Солнечные элементы

Колтун Марк Михайлович

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.

Наряду с измерениями прямого солнечного излучения большое теоретическое и практическое значение имеют повседневные измерения суммарного, или полного, солнечного излучения (суммы прямого и рассеянного излучений), приходящего на горизонтальную поверхность.

Самый общий метод измерения потоков солнечного излучения основан на способности ряда устройств преобразовывать солнечную энергию в тепло, причем для измерения количества получаемого тепла используются достоверные и точные классические калориметрические методы.

Успешно может быть использован метод определения количества электроэнергии, необходимой для нагрева теплоносителя до тех же значений температуры, что и при воздействии солнечного излучения (электрическая компенсация), и нулевой метод, сводящийся к измерению превышения температуры или температурной разности. При абсолютных измерениях определяется нагрев хорошо известного количества воды. При относительных менее точных измерениях определяется скорость нагрева приемника (серебряного диска), или разность температуры приемника, находящегося в равновесии с окружающей средой, и температуры окружающей среды, которая предполагается изотермичной. Измерения проводятся, например, при помощи биметаллических термометров или термопар.

В первом приближении полагают, что теплообмен, осуществляемый за счет теплопроводности, конвекции и излучения, пропорционален разности температур. Очевидно, что эта гипотеза приемлема в большинстве случаев для небольших разностей температур. Таким образом, можно установить линейную зависимость падающей энергии от разности температур, так как равновесная температура приемника определяется балансом энергии, поступающей извне и теряемой в окружающую среду путем теплопроводности, конвекции и излучения приемной поверхности.

Для измерения прямого излучения Солнца используются пиргелиометры, приемная поверхность которых всегда перпендикулярна потоку. Приборы такого же типа для повседневных наблюдений называются также актинометрами.

Приборы для измерения суммарного солнечного излучения называются пиранометрами. В качестве приемников обычно употребляются термоэлементы, расположенные в горизонтальной плоскости.

В солнечной фотоэнергетике солнечное излучение превращается в электроэнергию полупроводниковыми преобразователями, обладающими селективной спектральной чувствительностью. В связи с этим определение как прямого, так и полного потоков солнечного излучения должно осуществляться не с помощью пиргелиометров и пиранометров, а с помощью эталонных солнечных элементов, с такой же селективной спектральной чувствительностью, как у измеряемых элементов и батарей. Конструкция и градуировка эталонных солнечных элементов будут подробно рассмотрены в гл. 3. Здесь же следует указать, что от соответствия спектральных чувствительностей эталонного и измеряемых солнечных элементов и батарей будет решающим образом зависеть точность определения КПД и выходной мощности фотоэнергетических устройств.

При измерениях в прямом потоке исследуемые и эталонные элементы должны быть ориентированы на Солнце с точностью 2°, причем их поле зрения следует ограничить углом 10°. Измерения можно проводить при плотности потока излучения (определяемой по эталонному элементу) не менее 750 Вт/м² при m<=3.

При измерениях в полном потоке измеряемый и эталонный элементы ориентируются на Солнце с точностью ±5° и устанавливаются под углом к горизонтальной плоскости не более 60°. Плотность потока излучения должна быть не менее 800 Вт/м², атмосферная масса — не более 2. Мутность атмосферы, облачность и альбедо подстилающей поверхности контролируются в период измерений по общему действию рассеянного излучения на солнечные элементы: отношение тока эталонного элемента при измерениях в полном потоке, к току, измеряемому в прямом потоке, не должно превышать 1,3. Поле зрения эталонного элемента при измерении плотности прямого потока необходимо снизить до 10°.