RU2848580C1 - Фотоэлектрическое концентраторное устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к фотоэнергетике, в частности к солнечным и лазерным фотоэнергетическими системам, предназначенным для выработки электроэнергии на космических аппаратах. Фотоэлектрическое концентраторное устройство включает прямоугольную панель линз Френеля, выполненную с возможностью фокусирования солнечного или лазерного излучения на фотоэлементы, расположенные на теплоотводящем основании, и опорные средства раскрытия для компактного размещения устройства в процессе запуска и полета до раскрытия на орбите. Опорные средства выполнены в виде четырех стоек, прикрепленных одним концом к углам прямоугольной панели линз Френеля посредством цилиндрических шарниров, а другие концы стоек прикреплены к углам основания посредством цилиндрических шарниров с углом раскрытия 90 угловых градусов. Каждая стойка выполнена из двух равных по длине стержней, соединенных между собой цилиндрическими шарнирами с углом раскрытия 180 угловых градусов, подпружиненными торсионными цилиндрическими пружинами. Оси всех шарниров установлены параллельными длинным сторонам основания и панели линз Френеля, а длина коротких сторон панели линз Френеля и основания установлена не менее фокусного расстояния линз Френеля. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение компактного складывания устройства в транспортном состоянии и раскрытие устройства при развертывании космического аппарата на орбите, при этом обеспечивается высокая эффективность фотоэлектрического преобразования лазерного и солнечного излучения. 4 ил.

Description

Изобретение относится к фотоэнергетике, в частности к солнечным и лазерным фотоэнергетическими системам, предназначенным для выработки электроэнергии на космических аппаратах. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного и лазерного излучения является одним из наиболее эффективных способов получения электрической энергии от Солнца и лазерного излучения в космическом пространстве при использовании высокоэффективных каскадных солнечных элементов, фотоэлектрических преобразователей лазерного излучения и устройств ориентации модулей на Солнце или на источник лазерного излучения.

Известно фотоэлектрическое концентраторное устройство (см. US20110017875, МПК B64G 1/44, HOIL 31/042, опубл. 27.01.2011), содержащее несущую конструкцию космического аппарата, на которой закреплены фотоэлектрические концентраторные модули, 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.

Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного устройства является низкий удельный энергосъем из-за отсутствия системы слежения за Солнцем фотоэлектрических модулей и значительный объем модуля при запуске в космос, вследствие отсутствия системы складывания устройства в транспортном состоянии.

Известно фотоэлектрическое устройство с параболоцилиндрическим концентратором солнечного излучения (см. RU2554674, МПК H01L 31/054, опубл. 27.06.2015), включающее асимметричный параболоцилиндрический концентратор с зеркальной внутренней поверхностью отражения и линейный фотоэлектрический преобразователь (ФЭП), расположенный в фокальной области с равномерным распределением концентрированного излучения вдоль оси. Линейный ФЭП снабжен системой протока теплоносителя. Форма отражающей поверхности концентратора определяется системой уравнений, соответствующей условию равномерной освещенности поверхности ФЭП, выполненных в виде линейки из коммутированных ФЭП и расположенных под углом к миделю концентратора. Изобретение обеспечивает работу фотоэлектрического устройства при высоких концентрациях и равномерное освещение ФЭП, получение на одном ФЭП технически приемлемого напряжения и повышение КПД преобразования.

Недостатками известного фотоэлектрического устройства является необходимость организации теплоотвода путем циркуляции теплоносителя, а также малая компактность устройства при отсутствии конструкции складывания модуля для его транспортировки в космос, что ведет к увеличению массо-габаритных параметров устройства при его запуске для установки на космическом летательном аппарате.

Известно фотоэлектрическое концентраторное устройство (см. RU2740437, МПК H01L 31/02, опубл. 14.01.2021), включающее ряд концентраторных фотоэлектрических модулей с корпусами прямоугольной или квадратной формы с отбортовками для прикрепления силиконом-герметиком панелей из линз Френеля и ФЭП, размещенными в фокусах линз Френеля. Фотоэлектрические концентраторные модули сопряжены внахлест отбортовками по высоте в шахматном порядке. При этом в крайнем ряду концентраторных фотоэлектрических модулей и в рядах фотоэлектрических концентраторных модулей, параллельных крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда фотоэлектрических концентраторных модулей сопряжены внахлест вплотную. В рядах модулей, перпендикулярных этому крайнему ряду, отбортовки соседних вдоль ряда фотоэлектрических концентраторных модулей отстоят по высоте друг от друга на расстоянии, по меньшей мере, равном суммарной толщине отбортовки, силикона-герметика и панели из линз Френеля.

Недостатком известного фотоэлектрического концентраторного устройства является недостаточная компактность модулей из-за отсутствия конструкции складывания модуля в транспортном состоянии, вследствие чего усложняется и удорожается ее транспортировка в космос, что не позволяет использовать фотоэлектрическое концентраторное устройство на космическом аппарате.

Известно складное фотоэлектрическое концентраторное устройство (см. RU193323, МПК H02S 10/40, H02S 30/20, F24H1/06, H02S 40/44, опубл. 24.10.2019), содержащее концентратор параболоцилиндрического типа, двусторонние ФЭП, расположенные в фотоприемнике, и теплоноситель. Концентратор выполнен складным, оснащен цилиндрическими шарнирами для складывания и стойками с отверстиями для ФЭП. Устройство в сложенном состоянии обладает функцией защиты двусторонних 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 p-n-переходы, параллельные потоку концентрированного солнечного излучения. Теплоизоляция теплоносителя и двусторонних ФЭП выполнена с обеих сторон. Теплоноситель омывает непосредственно герметизированные двусторонние ФЭП, защищенные прозрачными закаленными стеклами.

Недостатком известного фотоэлектрического концентраторного устройства 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.

Известно фотоэлектрическое концентраторное устройство (см. US20140078607 МПК G02B 5/10, опубликован 20.03.2014), включающее основание, оснащенное вращательным элементом, параболоцилиндрические концентраторы с зеркальной внутренней поверхностью отражения, установленные на основании, цилиндрические направляющие которых параллельны основанию и друг другу, линейные цепочки ФЭП, установленные на верхней кромке тыльной стороны каждого последующего концентратора в фокальной линии каждого предыдущего концентратора. При этом сечение каждого параболоцилиндрического концентратора, перпендикулярное цилиндрическим направляющим, является половиной параболы. Тыльная поверхность первого концентратора и тыльная поверхность второго концентратора обращены к вращательному элементу, а фронтальные поверхности первого и второго концентраторов обращены в разные стороны, так что центр равновесия находится на вращательном элементе.

Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного устройства являются повышенные массо-габаритные параметры устройства, вследствие расположения вращательного элемента на светоприемной области. Кроме того, отсутствие складной конструкции затрудняет и удорожает доставку модулей в космос и размещение их на космическом летательном аппарате.

Известно фотоэлектрическое концентраторное устройство (см. патент US6111190, 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. Устройство состоит из гибкой линзы Френеля, гибких сторон и задней поверхности, совместно охватывающих объем полости, которая может быть заполнена газом низкого давления для развертывания концентраторного устройства на орбите. На задней поверхности устройства размещен фотопреобразователь солнечной энергии, расположенный в фокальной области линзы Френеля. Кроме того, задняя поверхность может служить теплосбрасывателем. Перед развертыванием спущенную гибкую линзу и боковины складывают на задней поверхности с образованием плоской малообъемной упаковки для эффективного запуска в космос. Фотоэлектрическое концентраторное устройство с использованием надувной линзы обеспечивают уменьшение массы и объема устройства перед его запуском в космос.

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

Известно фотоэлектрическое концентраторное устройство (см. патент US6075200, МПК H01L 31/052, H01L 31/0232, B64G 1/22, F24J 2/08, B64G 1/44, опубл. 13.06.2000), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Фотоэлектрическое концентраторное устройство включает складной корпус со складными торцевыми стенками и с устройством его развертывания, размещенным в складном корпусе, панель линз Френеля и параллельную ей фотогенерирующую панель с солнечными элементами, расположенными в фокусах линз Френеля на фронтальной поверхности прямоугольного основания фотогенерирующей панели, тыльная сторона которого закреплена на системе ориентации на Солнце. Панель линз Френеля выполнена гибкой и прикреплена к складным торцевым стенкам, при этом торцевые стенки растягивают панель линз Френеля для сохранения ее правильного положения и формы в космосе. Корпус включает в себя средства для развертывания панели линз Френеля в космосе. Перед развертыванием гибкая панель линз Френеля и торцевые стенки корпуса складываются в плоскую малогабаритную упаковку при запуске в космос.

Недостатками известного фотоэлектрического концентраторного устройства-прототипа являются низкий КПД и недостаточная жесткость складной конструкции, приводящие к расфокусировке линз Френеля.

Задачей настоящего технического решения является разработка фотоэлектрического концентраторного устройства, которое бы имело уменьшенный объем в сложенном транспортном состоянии при полете и повышенную жесткость в раскрытом рабочем состоянии на орбите.

Поставленная задача решается тем, что фотоэлектрическое концентраторное устройство, включает прямоугольную панель квадратных линз Френеля, выполненную с возможностью фокусирования солнечного или лазерного излучения в фокальные области на фотоэлементы, расположенные в фокальных областях на плоском теплоотводящем основании, параллельном плоскости панели линз Френеля, выполненном с длиной и шириной равными размерам проекции прямоугольной панели линз Френеля на плоское основание, развертываемые опорные средства для установки панели линз Френеля в надлежащее положение относительно фотоэлементов, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического устройства в процессе запуска до развертывания на орбите, отличающееся тем, что развертываемые опорные средства выполнены в виде четырех стоек, прикрепленных одним концом к углам прямоугольной панели линз Френеля посредством цилиндрических шарниров, а другие концы стоек прикреплены к углам основания, совпадающими с проекциями соответствующих углов панели линз Френеля на основание, посредством цилиндрических шарниров с углом раскрытия 90 угловых градусов между стойками и короткими сторонами основания и панели линз Френеля, причем каждая стойка выполнена из двух равных по длине стержней, соединенных между собой цилиндрическими шарнирами с углом раскрытия 180 угловых градусов, подпружиненными торсионными цилиндрическими пружинами, при этом оси всех упомянутых шарниров установлены параллельными длинным сторонам основания и панели линз Френеля, а длина коротких сторон панели линз Френеля и основания установлена не менее фокусного расстояния линз Френеля.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечение компактного складывания устройства в транспортном состоянии и раскрытие устройства при развертывании космического аппарата на орбите, при этом обеспечивается высокая эффективность фотоэлектрического преобразования лазерного и солнечного излучения, а также стабильность характеристик устройства за счет обеспечения жесткости конструкции в рабочем состоянии.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показана конструкция устройства в раскрытом рабочем состоянии при эксплуатации на космическом аппарате: 1 - панель линз Френеля; 2 - фотоэлементы; 3 - основание; 4 - стойки; 5 - углы панели 1 линз Френеля; 6 - цилиндрические шарниры; 7 - углы основания 3; 8 -цилиндрические шарниры; 9-10 - стержни, являющиеся составными частями стоек 4; 11- цилиндрические подпружиненные шарниры;

на фиг. 2 показана конструкция устройства в аксонометрической проекции: 2 - фотоэлементы, 4 - стойка, 8-цилиндрические шарниры; 9-10 - стержни, 11 - цилиндрические шарниры, 12 -линзы Френеля;

на фиг. 3 показан вид устройства со стороны, освещенной лазером или Солнцем: 13 - короткие стороны панели 1 линз 12 Френеля, 14 -длинные стороны панели 1 линз 12 Френеля, 15 - оси шарниров;

на фиг. 4 показан вид устройства в сложенном состоянии: 6, 8, -шарниры, 9-10 - стержни, 11 - цилиндрические подпружиненные шарниры, соединяющие стержни 9-10.

Фотоэлектрическое концентраторное устройство включает прямоугольную панель 1 (фиг. 1) квадратных линз 12 Френеля, выполненную с возможностью фокусирования солнечного или лазерного излучения в фокальные области на фотоэлементы 2, расположенные в фокальных областях на плоском теплоотводящем основании 3, параллельном плоскости панели 1 линз 12 Френеля, выполненном с длиной и шириной равными размерам проекции прямоугольной панели 1 линз 12 Френеля на плоское основание 3. Устройство включает развертываемые опорные средства для установки панели 1 линз 12 Френеля в надлежащее положение относительно фотоэлементов 2, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического устройства в процессе запуска до развертывания на орбите. Развертываемые опорные средства выполнены в виде четырех стоек 4 (фиг. 1), прикрепленных одним концом к углам 5 прямоугольной панели 1 линз 12 Френеля посредством цилиндрических шарниров 6 (фиг. 1), а другие концы стоек 4 (фиг. 1) прикреплены к углам 7 основания 3, совпадающими с проекциями соответствующих углов 5 панели 1 линз 12 Френеля на основание 3, посредством цилиндрических шарниров 8 (фиг. 1), при этом угол раскрытия шарниров 8 установлен равным 90 угловых градусов между стойками 4 и короткими сторонами 13 (фиг. 3) основания 3 и панели 1 линз 12 Френеля, причем каждая стойка 4 выполнена из двух равных по длине стержней 9-10 (фиг. 1), соединенных между собой цилиндрическими шарнирами 11 (фиг. 1) с углом раскрытия 180 угловых градусов, подпружиненными торсионными цилиндрическими пружинами (на чертеже не показаны), при этом оси 15 всех упомянутых шарниров 6, 8, И установлены параллельными длинным сторонам 14 основания 3 и панели 1 линз 12 Френеля, а длина коротких сторон 13 панели 1 линз 12 Френеля и основания 3 установлена не менее фокусного расстояния линз 12 Френеля.

Выполнение развертываемых опорных средств в виде четырех стоек 4 (фиг. 1), прикрепленных одним концом к углам 5 прямоугольной панели 1 линз 12 Френеля посредством цилиндрических шарниров 6, а другим концом стоек 4 к углам 7 основания 3, совпадающим с проекциями соответствующих углов 5 панели 1 линз 12 Френеля на основание 3, посредством цилиндрических шарниров 8 обеспечивает возможность компактного складывания устройства на Земле до его раскрытия на космической орбите.

Выполнение угла раскрытия шарниров 6, 8 (фиг.1) равного 90 угловых градусов обеспечивает фиксацию стоек в направлении, перпендикулярном плоскости панели 1 линз 12 Френеля и основания 3, что необходимо обеспечить в развернутом состоянии устройства на космических орбитах.

Выполнение каждой стойки 4 (фиг. 1) из двух равных по длине стержней 9 и 10, соединенных между собой цилиндрическими шарнирами 11 с углом раскрытия 180 угловых градусов, подпружиненными торсионными цилиндрическими пружинами (на чертеже не показаны) обеспечивает компактное складывание стоек 4 в транспортном состоянии устройства (фиг. 4) и последующее раскрытие устройства в рабочем развернутом состоянии на орбите.

Угол 180° раскрытия шарниров 11 обеспечивает фиксацию положения стрежней 9 и 10 в положении (фиг. 1, 2), перпендикулярном плоскостям панели 1 линз 12 Френеля и основания 3, необходимом для приведения устройства в рабочее состояние, при котором проекции панели 1 линз 12 Френеля на основание 3 совпадают с габаритными размерами основания 3.

Подпруживание шарниров 11 торсионными цилиндрическими пружинами необходимо для автоматического раскрытия устройства в рабочее состояние на космической орбите при высвобождении (отстреливании) защитной оболочки корпуса космического аппарата, защищающей фотоэлектрическое устройство от воздействия неблагоприятных условий окружающей среды в процессе запуска космического корабля на космическую орбиту.

Оси 15 (фиг. 3) всех упомянутых шарниров 6, 8, 11 установлены параллельными длинным сторонам 14 основания 3 и панели 1. Такая ориентация осей 15 цилиндрических шарниров 6, 8, И обеспечивает компактное складывание устройства (фиг. 4) на Земле в транспортном состоянии и последующее автоматическое раскрытие устройства в рабочее положение (фиг. 1,2) при развертывании устройства на космической орбите.

Длина коротких сторон 13, панели 1 линз 12 Френеля и основания 3 установлена не менее фокусного расстояния линз 12 Френеля. Выполнение этого условия необходимо для компактного складывания устройства в транспортном состоянии. Как видно из фиг. 4, длина коротких сторон 13 основания 3 и панели 1 линз 12 Френеля должна быть не менее удвоенной длины стрежней 9-10, т.е. не менее длины стоек 4, которые, в свою очередь, должны иметь длину, равную фокусному расстоянию линз 12 Френеля, что обеспечивает необходимое совпадение фокальных областей с фотоэлементами 2. Таким образом, при длине коротких сторон панели 1 линз 12 Френеля и основания 3 не менее фокусного расстояния линз 12 Френеля обеспечивается компактное складывание фотоэлектрического устройства в транспортное состояние и приведение устройства в рабочее состояние при раскрытии устройства на космической орбите.

Фотоэлектрическое концентраторное устройство работает следующим образом. В сложенном транспортном состоянии устройство размещено в прямоугольном контейнере с внутренними размерами, равными габаритным размерам сложенного устройства, показанного на фиг. 4. Контейнер снабжен съемной крышкой, вплотную прилегающей к внутренней поверхности обшивки космического корабля, защищающей устройство от воздействия окружающей среды при запуске космического аппарата на орбиту. При развертывании космического аппарата на орбите удаляется часть обшивки космического аппарата вместе с прилегающей к обшивке крышкой упомянутого контейнера. В результате этих операций устройство раскрывается под воздействием четырех торсионных пружин, встроенных в цилиндрические шарниры И четырех стоек 4, соединяющих панель 1 линз 12 Френеля и основание 3. Активация работы устройства осуществляется путем ориентации устройства на источник лазерного излучения или на Солнце с использованием датчика положения источника лазерного излучения или датчика положения Солнца.

Пример. Фотоэлектрическое концентраторное устройство было выполнено на основе панели шести линз Френеля, каждая из которых имеет размер 12 см х 12 см и фокусное расстояние, равное 22 см. Габаритные размеры устройства 22 см х 24 см х 36 см в раскрытом (рабочем) состоянии и 1 см х 24 см х 36 см в сложенном (транспортном) состоянии. Как показано на фиг. 4, толщина устройства в сложенном состоянии равна сумме диаметров двух шарниров. В разработанном устройстве диаметр шарниров равен 5 мм, а толщина устройства равна 1 см. Таким образом, разработанное устройство позволило уменьшить объем контейнера на космическом корабле в 22 раза, что обеспечивает значительный экономический эффект, так как стоимость доставки устройства на орбиту увеличивается пропорционально объему, занимаемому устройством в транспортном состоянии.

Claims (1)

1. Фотоэлектрическое концентраторное устройство, включающее прямоугольную панель квадратных линз Френеля, выполненную с возможностью фокусирования солнечного или лазерного излучения в фокальные области на фотоэлементы, расположенные в фокальных областях на плоском теплоотводящем основании, параллельном плоскости панели линз Френеля, выполненном с длиной и шириной, равными размерам проекции прямоугольной панели линз Френеля на плоское основание, развертываемые опорные средства для установки панели линз Френеля в надлежащее положение относительно фотоэлементов, включающие механические средства для компактного размещения фотоэлектрического устройства в процессе запуска до развертывания на орбите, отличающееся тем, что развертываемые опорные средства выполнены в виде четырех стоек, прикрепленных одним концом к углам прямоугольной панели линз Френеля посредством цилиндрических шарниров, а другие концы стоек прикреплены к углам основания, совпадающим с проекциями соответствующих углов панели линз Френеля на основание, посредством цилиндрических шарниров, при этом угол раскрытия шарниров установлен равным 90 угловых градусов между стойками и короткими сторонами основания и панели линз Френеля, причем каждая стойка выполнена из двух равных по длине стержней, соединенных между собой цилиндрическими шарнирами с углом раскрытия 180 угловых градусов, подпружиненными торсионными цилиндрическими пружинами, при этом оси всех упомянутых шарниров установлены параллельными длинным сторонам основания и панели линз Френеля, а длина коротких сторон панели линз Френеля и основания установлена не менее фокусного расстояния линз Френеля.