Физические основы выбора типа и параметров подсистем лазерной системы передачи энергии в космосе

Физические основы выбора типа и параметров подсистем лазерной системы…

Инженерный журнал: наука и инновации

# 8·2016 3

ного излучения в энергию постоянного электрического тока. Необхо-

дим системный подход к построению лазерной системы передачи энер-

гии для достижения наибольшей эффективности ее работы [7, 8].

Как известно, в качестве высокоэффективного приемника-преоб-

разователя лазерного излучения в электрическую энергию можно ис-

пользовать стандартные полупроводниковые фотоэлектрические

преобразователи (ФЭП) энергии, которые широко применяются в со-

ставе солнечных батарей в космической и наземной энергетике. При

облучении ФЭП сплошным солнечным спектром КПД ФЭП на осно-

ве кремния и арсенида галлия относительно небольшой — поряд-

ка η = 18…20 %. Однако, если облучать ФЭП монохроматическим

излучением, у которого энергия кванта

λ равна ширине запрещен-

ной зоны полупроводника ∆

, существенно возрастает КПД. При

этом, КПД ФЭП на основе кремния η = 50...55% при длине волны об-

лучения лазером λ = 1,11 мкм, а КПД ФЭП на основе арсенида галлия

η = 55...60 % при λ = 0,87 мкм.

Предварительные оценки показывают, что с увеличением шири-

ны запрещенной зоны ∆

и, соответственно, c уменьшением опти-

мального значения λ, КПД возрастает вследствие уменьшения об-

ратного больцмановского тока через потенциальный барьер, равный

ширине запрещенной зоны ∆

. Кроме того, для каждого полупровод-

ника существует оптимальное значение плотности мощности лазер-

ного облучения, так как с увеличением плотности мощности облуче-

ния ФЭП повышается рабочая температура ФЭП, снижается ∆

возрастает обратный больцмановский ток [9].

В настоящее время в качестве источников лазерного излучения с

длиной волны λ порядка 1 мкм можно выбирать волоконные лазеры с

различными длинами волн и величинами выходной мощности.

В начале 1970-х годов появились так называемые наноантенны на

основе графитовых нанотрубок, которые позволяют формировать при-

емники лазерного излучения по принципу металлических решетчатых

антенн [10]. Высокая эффективность приемников-преобразователей

энергии монохроматического электромагнитного излучения в электри-

ческую энергию — порядка 50 % и выше — получена при облучении

наноантенн длиной волны λ порядка 10 мкм. Это позволяет рассмат-

ривать наравне с комбинацией волоконный лазер — полупроводнико-

вый ФЭП комбинацию газоразрядный СО

-лазер (λ = 1,06 мкм) —

наноантенна. СО

-лазеры обладают высокой выходной мощностью до

нескольких десятков киловатт при КПД порядка 10 %. Такие лазеры

являются весьма перспективным излучателем в системе лазерной пе-

редачи энергии, поскольку, изменяя характерную длину нанотрубок

в составе наноантенн, можно подстраивать характеристики наноан-

тенн к параметрам излучателя. Этот процесс значительно проще тех-