ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С КОНЦЕНТРАТОРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H01L31/54 

Изобретение относится к фотоэлектрической энергетике, в частности, к солнечным и лазерным энергетическим системам, предназначенным для выработки электроэнергии на космических летательных аппаратах.

Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения является перспективным методом получения электрической энергии от Солнца в космическом пространстве при использовании высокоэффективных каскадных солнечных элементов, легких малогабаритных систем концентрирования солнечного излучения и устройств ориентации модулей на Солнце.

Другим перспективным методом энергоснабжения космических аппаратов является передача и фотоэлектрическое преобразование лазерного излучения. При передаче энергии по лазерному лучу важнейшими параметрами являются коэффициент полезного действия (КПД) и мощность фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), увеличивающаяся с увеличением площади фотоэлектрической батареи. КПД современных ФЭП на основе AIGaInAs гетероструктур составляет 50-60% в спектральном диапазоне 800-1070 нм при плотности мощности лазерного излучения порядка 100 Вт/см².

За последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в увеличении мощности твердотельных волоконных лазеров до значений более 100 кВт при КПД > 45%. Вследствие расходимости лазерного пучка для передачи и преобразования максимальной лазерной мощности на расстоянии более 100 км необходимо существенное увеличение входной апертуры фотоэлектрической батареи. В концентраторных фотоэлектрических батареях может быть существенно снижена площадь и стоимость ФЭП пропорционально кратности концентрирования излучения (до 100-1000 крат).

Однако, концентраторные батареи в рабочем состоянии имеют заметно большие габариты по сравнению с традиционными батареями, что существенно увеличивает стоимость доставки таких батарей в космос. Поэтому создание складной компактной конструкции концентраторных модулей является важной задачей для снижения габаритов батарей в транспортном состоянии при доставке батарей на космическую орбиту.

Известен фотоэлектрический модуль с концентраторами излучения (см. US 20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубл. 27.01.2011), содержащий несущую конструкцию космического аппарата, на которой закреплены ФЭП с концентраторами излучения, включающие в себя множество отражателей Френеля, направляющих свет на панель фотоэлектрических элементов, термически подключенных к центральной несущей конструкции через радиатор тепловой трубы. Тепловая труба обеспечивает передачу тепла от панели фотоэлектрических элементов и рассеяние его на радиаторе тепловой трубы и элементах несущей конструкции.

Недостатком известного фотоэлектрического модуля является его значительные габариты вследствие отсутствия механизма складывания модуля в нерабочем (транспортном) состоянии.

Известен фотоэлектрический модуль с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения (см. RU 2554674, МПК H01L 31/054, F24J 2/14, опубл. 27.06.2015), включающий асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейный ФЭП, расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль оси. Линейный ФЭП снабжен устройством протока теплоносителя. Форма отражающей поверхности концентратора определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности ФЭП, выполненных в виде линейки из коммутированных ФЭП и расположенного под углом к миделю концентратора. Изобретение обеспечивает работу фотоэлектрического модуля при концентрированном солнечном излучении, равномерное освещение ФЭП и повышение КПД преобразования.

Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля является необходимость организации теплоотвода путем циркуляции теплоносителя, а также большие габариты модуля при отсутствии конструкции складывания модуля для его транспортировки в космос.

Известен складной фотоэлектрический модуль с двусторонними ФЭП (см. RU 193323, МПК H02S 10/40, H02S 30/20, F24H 1/06, H02S 40/44, опубл. 24.10.2019), содержащий концентратор параболоцилиндрического типа, двусторонние ФЭП и теплоноситель. Концентратор выполнен складным, оснащен цилиндрическими шарнирами для складывания и стойками с отверстиями для двусторонних ФЭП. Модуль в сложенном состоянии обладает функцией защиты ФЭП, а его профиль обеспечивает освещенность одной или одновременно двух приемных поверхностей ФЭП. Корпус ФЭП выполнен металлическим, имеет комбинированные полости для различных функций и обеспечивает своей структурой полости для теплоносителя с входом и выходом, с возможностью непосредственного теплосъема с теплоносителя. Двусторонние ФЭП имеют р-n-переходы, параллельные потоку концентрированного солнечного излучения. Теплоизоляция теплоносителя и двусторонних ФЭП выполнена с двух сторон. Теплоноситель омывает непосредственно герметизированные двусторонние ФЭП, защищенные прозрачными закаленными стеклами.

Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля является недостаточная жесткость конструкции концентратора. Наличие стыка между складными элементами концентратора приводит к возрастанию оптических потерь при концентрировании солнечного излучения. Также выбранное размещение ФЭП ведет к смещению фокуса концентратора относительно ФЭП, к снижению равномерности засветки ФЭП и к увеличению отражения солнечного излучения.

Известен складной (надувной) фотоэлектрический модуль с концентратором излучения (см. US 6111190, МПК H01L 31/045, МПК H01L 31/052, B64G 1/44, F24J 2/36, B64G 1/50, опубл. 29.08.2000) на основе надувной линзы Френеля. Модуль состоит из гибкой линзы Френеля, гибких боковых стенок и задней поверхности, совместно охватывающих объем полости, которые могут быть заполнены газом низкого давления для развертывания концентраторного модуля на орбите. На задней поверхности модуля размещен ФЭП, расположенный в фокальной области линзы Френеля. Кроме того, задняя поверхность может осуществлять отвод тепла. В транспортном состоянии спущенную гибкую линзу Френеля и боковины складывают на задней поверхности с образованием плоской малообъемной упаковки для эффективного запуска в космос.

Существенным недостатком известного надувного концентраторного модуля является низкий КПД, вследствие низкого оптического КПД надувной линзы Френеля.

Известен складной фотоэлектрический модуль с концентратором излучения (см. патент US 6075200, МПК H01L 31/052, H01L 31/0232, B64G 1/22, F24J 2/08, B64G 1/44, опубл. 13.06.2000), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Солнечный фотоэлектрический модуль-прототип включает, по меньшей мере, одну прямоугольную линейную линзу Френеля, выполненную с возможностью фокусирования солнечного света в фокальную область, по меньшей мере, один фотоэлектрический преобразователь, расположенный в фокальной области на плоском теплосбрасывающем основании, выполненном с длиной и шириной равными размерам проекции прямоугольной линзы Френеля на плоское основание; развертываемые опорные средства для установки линзы Френеля в надлежащее положение относительно фотоэлектрического преобразователя, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического модуля в процессе запуска и развертывания на орбите, по меньшей мере один конструктивный элемент, включающий средство для создания силы натяжения в указанной линейной линзе Френеля в направлении, параллельном фокальной линии.

Недостатком известного солнечного фотоэлектрического модуля-прототипа являются низкий КПД вследствие невозможности использования линз Френеля с точечным фокусом, обеспечивающих увеличение КПД по сравнению с линейными линзами Френеля.

Задачей настоящего технического решения является разработка фотоэлектрического модуля с концентратором излучения, который бы имел увеличенный КПД и малые габариты в нерабочем (транспортном) состоянии.

Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрический модуль с концентраторами излучения включает по меньшей мере одну прямоугольную линзу Френеля, выполненную с возможностью фокусирования в фокальную область, по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь, расположенный в фокальной области на плоском теплосбрасывающем основании, выполненном с длиной и шириной равными размерам проекции прямоугольной линзы Френеля на плоское основание, развертываемые опорные средства для установки линзы Френеля в надлежащее положение относительно фотоэлектрического преобразователя, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического модуля в процессе запуска и развертывания на орбите. Новым в фотоэлектрическом модуле является то, что линза Френеля выполнена в виде плоской панели, установленной параллельно плоскому основанию, панель линзы Френеля и плоское основание выполнены квадратной формы с одинаковыми размерами квадратов, соединенных между собой четырьмя стойками, прикрепленными своими концами к соответствующему углу панели линзы Френеля и к соответствующему углу плоского основания посредством восьми сферических шарниров, из которых четыре шарнира установлены по одному на каждом из четырех углов плоского основания, а четыре других шарнира установлены по одному на каждом из четырех углов панели линзы Френеля, длина каждой стойки вместе с двумя шарнирами установлена равной длине стороны упомянутых квадратов, на каждом из двух противоположных углов плоского основания прикреплены по одному шаговому электродвигателю с взаимно перпендикулярными осями валов, установленными параллельно сторонам плоского основания, а на каждом из двух других углов плоского основания установлены магниты, выполненные в виде уголков, одна часть которых прикреплена к тыльной поверхности плоского основания, а другая часть выполнена выступающей над фронтальной поверхностью плоского основания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показана конструкция модуля с четырьмя линзами Френеля в раскрытом рабочем состоянии при эксплуатации на космическом аппарате (1 - квадратное плоское основание модуля; 2 - ФЭП; 3 - квадратная панель линз Френеля; 4, 5, 6, 7 - стойки; 8-15 - сферические шарниры; 16-17 - электродвигатели; 18, 19 - части магнитных уголков, прикрепленных внутренней стороной к основанию; 20, 21 - части магнитных уголков, выступающие над поверхностью основания; 22, 23 - направление вращения валов электродвигателя при складывании модуля);

на фиг. 2 изображена конструкция модуля в полураскрытом положении на комическом аппарате на орбите;

на фиг. 3 показана конструкция модуля в сложенном (транспортном) состоянии.

на фиг. 4 приведена схема (вид по АА на фиг. 2 перпендикулярно плоскостям плоского основания 1 и панели 3 линз Френеля) в полураскрытом состоянии на орбите при угле β поворота вала шагового электродвигателя 16, равном 45 угловых градусов, и угле поворота ϕ вала другого электродвигателя 17 19 угловых градусов, где 24 - проекция траектории в виде окружности расположения углов панели 3 линз Френеля в процессе раскрытия модуля;

на фиг. 5 показаны временные зависимости углов поворота валов шаговых электродвигателей: (25 - временная зависимость угла β поворота вала шагового электродвигателя 16; 26 - временная зависимость угла ϕ поворота вала другого электродвигателя 17 с осью вала, перпендикулярного оси вала электродвигателя 16, обеспечивающего поворот вала на угол β).

Настоящий фотоэлектрический модуль с концентратором излучения (см. фиг. 1 - фиг. 4) представляет собой складную конструкцию с устройством развертывания, включающую плоское основание 1 с ФЭП 2, расположенными на фронтальной поверхности плоского основания 1, и панель 3 линз Френеля, параллельную основанию 1. ФЭП 2 установлены в фокусах линз Френеля. Панель 3 линз Френеля и основание 1 выполнены квадратной формы с одинаковыми размерами квадратов, соединенных между собой четырьмя стойками 4, 5, 6, 7, прикрепленными своими концами к каждому углу панели 3 линз Френеля и к каждому углу основания 1 посредством восьми сферических шарниров 8-15, из которых четыре шарнира 12, 13, 14, 15 установлены по одному на каждом из четырех углов основания 1, а четыре других шарнира 8, 9, 10, 11 установлены по одному на каждом из четырех углов панели 3 линз Френеля. Длина каждой стойки 4, 5, 6, 7 вместе с двумя шарнирами установлена равной длине стороны квадратов панели 3 линз Френеля и основания 1. Такая конструкция модуля с использованием восьми сферических шарниров 8-15 и четырех стоек 4, 5, 6, 7 для соединения основания 1 и панели 3 линз Френеля позволяет осуществить взаимное вертикальное и горизонтальное винтоообразное перемещение на четверть круга панели 3 линз Френеля относительно основания 1, что обеспечивает складывание модуля в транспортном состоянии для его доставки на орбиту в составе космического аппарата и последующее раскрытие модуля в рабочее состояние.

Выполнение панели 3 линз Френеля и основания 1 фотогенерирующей панели квадратной формы с одинаковыми размерами квадратов обеспечивает минимальную площадь и объем модуля при складывании модуля путем винтообразного разворота панели 3 линз Френеля относительно основания 1 на 90 угловых градусов вокруг оси, проходящей через центры основания 1 и панели 3.

Соединение основания 1 и панели 3 четырьмя стойками 4, 5, 6, 7, прикрепленными к углам основания 1 и панели 3, с длиной каждой стойки 4, 5, 6, 7 вместе с двумя шарнирами, равной длине стороны квадратов панели 3 линз Френеля и основания 1, обеспечивает максимально плотную упаковку стоек 4, 5, 6, 7 путем укладывания стоек 4, 5, 6, 7 между основанием 1 и панелью 3 вдоль боковых сторон основания 1 и панели 3.

На каждом из двух противоположных углах основания 1 прикреплены по одному шаговому электродвигателю 16, 17 с взаимно перпендикулярными осями валов, параллельными сторонам основания 1. Шаговые электродвигатели 16, 17 необходимы для складывания и раскрытия модуля с контролем углов разворота валов электродвигателей 16, 17. Взаимно перпендикулярное расположение валов и их параллельность сторонам основания 1 обеспечивает складывание и раскрытие модуля при подаче питания на шаговые электродвигатели 16, 17 по заданной программе.

На двух других углах основания 1 установлены магниты, выполненные в виде уголков, одна часть 18, 19 (фиг. 1) которых прикреплена к тыльной поверхности основания 1, а другая часть 20, 21 (фиг. 1) выполнена выступающей над фронтальной поверхностью основания 1. Магниты, выполненные в виде уголка, необходимы для фиксации раскрытого состояния модуля при выключении электропитания шаговых электродвигателей 16, 17. Магниты установлены прилегающими к двум взаимно перпендикулярным сторонам основания 1, что обеспечивает жесткую фиксацию конструкции модуля в раскрытом (рабочем) положении. Выполнение магнитов в виде уголков обеспечивает их надежное закрепление одной частью уголка к нижней поверхности основания 1. При этом другая часть уголков выполнена выступающей над поверхностью основания 1, что обеспечивает плотный контакт магнитов со стойками 4, 6 и фиксацию вертикального положения стоек 4, 5, 6, 7.

Работает фотоэлектрический модуль следующим образом. Складывание модуля на Земле осуществляют вращением валов шаговых электродвигателей 16, 17 с направлениями вращения, указанными стрелками 22, 23 (фиг. 1) и приведение его в состояние, показанное на фиг. 3. На Земле и во время транспортировки модуля на орбиту модуль находится на космическом аппарате в сложенном (транспортном) состоянии. После доставки на орбиту и приведения космического аппарата в рабочее состояние включается электропитание двух шаговых электродвигателей 16, 17 и осуществляется раскрытие модуля в результате вращения валов шаговых электродвигателей 16, 17 в направлениях, указанных стрелками 24, 25 (фиг. 2). При этом шаговые электродвигатели 16, 17 работают и выключаются по заданной программе. Фиксация положения стоек 4, 5, 6, 7 в момент выключения электродвигателей (фиг. 1) осуществляется с помощью магнитов, установленных на двух углах основания 1.

Взаимное расположение основания 1 модуля и панели 3 линз Френеля в полураскрытом состоянии на орбите при угле β поворота вала шагового электродвигателя 16 равном β=45 угловых градусов, показано на фиг. 3 - фиг. 4. Проекция траектории пространственного расположения углов панели линз Френеля на плоскость основания модуля в процессе раскрытия модуля является окружность 26 (фиг. 4) с радиусом окружности равным половине длины диагонали панели линз Френеля.

Предельный угол β поворота вала шагового электродвигателя 16 установлен равным β=90 угловых градусов. Угол ϕ поворота вала другого шагового двигателя 17 установлен зависящим от угла β. При постоянной скорости вращения вала шагового электродвигателя 16 имеет место линейная временная зависимость 27 (фиг. 5) угла β. Временная зависимость 28 (фиг. 5) угла ϕ является четвертью окружности с радиусом R₁ со значениями ϕ=0 угловых градусов при β=0° и 90° и значением ϕ=19 угловых градусов при β=45°.

Пример. Был изготовлен фотоэлектрический модуль с концентраторами излучения на основе панели линз Френеля и фотогенерирующей панели с размерами 24 см × 24 см. Матрица линз Френеля включает 16 линз (4 линзы × 4 линзы). Толщина панели линз Френеля была равна 1 мм. Толщина алюминиевого основания - 1 мм. Диаметр стоек с шарнирами - 3 мм, высота шаговых электродвигателей - 9 мм. Толщина модуля в сложенном (транспортном) состоянии - 9 мм. Толщина модуля в рабочем состоянии равна 120 мм. Таким образом, разработанная конструкция модуля в сложенном состоянии имеет объем в ~ 13 раз меньше объема модуля в рабочем состоянии, что обеспечивает существенную (более, чем в 10 раз) экономию места на космическом аппарате, необходимого для транспортировки модуля на орбиту.

Изобретение относится к фотоэлектрической энергетике, в частности к солнечным и лазерным энергетическим системам, предназначенным для выработки электроэнергии на космических летательных аппаратах. Фотоэлектрический модуль с концентратором излучения включает складную конструкцию с устройством развертывания, плоскую панель (3) линз Френеля и параллельное ей плоское основание (1) с фотоэлектрическими преобразователями (2), расположенными на фронтальной поверхности основания (1) в фокусах линз Френеля. Панель (3) линз Френеля и плоское основание (1) выполнены квадратной формы с одинаковыми размерами квадратов, соединенных между собой четырьмя стойками (4-7), прикрепленными своими концами к каждому углу панели (3) и к каждому углу основания (1) посредством восьми сферических шарниров (8-15), из которых четыре шарнира (12-15) установлены по одному на каждом из четырех углов основания (1), а четыре других шарнира (8-11) установлены по одному на каждом из четырех углов панели (3) линз Френеля. Длина каждой стойки (4-7) вместе с двумя шарнирами установлена равной длине стороны упомянутых квадратов. На каждом из двух противоположных углов основания (1) прикреплены по одному шаговому электродвигателю (16, 17) с взаимно перпендикулярными осями валов, параллельными сторонам основания (1). Изобретение обеспечивает существенное (более чем в 10 раз) снижение объема модуля в упакованном (транспортном) состоянии. 5 ил.

Фотоэлектрический модуль с концентратором излучения, включающий по меньшей мере одну прямоугольную линзу Френеля, выполненную с возможностью фокусирования излучения в фокальную область, по меньшей мере один фотоэлектрический преобразователь, расположенный в фокальной области на плоском теплосбрасывающем основании, выполненном с длиной и шириной равными размерам проекции прямоугольной линзы Френеля на плоское основание, развертываемые опорные средства для установки линзы Френеля в надлежащее положение относительно фотоэлектрического преобразователя, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического модуля в процессе запуска и развертывания на орбите, отличающийся тем, что линза Френеля выполнена в виде плоской панели, установленной параллельно плоскому основанию, панель линзы Френеля и плоское основание выполнены квадратной формы с одинаковыми размерами квадратов, соединенных между собой четырьмя стойками, прикрепленными своими концами к соответствующему углу панели линзы Френеля и к соответствующему углу плоского основания посредством восьми сферических шарниров, из которых четыре шарнира установлены по одному на каждом из четырех углов плоского основания, а четыре других шарнира установлены по одному на каждом из четырех углов панели линзы Френеля, длина каждой стойки вместе с двумя шарнирами установлена равной длине стороны упомянутых квадратов, на каждом из двух противоположных углов плоского основания прикреплено по одному шаговому электродвигателю с взаимно перпендикулярными осями валов, установленными параллельно сторонам плоского основания, а на каждом из двух других углов плоского основания установлены магниты, выполненные в виде уголков, одна часть которых прикреплена к тыльной поверхности плоского основания, а другая часть выполнена выступающей над фронтальной поверхностью плоского основания.