CC BY
11
И. Г. Кирин, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры естественнонаучных и математических дисциплин, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный институт менеджмента» e-mail: [email protected]
ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В ИСТОЧНИКАХ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С СИСТЕМАМИ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКИ «ИСТОЧНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ -ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ»
В статье представлены результаты анализа потерь энергии в системах вторичного электропитания с системами гальванической развязки «источник оптического излучения - фотоэлектрический преобразователь». Показано, что потери энергии в рассматриваемых источниках вторичного электропитания могут находиться в пределах от 10 до 60%. Минимальные значения этих потерь соответствуют источникам, рассчитанным на выходную мощность порядка единиц Ватт с полупроводниковыми источниками оптического излучения и фотопреобразователями, ширина запрещенной зоны которых точно соответствует частоте преобразовываемого излучения. Максимальное значение потерь соответствуют тому случаю, если в составе рассматриваемых систем электропитания используются светодиодные источники света и фотопреобразователи на основе гетероструктур с вариозной базой, когда на выходе создается широкозонное окно, соответствующее максимальной ширине спектра преобразовываемого излучения, а база имеет переменное по глубине значение ширины запрещенной зоны.
Ключевые слова: системы вторичного электропитания, потери энергии оптического излучения, гальваническая развязка, источник оптического излучения, фотоэлектрический преобразователь.
В основу систем вторичного электропитания с системами гальванической развязки «источник оптического излучения - фотоэлектрический преобразователь» положен принцип отбора порции энергии от энергопередающей линии, преобразований этой порции энергии в оптическое излучение и дальнейшее преобразование уже оптической энергии в электрический ток. В тех случаях, когда это необходимо, оптическое излучение может быть передано от его источника к преобразователю по световодам [1, 2, 5, 10-15].
Такого рода системы электропитания содержат: входные цепи с системой отбора мощности от энергопередающей линии, систему «источник оптического излучения - фотоэлектрический преобразователь» и выходные цепи.
В статье представлены результаты анализа потерь энергии в такого рода системах электропитания.
В соответствии с функциональной схемой источников вторичного электропитания с системами гальванической развязки «источник оптического излучения - фотоэлектрический
преобразователь» развиваемая ими на выходе мощность определяется соотношением [16].
Р = р о • П • П Пз ПА • П 5' где: Р( - мощность на выходе рассматриваемого источника электропитания; Р - мощность на входе системы отбора мощности; - коэффициент, учитывающий потери энергии в электронных схемах входных цепей; - коэффициент, учитывающий потери энергии при преобразовании источником оптического излучения электроэнергии в свет; - коэффициент, учитывающий потери энергии в оптических системах ее передачи от источника оптического излучения к фотоэлементам; - коэффициент, учитывающий потери энергии при преобразовании световой энергии в электрическую;
- коэффициент, учитывающий потери энергии в выходных цепях части рассматриваемых систем электропитания.
Соответственно КПД рассматриваемых систем электропитания определяется соотношением:
П = П1 ■ П 2'Пз-П 4*Пз.
где ц1 - ц5 то же, что и в предыдущей формуле.
Проанализируем составляющие потери энергии, входящие в эти выражения.
Коэффициент ц1
Пусть переменное напряжение ~230 В подается в высокочастотный фильтр, используемый для подавления помех, выпрямляется и фильтруется. Постоянное отфильтрованное напряжение составляет ~350 В и КПД выпрямитель-но-фильтрующего устройства 96% [3]. Далее нестабилизированное напряжение подается на инвертор, работающий на частоте порядка 25 кГц. Инвертор вырабатывает напряжение прямоугольной формы, которое поступает на индуктивно-емкостный фильтр, настроенный на частоту 25 кГц и на высокочастотный трансформатор с несколькими вторичными обмотками. В схеме управляющее опорное напряжение сравнивается с выходным напряжением инвертора. КПД инвертора, трансформатора, фильтра и цепей управления - 87%. Затем выходное напряжение высокочастотного трансформатора выпрямляется и фильтруется высокочастотным фильтром. КПД при этом составляет 94,5. Суммарный КПД высокочастотного устройства -инвертор, трансформатор, выпрямители, фильтры составляет 82%, а совместно с сетевым выпрямителем и фильтром - около 79% [3].
В том случае если в качестве устройства отбора мощности от энергопередающей линии в составе системы электропитания используется трансформатор тока, возможные значения коэффициента п1 находятся в пределах от 0, 9 до 0,98 в зависимости от вида трансформатора [7, 8].
Коэффициент ц2
В качестве источников оптического излучения в составе источников вторичного электропитания с системами гальванической развязки «источник оптического излучения - фотоэлектрический преобразователь» могут быть использованы лампы, светодиоды, полупроводниковые, газовые, твердотельные и жидкостные лазеры [1, 2, 4, 12-15]. Для перечисленных видов источников оптического излучения значения коэффициента ц2 находятся в пределах от 0, 15 до 0,8 в зависимости от вида и типа источника излучения, причем наибольшее значение ц2 ~ 0,8 соответствует светодиодам и полупроводниковым лазерам.
Коэффициент ц3
Этот коэффициент учитывает потери энергии в оптических системах при ее передаче от источника оптического излучения к фотоэлементам.
В общем случае потери энергии в такого рода оптических системах определяют той частью светового потока источника света, которую этим системам удается направить на фотоэлементы блока гальванической развязки. Эти потери энергии в оптических системах блоков гальванической развязки определяются параметрами источника оптического излучения, применяемого при построении блока. Важнейшими из них являются: форма пространственных кривых распределения силы света выбранного источника, которая определяет величину светового потока, сосредоточенную в данном телесном угле, а следовательно, величину его возможного захвата оптической системой; форма излучающей поверхности выбранного источника излучения в значительной степени определяющая направленность излучения; размер излучающей поверхности выбранного источника излучения; тип оптической схемы, по которой построен блок гальванической развязки и оптических элементов, выбранных для его построения.
Для оценки эффективности оптической системы блока гальванической развязки можно использовать ее характеристику - коэффициент использования источника света
Ф»
П3 =
Ф
где: Ф - величина светового потока, захва-
зах
ченного оптической системой и направляемого для освещения на фотоэлементы (выходящего из системы почти параллельным пучком), Фпл - полный световой поток источника света.
В [6, 9, 16, 20] рассмотрены различные виды оптических систем, предназначенные для использования в составе рассматриваемых систем вторичного электропитания. Для этого вида оптических систем значения коэффициента ц3 находятся в пределах от 0, 15 до 0,95 в зависимости от вида оптической системы [6, 9, 16].
Коэффициент ц4
Этот коэффициент описывает потери энергии при преобразовании световой энергии в электрическую. В [21] было показано, что при
преобразовании, например, излучения полупроводникового лазера с длиной волны ^=0,85 мкм, фотопреобразователем из GaAs, ширина запрещенной зоны которого точно соответствует частоте преобразовываемому излучению, КПД может достигать ~70%, при той освещенность, которую создает Солнечное излучение в этой области спектра. При увеличении интенсивности освещения до кратностей оптического излучения к=5^8, КПД увеличивается, достигая значений, близких к 100% [17-19, 21].
Для преобразования оптического излучения полупроводниковых источников, излучающих другие длины волн, могут быть использованы фотопреобразователи из полупроводниковых соединений на основе химических элементов Ш и V групп периодической системы, у которых ширина запрещенной зоны изменяется в широких пределах [17]. В том случае если в составе рассматриваемых систем электропитания используются светодиодные источники света, то КПД и в этом случае может достигать значений ~70%. Это может быть сделано двумя способами. Прежде всего, могут быть использованы многослойные структуры, обеспечивающие каскадное преобразование оптического излучения [17]. Для этих целей могут быть использованы трех- и четырехкомпонентные соединения элементов Ш в У групп периодической системы. Кроме того, могут быть использованы гетероструктуры с вариозной базой, когда на выходе создается широкозонное окно, соответствующее максимальной ширине спектра преобразовываемого излучения, а ба-
за имеет переменное по глубине значение ширины запрещенной зоны (благодаря плавному изменению состава, уменьшающегося по мере углубления). Такие структуры можно получить, используя двойные, тройные и четвертные соединения на базе компонент, входящих в состав GaAs [17].
Коэффициент ц5
Назначение выходных блоков - согласование фотоэлектрической батареи блока гальванической развязки с потребителями энергии. В этих блоках постоянное напряжение от фотоэлектрической батареи преобразуется в постоянной или переменное напряжение различных номиналов, необходимых для электропитания потребителей электроэнергии.
В составе этих блоков применяются два типа преобразователей: с самовозбуждением (автогенераторы) и с независимым возбуждением (усилители мощности). Преобразователи с самовозбуждением выполняются на небольшие мощности (от единиц до нескольких десятков Ватт) и предназначаются в основном для питания цепей с мало изменяющейся в процессе работы нагрузкой. Типичные значения потерь в таких схемах составляет 5-8% [20].
Таким образом, потери энергии в рассматриваемых источниках вторичного электропитания могут находиться в пределах от 10 до 60%, причем минимального значения эти потери соответствуют источникам, рассчитанных на выходную мощность порядка единиц Ватт с полупроводниковыми источниками оптического излучения.
Литература
1. Кирин, И. Г. Линия передачи энергии. Авторское свидетельство СССР № 1720126 А1. -1989.
2. Кирин, И. Г. Источник электропитания. Авторское свидетельство СССР №1598805 А1. -1989.
3. Эронасян, С. А. Сетевые блоки с высокочастотными праобразователями / С. А. Эронасян. -Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991. - 176 с.
4. Кирин, И. Г. Регулируемый источник питания решетки полупроводниковых светоизлучате-лей. Информационный листок о НТД № 92-2, серия: Р 47.33.33. / И. Г. Кирин. - Белгород, 1992.
5. Кирин, И. Г. Элемент питания устройств телеметрии. Положительное решение по заявке № 4779870 от 26.06.91.
6. Кирин, И. Г. Устройства электропитания с использованием световодов / И. Г. Кирин // Электроника. - 1990. - № 8 - С. 29-35.
7. Тембач, В. В. Световые приборы : учеб. для вузов по спец. «светохника и источники света». - 2-е изд., перераб. и доп. / В. В. Тембач. - М. : Высш. шк. 1990. - 463 с.
8. Кирин, И. Г. Магнитно-индуционный датчик тока со световым выводом из измеряемой информации / И. Г. Кирин // Известия АН УзССР, серия технических наук. - 1987. - № 1. - С. 70-72.
9. Кирин, И. Г. Магнитно-индукционный датчик тока со световым выводом измеряемой информации / И. Г. Кирин, В. Г. Колесник, А. М. Смоляк // Известия АН УзССР, серия технических наук. - 1987. - № 1. - С. 70-72.
10. Кирин, И. Г. Оптоэлектронные трансформаторы тока / И. Г. Кирин // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - Киев : Наукова думка, 1992. - Вып. 23. - С. 3-23.
11. Кирин, И. Г. Оптические линии передачи энергии для электропитания информационно-управляющих систем / И. Г. Кирин // Информационно-управляющие системы электрофизическими установками. - Ташкент : ФАН, 1990. - С. 60-72.
12. Кирин, И. Г. Устройства электропитания. Информационный листок № 57-91 серия: 47.59.39 / И. Г. Кирин. - Белгород, 1991.
13. Кирин И. Г. Оптоэлектронные трансформаторы отбора мощности // Тезисы докладов II Всесоюзной конференции «Физические проблемы оптической связи», 2-3 сентябрь 1991 г. / И. Г. Кирин. - Севастополь, 1991. - С. 80.
14. Кирин, И. Г. Оптоэлектронные трансформаторы отбора мощности. Информационный листок № 48-91, серия: 45.33.29 / И. Г. Кирин. - Белгород, 1991.
15. Кирин, И. Г. Оптоэлектронные трансформаторы отбора мощности / И. Г. Кирин // Электричество. - 1994. - № 7.- С. 30-35.
16. Кирин, И. Г. Оптоэлектронные трансформаторы тока / И. Г. Кирин // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - Киев : Наукова думка, 1992. - Вып. 23. - С. 3-23.
17. Кирин, И. Г. Специальные радиационно-устойчивые волоконно-оптические и оптоэлек-тронные датчики и системы : научное издание / И. Г. Кирин. - М. : Университетская книга, 2008.
- 148 с.
18. Фаренбрух, А. Д. Солнечные элементы: теория и эксперимент : пер. с англ. / под ред. М. М. Колтуна ; А. Д. Фаренбрух, Р. Х. Бъюб. - М. : Энергоатоиздат, 1978. - 261 с.
19. Фрааз, Л. П. Усовершенствованные солнечные элементы предназначенные для работы в системах с концентраторами излучения: Современные полупроводниковые элементы фотоэнергетики : пер. с англ. / под ред. Т. Ф. Кутмса, Дж. К. Микина, М. М. Колтуна. - М. : Мир, 1988.
- С. 201-261.
20. Mac-Millan, H. F. Multijunction III-V solar cells: recent and projectes results // 20-th IEEE Photovoltaic Spec. 26-30, 1988: Conf. Rec. vol 1. / H. F. Mac-Millan, H. C. Hamaker, G. E. Virshyp, J. C. Wethen. - New York, 1988. - No 4. - Pp. 48-54.
21. Кирин, И. Г. Фотоэлектронные трансформаторы / И. Г. Кирин. - М. : Университетская книга, 2013. - 136 с.
22. Кирин, И. Г. Об эффективности фотоэлектрического преобразования лазерного излучения / И. Г. Кирин // Интеллект. Инновации. Инвестиции. - 2014. - № 3. - С. 117-121.
References
1. Kirin, I. G. (1989), Electric power lines. Author's Certificate of the USSR, No 1720126 А1.
2. Kirin, I. G. (1989), Power supply sources. Author's Certificate of the USSR, No 1598805 А1.
3. Eronasyan, S. A. (1991), Network units and high-frequency transducers. - L: Energoatonizdat, 176 p.
4. Kirin, I. G. (1992), Controlled power source of solid light emitter bar Bulletin, No 92-2, serial 47.33.33, Belgorod.
5. Kirin, I. G. (1991), Power source of telemeter unit. Favourable approval, No 4779870 of 26.06.91.
6. Kirin, I. G. (1990), Electric power source units with lightpipe in Electronics, No 8, рр. 29-35.
7. Tembach, V. V. (1990), Light fixtures. - Moscow : Vysshaya shkola, 463 p.
8. Kirin, I. G. (1987), Magnet and inductive electric power element with light output of measured information in Izvestiya of Yuzbek SSR Academy of Science, No 1, рр. 70-72.
9. Kirin, I. G., Kolesnik V. G., Smolyak A. M. (1987), Magnitn and induction sensor of current with a light conclusion of the measured information // AN News UZSSR, a series of technical science, No 1, рр.70-72.
10. Kirin, I. G. (1992), Optoelectronic transformers of current//Optoelectronics and semiconductor equipment. - Kiev : Naukova thought, V. 23. pp. 3-23.
11. Kirin, I. G. (1991), Optical power transformation lines information-control systems in Information-control systems. - Tashkent : FAN, pp. 60-72.
12. Kirin, I. G. (1991), Power unit. Bulletin No 57-91, serial 47.59.39, Belgorod.
13. Kirin, I. G. (1991), Optoelectronic transformers of power debits in Report thesis of II All-Union Conference "Physical problems of optical communications", p. 80.
14. Kirin, I. G. (1991), Optoelectronic transformers of power debits. Bulletin, No 48-91, serial 47.33.29, Belgorod.
15. Kirin, I. G. (1994), Optoelectronic transformers of power debits in Electric power, No 7, pp. 30-35.
16. Kirin, I. G. (1992), Optoelectronic currency transformers in Optoelectronics and solid engineering. - Kiev : Naukova dumka, No 23, pp. 3-23.
17. Kirin, I. G. (2008), Special radiation-hardened, fiber-optic and optoelectronic transducers and systems. - Moscow : Universitetskaya kniga, 148 p.
18. Farenbukh, A. D., Bube R. Kh. (1978), Solar cells; theory and experiment. - Moscow : Energoizdat, 261 p.
19. Fraaz, L. P. (1988), Improvement of solar cells for systems with radiation concentrator: modern solid photovoltaic energetics elements. - Moscow : Mir, pp. 201-261.
20. Mac-Millan, H. F., Hamaker H. C., Virshyp G. E., Wethen J. C. (1988), Multijunction III-V solar cells: recent and projectes results // 20-th IEEE Photovoltaic Spec. 26-30, 1988: Conf. Rec. - New York, vol. 1, No 4, pp. 48-54.
21. Kirin, I. G. (2013), Photoelectronic transformers. - Moscow : Universitetskaya kniga, 136 p.
22. Kirin, I. G. (2014), On efficiency of laser radiation photoelectric transformation in Intelligence. Innovations. Investments, No 3, pp. 117-121.
