al. | Simulating the performance of Al0. 3Ga0. 7As/InP/Ge multijunction solar cells under variation of spectral Irradiance and temperature | |
| Pavlík et al. | Determination of effect of photovoltaic cells defect on electricity produce by use mathematical model. | |
| CN205212776U (en) | Photovoltaic conversion system | |
| RU2639738C2 (en) | Laser light receiver-transducer | |
| Escarra et al. | A hybrid CPV/T system featuring transmissive, spectrum-splitting concentrator photovoltaics |