В лабораторных установках оптическая накачка применяется сравнительно давно, накоплен большой опыт в использовании различных рабочих тел, организации процессов накачки, генерации излучения и вывода его из установки. Тем не менее, использование этого принципа в мощных лазерах солнечных КСЭС сталкивается с рядом трудностей.

 

Во-первых, полный системный КПД таких энергоизлучающих систем (отношение оптической мощности лазера к падающей на коллектор мощности солнечного излучения) составляет всего 0,5-4%. Следовательно, КСЭС на базе подобных систем должны обладать огромными светособирающими поверхностями. Это не только приводит к большим габаритам и массам конструкции КСЭС, но и трудновыполнимым требованиям к солнечным коллекторам. При использовании принципа прямой солнечной накачки активной среды лазера последние представляют собой концентраторы солнечного излучения с высокими требуемыми степенями концентрации, к точности поверхности которых предъявляются жесткие требования, плохо совместимые с большими габаритами.

 

Во-вторых, обладающие необходимым для эффективной накачки активной среды коэффициентом концентрации солнечного излучения параболоидные концентраторы дают фокальное изображение в виде круга, что затрудняет равномерное возбуждение активной среды в протяженной лазерной трубке-резонаторе, располагаемой перпендикулярно оптической оси отражателя. Отчасти данная проблема может быть решена использованием дополнительных оптических элементов, например, устройства, состоящего из расположенной коаксиально с лазерной трубкой зеркальной трубки с внутренней отражающей поверхностью. Тем не менее, устранить принципиальные ограничения, связанные, например, с малым телесным углом подвода энергии, по всей видимости, не удастся. Поэтому рассматривались варианты накачки лазерных трубок тепловым излучением нагреваемых внутренних стенок полостного приемника.

 

В-третьих, малое значение полного КПД энергоизлучательной системы с прямой солнечной накачкой во многом связано с тем, что для накачки используется лишь узкая полоса солнечного спектра. Поскольку остальная часть спектра в значительной степени будет поглощена конструкционными элементами системы, необходимость их охлаждения может привести к неприемлемо большим мощности и массе системы теплоотвода. Частично эта проблема может быть решена за счет использования концентраторов с селективно-отражающими покрытиями.

 

Схема солнечной двухконтурной энергоизлучательной системы с тепловой накачкой и двумя концентраторами солнечного излучения:

1 — концентраторы; 2 — приемники сконцентрированного излучения;

3 — теплообменник лазерного контура; 4 — газодинамический лазер; 5 — диффузор; 6 — рекуператор лазерного контура; 7 — компрессоры; 8 — теплообменники системы отвода тепла; 9 — насосы циркуляционных контуров; 10 — холодильники-излучатели; 11 — рекуператор энергетического контура; 12 — турбина

 

Солнечные энергоизлучательные системы с тепловой накачкой отличаются тем, что в них энергия солнечного излучения преобразуется в тепловую, которая в дальнейшем используется для возбуждения рабочего тела газодинамических лазеров. В таких системах предлагается использовать два основных контура: машинный энергетический, функционирующий по циклу Брайтона (с регенерацией) или циклу Ренкина, и лазерный. При использовании в энергетическом контуре цикла Брайтона (газотурбинного преобразователя) тепловая энергия раздельно подводится к каждому контуру с помощью систем концентратор-приемник (рис. выше). В системе с циклом Ренкина (паротурбинной установкой) требуется только один приемник-концентратор для подвода энергии в энергетический цикл, а в лазерный контур энергия подводится посредством высокотемпературного компрессора (рис. ниже).

 

Схема солнечной двухконтурной энергоизлучательной системы с тепловой накачкой и одним концентратором солнечного излучения:

1 — концентратор; 2 — приемник-парогенератор; 3 — паровая турбина; 4 — насос;

5 — высокотемпературный компрессор; 6 — газодинамический лазер; 7 — диффузор; 8 — холодильник-излучатель; 9 — радиатор-конденсатор; 10 — рекуператор