Фотоэлектрический преобразователь энергии мощного лазерного излучения в энергию переменного тока Российский патент 2023 года по МПК H04N5/30 

I. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области фотоники, лазерной техники, электротехники. Рассматривается фотоэлектрический (фотовольтаический) преобразователь энергии (ФЭП) мощного лазерного излучения в энергию переменного периодического тока. Преобразование энергии мощного лазерного излучения в предлагаемом устройстве осуществляется при помощи трех фотоэлектрических преобразователей, включенных последовательно. Преобразование энергии постоянных напряжений, вырабатываемых фотоэлектрическими преобразователями, в энергию периодического переменного напряжения, базируется на аппроксимации синусоидальных функций напряжений периодической последовательностью импульсных функций, описанной в работах [1, 2]. Частота генерируемой ФЭП периодической последовательности импульсов может быть произвольной. Она задается частотой генератора прямоугольных импульсов, расположенном в блоке управления.

I.1 Уровень техники

Преобразование энергии мощного лазерного излучения в энергию электрического тока в настоящее время является одной из актуальных задач. Решение этой задачи позволит передавать энергию без проводов на большие расстояния, передавать энергию Солнца на Землю, дистанционно подпитывать энергией беспилотные летательные аппараты (БПЛА). На поверхности Земли трудности передачи энергии связаны с большими потерями и рассеянием энергии в атмосфере Земли. В космическом пространстве эта проблема не возникает. Лазерное излучение является монохроматическим в узком диапазоне, что отличает его от широкополосного солнечного излучения. Интенсивность лазерного излучения может на несколько порядков превосходить интенсивность солнечного излучения. К трудностям передачи энергии посредством лазерного излучения с использованием фотоэлектрических преобразователей энергии (фотовольтаических преобразователей энергии (ФВП)) для преобразования энергии лазерного излучения в энергию электрического тока относятся:

• низкий коэффициент полезного действия (КПД) преобразования. В 2010-2015 годах он находился на уровне 24.7% для преобразователей на основе кристаллического кремния [1] и более 42.3% для некоторых многослойных преобразователей [2, 7] с использованием концентраторов солнечного излучения. Многопереходные ФЭП на основе GaAs имеют КПД порядка 40% [10]. При использовании преобразования концентрированного лазерного излучения прогнозируется КПД до 70% [11]. К 2020 году КПД фотоэлектрических преобразователей уже приблизился к 50-60% [3.4]. Мощные фотоэлектрические преобразователи лазерного излучения с КПД более 60% для систем лучевой энергетики описаны в работе [3], в [4] дано описание многопереходной солнечной панели с КПД более 50%. Тенденция ежегодного повышения КПД ФЭП сохраняется и в настоящее время благодаря достижениям в теоретических исследованиях в области фотоники, совершенствованию технологий изготовления ФЭП, подбору материалов, из которых ФЭП изготавливаются;

• При взаимодействии мощного светового потока лазерного излучения с веществом, из которого изготовлен фотоприемник, возникают термические и химические процессы. Они могут разрушать поверхность фотоприемника, на которую падает световой поток;

• Значительные потери энергии в результате взаимодействия лазерного излучения с материалом фотопреобразователя. При больших мощностях потока световой энергии он может нагревать фотопреобразователь, прожигать его поверхность, вызывать механические повреждения.

Предлагается использовать преобразование энергии лазерного излучения в энергию электрического тока поэтапно. Для этого используется последовательное отражение лазерного излучения от поверхностей ряда ФЭП.

II. Цель изобретения.

Целью изобретения является разработка фотоэлектрического преобразователя энергии мощного лазерного излучения в энергию переменного тока в результате:

- разработки конструкции фотоприемника, при которой энергия мощного светового потока воспринимается фотоэлектрическим устройством последовательно с использованием трех фотоэлектрических преобразователей. Каждый преобразователь преобразует не всю энергию падающего на устройство светового потока, а лишь третью часть падающей энергии;

- разработки генератора периодической последовательности разнополярных импульсов напряжения с использованием для этого постоянных напряжений, генерируемых фотоэлектрическими преобразователями.

III. Раскрытие сущности изобретения

III.1 Конструкция фотоэлектрического преобразователя

Одна из возможных конструкций ФЭП, в соответствии с работой [9], представлена на рисунке фиг. 1.

Фиг. 1 Солнечный элемент

На рисунке фиг. 1 показан герметичный солнечный элемент для использования в условиях космической плазмы. На рисунке изображены:

- 21 - солнечный элемент;

- 22 - покровное стекло;

- 23 - каптон (пленка или материал из полиимида);

- 24 - силиконовая термозащита;

- 25 - радиатор из композита;

- 26 - клей.

Из рисунка видно, что световой поток (лазерный или солнечный) сначала падает на покровное стекло, а затем переходит в солнечный элемент, где происходит преобразование энергии светового потока в энергию постоянного тока.

III.2 Разработка конструкции фотоэлектрического устройства. Фотоэлектрическое устройство состоит из трех ФЭП.

На рисунке фиг. 2 показана совокупность из трех фотоэлектрических преобразователей.

Фиг. 2 Схема падения светового потока на последовательность из трех ФЭП.

Световой поток сначала падает на поверхность из стекла первого фотоэлектрического преобразователя ФЭП1. Угол падения и угол отражения равен α₁. Для падающего луча это угол, образованный направлением распространения падающего луча и нормали к поверхности ФЭП. Для отраженного луча это угол, образованный направлением отраженного луча и нормалью к поверхности ФЭП1. Световой поток после отражения от поверхности ФЭП1 падает на поверхность второго фотоэлектрического преобразователя ФЭП2. Поверхность ФЭП2 расположена так, что угол падения отраженного от ФЭП1 луча составляет с поверхностью второго фотоэлектрического преобразователя ФЭП2 угол α₂. Для падающего луча α₂ - это угол, образованный направлением падающего на поверхность ФВП2 луча и нормалью к поверхности ФЭП 2. Отраженный от поверхности ФЭП2 луч образует с нормалью угол α₂, равный углу падения α₂. Отраженный от поверхности второго фотоэлектрического преобразователя ФЭП2 луч падает нормально к поверхности третьего фотоэлектрического преобразователя ФЭП3. На рисунке фиг. 3 показаны коэффициенты отражения при падении луча из воздуха на поверхность из стекла с коэффициентом преломления n=1,52. Показаны коэффициенты отражения по интенсивности светового луча в процентах. Показаны коэффициенты отражения для светового потока, у которого вектор напряженности электрического поля ориентирован параллельно поверхности падения R_p и для светового потока, ориентированного нормально к поверхности падения светового потока R_s. На горизонтальной оси откладывается угол падения в градусах

Фиг. 3 Коэффициенты отражения

Из рисунка следует:

- для того, чтобы от поверхности ФЭП1 отразилось 66,6% интенсивности светового потока, угол падения должен находиться в пределах 85°±1°;

- для того, чтобы от поверхности ФЭП2 отразилось 50% интенсивности светового потока, угол падения должен находиться в пределах 83°±2°.

Изменением углов падения α₁ и α₂ можно добиться, чтобы напряжения на каждом ФЭП были одинаков и равнялись по величине U. Изменяя угол α₁ можно поучить величину интенсивности отраженного потока равной 66,6% и соответственно величину преломленного потока 33,3%. Изменяя угол α₂ можно добиться, чтобы интенсивности преломленных потоков светового потока равнялись 33,3% от интенсивности падающего на ФЭП1 светового потока. Это соответствует 50% интенсивности светового потока, падающего на второй фотопреобразователь. В этих случаях каждый фотоэлектрические преобразователи ФЭП1, ФЭП2, ФЭП3 будут вырабатывать одинаковое напряжение U.

Используется последовательное отражение лазерного излучения от поверхностей ряда ФЭП. На поверхность первого фотоэлектрического преобразователя ФЭП1 лазерное излучение падает под углом α₁. Это угол, образованный нормалью к поверхности ФЭП, и направлением распространения лазерного излучения. При угле падения α₁ интенсивность отраженной от поверхности ФЭП энергии должна составлять ~66%.

33% падающей на ФЭП1 энергии лазерного излучения должно преобразовываться фотоэлектрическим преобразователем в энергию постоянного тока с напряжением U. Отраженный от поверхности ФЭП1 поток лазерной энергии падает на поверхность второго фотоэлектрического преобразователя (ФЭП2) под углом α₂. Угол α₂ образуется нормалью к поверхности ФЭП2 и направлением падающего на поверхность потока лазерного излучения, отраженного от поверхности ФЭП1. Угол α₂ должен быть таким, чтобы энергия отраженного от поверхности ФЭП2 лазерного потока составляла 50% от энергии падающего на поверхность ФЭП2 потока энергии. В результате 33.3% падающей на ФЭП1 энергии пройдет во второй фотоэлектрический преобразователь и преобразуется в энергию электрического тока с напряжением U. Напряжение U будет таким-же, как и напряжение, генерируемое первым фотоэлектрическим преобразователем ФЭП1. Поток лазерного излучения, отраженный от ФЭШ, падает нормально на поверхность третьего фотоэлектрического преобразователя ФЭП3. Его энергия равна 33,3% от энергии падающего на ФЭП1 потока лазерного излучения. Она преобразуется ФЭП3 в энергию постоянного тока с напряжением U таким-же, как и напряжения U, генерируемы первым и вторым фотоэлектрическим преобразователями ФЭП1 и ФЭП2. Графики коэффициентов отражения параллельно поляризованного лазерного излучения R_|| и перпендикулярно поляризованного излучения R_⊥ приведены в работах [5] и [6]. Графики построены для случая падения лазерного излучения из воздуха на стекло с показателем преломления n=1.52. На рисунке фиг. 3 представлены коэффициенты отражения в процентах (%) в зависимости от угла падения в градусах для различных поляризаций падающего потока лазерного излучения - Rp и Rs. Коэффициент отражения Rp соответствует поляризации падающей волны, когда вектор напряженности электрического поля направлен параллельно плоскости падения, Rs - когда ортогонально.

Фиг. 3 Зависимость коэффициента отражения от угла падения

III.3 Схема соединения ФЭП

Схема соединения ФЭП показана на рисунке фиг. 4.

Фиг. 4 Схема соединения ФЭП

Каждый ФЭП вырабатывает ЭДС с напряжением равным U. ФЭП соединены последовательно. Отрицательный полюс ФЭП 1 соединен с полюсом 0, который является общим для всего устройства. Положительный полюс ФЭП1 соединен с отрицательным полюсом ФЭП₂. Точка их соединения соединена с полюсом 9₁. Положительный полюс ФЭП2 соединен с отрицательным полюсом ФЭП3. Точка их соединения соединена с полюсом 9₂. Положительный полюс ФЭП3 соединен с полюсом 9₃. Потенциал полюса 0 принимаем равным 0. Потенциал полюса 9₂ будет равен ЭДС одного фотоэлектрического преобразователя E1=U, вырабатываемой первым фотоэлектрическим преобразователем ФЭП1. Потенциал полюса 9₂ будет равен сумме ЭДС, вырабатываемых первым и вторым фотоэлектрическими преобразователями ФЭП1 и ФЭП2. Величина напряжения, снимаемого с полюса 9₂ равна E2=2U. Потенциал полюса 9₃ будет равен сумме ЭДС, вырабатываемых первым, вторым и третьим фотоэлектрическими преобразователями ФЭП1, ФЭП2, ФЭП3. Величина напряжения, снимаемого с полюса 9₃ равна E3=3U.

III.4 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций

Синусоидальную функцию можно представить периодической последовательностью импульсов с периодом Т, равном периоду синусоидальной функции. Полуволна синусоиды с положительными значениями аппроксимируются последовательностью импульсов с положительными, кратными по величине, амплитудами E1=U, E2=2U, E3=3U. Полуволна синусоиды с отрицательными значениями аппроксимируются последовательностью импульсов с отрицательными, кратными по величине, амплитудами -E1=-U, -E2=-2U, -Е3=-3U. Число импульсов на периоде равно n. Длительность действия каждого импульса равна TI=Т/n. Далее принимается число n=12.

Графики синусоидальной функции с периодом Т и аппроксимирующей эту функцию последовательности импульсных функций, при числе импульсов на периоде n=12, показаны на рисунке фиг. 5.

Фиг. 5 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций

В таблице 1 записаны значения амплитуд импульсов функций, аппроксимирующих синусоидальную функцию напряжения.

III.5 Структурная схема устройства

Структурная схема фотоэлектрического преобразователя энергии мощного лазерного излучения в энергию переменного тока показана на рисунке фиг. 6.

Фиг. 6 Структурная схема фотоэлектрического преобразователя

На рисунке фиг. 6 показаны блоки Б1, Б2, БЗ, Б4:

Б1- блок фотоэлектрических преобразователей. При помощи этого блока энергия светового потока, падающего на фотоэлектрические преобразователи, преобразуется в энергию постоянного тока. С полюсов 0, 9₁, 9₂, 9₃ этого блока, с потенциалами E1, Е2, Е3, энергия постоянного тока поступает на вход блока коммутации импульсов Б2;

Б2- блок управления. При помощи блока создается периодическая последовательность управляющих импульсов. Блок содержит входные полюсы 6₁ и 6₂. При помощи полюса 6₁ осуществляется запуск работы преобразователя, при помощи полюса 6₂ осуществляется ввод в регистр кода числа импульсов n. Выходными полюсами блока Б2 являются 8₁…8₁₂. На эти полюсы поступает периодическая последовательность управляющих импульсов, генерируемых блоком. Этими полюсами блок соединяется с одноименными полюсами блоков Б3 и Б4. Управляющие импульсы, вырабатываемые этим блоком, поступают на управляющие электроды полупроводниковых ключей, расположенных в блоках Б3 и Б4;

Б3- блок коммутации импульсов. В блоке расположены управляемые силовые ключи. Открытое состояние этих ключей на время TI задается в результате подачи на управляющие электроды этих ключей управляющих импульсов. Управляющие импульсы поступают от блока управления Б2 при помощи полюсов 8₁…8₁₂. При помощи блока осуществляется распределение на временной оси импульсов с заданным значением амплитуды. Например, в соответствии с таблицей 1 импульсы с амплитудой Е1 будут выделены в первый, шестой, седьмой и двенадцатый интервалы времени, соответственно с номером импульса. При этом полярность импульса не учитывается, а учитывается только модуль амплитуды импульса. Выделенные импульсы поступают на выходные полюсы блока 10₁ и 10₂;

Б4 - блок коммутации полярности импульсов. При помощи блока осуществляется выделение импульсов с положительной и отрицательной полярностью, поступающих с полюсов 10₁ и 10₂ блока Б3. Например, импульсы с амплитудой (по модулю) Е1, будут выделенные блоком Б3 импульсы в первый, шестой, седьмой и двенадцатый интервалы времени, соответственно номеру импульса, см. таблицу 1 и рисунок фиг. 5. Блок Б4 посылает импульсы с номерами 1 и 6, поступившие с полюсов 10₁ и 10₂, с использованием управляемых ключей непосредственно на выходные полюсы В1 и В2. Импульсы с номерами 7 и 12 блоком Б4 посылаются на выходные полюсы В1 и В2 инверсно.

III. 6 Блок управления. Блок управления Б2 предназначен для формирования периодической последовательности управляющих импульсов. При помощи блока создается периодическая последовательность прямоугольных импульсов заданной длительности Т1=Т/n, где Т - период функции, n - количество тактовых импульсов на периоде Т. Рассматривается устройство с n=12. Генератор тактовых импульсов 1 (ГТИ) формирует циклическую с периодом Т последовательность импульсов. Величина Т равна периоду синусоидальной функции, которая аппроксимируется последовательностью импульсных функций на выходе устройства. При помощи управляемых электронных ключей, расположенных в блоке коммутации силовых импульсов Б3, источники напряжения, расположенные в блоке фотоэлектрических преобразователей Б1, подключаются в заданные блоком управления моменты времени, к выходным полюсам 10₁…10₂ блока коммутации Б3. Коммутация осуществляется в открытом состоянии силового ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI. Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 7.

Фиг. 7 Принципиальная схема блока управления

Генерируемые блоком управления Б2 импульсы снимаются с полюсов 8₁…8₁₂ дешифратора 7 и поступают на одноименные полюсы блоков Б3 и Б4. Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с выходными полюсами 8₁…8_n. Для n=12 это полюсы 8₁…8₁₂.

Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6₁. По входу 62 осуществляется запись кода числа временных интервалов n. Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 61 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 62 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 8₁…8_n, при помощи которых блок управления соединяется с блоком коммутации Б3.

Управляющие импульсы снимаются с полюсов 8₁…8₁₂ дешифратора 7 и поступают на вход блока коммутации Б3.

III.7 Блок коммутации импульсов. При помощи блока коммутации Б3 осуществляется формирование последовательности импульсов с заданными значениями амплитуд импульсов и распределение их в требуемой последовательности. Например, в соответствии с таблицей 1 импульсы с амплитудой Е1 будут выделены в первый, шестой, седьмой и двенадцатый интервалы времени, соответственно с номером импульса. При этом полярность импульса не учитывается, а учитывается только модуль амплитуды импульса. Выделенные импульсы последовательно поступают на выходные полюсы 10₁ и 10₂. блока Б3. Схема блока показана на рисунке фиг. 8.;

Фиг. 8 Схема блока коммутации импульсов

Схема содержит три управляемых силовых ключа КИ1, КИ2, КИ3. На вход ключа КИ1 поступает постоянное напряжение с блока Б1, при помощи полюсов 9₁ и 0. Полюс 0 блока Б1, соответственно рисунку фиг. 4, является общим для блоков Б3 и Б4. В блоках Б3 и Б4 он называется 10₂. Полюс 9₁ является общим с одноименным полюсом 9₁ схемы, показанной на рисунке фиг. 4. Выход ключа соединен с полюсом 10₁. На вход ключа КИ2 поступает постоянное напряжение с блока Б1, при помощи полюсов 9₂ и 0. Полюс 9₂ является общим с одноименным полюсом 9₂ схемы, показанной на рисунке фиг. 4. Выход ключа соединен с полюсом 10₁. На вход ключа КИЗ поступает постоянное напряжение с блока Б1, при помощи полюсов 9₃ и 0. Полюс 9₃ является общим с одноименным полюсом 9₃ схемы, показанной на рисунке фиг. 4. Выход ключа соединен с полюсом 10₁. На управляющие электроды ключей КИ1, КИ2, КИ3 поступают управляющие импульсы от блока управления Б2 с полюсов 8₁…8₁₂ посредством диодов DD₁…DD₁₂. Диоды анодами подключаются к полюсам 8₁…8₁₂, катодами к управляющим полюсам ключей КИ1, КИ2, КИ3. Ключ КИ1 открывается при помощи управляющих сигналов, поступающих с полюсов 8₁, 8₆, 8₇, 8₁₂ посредством диодов DD₁, DD₆, DD₇, DD₁₂. Они поступают на управляющий электрод ключа n. Импульсы с амплитудой (по модулю) Е1, будут выделенные ключом КИ1 блока Б3 в первый, шестой, седьмой и двенадцатый интервалы времени, соответственно номеру импульса, см. таблицу 1 и рисунок фиг. 5. Ключ КИ2 открывается при помощи управляющих сигналов, поступающих с полюсов 8₂, 8₅, 8₈, 8₁₁ посредством диодов DD2, DD5, DD8, DD11, поступающих на управляющий электрод r₂ ключа КИ2. Ключ КИ3 открывается при помощи управляющих сигналов, поступающих с полюсов 8₃, 8₄, 8₉, 8₁₀ посредством диодов DD3, DD4, DD9, DD10, поступающих на управляющий электрод r₃ ключа КИ3.

На рисунке фиг. 9 показана последовательность однополярных импульсов, сформированная устройством при наблюдении этой последовательности между полюсами 10₁ и 10₂, как показано на рисунке фиг. 9.

Фиг. 9 Последовательность однополярных импульсов

На рисунке фиг. 10 показаны составляющие последовательности импульсов, показанной на рисунке фиг. 10 при наблюдении в точках А, В, С. Точка А располагается на выходе первого ключа КИ1, точка В располагается на выходе второго ключа КИ2, точка С располагается на выходе третьего ключа КИ3.

Фиг. 10 Последовательности импульсов на выходах ключей

III.8 Блок коммутации полярности импульсов. Блок коммутации полярности импульсов Б4 позволяет однополярную последовательность импульсов, сформированную блоком Б3 и показанную на рисунке фиг. 10, преобразовать в последовательность импульсов разной, требуемой полярности. Для формирования последовательности импульсов, аппроксимирующей синусоидальную функцию, требуется однополярную последовательность импульсов преобразовать в последовательность импульсов, аппроксимирующих положительную полуволну синусоида, и последовательность импульсов, аппроксимирующих отрицательную полуволну синусоиды. В соответствии с рисунком фиг. 5 положительную полуволну формируют импульсы с номерами от 1 до 6, отрицательную полуволну формируют импульсы с номерами от 7 до 12.

При помощи блока осуществляется выделение импульсов с положительной и отрицательной полярностью, поступающих с полюсов 10₁ и 10₂ блока Б3.. Блок Б4 посылает импульсы с номерами 1 и 6, посту пившие с полюсов 10₁ и 10₂, с использованием управляемых ключей непосредственно на выходные полюсы В1 и В2. Импульсы с номерами 7 и 12 блоком Б4 посылаются на выходные полюсы В1 и В2 инверсно. Схема блока Б4 показана на рисунке фиг. 11.

Фиг. 11 Схема блока коммутации полярности импульсов

Блок содержит четыре управляемых ключа К1, К2, К3, К4.

Положительная полуволна выходной последовательности импульсов формируется при помощи ключей К1 и К3. Ключи К1 и К3 открываются управляющими импульсами с номерами 8₁…8₆, поступающими от блока управления Б2 посредством диодов D1…D6. Диоды анодами подключаются к полюсам 8₁…8₆, катодами к управляющим электродам ключей К1 и К3. С выходов этих ключей импульсы передаются на выходные полюсы В1 и В2. На выходной полюс В1 импульс поступает с выхода ключа К1, на выходной полюс В2 импульс поступает с выхода ключа К3. На ключ К1 поступает импульс с полюса 10₁, на ключ К₃ с полюса 10₂.

Для формирования отрицательной полуволны последовательности импульсов используются ключи К2 и К4. На ключ К2 поступают импульсы с полюса 10₁, на ключ К4 с полюса 10₂. С выхода ключа К2 импульс передается на выходной полюс В2, с выхода ключа К4 на выходной полюс В1. Ключи К2 и К4 открываются управляющими импульсами с номерами от 7 до 12, которые поступают с полюсов 8₇…8₁₂ от одноименных полюсов блока управления Б2 посредством диодов D₇…D₁₂. Диоды анодами подключаются к полюсам 8₇…8₁₂, катодами к управляющим полюсам ключей К2 и К4.

Ключи К2 и К4 открываются управляющими импульсами с номерами 8₇…8₁₂, поступающими от блока управления Б1 посредством диодов D7…D12. С выходов этих ключей импульсы передаются на выходные полюсы В1 и В2.

Фиг. 12 Осциллограмма последовательности импульсов

На рисунке фиг. 12а показана осциллограмма сформированной последовательности импульсов, аппроксимирующей синусоидальную функцию. На рисунке фиг. 12б показана осциллограмма напряжения на выходных полюсах устройства, когда к ним подключен сглаживающий R-C фильтр (в описание преобразователя не входит). Осциллограммы получены при использовании механической коммутации, как описано в патенте [12].

IV. Краткое описание чертежей

Фиг. 1 Солнечный элемент

Фиг. 2 Схема падения светового потока на последовательность из трех ФЭП

Фиг. 3 Коэффициенты отражения

Фиг. 4 Схема соединения ФЭП

Фиг. 5 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций

Фиг. 6 Структурная схема фотоэлектрического преобразователя

Фиг. 7 Принципиальная схема блока управления

Фиг. 8 Схема блока коммутации импульсов

Фиг. 9 Последовательность однополярных импульсов

Фиг. 10 Последовательность импульсов на выходах ключей

Фиг. 11 Схема блока коммутации полярности импульсов

Фиг. 12 Осциллограмма последовательности импульсов

V. Осуществление изобретения

Фотоэлектрический преобразователь имеет два входных полюса. При помощи полюса 6₂. в регистр блока управления Б2 вводится число n, на которое разбивается период Т периодической последовательности импульсов. В рассматриваемом устройстве число временных интервалов равно 12. Код этого числа вводится в регистр один раз на этапе наладки устройства. При помощи полюса 6₁ осуществляется запуск работы устройства. Когда на полюс 6₁ сигнал не подан, устройство работает в режиме холостого хода. Напряжения, вырабатываемые фотоэлектрическими преобразователями ФЭП1, ФЭП2, ФЭП3, на выходные полюсы устройства В1 и В2 не поступают. Ключи блока коммутации импульсов Б3 и блока коммутации полярности импульсов Б4 в режиме холостого хода разомкнуты. При подаче сигнала на полюс 6₁ (замыкание ключа) управляющие сигналы, вырабатываемые блоком управления Б2, поступают на управляющие электроды ключей блоков Б3 и Б4. Напряжения, вырабатываемые ФЭП, передаются при помощи силовых ключей блоков Б3 и Б4 в заданной последовательности и с требуемой полярностью к выходным полюсам В1 и В2 устройства.

Литература.

1. 1. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС, патент №2633662 от 16.10.2017.

2. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств Патент 2671539 от 01.11.2018.

3. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, контракт 14.604.21.0089 /Источник: 4science.ru>project/14-604-21-0089

4. Создана многопереходная солнечная m панель с КПД 50%// hightech. plus>mnogoperehodnaya panel kpd-pochti...

5. Айхлер Ю., Айхлер Г.И. Лазеры. Исполнение, управление, применение. Москва. Техносфера.2012. - 496 с.

6. Воздействие лазерного излучения на материалы// http://wild.laser.ru/in-dex.php/ Воздействие лазерного излучения на материалы.

7. Миличко В.А., Шалин А.С., Мухин Н.С., Ковров А.Э., Красилин А.А., Виноградов А.В., Белов П.А.. Симовский К.Р.. Солнечная фотовольтаика: Современное состояние и тенденции развития/ УФН, 2016; 186, 801-852 // https://doi.org/10.3367 UFNr, 2016.02/037701

8. Е.Н. Козырев, И.Н. Гончаров, Т.Т. Магкоев, Р.О. Аскеров, Д.З. Пижелаури, "Преобразователь солнечной энергии в электрическую на основе перовскита", Наногибридные композиции., 28(2020), 155-160.

9. Акишин А.И. Воздействие электрических разрядов на солнечные батареи ИСЗ// http://nuclphys.sinp.msu.ru/school/s08/s08_01.pdf

10. Корнилов В.А., Тугаенко В.Ю., Заяц О.В. Фотоэлемент приемника-преобразователя лазерного излучения в космосе Патент RU 2487438 C1.

11. Перспективы использования беспроводной передачи электрической энергии в космических транспортных системах // Грибков А.С., Евдокимов Р.А. и др. // Изв. РАН. Энергетика. 2009. №2. С. 118-123.

12. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС с механической коммутацией Патент №2705420 от 10.03.2019.

Изобретение относится к области фотоники, электротехники и автоматики, предназначено для преобразования энергии мощного лазерного излучения в энергию периодического переменного тока заданной частоты с заданной частотой. Преобразование энергии лазерного излучения в энергию переменного тока осуществляется при помощи трех фотоэлектрических преобразователей, вырабатывающих постоянное напряжение одинакового напряжения. При помощи коммутатора импульсов и коммутатора полярности эти напряжения преобразуются в периодическую последовательность импульсов заданной частоты. Технический результат - разработка генератора периодической последовательности разнополярных импульсов напряжения с использованием для этого постоянных напряжений, генерируемых фотоэлектрическими преобразователями. 12 ил.

Фотоэлектрический преобразователь для преобразования энергии мощного лазерного излучения в энергию периодического переменного тока требуемой частоты с использованием для этого блока фотоэлектрических преобразователей (Б1), блока управления (Б2), блока коммутации импульсов (Б3), блока коммутации полярности импульсов (Б4), при этом

блок управления Б2 состоит из генератора тактовых импульсов (ГТИ) (1), элемента И (2), счетчика числа импульсов (3), схемы сравнения (4), регистра (5), кнопки запуска устройства (6₁), дешифратора (7), входа для установки числа временных интервалов (62), выход ГТИ (1) подсоединен к первому входу элемента И (2), ко второму входу элемента И (2) подключена кнопка запуска устройства (6₁), выход элемента И (2) подсоединен к первому входу счетчика (3), выход которого подсоединен к входу дешифратора (7) и к первому входу схемы сравнения (4), выход схемы сравнения (4) соединен со вторым входом счетчика (3), ко второму входу схемы сравнения (4) подсоединен регистр (5), по входу (62) которого заносится число временных интервалов и на периоде Т, с выхода счетчика (3) импульсы поступают на вход дешифратора (7), выходные полюсы 8₁…8₁₂ дешифратора (7) соединяются с одноименными полюсами 8₁…8₁₂ блока коммутации импульсов (Б3) и блока коммутации полярности импульсов (Б4);

блок коммутации импульсов (Б3) состоит из трех управляемых силовых ключей КИ1, КИ2, КИ3, полюс 0 блока Б1 является общим с полюсами 10₂ блоков Б3 и Б4, полюса 9₁, 9₂, 9₃ блока Б3 являются общими с одноименными полюсами блока Б1, полюс 10₁ является общим с одноименным полюсом блока Б4, управляющий электрод r₁ ключа КИ1 соединен с полюсами 8₁, 8₆, 8₇, 8₁₂, являющимися одноименными полюсами блока Б2, посредством диодов DD1, DD6, DD7, DD12, аноды диодов соединяются с полюсами 8₁, 8₆, 8₇, 8₁₂, катоды с управляющим электродом r₁ ключа КИ1, управляющий электрод r₂ ключа КИ2 соединен с полюсами 8₂, 8₅, 8₈, 8₁₁, являющимися одноименными полюсами блока Б2, посредством диодов DD2, DD5, DD8, DD11, аноды диодов соединяются с полюсами 8₂, 8₅, 8₈, 8₁₁, катоды с управляющим электродом r₂ ключа КИ2, управляющий электрод r₃ ключа КИ3 соединен с полюсами 8₃, 8₄, 8₉, 8₁₀, являющимися одноименными полюсами блока Б2, посредством диодов DD3, DD4, DD9, DD19, аноды диодов соединяются с полюсами 8₃, 8₄, 8₉, 8₁₀, катоды с управляющим электродом r₃ ключа КИ3 Ка;

отличающийся тем, что:

блок коммутации полярности импульсов (Б4) состоит из четырех управляемых силовых ключей K1, К2, К3, К4, полюс 10₁ является общим с одноименным полюсом блока Б3, этот полюс соединен с одноименными полюсами ключей К1 и К2, управляющий электрод r₄₁ ключа К1 и управляющий электрод r₄₃ ключа К3 соединены с катодами диодов D1…D6, аноды диодов соединены с полюсами 8₁…8₆, одноименными с полюсами блока Б2, выход ключа К1 соединен с выходом В1, являющимся выходным полюсом устройства, выход ключа К3 соединен с выходом В2, являющимся выходным полюсом устройства, полюс 10₂ является общим с одноименным полюсом блока Б3, этот полюс соединен с одноименными полюсами ключей К3 и К4, управляющий электрод r₄₂ ключа К2 и управляющий электрод r₄₄ ключа К4 соединены с катодами диодов D7…D12, аноды диодов соединены с полюсами 8₇…8₁₂, одноименными с полюсами блока Б2, выход ключа К2 соединен с выходом В2, являющимся выходным полюсом устройства, выход ключа К4 соединен с выходом В1, являющимся выходным полюсом устройства;

блок фотоэлектрических преобразователей (Б1) состоит из трех фотоэлектрических преобразователей ФЭП1, ФЭП2, ФЭП3, соединенных последовательно так, что отрицательный полюс ФЭП1 соединен с полюсом 0 (земля), общим с полюсом 10₂ блока Б3 и полюсом В2 блока Б4, положительный полюс ФЭП1 соединен с отрицательным полюсом ФЭП2 и полюсом 9₁, являющимся общим для блоков Б1 и Б3, положительный полюс ФЭП2 соединен с отрицательным полюсом ФЭП3 и полюсом 9₂, являющимся общим с одноименным полюсом блока Б3, положительный полюс ФЭП3 соединен с полюсом 9₃, являющимся общим с одноименным полюсом блока Б3, в пространстве фотоэлектрические преобразователи расположены так, что нормаль к поверхности ФЭП1 составляет угол α₁ с направлением падающего потока лазерного излучения, нормаль к поверхности ФЭП2 составляет угол α₂ с направлением падающего потока лазерного излучения, отраженного от поверхности ФЭП1, отраженный от поверхности ФЭП2 поток лазерного излучения направлен нормально к поверхности ФЭП3.