Низкоконцентрирующий фотоэлектрический приемник для беспроводной лазерной передачи энергии

Аккумулятор Challenger AS12-7.0E

Исследователи из Испании разработали низкоконцентрирующий фотоэлектрический приемник (НКФП) размером 3 × 3, сочетающий в себе оптику с перекрестным составным параболическим концентратором (CCPC) и группировку элементов по току для беспроводной лазерной передачи энергии (БЛТЭ) при неравномерном освещении. Прототип достиг эффективности преобразования энергии 16,3 %.

Прототип приемника LCPV

Исследователи из Университета Хаэна в Испании создали фотоэлектрический приемник с низким коэффициентом концентрации (LCPV), оснащенный скрещенным составным параболическим концентратором (CCPC) для улучшения оптической связи при статическом, но неоднородном по своей природе лазерном излучении.

Система предназначена для беспроводной лазерной передачи энергии (WPLT).

WPLT — перспективный способ передачи энергии на расстояние без физического подключения, особенно для автономных систем, удаленных датчиков и воздушных платформ. Однако его практическое применение ограничено требованиями к оптической центровке, атмосферными потерями, эффективностью преобразования, соображениями безопасности для глаз и пожарной безопасности, а также влиянием неравномерного или динамического освещения на фотоэлектрические приемники.

Будущие возможности связаны с повышением эффективности преобразования лазерного излучения в электричество, разработкой приемников с более широким углом приема и лучшей устойчивостью к неравномерному освещению, а также с интеграцией адаптивного управления лучом и мощностью. Эти достижения могут обеспечить более надежную и эффективную беспроводную передачу энергии на большие расстояния в тех случаях, когда традиционные проводные решения или решения на основе аккумуляторов неприменимы.

Учитывая это, испанские исследователи разработали и экспериментально протестировали низкоконцентрирующий фотоэлектрический приемник 3 × 3, который сочетает в себе оптимизированные соединения ячеек с оптикой CCPC для повышения эффективности преобразования энергии и угловой точности при неравномерном лазерном освещении.

Описанная в исследовании «Разработка и экспериментальная характеристика низкоконцентрирующего фотоэлектрического приемника на основе монокристаллического кремния для беспроводной передачи лазерной энергии (WLPT) при неравномерном облучении на длине волны 808 нм», опубликованном в Optic & Laser Technology, система включает в себя матрицу 3 × 3 из монокристаллических кремниевых элементов размером 20 × 20 мм² с архитектурой «перекрестный задний контакт» (IBC), при этом каждый элемент соединен с коллектором, который перенаправляет падающее излучение на элементы, обеспечивая широкий угол приема при статическом освещении.

Геометрия CCPC была оптимизирована таким образом, чтобы входная апертура в 2,5 раза превышала площадь ячейки, что позволило сократить количество полупроводникового материала на 60 % по сравнению с эквивалентным не концентрирующим приемником. Концентраторы были изготовлены из полиметилметакрилата (ПММА), который был выбран за его высокий коэффициент оптического пропускания, благоприятные диэлектрические свойства и простоту изготовления.

Полная апертура приемника, включая опорную раму, составляет 104 × 104 мм², а измеренная масса — 123 г.

Экспериментальная установка, использованная для электрооптической характеризации

Ученые оценили оптические и электрические характеристики системы при монохроматическом лазерном освещении с длиной волны 808 нм и мощностью гауссова пучка 1,523 Вт. Измерения вольт-амперных характеристик проводились с концентраторами и без них, а измерения спектрального отклика использовались для количественной оценки потерь на оптическое поглощение, вносимых материалом концентратора.

Электрический отклик каждой из девяти ячеек измерялся при разной мощности и углах падения, чтобы оценить оптико-электрическую связь и влияние неравномерного освещения. Затем были рассчитаны потери из-за рассогласования для различных схем последовательного и параллельного соединения путем сравнения измеренной мощности модуля с идеальной суммой максимальных мощностей отдельных ячеек.

Электрические измерения подтвердили, что ток короткого замыкания был основным источником различий между ячейками: от менее 0,1 А в периферийных ячейках до примерно 0,45 А в центральной ячейке при мощности 5 Вт. В то же время напряжение холостого хода и коэффициент заполнения оставались относительно стабильными, что указывает на то, что рассогласование по току является основным ограничением на уровне модуля.

Исследователи также обнаружили, что группировка ячеек по сходному фототоку значительно снижает эти потери, а кольцевая архитектура соединения обеспечивает почти такую же производительность, как и идеальная конфигурация без рассогласования. При мощности 5 Вт кольцевые потери оставались на уровне ниже 3 % по сравнению с более чем 58 % для последовательной конфигурации и примерно 6 % для параллельной конфигурации.

Более того, кольцевая конфигурация обеспечила эффективность преобразования энергии на уровне 16,3 % при длине волны 806 нм по сравнению с 6,9 % для последовательного и 15,2 % для параллельного соединения, в то время как теоретический оптимальный показатель при длине волны 955 нм достигал 18,4 %.

Команда также пояснила, что три приемника продемонстрировали относительно хорошую угловую устойчивость: максимальная мощность в целом оставалась на уровне 80–90 % от номинального значения при угле падения 30°. Однако при угле 45° фототок и максимальная мощность существенно снижались, поскольку смещение луча выходило за пределы эффективной зоны сбора.

«В целом результаты показывают, что для высокоэффективного фотоэлектрического приема с использованием лазерного излучения в реальных условиях облучения необходимы эффективные стратегии балансировки тока и специальные схемы соединения», — заключили ученые. «В частности, при использовании высокоэффективных полупроводниковых приборов включение специализированных оптических элементов становится фундаментальным требованием к конструкции, позволяющим существенно уменьшить активную площадь полупроводника при сохранении высокой эффективности преобразования и углового допуска».

Другие исследователи из Университета Хаэна недавно разработали полупрозрачный солнечный фотоэлектрический модуль из кристаллического кремния с оптическими концентраторами на обратной стороне для применения в агровольтанике. Для использования в сельском хозяйстве он был разработан таким образом, чтобы сочетать высокую эффективность и оптическую прозрачность с минимальным затенением панели.