Оптопара с эллипсоидальным отражателем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптопара с эллипсоидальным отражателем

Кирин И.Г.

Известны резистивные оптопары, состоящие из источника света, фотопреобразователя и корпуса, между которыми имеется оптическая связь и обеспечена электрическая изоляция. Они широко используются в различных электронных устройствах. В качестве фотопреобразователей в этих оптопарах используется фоторезистор или полупроводниковый резистор. Источником света в резистивных оптопарах, как привило, служат сверхминиатюрные лампочки накаливания [1].

Эти устройства обладают низкой выходной мощностью из-за использования в их составе источников света с малой мощностью и фотопреобразователей, рассчитанных на преобразования светового излучения малой мощности, кроме того у них низкая электрическая прочность из-за малого расстояния между источником света и фотопреобразователем. Соответственно область применения этих оптопар ограничены их характеристиками.

В настоящей работе описывается оптопара имеющая значительную выходную мощность и электрическую прочность. Этот результат достигается тем, что в оптопаре, содержащей источник света, фотопреобразователь, корпус, в качестве источника света используется ксеноновая лампа, в качестве фотопреобразователя - батарея солнечных элементов, корпус выполнен в виде трубы из диэлектрического материала, на внешней боковой поверхности которого имеются распределители потенциалов. Дополнительно в состав оптопары включен растр и эллипсоидальный отражатель. Растр и батарея солнечных элементов расположены на одной оси, совпадающей с осью корпуса, выполненного в виде трубы, причем в одном торце корпуса расположен эллипсоидальный отражатель, растр и ксеноновая лампа, а во втором торце - батарея солнечных элементов. Ксеноновая лампа предлагаемой оптопары расположена вдоль оптической оси эллипсоидального отражателя, в центре которого имеется отверстие куда входит один электрод ксеноновой лампы [2].

На рисунке 1 показана предлагаемая конструкция оптопары с эллипсоидальным отражателем. Она содержит ксеноновую лампу 1, эллипсоидальный отражатель 2, растр 3, корпус 4 выполненный в виде трубы из диэлектрического материала, на внешней боковой поверхности которого имеются распределители потенциалов и батарею солнечных элементов 5.

При отсутствии электрического тока на входе оптопары отсутствует электрический ток. При поступлении электрического тока на ксеноновую лампу 1 оптическое излучение, отраженное от эллипсоидального отражателя 2, поступает на раст 3, пройдя раст далее через корпус 4, выполненный в виде трубы из диэлектрического материала, поступает на батарею солнечных элементов 5. В батарее солнечных элементов 5 световое излучение преобразовывается в электрический ток и через выводы этой батареи передается далее потребителю. На рисунке стрелками показан ход световых лучей. оптопара фотопреобразователь изоляция

Увеличение электрической прочности оптопары достигается за счет того, что благодаря ее конструкции увеличивается расстояние между источником света 1 и ее фотопреобразователем - солнечными элементами 5 [3].

Увеличение выходной мощности оптопары достигается за счет использования в ее составе в качестве источника света ксеноновой лампы 1, а в качестве фотопреобразователя батареи солнечных элементов 5.

Рис. 1. Оптопара с эллипсоидальным отражателем.

1 - ксеноновая лампа, 2 - эллипсоидальный отражатель, 3 - растр, 4 - корпус, выполненный в виде трубы из диэлектрического материала, на внешней боковой поверхности которого, имеются распределители потенциалов, 5 -батарею солнечных элементов.

Оптопара является четырехполюсником, поэтому её свойства определяются тремя основными характеристиками - входной, передаточной и выходной. Входной характеристикой предлагаемой оптопары является вольт-амперная характеристика излучателя, то есть - ксеноновой лампой [4], а выходной - вольт-амперная характеристика фотоприемника при заданном токе на входе оптопары - то есть для предлагаемой конструкции солнечных элементов. Передаточной характеристикой оптопары является зависимость тока на ее выходе от тока на ее входе . Быстродействие оптопары определяется временем переключения, а также граничной частотой. Для предлагаемой конструкции оптопары эта частота варьируется в пределах единиц килогерц в зависимость от вида используемой ксеноновой лампы. Сопротивление изоляции между входом и выходом оптопары достигает 1010 Ом.

Потери энергии в оптопаре определяются соотношением [6]:

(1)

где: - коэффициент учитывающий потери энергии в оптической системе оптопары при ее передаче от источника оптического излучения к батарее солнечных элементов; - коэффициент описывает потери энергии при преобразовании световой энергии в электрическую, - КПД преобразования электрической энергии в световую источником излучения используемым в оптопаре [4].

Коэффициент Ю1, определяется той частью светового потока источника света, который оптической системой оптопары удается направить на батарею солнечных элементов. Эти потери энергии в первую очередь определяются параметрами источника оптического излучения и оптической системы применяемой в оптопаре. 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 построена оптопара и оптические элементы, выбранные для ее построения [6]. В качестве коэффициента Ю1 используют отношение величины светового потока, захваченного оптической системой и направляемого для освещения батареи солнечных элементов - Фзах к величине полного светового потока источника света - Фпол, [6]:

(2)

Применительно к предлагаемой конструкции оптопары находится в пределах от 0, 90 до 0,95 в зависимости от типа ксеноновой лампы.

Коэффициент описывает КПД преобразования световой энергии в электрическую солнечными элементами оптопары. Для нахождения значения этого коэффициента, в соответствии с методикой [5-7] источник оптического излучения заменяется абсолютно черным телом, нагретым до некоторой температуры . Из всего спектра излучения такого черного тела на фотоэлемент пропускается лишь узкая спектральная область с

()

где - температура солнечных элементов [7 ].

Эта область должна примыкать к частоте , соответствующей краю поглощения материала фотопреобразователя, так как меньшие частоты не создают электрон-дырочных пар и поэтому они должны быть отражены к излучателю, чтобы не допускать непроизвольные потери тепла. С другой стороны в невырожденном полупроводнике электроны занимают уровни энергии, лежащие в интервале над дном зоны проводимости. Поэтому свет с частотой, превышающий больше, чем на , создает пары, обладающие избытком кинетической энергии, которая немедленно будет передана решетке. Для получения максимального КПД преобразования солнечным элементом излучения черного тела, равного КПД цикла Карно

(4)

и, соответственно, максимального КПД солнечных элементов для преобразования излучения используемого источника света, эта часть спектра тоже должна быть отражена.

Таким образом, в идеальном случае на фотоэлемент от черного тела пропускается только мощность

(5)

- спектральная плотность мощности излучения абсолютно черного тела.

Соответственно максимальный КПД солнечного элемента может быть вычислен из соотношения:

 (6)

а максимальная мощность электрического тока на его выходе

(7)

где - ширина запрещенной зоны полупроводника, - число фотонов.

Эквивалентная температура черного тела, при которой КПД максимален, может быть вычислен из условия равенства числа фотонов в спектре преобразовываемого излучения числу фотонов излучаемых черным телом в интервале . Соотношение, определяющее это равенство, может быть записано в виде [5]:

(8)

где: - показатель преломления материала фотопреобразователя, - плотность мощности преобразовываемого излучения.

У ламп спектральная область, превосходит область определяемую (2). Но, несмотря на это, для расчета КПД солнечных элементов и их максимальной мощности в этом случае также можно воспользоваться соотношениями (5) и (6) если принять, что фотоэлемент освещается черным телом нагретым до такой температуры, что в интервале частот на него поступает столько же фотонов, сколько их имеется в спектре преобразованного излучения, ограниченного частотой .

При этом эквивалентная температура черного тела может быть найдена из условия равенства числа фотонов в спектре излучения черного тела и рабочей частоты преобразованного излучения [5]

(9)

где - спектральная плотность мощности преобразовываемого излучения.

При окончательном определении КПД следует учитывать, что мощность преобразовываемого излучения

(10)

больше мощности в используемом излучении черного тела

(11)

Поэтому для получения КПД преобразования немонохроматического излучения нужно (5) умножить на величину

(12)

Окончательно КПД солнечного элемента преобразовывающего оптическое излучение с широким спектром

(13)

где - вычисляется по (6), а - по (12).

В случае ламп возможно увеличение КПД преобразования оптического излучения в электрический ток до значений ~70% . Это может быть сделано двумя способами. Прежде всего, могут быть использованы многослойные структуры, обеспечивающие каскадное преобразование оптического излучения. Для этих целей могут быть использованы трех- и четырехкомпонентные соединения элементов III в V 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 база имеет переменное по глубине значение (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. Можно также увеличить КПД до значений близких к предельному путем увеличения кратности концентрации излучения до оптимальных величин и использованием каскадных многослойных структур [8-11].

Выходная мощность предлагаемой оптопары может быть вычислена из соотношения:

где - мощность на выходе оптопары, - мощность лампы используемой в составе оптопары, - потери энергии источника света в оптопаре.

При мощности ксеноновой лампы 150 Вт, при КПД преобразования излучения лампы солнечными элементами ~70% мощность электрического тока на выходе оптопары может быть ~80 Вт с учетом потерь, возникающих при передаче оптического излучения от трубчатой ксеноновой лампы к батарее солнечных элементов. Для этого в качестве солнечных элементов, прежде всего, могут быть использованы многослойные структуры, обеспечивающие каскадное преобразование оптического излучения. Для этих целей могут быть использованы трех- и четырехкомпонентные соединения элементов III и V 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 база имеет переменное по глубине значение . Такие структуры можно получить, используя двойные, тройные и четвертные соединения на базе компонент, входящих в состав GaAs

Список литературы

1. Иванов В.И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / В.И. Иванов, А.И. Аксенов, A.M. Юшин - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 448 с, с. 309.

2. Кирин И.Г. Патент РФ N2670706, опубликовано 29.11.2018, Бюл. 34.

3.Кирин И.Г. Электрические изоляторы со световодами/ И.Г. Кирин - М.: Энергоатомиздат, 1994.-32 с.

4. Г.Н Рохлин Разрядные источники света/ Г.И. Рохлин - 2-е изд. перераб. И доп. - М.: Энергоатомиздат, 199. - 720 с.

5. Раушенбах Г.П. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат.1983г.- 357с.

6.Кирин И.Г. Фотоэлектронные трансформаторы/ И.Г. Кирин.-М.: Университетская книга, 2013.-136 с.

7.Кирин И.Г. Потери энергии в источниках вторичного электропитания с системами гальванической развязки "Источник оптического излучения фотоэлектрический преобразователь" / Кирин И.Г. // Интеллект. Инновации. Инвестиции. 2014. №4. - С. 153-157.

8. Фаренбрух А.Д., Бъюб Р.Х. Солнечные элементы: теория и эксперимент: Пер. с англ./Под редакцией М.М. Колтуна. М.: Энергоатомиздат.1978. -261с.

9.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 М.: Мир, 1988, - С. 201-261.

10. Mac-Millan H. F., Hamaker H. C., Virshyp G. E., Wethen J. C. Multijunction III-V solar cells: recent and projectes results // 20-th IEEE Photovoltaic Spec. 26-30, 1988: Conf. Rec. vol1. - New York №4 - 1988 - P.48-54.

11. Алферов Л.М. Андреев В.М. Гарбуров Д.З. Егоров Б.В. Ларинов В.Р. Румянцев В.Д. Федоров О.М. 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.

Размещено на Allbest.ru