АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ЛАЗЕРНЫХ ИСТОЧНИКАХ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.372.8.09

И.Г. Кирин, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный

университет»

e-mail: [email protected]

АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ЛАЗЕРНЫХ ИСТОЧНИКАХ ВТОРИЧНОГО

ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

В статье представлены аналитические выражения, описывающие выходную мощность и потери энергии в источниках вторичного электропитания, построенных на базе лазеров. Приводятся результаты анализа потери для случаев, когда в составе этих источников используются фото или термоэлектрические приборы для преобразования лазерного излучения в электроэнергию на приемной стороне. Показано, что в случае использования в составе рассматриваемых источников вторичного электропитания фотоэлектрических преобразователей, общие потери энергии в нем при использовании полупроводниковых лазеров и многоканальной схемы построения источников могут быть умеренными и составлять ~65% от общего объема энергии подведенной к нему. Если в составе источников используются термоэлектрические блоки преобразования лазерного излучения в электроэнергию на приемной стороне источника, общие потери энергии в нем значительны и превышают 97%. Дальнейшее снижение потерь в этой разновидности рассматриваемых источников электропитания будет достигнуто только при условии разработки термоэлектрических преобразователей и инфракрасных лазеров с более высоким КПД. Вместе с тем эта разновидность рассматриваемых источников обладает более высокой радиационной устойчивостью, что в ряде случаев оказывается определяющим параметром источников электропитания, предназначенных для использования на высоковольтных платформах электрофизических установок. Это связано с тем, что радиационная устойчивость термоэлектрических преобразователей существенно выше радиационной устойчивости фотоэлектрических преобразователей.

Ключевые слова: источники вторичного электропитания, лазеры, фотоэлектрические преобразователи, термоэлектрические преобразователи, потери энергии.

Источники вторичного электропитания с лазерным источником энергии предназначены для электропитания информационно-измерительных систем высоковольтных платформ электрофизических установок. В этих источниках на передающей части, расположенной на потенциале Земли, электрическая энергия преобразуется в лазерное излучение. Далее это лазерное излучение передается в заданную точку электрофизической установки и затем на приемной стороне, расположенной на высоковольтной платформе, вновь преобразуется в электрическую энергию с помощью термо- или фотоэлектрических преобразователей [8-10, 19].

Рассматриваемые источники вторичного электропитания обладают высокой радиационной устойчивостью благодаря расположению лазера в защищенном от радиации помещении и высокой устойчивости термо- и фотоэлектрических преобразователей к радиации [8].

В [19] описаны общие принципы и методы построения рассматриваемых источников вторичного электропитания.

Ниже, в статье, представлены полученные выражения, позволяющие проводит расчет выходной мощности этих источников, и результаты анализа потери энергии в них.

В соответствии с функциональной схемой рассматриваемых источников вторичного электропитания развиваемая ими мощность определяется соотношением:

где Р! - мощность на выходе источника вторичного электропитания; Р - мощность на входе источника вторичного электропитания; Ц-Цх'Щ'^ъ - общие потери энергии; щ - коэффициент, учитывающий потери энергии при ее преобразовании в лазерное излучение; Т]2 - коэффициент, учитывающий потери в оптических окнах, обеспечивающих передачу лазерного излучения через стены помещений в котором расположен лазер; г\ъ -коэффициент, учитывающий потери энергии при преобразовании лазерного излучения в электрическую энергию на приемной стороне рассматриваемых источников с помощью термо- или фотоэлектрических преобразователей.

При использовании термоэлектрического способа преобразования лазерного излучения на приемной стороне рассматриваемых источников вторичного электропитания преобразование лазерного излучения в электроэнергию происходит за счет нагрева излучением лазера термоэлектрического материала. Коэффициент в этом случае может быть представлен в виде:

Ъ = ЧпЛт,

где Г]п - КПД термоэлектрического преобразования; т]т - КПД термоприемника - блока, обеспечивающего распределение лазерного излучения по поверхности термоэлектрической батареи.

С учетом потерь на неполное отражение и поглощение лазерного излучения, а также за счет потерь от собственного излучения тепловоспринимающей поверхности и конвективного теплообмена КПД г]т для термоприемников закрытого типа, описанного в [5], используя результаты [6-8], может быть представлен в виде:

г]т = Я3А

еа\

(т:,-т40)+а(тг-т0)

Я3А/

т+Тг1Тх

где т]к =

Т -1г

т т -

1Г> 1Х

температура горя-

чих и холодных спаев термоэлемента соответ-

Я.

ственно; т = -

Я

йТг

йТ„

и с повышением интенсивности лазерного излучения сдвигается в сторону высоких температур.

Интенсивность лазерного излучения необходимая для обеспечения заданной температуры термоэлектрического преобразователя определятся выражением [9,10]:

где ц = 2МТг + £- М = /?я=%;

1 + Рн

{ТГ-Т0)[ТГ+И2 + 0,5(ТГ-Т0)] Иг + Тг ;

В

С - 1 + ^ . ; С = Ви,В -

1 + Ри

где Я3 - коэффициент отражения; А - коэффициент поглощения; е - степень черноты; а - коэффициент электропроводности; ТГ, ТО - температура горячего и холодного спаев термоэлемента; а - коэффициент теплоотдачи; 3 - интенсивность оптического излучения.

Соответственно КПД термоэлектрического преобразования [7,2]:

т +1

сопротивление термоэлемента

Я = к (д / + /?2 / £2); рх, р2 - коэффициенты удельного электрического сопротивления; -площади сечения поверхностей элементов термоэлемента; Ян - сопротивление нагрузки.

Как и у других источников тока, максимальная мощность термоэлемента достигается при т = 1, то есть при Я = Яи. Соответственно максимальный КПД при Я = ЯИ будет равен

тал 2

Г]Т=Г1к\+тг1т;

а максимум КПД достигается при условии: й\п.г}т _ ¿Лпг]п

поверхность излучателя и тепловоспринимающей поверхности батареи; г - термоэлектрическая добротность; Я, - термическое сопротивление; ЯБ -теоретическое сопротивление термоэлектрического преобразователя; Я п - термическое сопротивление теплоперехода на обогреваемой стороне; ЯИ - термическое сопротивление изоляционных прослоек.

Подстановка численных значений в выражение для пП и условия достижения максимального КПД показывают, что для интенсивности лазерного излучения 10 Вт/см2 оптимальная температура горячих спаев ~ 700 °С, а при интенсивности 100 Вт/ см2 она поднимется до ~1000 °С. При этом КПД термоэлектрического преобразования увеличивается с 5% до 8%. Функционирование термоэлектрических преобразователей при столь высоких температурах горячих спаев может быть осуществлено только в том случае, если используется принудительное охлаждение термоэлектрического блока. В противном случае термоэлектрический блок разогревается до такой температуры, что его использование становится невозможным. Поэтому без принудительного охлаждения приемного блока могут быть реализованы КПД ~ 1^3%. Таким образом, с учетом значений ц2, ц3 общие потери энергии могут достигать значений ц=0,03цх, здесь учтено что ц2~1 [11]. КПД инфракрасных лазеров порядка десяти процентов [3], и соответственно общие потери ц=0,003 Для снижение потерь этой разновидности источников вторичного электропитания необходимы инфракрасные лазеры с КПД более высокими, чем у известных, и новые материалы термоэлектрических преобразователей с более высокими значениями КПД при умеренных температурах.

Выделенная на нагрузке одним термоэлектрическим преобразователем полезная мощность может быть рассчитана по формуле [7]

Р = ГЯ„

'(АГ)

т

Я т + Г

где

Е = (е1 -е2)ДГ; / =

Е е, -е, АТ

-= -—-—; аг -

Я + Я. т +1 Я

разность температур между горячими и холодными спаями термоэлемента; е1, е2 - коэффициенты термо-ЭДС материала.

Выходная мощность батареи термоэлектрических преобразователей и ее выходное напряжение определяются числом отдельных термоэлектрических преобразователей, соединенных последовательно и параллельно [7, 2].

В том случае если на приемной стороне используется фотоэлектрический способ преобразования лазерного излучения в электроэнергию, то коэффициент п3, определяющий потери энергии на приемной стороне рассматриваемого источника

вторичного электропитания, может быть представлен в виде:

% = ЛбЛФ,

где пБ - КПД фотоэлектрического приемника -оптического блока обеспечивающего распределение лазерного излучения по поверхности батареи фотоэлектрических преобразователей; цФ - КПД преобразования лазерного излучения фотоэлектрическим преобразователем в электроэнергию.

Максимальный КПД преобразования лазерного излучения в электроэнергию фотоэлектрическим преобразователем достигается при условии, когда ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен фотоэлектрический преобразователь, точно соответствует частоте преобразовываемого излучения и в соответствии с [13] определяется выражением:

Щ

Т

Г я ( тЛ

1п +1

кТ2 т V 11)

кт.;

т

77я=0,95-;-0,98. Таким образом, общие потери энергии в рассматриваемых источниках вторичного электропитания могут достигать значений т] я 0,7 ■ т\х с учетом того, что значение ц2 близко к единице [12]. Учитывая, что КПД полупроводниковых лазеров ~ 50% [3], потери энергии для этой разновидности источников вторичного электропитаний могут быть г] я 0,35. Необходимая мощность источников в этом случае может быть обеспечена за счет использования многоканальной схемы его построения.

Максимальная мощность электрического тока на выходе фотоэлектрического преобразователя [17]

Р =

Т

Г/7 ( г,)

1п +1

кТ2 т V 1\)

ь.

кТп

Т

где Т - температура абсолютно черного тела, замещающего лазер; Т2 - температура фотоэлектрического преобразователя; Е% - ширина запрещенной зоны фотоэлектрического преобразователя;

кТ

Д у = —- - ширина спектральной области абсолют-к

но черного тела, замещающего лазер, поступающего на фотоэлектрический преобразователь; k - постоянная Больцмана; h - постоянная Планка. Эквивалентная температура черного тела Ть при которой КПД максимален, вычисляется из условия равенства числа фотонов в спектре преобразовываемого излучения числу фотонов, излучаемых черным телом в интервале частот Ау.

Из выражения для цФ следует, что КПД преобразования фотоэлектрическим преобразователем лазерного излучения может достигать ~ 70% при той освещенности, которую создает солнечное излучение в области спектра излучения лазера. При превышении уровня освещенности фотоэлектрических преобразователей лазерным излучением в 5^8 раз относительно того уровня освещенности, который создает солнечное излучение, КПД увеличивается, достигая значений близких к 100%, при условии обеспечения термического режима фотоэлектрического преобразователя [1, 14, 18]. Потери энергии приемников закрытого типа, используемых в составе этой разновидности рассматриваемых источников, незначительны [15] и могут составлять

где N - число фотонов в потоке лазерного излучения, поступающего на фотоэлектрический преобразователь. Выходной ток батареи фотоэлектрических преобразователей и ее выходное напряжение, аналогично случаю батареи термоэлектрических преобразователей, определяются числом отдельных фотоэлектрических элементов, соединенных последовательно и параллельно [16,17].

Выводы. Проведенный выше анализ потерь энергии в источниках вторичного электропитания с лазерным источником энергии показывает, что максимальным КПД обладают источники с фотоэлектрическими преобразователями. В этом случае КПД может достигать ц я 0,7 -г/у Учитывая, что КПД полупроводниковых лазеров ~ 50%, потери энергии могут быть г/а 0,35. Необходимая мощность источников в этом случае может быть обеспечена за счет использования многоканальной схемы его построения. В случае с термоэлектрическими блоками преобразования лазерного излучения на приемной стороне источника вторичного электропитания потери энергии значительны, 77 >0,03. Но эти источники обладают значительно более высокой радиационной устойчивостью. Это обусловлено тем, что радиационная устойчивость термоэлектрических преобразователей выше радиационной устойчивости фотоэлектрических преобразователей. Дальнейшее снижение потерь в этой разновидности рассматриваемых источников, будет достигнуто при разработке инфракрасных лазеров с более высокими КПД и новых материалов термоэлектрических преобразователей с более высокими значениями КПД при умеренных температурах.

Литература

1. Алферов, Л.М., Андреев, В.М., Гарбуров, Д.З., Егоров и [др.] Высокоэффективные солнечные элементы с промежуточным преобразованием излучения, предназначенные для работы с концентраторами светового потока // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1987. - Т. 4. - Вып. 18. - С. 1128-1130.

2. Анатычук, Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. - Киев: Наукова думка, 1979. - 766 с.

3. Бруннер, В. Справочник по лазерной технике. - Москва: Энергоатоиздат. 1991. - 544 с.

4. Гаибназаров, М., Малевский, Ю.Н., Резголь, И.А. Энергетические характеристики солнечного термогенератора // Преобразователи солнечной энергии по полупроводниках. - Москва: Наука, 1968. - 98 с.

5. Григорьянц, А.Г., Шигалов, И.Н. Лазерная сварка металлов. - Москва: Высшая школа. 1988. - 207 с.

6. Григорьянц, А.Г., Сафонов, А.Н. Методы поверхностной лазерной обработки. - Москва: Высшая школа, 1987. - 191 с.

7. Даниель-Бек, З.С., Рогинская, Н.С. Термоэлектрогенераторы. - Москва: Связьиздат, 1961. - 55 с.

8. Кирин, И.Г. Специальные радиационно-устойчивые волоконно-оптические и оптоэлектронные датчики и системы. Научное издание. - Москва: Университетская книга, 2008. - 148 с.

9. Кирин, И.Г. Фотоэлектронные трансформаторы: монография. - Москва: Университетская книга, 2013. - 136 с.

10. Кирин, И.Г. Оптоэлектронные трансформаторы тока. Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1992. - № 23. - С. 3-23.

11. Кирин, И.Г. Термоэлектрический преобразователь. Патент на изобретение RUS 2045113.

12. Кирин, И.Г. Электрические изоляторы со световодами. - Москва: Энергоатомиздат, 1994. - 32с.

13. Кирин, И.Г Об эффективности фотоэлектрического преобразования лазерного излучения // Интеллект. Инновации. Инвестиции. Академический журнал. - 2014. - №3. - С. 117-121.

14. Кирин, И.Г. Нелинейно-оптические процессы и эффективность систем «Лазер-световод-фотоэлектрический преобразователь». Сб. Анализ структур электроники и вычислительной техники. -Оренбург. - Изд-во ОГУ, 1995. - С. 124-133.

15. Кирин, И.Г. Фотопреобразователь. Патент на изобретение RUS 1572355.

16. Колтун, М.М. Солнечные элементы. - Москва: Наука, 1987. - 192 с.

17. Раушенбах, Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. - Москва: Энергоатомидат, 1983. - 397 с.

18. Фрааз, Л.П. Усовершенствованные солнечные элементы предназначенные для работы в системах с концентраторами излучения: Современные полупроводниковые элементы фотоэнергетики / под ред. Т.Ф. Кутмса, Дж.К. Микина. Пер. с англ. Под ред. М. М. Колтуна. - Москва: Мир, 1988. - С. 201-261.

19. Kirin, I.G. Photovotaic transformers for capture // Электричество. -1994. - Vol. 7. - С. 30-35.