Анализ и выбор монохроматоров для фототермогенератора селективного излучения

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена общему описанию фототермогенератора и решению одной из задач – выбору монохроматора с оптимальными характеристиками для использования в селективном генераторе фототермогена. Дано краткое описание структуры и принципов работы фототермогенератора селективного излучения. Анализируются технико-экономические характеристики различных типов монохроматоров для использования в структуре фототермогенератора.

ABSTRACT

This work is devoted to the general description of a photothermogen generator and the solution of one of the problems – the choice of a monochromator with optimal characteristics for use in a selective photothermogen generator. A brief description is given of the structure and principles of operation of the selective radiation photothermogenerator. The technical and economic characteristics of various types of monochromators for use in the structure of a photothermogenerator are analyzed.

Ключевые слова: фототермогенератор, селективное излучение, спектр излучения, спектральная зависимость, монохроматизация, монохроматоры, светофильтры.

Keywords: photothermogenerator, selective radiation, emission spectrum, spectral dependence, monochromatization, monochromators, light filters.

Введение. Несмотря на многолетние исследования, вопрос повышения эффективности преобразования солнечного излучения в электрическую энергию с помощью полупроводниковых фотопреобразователей (ФП) все-таки остается актуальным. В этом плане проделано много работы, и, разумеется, в результатах этих исследований есть заметный положительный исход. Однако из-за основной причины, смысл которой заключается в сильной спектральной зависимости коэффициента преобразования от спектрального состава падающего излучения, до сих пор задача до конца не решается. Наряду со спектральной зависимостью коэффициента полезного действия (КПД) СЭ есть проблема температурной зависимости этого параметра. Хотя последняя решается добавлением в конструкцию солнечных преобразователей дополнительных охладителей, все-таки устранение громоздкости солнечных источников электрической энергии является не только весогабаритной проблемой, но и экономически нецелесообразной.

На наш взгляд, создание и внедрение фототермоэлектрического преобразователя (ФТЭП) с раздельной нагрузкой и избранного излучения будет давать положительный результат. Настоящая работа посвящена общему описанию фототермогенератора и решению одной из задач – выбор монохроматора с оптимальными характеристиками для использования в фототермогенераторе [7] селективного излучения.

Обзор литературы. Впервые экспериментально со стороны В.Н. Малевского, А.Н. Смирновой и Б.В. Тарнижевским [2] (Россия) рассмотрены возможности прямого преобразования энергии солнечного света в электрическую с помощью фото- и термоэлектрических комбинированных преобразователей энергии. Однако в этой работе спад коэффициента полезного действия фотоэлектрического преобразователя с ростом температуры был настолько высок, что рост к.п.д. термоэлектрического преобразователя не смог компенсировать этот спад. В результате создание первичных гибридных систем казалось безуспешным. Затем Е.К. Иорданишвили, С.М. Городецким и А.М. Касимахуновой показано [1], что для получения таких систем необходимо выбрать солнечные элементы с наилучшими электрофизическими параметрами из термоэлектрических материалов с высокой термоэлектрической добротностью.

Спустя несколько лет с аналогичной работой появились материалы ученых из Баку. Там тоже была выдвинута эта идея. Позже появилась работа, проделанная F. Attivissimo,  A.D. Nisio,  A.M. Lucia and  M. Paul (Италия) [5], где была доказана экономическая эффективность фотоэлектрических и термоэлектрических модулей. В этой работе не считается важным вклад термоэлектрического преобразования энергии. Поскольку здесь преобладающим является спектральный состав излучения и на поверхность термоэлемента попадает «холодный» спектр излучения, перегрев горячих спаев до необходимых температур был невозможен, в результате которого эффект преобразования был неощутим.

Специалистами из восточных стран также были проделаны определенные работы по созданию интегрированных гибридных систем. Например, Syed Amjad Ahmad, Muhammad Yasar Javed и другими [4] также было предложено повышение эффективности фотоэлектрического модуля с помощью термоэлектрического генератора (ТЭГ). Ими при использовании ТЭГ было зафиксировано минимальное падение температуры на 9 °C и максимум 15 °C на 4 ячейки. Сравнивая падение температуры, полученное с помощью ТЭГ и теплообменника, с указанными значениями, отмечали улучшение выходной мощности на 7,5 %. Был сделан вывод о том, что с помощью ТЭГ не только падает температура в модуле, но и энергия может быть получена от ТЭГ, отличных от солнечного элемента. По предположению этих исследователей, отработанное тепло, вырабатываемое в солнечном элементе, также можно использовать для производства энергии с использованием ТЭГ.

До сегодняшнего дня в совершенствование конструкций и повышение эффективности преобразования гибридной системы внесла определенный вклад группа профессоров А.М. Касимахуновой [6] и М.Н. Турсунова [3], каждый из которых развивал технологические аспекты в соответствии со своими целевыми установками и задачами.

Постановка задачи. Таким образом, в мировом масштабе решены несколько актуальных проблем, в частности, по созданию комбинированных гибридных систем. Но из вышеизложенного следует, что пока еще не найдены способы устранения практически отрицательного влияния температуры на значение коэффициента полезного действия фотоэлектрических преобразователей. Остаются нерешенным научно-технические проблемы, которые связаны со спектральной зависимостью генерационно-рекомбинационных процессов, в частности, задача создания инструментов, методов и технологий для оптимального разделения фотоактивной части светового пучка и передачи непосредственно на поверхность фотоэлектрической батареи в фототермогенераторе.

Теоретический анализ. В связи с выше сказанным одной из важных задач технико-исследовательских работ является выбор устройства, позволяющего без больших проблем выделить искомый диапазон спектрального излучения, потому что имеющиеся в эксплуатации большинство источников излучения оптического диапазона, кроме некоторых типов лазеров, испускают широкий спектр длин волн. А решение проблемы выделения узкозонного спектра является достаточно сложным. Только в идеальном случае возможно выделить излучения одной длины волны. И, как известно, не все приборы могут быть идеальными приборами, позволяющими выдать экспериментатору свет одной длины, не имея некоторых недостатков.

Прибор, служащий для выделения фотоактивного излучения, должен удовлетворять нескольким конструктивно-технологическим, проектным и технико-экономическим условиям. Кроме того, важными являются и весогабаритные характеристики. Причиной предъявления таких требований является, во-первых, то, что выбираемый прибор намереваются расположить в оптическую ось между фотоприемником и излучателем. Значит, его расположение не должно быть помехой на пути светового пучка. В противном случае потеря световой энергии неизбежна. Во-вторых, пространственное расположение разделенных световых излучений должно быть настолько удобно, чтобы размещение как фотопреобразователя, так и термопреобразователя для восприятия именно избранного излучения не представлялось сложным. В-третьих, прибор не должен иметь сложной и дорогой конструкции, а должен быть доступным, простым и недорогим.

В связи с вышеизложенным проведем анализ физики оптических явлений в некоторых наиболее широко распространенных приборах, служащих для распределения интегрального светового потока на спектры различных длин волн.

Одним из наиболее простейших способом монохроматизации светового пучка является пропускание его сквозь слой вещества, обладающий селективной прозрачностью. Их обычно называют фильтрами. Анализ показывает, что применение фильтров, несмотря на то что имеется возможность получения определенного спектра света, невыгодно, потому что для селективного фототермопреобразователя с помощью таких фильтров, если даже удается подбор и выделение соотвествующего спектра, исключается возможность использования отрезанных излучений. Значит, в этом случае по идее должен работать только один преобразователь. Это, однако, не дает шанс на достижение поставленной цели. Использование каких-то допольнительных устройств с целью направления только загромождает всю преобразовательную систему. Этот вариант не целесообразен не только по весогабаритными показателями, но и с точки зрения экономики и технических условий. На наш взгляд, фильтры могут быть полезными только для повышения к.п.д. фотоэлектрического преобразователя, выбранного отдельно. Тогда фильтр способствует понижению температуры СЭ и немного повышает к.п.д. преобразования.

Следующим устройством распределителя интегрального светового потока являются интерференционные фильтры. Сузить область прозрачности можно интерференцией в тонких плоскопараллельных пластинках. Конструкция интерференционных фильтров такова: они представляют собой стеклянные пластинки площадью несколько квадратных сантиметров. Одна из сторон пластины покрыта последовательно полупрозрачной пленкой металла (серебра или алюминия), диэлектрической пленкой, вторым полупрозрачным слоем материала и для защиты от механических повреждений закрыта второй стеклянной пластиной.

Существуют интерференционные-поляризационные светофильтры. В таких фильтрах слои оптических анизотропных материалов размещаются между поляроидами.

В настоящее время промышленные предприятия выпускают различные светофильтры. К ним относятся отрезающие, узкополосные и полосовые для диапазона длин волн от 0,22 до 25,0 мкм. Первые из них пропускают длинноволновое излучение и отрезают его от коротковолновой области спектра.

Наиболее распространенными конструкциями устройств распределения светового потока на излучения различной длины волны являются монохроматоры на остаточных лучах. Принцип работы основан на спектрах отражения ионных кристаллов. При этом коэффициент отражения близок к 100 %. После многократного отражения от пластинок из такого материала получается значительная монохроматизация светового пучка.

Среди существующих различных типов устройств, предназначенных для наших целей, наиболее распространенными приборами, выделяющими из сложного спектра источника необходимый участок длин волн, являются монохроматоры с использованием дисперсии (зависимости показателя преломления от длины волны) прозрачных для соответствующего участка спектра материалов, из которых изготовляются призмы.

Проанализировав данные производств промышленных предприятий нескольких стран, можно убедиться в том, что в настоящее время выпущены для ультрафиолетового диапазона монохраматоры типа СФ-10 и другие с призмой из кварца; для видимого диапазона – УМ-2 с призмами из различных сортов стекла; для инфракрасного диапазона – ЗМР-3, ИКС-12, ИКМ-1, ИКС-21 с призмами из стекла (флинтглас Ф-1 для области 0,5–1,7 мкм), фтористого литиве (для области 0,9–5,5 мкм), каменной соли (NaCl для области 3–15 мкм), сильвина (KCl для области 9–18 мкм), бромистого калия (kBr для области 16–25 мкм).

Следующим прибором разделения светового потока являются дифракционные монохроматоры. В развитых конструкциях спектральных приборов диспергирующим элементом является отражательная дифракционная решетка. Для различных диапазонов спектра следует подбирать соотвествующие решетки.

Так, например, для видимого диапазона можно применять прозрачные решетки, а для ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов следует использовать отражательные решетки. Это объясняется следующими: для этих областей спектра нет материалов, достаточно хорошо прозрачных и удовлетворяющих технологическим требованиям при нарезании штрихов решетки.

В теоретических расчетах для определение распределения длин волн в спектре, даваемом отражательными решетками, используется формула

                                                                        (1)

где –порядок спектра, -постоянная решетки, углы падения и дифракции соответственно.

Отметим, что дифракционные решетки дают не один, как призмы, а несколько порядков спектра (m = 1, 2, 3… в формуле (1). Эти спектры накладываются друг на друга. В связи с этим для получения «чистого» спектра необходимо применять предварительную фильтрацию. Предварительная фильтрация может быть осуществлена одним или несколькими более грубыми методами монохроматизации. Об этих методах сведения вкратце приведены выше, а более подробную информацию можно получить из учебной и научной литературы.

В качестве примера можно привести следующее. В спектрометрах для ближней инфракрасной области, чтобы разделить порядки спектра, желательно использовать монохроматизацию с применением призм малой дисперсии. Этот метод в спектрометрах для длинноволновой области инфракрасных лучей неприменим, потому что отсутствуют прозрачные материалы в достаточном количестве для изготовления призм.

В технике и промышленности имеются приборы, работающие на основе метода двойного пропускания разлагаемого пучка через призму с применением одного коллиматорного объектива. И оно носит название «метод автоколлимации».

В этих коллиматорах существуют определенные зависимости ширин щелей от длины волны. Эти зависимости соответствуют нескольким призмам. Например, для призм Ф-1, LiF, NaCl, KCl, K Br приборов ИКС-11-12. При проведении экспериментальных исследований измеряемой величины от длины волны (энергии квантов) можно указать спектральную ширину щели в наиболее важных участках спектра. Для того чтобы правильно выявить спектр, присущий данному эффекту или веществу, в тех участках, где измеряемая величина и ее производные по длине волны сильно зависят от , спектральная ширина щели должна быть минимальной.

Использование таких монохроматоров также является трудоемким, потому что сами по себе монохраматоры перечисленных марок обладают достаточно большими весогабаритными характеристиками. И этот недостаток сразу отражается при установке их в оптическую ось. Поэтому при выборе того или иного прибора для разделения интегрального пучка на спектры различных длин волн необходимо учесть и эту проблему.

Выводы. Каждый фотоэлектрический преобразователь обладает определенной зоной спектральной чувствительности и эффективно может преобразовывать в электрическую энергию фотоактивные кванты. Существуют различные конструкции монохроматоров излучения, однако большинство из них обладают громоздкими габаритами. Приспособление, предназначенное для распределения светового излучения, должно быть компактным и легким – не должно затенять максимальную площадь поверхности фотоэлектрических и термоэлектрических преобразователей энергии. Наиболее оптимальным распределителем света является набор, состоящий из оптических линз и дифракционной решетки. Следует разработать специальную методику распределения светового потока по различным длинам волн и оценку значения падающей мощности по фронтальным поверхностям преобразователей.

Список литературы:
1. Исследование энергетических характеристик фототермоэлементов / С.Н. Борисов, С.М. Городецкий, Е.К. Иорданишвили, Т.Л. Любашевская [и др.] // Гелиотехника. – 1980. – № 3. – С. 5–10.
2. Малевский В.Н., Смирнова А.Н., Тарнижевский Б.В. Состояние и перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Гелиотехника. – 1968. – № 3. – С. 29–35.
3. Фототермопреобразователь // Патент на полезную модель № FAP 00793. 18.07.2011 // Лутпуллаев С.Л., Турсунов М.Н., Дадамухамедов С., Юлдашев И.А.
4. Efficiency Improvement of Photovoltaic Module by Thermo Electric Generator / Syed Amjad Ahmad, Muhammad Yasar Javed, Zafar Abas, Muhammad Abdullah Zafar [et al.] // NFC-IEFR Journal of Engineering & Scientific Research. – 2017. – № 1.0011. – Р. 1014.
5. Feasibility of a Photovoltaic-Thermoelectric Generator: Performance Analysis and Simulation Results / F. Attivissimo, A.D. Nisio, A.M. Lucia and M. Paul // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 2015, May. – № 64. – P. 1158–1169.
6. Highly Efficient Conversion of Solar Energy by the Photoelectric Converter and a Thermoelectric Converter, Scientific Research Publishing / A.M. Kasimakhunova, Sh.A. Olimov, L.K. Mamadalieva, R. Nurdinova [et al.] // Journal of Applied Mathematics and Physics. – 2018. – № 40. – P. 520–529.
7. Photo Thermal Generator of Selective Radiation Structural and Energetic Features / A.M. Kasimakhunova [et al.] // Journal of Applied Mathematics and Physics. – 2019. – № 07. – P. 1263–1271.