СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №1/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 20 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 1 2015 пил американский учёный Питер Глей- зер. Проект предусматривал размеще- ние на орбите платформы, состоящей из солнечных батарей. Собранная энер- гия должна с помощью СВЧ-излучения или лазера передаваться на Землю, где она будет преобразована в электри- чество. Авторы подобных проектов утверждали, что излучение из космо- са не повлияет на состояние ионосфе- ры и атмосферы благодаря тому, что будет выбран диапазон частот излу- чения, который ими поглощается сла- бо. Микроволны могут передавать- ся через атмосферу Земли на частоте 2,45…5,8 ГГц. Оптимальным считается нижний диапазон – дальнейшее уве- личение частоты невыгодно, посколь- ку СВЧ-излучение имеет более высо- кий уровень атмосферной адсорбции. Наряду со сложнейшей задачей транспортировки электрической энергии на Землю, учёные обозначи- ли и другую проблему. При создании подобного комплекса необходимо мак- симально повысить эффективность преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию для минимизации площади платфор- мы на орбите. В настоящее время пред- ложен ряд концептуальных решений. Физики из университета Осаки созда- ли необычный керамический мате- риал, содержащий хром и неодим. Комбинированная батарея на основе кристаллического кремния преобра- зует падающий свет (весь солнечный спектр) в лазерный луч с необычайно высокой эффективностью – 42%. Такая батарея была разработана и изготовле- на консорциумом, созданным универ- ситетом Делавэра и компанией DuPont. В приборе применена расщепляю- щая спектр и концентрирующая опти- ка, которая разделяет свет на три части с высокой, средней и низкой энергией лучей и направляет их на три участка солнечной батареи, покрытые тремя разными светочувствительными соста- вами. Концентратор обладает широким углом восприятия лучей, что устраняет необходимость применения системы слежения за Солнцем и поворота бата- рей. Учёные считают, что данный пре- образователь сыграет ключевую роль в японском проекте геостационарной солнечной электростанции SSPS (Space Solar Power System) (см. рис. 3). Окончательный проект такой стан- ции ещё не готов, но японцы утверж- дают, что платформа с солнечны- ми батареями общей площадью 4 км 2 может переправлять на Землю доста- точно мощный и слабо расходящийся луч, который на Земле будет преобразо- ван в электрическую энергию. Выход- ная мощность такой станции может достигать 1 ГВт. Запуск и развёртыва- ние столь крупного космического аппа- рата – сложная и дорогостоящая зада- ча. Для участия в проекте стоимостью $21 млрд объединились 16 крупнейших японских компаний во главе с корпора- циями Mitsubishi Electric и IHI. В тече- ние четырёх лет они планируют разра- ботать и сконструировать конкретные устройства для транспортировки пане- лей на стационарную орбиту высотой 36 000 км, а также для сборки панелей и передачи электроэнергии на Землю с минимальными потерями. Первый опыт по передаче электричества с орби- ты планируется провести в 2015 году, а окончательный ввод системы в экс- плуатацию намечен на 2030 год. П РЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МОЩНОЕ ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ К лазерам с прямым преобразовани- ем солнечного излучения предъявля- ются следующие требования: а) наличие широкой (и, по возмож- ности, непрерывной) полосы погло- щения в области спектра, где сосре- доточена основная доля излучения накачки; б) существование процессов, приво- дящих при поглощении излучения к образованию инверсной населён- ности уровней; в) восстанавливаемость химического состава лазерной смеси, в которой под действием излучения возмож- но протекание различных химиче- ских реакций. Если накачка активной среды осу- ществляется непосредственно скон- центрированным солнечным светом, то вышеуказанные требования долж- ны выполняться, естественно, и систе- мами, поглощающими излучение пре- имущественно в видимой области спектра. Однако, в принципе, возмож- но создание солнечного лазера, в кото- ром для накачки используется излуче- ние, трансформированное с помощью чёрного тела из видимой области спек- тра в его инфракрасную часть. Какой же должна быть мощность лазерной установки, чтобы говорить о её применении для передачи энергии? Большой интерес представляют твёрдотельные иттрий-неодимовые лазеры N:(YAG) американской ком- пании Northrop Grumman, суммарная мощность которых достигает 120 кВт, и волоконные непрерывные лазеры на иттербии российской компании «ИРЭ- Полюс», выходная мощность которых достигает 100 и более киловатт. Такие лазеры могут иметь двойное назначе- ние (оборонное и гражданское приме- нение) в качестве дальномеров, систем обнаружения, сварки и резки сверх- твёрдых металлов и применяться для решения ещё целого ряда задач, не под- дающихся решению другими техноло- гиями и техническими средствами. Волоконные лазеры сочетают в се- бе свойства генераторов излучения (лазерных диодов), усилителей излу- чения и высокоэффективных светово- дов. Волоконные лазеры переживают период бурного развития. Например, волоконные непрерывные лазеры на иттербии ( Δλ = 1,05–1,08 мкм) достиг- ли весьма впечатляющих параметров (см. таблицу 1). В петербургском институте лазерной физики ГОИ им. С.И. Вавилова разра- ботана концепция системы прямого преобразования солнечной энергии в лазерное излучение на базе фуллерен- кислород-йодного лазера (см. рис. 4). Показаны преимущества этой системы Рис. 3. Проект геостационарной солнечной электростанции SSPS (иллюстрация NSS/Mafic Studios): а – платформа с солнечным коллектором; б – передача энергии на Землю а б