Солнечные элементы

Для оценки аэрозольного рассеяния пользуются понятием «мутность атмосферы». Прямой солнечный поток, ослабленный в результате аэрозольного рассеяния, можно определить по формуле

?_?=exp(-??^{– ?}m),

где ? — коэффициент мутности; ? — коэффициент, который называют показателем селективности.

Коэффициент мутности характеризует количество взвешенных в воздухе частиц, показатель селективности — состав частиц по размерам: чем мельче частицы, тем выше ? и тем большая часть излучения ослабляется в ультрафиолетовой и голубой областях спектра. Предполагается, что для различных атмосферных условий коэффициент ? изменяет свое значение от 0,8 до 2, а коэффициент ? — от 0,01 до 0,375.

При выводе обобщающей формулы, учитывающей все виды потерь солнечного излучения в процессе прохождения сквозь земную атмосферу, предполагалось, что спектральная плотность потока наземного излучения Солнца в узком интервале длин волн E_? зависит от спектрального потока внеатмосферного излучения E_o? в этом интервале следующим образом:

E_?=E_0? exp(-(c₁+c₂+c₃)m)T_?i,

где c₁, C₂ и c₃=??^{– ?} — изменение длины оптического пути соответственно из-за рэлеевского рассеяния, наличия слоя озона и запыленности воздуха; T_ki — коэффициент, учитывающий уменьшение прозрачности атмосферы вследствие полос молекулярного поглощения, который может быть выражен (в зависимости от спектрального положения полосы) с помощью одного из соотношений:

T_?1=exp(-c₄(?m) ^1/2 ), T_?2=exp(-c₅?m), T_?3=1-c₆m ^1/2

где c₄– c₆ — эмпирические константы.

В настоящее время разработаны различные модели атмосферы, с использованием которых можно рассчитывать на ЭВМ оптическое пропускание земной атмосферы по отношению к солнечному излучению.

C 1974–1975 гг. в странах, разрабатывающих солнечные элементы и батареи, начались активные исследования по выбору стандартного спектра наземного солнечного излучения применительно к измерению их параметров. Сначала был предложен стандартный солнечный спектр, соответствующий атмосферной массе m = 1, основанный, в свою очередь, на расчетах, в которых в качестве исходного спектра внеатмосферного излучения использовалось распределение Ф. Джонсона, при следующих условиях: слой осажденных паров воды 1,0 см, озона 3,5 мм при 200 аэрозольных частицах пыли в кубическом сантиметре воздуха. Суммарный поток такого стандартного наземного солнечного излучения (обычно обозначаемый как солнечное излучение для условий AM1) 917 Вт/м², прямая составляющая этого излучения равна 865 Вт/м².

Следует отметить, что условия, близкие к AM1, наблюдаются практически только в тропиках и на средних широтах в высокогорье. В связи с этим были продолжены работы по выбору стандартного спектра и оптимальных методов измерения, наиболее полно отражающих условия эксплуатации большинства наземных фотоэлектрических установок,

В 1975 г. в США была разработана временная методика испытаний солнечных элементов наземного назначения, предусматривающая три способа измерений: на естественном солнечном излучении с использованием эталонных солнечных элементов, с применением неселективных радиометров и на солнечных имитаторах. В методике описываются приборы и оборудование, необходимые для проведения испытаний, рекомендуются способы градуировки эталонных элементов. В качестве стандартных предложены условия облучения при атмосферной массе т=2 и следующих параметрах атмосферы: толщина слоя осажденных паров воды 2,0 см, озона 3,4 мм; коэффициент мутности ?=0,04; показатель селективности при аэрозольном поглощении ?=1,3 (такой спектр наземного излучения обозначается как условия АМ2). Спектральное распределение энергии солнечного излучения при стандартных условиях получено расчетным путем на основе спектра внеатмосферного излучения, выведенного ?. П. Такаекарой. В качестве стандартной принята температура 28±2^o С.

Однако условия АМ2 тоже недостаточно точно соответствуют средним условиям работы наземных солнечных элементов и батарей, особенно летом в южных районах. В связи с этим временная методика была переработана. В усовершенствованной методике в качестве стандарта приняты условия, соответствующие атмосферной массе m=1,5 (обозначаемые как условия AM1,5). Считается, что толщина слоя осажденных паров воды составляет 2,0 см, озона — 3,4 мм, коэффициент мутности ?=0,12 и показатель селективности ?=1,3. Плотность прямого потока в спектре AM1,5 равна 834,6 Вт/м². Этот спектр представлен кривой 3 на рис. 1.1 и приведен в табл. 2 Приложения.

Детальному изучению вопросы метрологии солнечных элементов подверглись на советско-американском семинаре в сентябре 1977 г. в Ашхабаде. После подробного обсуждения специалистами разных стран, в том числе Великобритании, СССР, США и Франции, в 1982 г. методика измерений солнечных элементов при условии AM1,5 была взята за основу выбора стандартного спектра Международной электротехнической комиссией ООН. Используя этот спектр наземного солнечного излучения, а также другие расчетные и экспериментальные спектры прямого солнечного излучения, можно оценить эффективность использования солнечных элементов из различных полупроводниковых материалов в разнообразных климатических и географических условиях. Однако следует учитывать, что солнечные элементы, работающие без концентраторов излучения, преобразуют в электроэнергию не только прямое, но и диффузное солнечное излучение, в том числе ту его часть, которая определяется молекулярным рэлеевским рассеянием атмосферы. Диффузная составляющая излучения неба может быть весьма значительной даже в ясные дни, что хорошо видно из данных, приведенных на рис. 1.4 и 1.5.

Рис. 1.4. Спектральное распределение энергии суммарного (1, 1?) наземного солнечного излучения при т = 2 и ? = 0,1 и его диффузной составляющей (2, 2?)

1,2 — расчет; 1?, 2' — эксперимент

Рис. 1.5. Спектральная зависимость относительных потоков, проходящих сквозь атмосферу, прямой (1) и рассеянной (2) радиации (-E_отн) для различных высот Солнца над горизонтом

а — 90°; б — 60, в — 30; г — 10°

В связи с этим в 1986 г. Технический комитет № 82 Международной электротехнической комиссии ООН принял решение выбрать в качестве стандартного при измерениях солнечных элементов и батарей наземного применения поток полного солнечного излучения, равный 1000 Вт/м² со спектром, характерным для условий AM1,5 при альбедо подстилающей поверхности 0,2. Спектральное распределение излучения этого стандартного наземного спектра представлено кривой 2 на рис. 1.1 и в табличной форме приведено в табл. 3 Приложения.

В настоящее время создана и успешно применяется методика измерений солнечных элементов наземного использования, единая для стран — членов СЭВ. Наиболее активное участие в ее разработке принимали специалисты из НРБ, ВНР, МНР, ПНР, СССР и ЧССР. Методика включает измерения характеристик солнечных элементов на естественном Солнце, на имитаторах Солнца, а также на сконцентрированном солнечном излучении. При ее разработке учитывалась возможность согласования условий измерения в более широком международном масштабе; в ней использован опыт исследований, проводившихся в разных странах мира. В качестве стандарта приняты два варианта условий облучения: m=1, E=1000 Вт/м²; m=1,5 — E_пp=850 Вт/м². Параметры атмосферы в обоих случаях одинаковы: слой осажденных паров воды 2,0 см, озона 3,4 мм, коэффициент мутности ?=0,12 и показатель селективности ?=1,3.

Согласно этой методике характеристики солнечных элементов можно измерять в прямом и полном потоках излучения.

Здесь, вероятно, следует подробнее остановиться на общепринятых определениях прямого и полного потоков солнечного излучения и на методах их измерения в традиционной светотехнике.

Прямым называют поток лучистой энергии Солнца, приходящий на единицу поверхности плоского приемника, расположенного перпендикулярно падающим лучам. Речь идет, следовательно, об энергетической облученности, создаваемой Солнцем при нормальном падении лучей. Термин «прямое» указывает на то, что имеется в виду излучение, приходящее непосредственно от Солнца, без какого бы то ни было дополнительного учета рассеянной или отраженной радиации.