Ежегодно в мире растет число телекоммуникационных сетей и устройств. Неотъемлемое условие их бесперебойной работы — наличие электропитания в любой точке. Однако иногда оборудование размещается в таком месте, куда проводить электрический кабель сложно, дорого и даже опасно: это касается высоковольтных датчиков, антенн сотовой связи, оборудования на взрыво- и пожароопасном производстве. В таких случаях используют оптоволокно: оно передает свет, который затем трансформируется в электричество с помощью специального устройства — фотоэлектрического преобразователя. Проблема в том, что в процессе он сильно нагревается, из-за чего хуже работает и быстрее ломается. Ученые Пермского Политеха разработали такую конструкцию, которая обладает эффективной системой теплоотвода и не нуждается в дополнительном внешнем охлаждении. Это позволит снизить рабочую температуру кристалла на 30-40°С и повысить эффективность его работы на 10%.
На полезную модель выдан патент № 232070. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Оптоволоконные кабели способны передавать мощность в виде светового излучения, которое генерируется лазерным источником. На стороне питаемого устройства находится особая конструкция — фотоэлектрический преобразователь, который превращает световую энергию в электрическую. За этот процесс отвечает кристалл из полупроводниковых материалов (например, кремния) — ключевой элемент, «сердце» устройства, где и происходит фотоэлектрический эффект. Эта технология передачи энергии по оптоволокну, называемая Power-over-Fiber (PoF), также снижает риск возгорания проводки, защищает линию питания от помех, уменьшает ее габариты и вес.
Проблема в том, что в процессе преобразования энергии выделяется много тепла, и кристалл начинает перегреваться, что снижает его эффективность и ускоряет разрушение материалов. Существующие приборы стабилизации его температуры слишком громоздки и сложны в эксплуатации, либо имеют высокую стоимость.
Ученые Пермского Политеха разработали такую конструкцию устройства, которая обладает эффективной системой теплоотвода, не тратит на это энергию и не нуждается в дополнительном внешнем охлаждении.
— Разработка представляет собой модуль (деталь) фотоэлектрического преобразователя. Кристалл для переработки света в электроэнергию расположен на теплоотводящей площадке внутри полой конструкции, которая состоит из четырех согнутых и спаянных вместе теплопроводящих трубок. Их нижние части загнуты, а к верхним прикреплены радиаторы, которые отдают тепло в воздух. Вся эта конструкция усилена четырьмя штифтами (крепежами) и закрывается крышкой. Таким образом, для отвода тепла не нужны дополнительные вентиляторы или другое активное охлаждение, — рассказывает Алексей Гаркушин, научный сотрудник кафедры общей физики ПНИПУ.
— Модуль работает следующим образом. Свет от оптоволокна через разъем поступает внутрь устройства. Там он многократно отражается от поверхностей медных трубок и попадает на кристалл, который преобразует его в электроэнергию. Как следствие, выделяется тепло; чтобы кристалл не перегрелся, оно быстро передается сначала на теплоотводящую площадку, потом на трубки, и далее — на радиатор, который рассеивает его в воздух. Такая конструкция позволяет снизить рабочую температуру кристалла на 30-40°С, что в свою очередь повышает эффективность преобразования энергии не менее чем на 10%, — поясняет Виктор Криштоп, профессор кафедры «Общая физика», доктор физико-математических наук.
Конструкция фотоэлектрического преобразователя, разработанная учеными Пермского Политеха, эффективно отводит тепло и решает проблему перегрева кристалла, что повышает его эффективность и надежность. Это не только улучшает эксплуатационные характеристики оборудования, но и снижает риски, связанные с его использованием в опасных зонах.
