Солнечные элементы

М. М. Колтун

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

*

Рецензенты:

доктор технических наук

В. А. ГРИЛИХЕС,

доктор технических наук

Б. В. ТАРНИЖЕВСКИЙ

© Издательство «Наука», 1987 г.

Предисловие

Впервые энергия солнечного излучения была преобразована в электрическую энергию с достаточно высоким КПД с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, которые вскоре получили название солнечных элементов. Электронная аппаратура спутника Земли или автономной метеостанции, заброшенной в горах, мгновенно оживает, когда на соединенную с ней электрическими проводами солнечную батарею-набор тонких (толщиной в доли миллиметра!) полупроводниковых солнечных элементов — падает солнечный свет.

Большой путь пройден наукой о солнечном фотоэлектричестве за короткий период времени — около тридцати лет — с момента разработки в СССР и США первых солнечных батарей из кремния и арсенида галлия, которые можно было рассматривать как энергетические установки.

Обеспечение полетов пилотируемых космических кораблей, искусственных спутников Земли, межпланетных станций требует затраты значительных количеств электроэнергии, потребляемой системами автоматики, управления, связи, жизнеобеспечения т. п. После доставки на Луну советского лунохода электрическая энергия впервые в мире стала использоваться для передвижения автоматов на других небесных телах. Необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры — от +200 до —200oC) не позволяют широко использовать в условиях Луны известные на Земле традиционные методы получения электричества.

Для выработки на борту космических аппаратов электроэнергии чаще всего применяют солнечные электростанции. Электрогенерирующая система состоит, как правило, из первичного основного генератора — полупроводниковых преобразователей солнечной энергии (солнечных батарей), системы автоматики, химического накопителя энергии (аккумуляторной батареи), который запасает выработанную первичным генератором энергию и отдает ее приборам станции по мере необходимости.

Построенные по этому принципу системы энергоснабжения уже длительное время успешно применяются на космических аппаратах различного назначения — искусственных спутниках Земли, автоматических межпланетных станциях, направляемых на Венеру и к Марсу, на первой в мире пилотируемой орбитальной станции «Салют» и новой усовершенствованной станции «Мир». За время, прошедшее с 1958 г., когда первая советская солнечная батарея успешно функционировала на третьем искусственном спутнике Земли, а американская — на спутнике «Авангард», в области прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей достигнут большой прогресс.

Усовершенствование технологии полупроводниковых материалов, получение широкого класса новых полупроводников с высокой степенью очистки от примесей, успехи теории физических процессов в полупроводниковых приборах позволили в последние годы увеличить КПД полупроводниковых преобразователей солнечного излучения в электрическую энергию.

Основу работы этих приборов составляет процесс взаимодействия солнечного света с кристаллом полупроводника, во время которого фотоны высвобождают в кристаллах электроны — носители электрического заряда. Специально созданные в объеме кристалла области с сильным электрическим полем (например, так называемые р-n-переходы) улавливают возникшие электроны и разделяют их таким образом, что в цепи прибора начинает протекать ток, и к потребителю поступает электрическая энергия значительной мощности.

Работа в космосе предъявляет солнечным элементам очень жесткие и подчас противоречивые требования. Действительно, поглощая возможно больше световой энергии, они не должны перегреваться. Кроме этого, солнечные батареи должны обладать способностью длительное время противостоять потокам корпускулярного излучения, действию частиц высоких энергий, быть радиационно стойкими при минимальном их весе.

Солнечные элементы и батареи — немногие из полупроводниковых приборов, работающих в открытом космосе. В то время как диоды и транзисторы размещаются в герметизированных, иногда теплоизолированных приборных отсеках, панели с солнечными батареями нагреваются до 80 °C, когда их освещает Солнце, и остывают до —150 °C во время захода космических аппаратов в тень Земли, испытывают воздействие ультрафиолетовой области излучения Солнца и микрометеоритных потоков.

Кроме большого количества сложных полупроводниковых приборов, солнечная батарея содержит оптическую систему, избирательно пропускающую в полупроводник только полезное излучение и одновременно защищающую его от нежелательного воздействия потоков корпускулярной радиации, а также увеличивающую излучательную способность освещаемой и тыльной поверхностей солнечных элементов.

Солнечные батареи доказали свою незаменимость, высокую надежность и долговечность при работе на борту космических аппаратов, особенно после того как удалось защитить их от неблагоприятных воздействий окружающей среды.

Начались успешные испытания солнечных батарей на Земле, изучение параметров и ресурса батарей при эксплуатации в тяжелых климатических условиях, поиски оптимальных конструктивных решений, выбор лучших герметизирующих и светостойких материалов, изолирующих от внешней среды тонкие хрупкие полупроводниковые кристаллы, пленки и ленты, из которых получают сейчас элементы для наземного применения. И здесь учеными многих стран получены обнадеживающие результаты. В СССР уже около десяти лет более ста фотоэлектрических электростанций бесперебойно снабжают электроэнергией речные бакены, сигнальные огни, системы аварийной связи, лампы маяков и многие другие объекты, расположенные в районах труднодоступных для доставки топлива и энергоснабжения.

Электрическую мощность от 100 до 200 Вт можно получить с 1 м2 современных солнечных батарей на ярком свету, и при этом не происходит никакого загрязнения окружающей среды вредными химическими веществами, отработанной теплотой и т. п. Солнечные батареи, несомненно, являются чистым источником энергии. Они все шире будут применяться в космосе и на Земле, по мере того как все промышленные страны мира будут проникаться убеждением в недопустимости загрязнения окружающей среды при использовании традиционных способов получения электроэнергии.

Значительные результаты достигнуты сейчас не только при практическом использовании солнечной энергии, но и в разработке теоретических основ прямого преобразования солнечной энергии. Недавно удалось показать, что фотоэлектрический метод преобразования теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначально считали, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26 %, т. е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин. За успехами теории, что уже было не раз доказано историей науки, должны последовать практические достижения. Первые подтверждения этому недавно появились — были экспериментально получены полупроводниковые каскадные солнечные элементы с КПД около 30 %.

Преобразование энергии в современных солнечных элементах с высоким КПД основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры солнечного элемента может быть получена в наиболее простом случае легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание р-n-переходов), либо (в более сложных структурах) соединением различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны (получение гетеропереходов), или же за счет изменения химического состава полупроводника, что приводит к появлению градиента ширины запрещенной зоны (разработка варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования солнечной энергии зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры солнечного элемента, а также от его оптических свойств, из которых наиболее важна фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Затронутые выше вопросы теории и практики солнечных элементов подробно, доступно и вместе с тем достаточно строго освещены в предлагаемой читателю научно-популярной книге профессора Μ. М. Колтуна. Автор книги — известный исследователь, разработавший ряд новых солнечных элементов и батарей, создавший системы просветляющих, радиационно стойких и теплоотражающих оптических покрытий, защищающих солнечные элементы от воздействия радиации и температурных перегревов даже при работе около горячей Венеры или на поверхности Луны.

В настоящей книге изложены физические основы и принцип действия солнечных элементов из разных материалов, описаны разнообразные конструкции элементов, представлены их основные оптические и электрофизические характеристики.

H. С. Лидоренко

Глава 1

СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В КОСМОСЕ И НА ЗЕМЛЕ

Состав электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем, и природа происходящих при этом физических явлении

Солнце представляет собой удаленный от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию подобно абсолютно черному телу при температуре 5785 К (приближение, которое наиболее часто используется). Энергия поступает на Землю главным образом в форме электромагнитного излучения в спектральном диапазоне от коротких радиоволн длиной 30 м до рентгеновских лучей с длиной волны 10-10 м. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной областях спектра.

Почти пять миллиардов лет в недрах Солнца происходят термоядерные реакции — превращение ядер водорода в ядра гелия, приводящие к освобождению огромного количества энергии. Ведь в глубине Солнца температура достигает 15–20 млн град. Ежесекундно 600 млн т водорода в недрах Солнца превращаются в гелий, однако масса Солнца столь велика, что за миллиарды лет она уменьшилась лишь на доли процента. Масса Солнца составляет 2×1027 т, что более чем в 330 тыс. раз больше массы Земли!

Существует две основных последовательности ядерных превращений водорода в гелий в ядре Солнца. Один из этих процессов — углеродно-азотный цикл, в котором в конечном счете ядро атома углерода поглощает четыре протона, излучает два позитрона (положительно заряженные античастицы по отношению к электрону) и превращается в нестабильное ядро атома кислорода. Затем ядро атома кислорода распадается на ядра углерода и гелия. Таким образом, восстанавливается первоначальное ядро углерода, и общий эффект состоит в превращении четырех протопоп в одно ядро гелия,

Вторая последовательность — это протон-протонная реакция, в которой два протона сталкиваются и излучают позитрон и нейтрино при образовании дейтерия, тяжелого изотопа водорода, в ядре которого существуют как нейтрон, так и протон. Другой протон добавляется к дейтерию, образуя легкий изотоп гелия, гелий-3. Затем два ядра гелия-3 объединяются и образуют одно ядро обычного гелия, гелия-4, и два свободных протона. Результат здесь снова состоит в объединении четырех протонов в ядро гелия. Количество высвобождающейся энергии примерно в миллион раз больше энергии, выделяемой в химической реакции горения.

Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите. Небольшая вытянутость орбиты порождает годовые колебания интенсивности солнечного излучения, достигающего Земли. Наклон (угол относительно нормали к плоскости орбиты Земли) оси собственного вращения Земли, близкий к 23,5°, приводит к сезонным изменениям высоты Солнца над земным горизонтом. Диаметр Солнца составляет около 1,39×109 м. C Земли Солнце выглядит диском с угловым размером 31o59′. Это средний угловой диаметр; его годовое изменение составляет ±1,7 %.

Солнце имеет непрерывный спектр излучения, пересекаемый в некоторых местах темными линиями поглощения (так называемыми фраунгоферовыми линиями), влиянием которых при энергетических расчетах можно пренебречь. Распределение энергии в спектре Солнца весьма неравномерно, и истинная кривая спектральной плотности потока как внеатмосферного, так и наземного солнечного излучения имеет довольно сложный вид (рис. 1.1).

Интегральная плотность потока солнечного излучения, падающего нормально на поверхность, может быть определена интегрированием спектральной плотности в диапазоне изменения длины волны от нуля до бесконечности. Эта величина для околоземного космоса изменяется незначительно, поскольку расстояние от Земли до Солнца при ее движении по орбите отклоняется лишь в пределах 98,3—101,7 % от среднего расстояния, что приводит к соответствующим сезонным изменениям плотности потока солнечного излучения.

Рис. 1.1. Спектральное распределение энергии солнечного излучения

1 —внеатмосферного 1360 Вт/м2; 2 — наземного полного 1000 Вт/м2, 3 — наземного прямого 834,6 Вт/м2.

Рассматривая энергетические характеристики солнечного излучения, необходимо обратить внимание на одну особенность представления кривых спектрального распределения плотности потока лучистой энергии Солнца (рис. 1.1). На графиках, характеризующих это спектральное распределение, по оси ординат откладывается обычно величина размерность которой не совпадает с размерностью какой-либо энергетической величины, например, поверхностной плотности потока излучения Е (Вт/м2). Как правило, величина E_λ отнесена к единичному интервалу параметра, откладываемого по оси абсцисс, в частности, длины волны излучения (см. рис. 1.1), что облегчает последующие расчеты, в которых используется эта величина (позволяющие, в частности, определить спектральную чувствительность и КПД солнечных элементов). Однако в результате собственно энергетическая величина, определяемая выражением E_λdλ, оказывается неразрывно связанной с интервалом по оси абсцисс, а вид кривой спектрального распределения будет меняться в зависимости от параметра, отложенного по этой оси, например, внешний вид кривой изменится, если по оси абсцисс откладывать значение не длины волны, а частоты излучения. Известный закон смещения Вина дает возможность определить только координату графического максимума кривой, но эта координата может не соответствовать максимуму собственно энергетической величины, например, спектральному положению максимальной энергетической отдачи. Это означает, что специальным выбором шкалы абсцисс спектральной кривой солнечного излучения можно придать вид кривой с максимумом в любой заранее заданной области спектра.

Рис. 1.2. Спектральные характеристики излучения в логарифмической шкале длин волн

1 — Солнце; 2 — абсолютно черное тело при T_c= = 5785 К; 3 — относительная мощность солнечного излучения

В связи с этим во многих работах в качестве наиболее показательной для графического представления спектральной характеристики выбрана логарифмическая шкала длин волн. Использование такой шкалы позволяет выразить спектральную плотность солнечного излучения в единицах поверхностной плотности лучистого потока (Вт/м2), отнесенных к спектральному интервалу, на протяжении которого длина волны излучения меняется в e=2,718… раз (так называемому пелесину — нн). В этом случае (рис. 1.2) максимум кривой распределения солнечного излучения находится там, где имеет место максимальная энергетическая отдача в узком спектральном интервале, а ход кривой отражает спектральную зависимость квантового выхода излучения. На рис. 1.2 изображена также кривая z(λ), характеризующая относительную мощность солнечного излучения, приходящуюся на длины волн меньше заданной (в процентах от полного значения).

Распределение плотности потока излучения, испускаемого Солнцем, по его поверхности достаточно равномерное, но объемный характер излучения приводит к некоторому спаду яркости от центра солнечного диска к краю.

В центре солнечного диска визуальная яркость в 1,22 раза больше средней. Ближе к краю яркость диска уменьшается, изменяется спектр излучения (относительное содержание красных лучей по мере удаления от центра диска возрастает), вследствие того что цветовая температура по краям ниже, чем в центре.

Весь поток излучения передается к внешним частям Солнца радиационным путем, и только в области, расположенной непосредственно под видимой поверхностью Солнца, имеет место конвективный процесс передачи энергии. Фотосфера, видимая поверхность Солнца, в действительности представляет собой очень тонкий слой, толщиной всего несколько сотен километров. Лучи, поступающие от краев солнечного диска, проходят сквозь относительно большие толщи вещества, поэтому от глубоких, более горячих слоев фотосферы приходит сравнительно меньший поток излучения, что вызывает так называемое потемнение к краю диска. Покраснение излучения к краю диска объясняется тем, что длинноволновая часть излучения легче, чем коротковолновая, проникает сквозь толщи вещества.

Космическое солнечное излучение

на границе с атмосферой Земли

Для точных измерений КПД солнечных элементов необходимо обеспечить полное воспроизведение стандартных параметров солнечного излучения, таких, как плотность потока, спектральное и угловое распределение энергии, однородность и стабильность потока. Стандартные параметры солнечного излучения должны быть согласованы — в данном случае между разработчиками солнечных элементов в разных странах мира.

При измерении характеристик солнечных элементов, предназначенных для космоса, в качестве стандарта повсеместно приняты условия, соответствующие условиям солнечного облучения плоскости, расположенной по нормали к направлению на Солнце и удаленной от неги на расстояние, равное одной астрономической единице (среднее расстояние от Земли до Солнца). Энергетическую облученность E_c, соответствующую этим условиям (фактически, условиям площадки, расположенной на границе между атмосферой Земли и космосом), называют солнечной постоянной. Угловой размер Солнца при этом составляет 31′59″, следовательно, в каждую точку освещаемой элементарной площадки попадает пучок лучей, заключенный в конусе с углом ±16′. Поток излучения идеально однороден.

На протяжении последних пятидесяти лет принятое значение солнечной постоянной уточнялось не один раз: в 1923 г. в первых работах по солнечным элементам использовалось 1350 Вт/м2, предложенное К. Дж. Абботом; в 1954 г. Ф. Джонсон получил 1393 Вт/м2; в начале 70-х годов в качестве стандарта было выбрано 1353 Вт/м2, выведенное в США Μ. П. Такаекарой; в настоящее время наиболее достоверным считается 1360 Вт/м2, определенное в СССР Е. А. Макаровой и А. В. Харитоновым.

Зная абсолютное значение солнечной постоянной, можно найти энергию, которая поступила на поверхность солнечных элементов и батарей, работающих во внеатмосферных условиях, что требуется при расчетах их КПД. Однако, чтобы определить полезную электрическую энергию, полученную от солнечного элемента, необходимо точно измерить также спектральное распределение падающей радиации, особенно в интервале спектральной чувствительности современных солнечных элементов (для элементов из кремния — от 0,3 до 1,1 мкм).

Спектральное распределение энергии излучения Солнца неоднократно измерялось как с поверхности Земли, так и непосредственно за пределами атмосферы.

Анализ разнообразной научной информации о характеристиках солнечного излучения дает все основания отдать предпочтение спектральному распределению, предложенному Макаровой и Харитоновым, которое приводится в табл. 1 Приложения.

Именно это распределение используется сейчас и Европейским космическим центром при определении КПД солнечных элементов.

Изменение солнечной постоянной вследствие цикличности солнечной активности изучалось многими исследователями. Анализ наземных измерений солнечной постоянной показывает, что среднее квадратическое отклонение результатов ее определения, связанное с явлениями, происходящими на Солнце, составляет ±0,1 %, а с возможными колебаниями поглощения радиации внутри орбиты Земли — ±0,14 %. Высотные измерения показали, что во вторую половину 22-летнего солнечного цикла солнечная постоянная изменилась не более чем на 0,75 %. Дальнейшие исследования с помощью аппаратуры, установленной на ориентируемых космических станциях, позволят определить изменения солнечной постоянной за больший период времени.

Реальные условия эксплуатации батарей космического назначения незначительно отличаются от условий, принятых в качестве стандарта. Спектральное распределение энергии излучения (среднее по диску) постоянно по всей области пространства, где работают космические аппараты. Угловая расходимость пучка отличается не слишком сильно, составляя на среднем расстоянии орбиты Меркурия около ±42′, Венеры ±22′, Марса ±11′, Юпитера ±3′. По вычислениям, выполненным применительно к астрономическим условиям, характерным для 80-х годов нашего столетия, при солнечной постоянной 1360 Вт/м2 плотность потока солнечного излучения на границе атмосферы Земля изменяется от среднего значения в пределах ±3,5 % — от 1406 Вт/м2 в начале января каждого года, когда Земля находится на минимальном расстоянии от Солнца, до 1315 Вт/м2 в июле, когда Земля расположена в дальней точке орбиты.

Для прогнозирования выходной мощности расположенных на низколетящих спутниках Земли батарей, состоящих из солнечных элементов, способных преобразовывать в электрическую энергию и ту часть солнечного излучения, которое может попасть на тыльную поверхность батареи, необходимо знать интегральный коэффициент отражения солнечного излучения от поверхности Земли (альбедо Земли). Величина альбедо может колебаться в зависимости от рельефа местности, состояния атмосферы и облачности в значительных пределах: от 0,1 (ясная погода) до 0,9 (Земля покрыта плотным слоем облаков). Обычно в среднем альбедо Земли для большинства орбит низколетящих спутников составляет 0,35—0,3.

Отраженное от Земли и ее облачного покрова солнечное излучение, так же как и тепловое излучение Земли в инфракрасной области спектра, влияет и на рабочую температуру космических аппаратов. Поток собственного теплового излучения Земли, попадающий на солнечную батарею, оценивается обычно для низколетящих спутников Земли величиной 200–300 Вт/м2. Его влияние проявляется не только в повышении равновесной температуры батареи на освещаемой части орбиты (явление несомненно отрицательное из-за заметного падения мощности батареи с ростом температуры), но и в подогреве батареи на участке орбиты, проходящем в тени Земли, что предохраняет батарею от чрезмерно резкого термоциклирования и положительно сказывается на ее работоспособности при длительной эксплуатации на орбите.

Вернемся к основному назначению солнечных элементов и батарей — преобразовывать излучение Солнца в электроэнергию с возможно большей эффективностью. Установлено, что в сравнительно узком спектральном интервале от 0,3 до 1,1 мкм разница в значениях суммарного количества падающей на кремниевые солнечные элементы радиации, определяемого при использовании солнечной постоянной по разным литературным источникам, не очень велика и составляет: 991 Вт/м2 (Μ. П. Такаекара), 1039 Вт/м2 (Ф. Джонсон), 1014 Вт/м2 (Е. А. Макарова и А. В. Харитонов).

Сравнение различных спектральных кривых распределения энергии излучения внеатмосферного Солнца показывает, что в области между максимумами излучения Солнца и спектральной чувствительности кремниевых солнечных элементов (0,6–0,8 мкм) распределение Джонсона (несмотря на значительное отличие в солнечной постоянной) ближе к распределению Макаровой и Харитонова, чем распределение Такаекары.

Этот вывод подтвердился при определении интегрального фототока кремниевых солнечных элементов по кривым спектрального распределения излучение Солнца (исходя из спектральных зависимостей чувствительности элементов) и путем экстраполяции к нулевой воздушной массе результатов натурных измерений, выполненных в первой половине 70-х годов зарубежными исследователями на острове Мальта и советскими — на высокогорной станции Государственного астрономического института им. Штернберга вблизи Алма-Аты. Если данные расчетов фототока с использованием спектрального распределения Джонсона принять за 100 %, то интегральный фототок, определенный по спектру Макаровой и Харитонова, составит 99,3 %, а по спектру Такаекары — 95,7 %, что существенно отличается от первых двух значений.

Эксперименты на острове Мальта и на высокогорной станции около Алма-Аты и расчет по спектру Макаровой и Харитонова дают прекрасно согласующиеся между собой результаты.

Для определения во внеатмосферных условиях КПД солнечных элементов и батарей из самых разнообразных полупроводниковых материалов в настоящее время наиболее целесообразно использовать спектральное распределение солнечного излучения за пределами земной атмосферы, предложенное Е. А. Макаровой и А. В. Харитоновым.

Поглощение солнечного излучения в атмосфере и характеристики наземного солнечного излучения

Плотность потока и спектр солнечного излучения на поверхности Земли зависят от высоты Солнца над горизонтом, от высоты местности над уровнем моря, от состояния атмосферы и оптических свойств подстилающей поверхности.

Высота Солнца над горизонтом определяет длину пути лучей в атмосфере, для определения которой введена специальная величина, называемая оптической массой атмосферы т. Единичной атмосферной массе соответствует путь, пройденный солнечными лучами при вертикальном падении до уровня моря. Для плоскопараллельной модели атмосферы оптическая масса на уровне моря практически равна косекансу высоты Солнца. Для реальной атмосферы это соотношение хорошо выполняется, начиная от угла 10°

Атмосферным массам (на уровне моря) 1; 1,5; 2; 3; 5 соответствуют следующие значения высоты Солнца: 90o, 41o49′, 30o, 19o27′ и 11o32′. Атмосферная, или воздушная, масса зависит также от высоты местности над уровнем моря: с увеличением высоты значение атмосферной массы снижается пропорционально давлению воздуха. На верхней границе атмосферы масса равна нулю, что обычно обозначается как условия AM0, в то время как наземным измерениям соответствуют условия AM1, AM1,5 и т. д.

Воздушная масса принимается равной единице на Земле на уровне моря при ясном безоблачном небе, когда Солнце находится в зените и лучи его попадают перпендикулярно на поверхность измеряемых элементов (атмосферное давление в этом случае p₀= 1,013×105 Па).

Воздушная масса в любой точке земной поверхности может быть определена по уравнению

m=p/p₀ sin θ=p cosec θ/p₀,

где р — давление воздуха в данной точке поверхности Земли; Θ — угол, определяющий высоту Солнца над линией горизонта.

Состав атмосферы существенно влияет на параметры наземного солнечного излучения. Проходя сквозь атмосферу, космическое солнечное излучение претерпевает поглощение и рассеяние.

Поглощение обусловлено целым рядом составляющих атмосферы: водяным паром, озоном, кислородом, углекислым газом и др. В основном поглощение определяется водяным паром. Рассеяние вызывается молекулами газов (рэлеевское рассеяние) и аэрозолями. Аэрозольное рассеяние зависит от количества и размера частиц пыли, взвешенной в атмосфере.

Солнечное излучение, прошедшее сквозь атмосферу, с учетом рэлеевского рассеяния может быть оценено как

τ_r=exp(-0,008735λ~4,08mp/p₀).

Пропускание, уменьшенное из-за поглощения парами воды, характеризуется частью солнечных лучей, прошедших сквозь атмосферу в спектральных областях полос поглощения воды:

τ_ω=exp(-k_ω(λ)ω),

где k_ω (λ) — коэффициент поглощения солнечного излучения парами воды; ω — слой осажденных паров воды в атмосфере.

Следует отметить, что поглощение парами воды и постоянными составляющими атмосферы, такими, как озон, кислород, углекислый газ, аммиак, весьма селективно. Эмпирические соотношения для расчета поглощения каждой из этих составляющих атмосферы выведены, но значительно более наглядное представление о задержке ими проходящего на Землю солнечного излучения можно получить из рис. 1.3.

Рис. 1.3. Селективное спектральное поглощение солнечного излучения отдельными составляющими атмосферы при воздушной массе т = 1, толщине слоя осажденных паров воды 2 см и приведенной толщине слоя озона 2 мм (при нормальных температуре и давлении)

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

τ_α=exp(-βλ-αm),

где β — коэффициент мутности; α — коэффициент, который называют показателем селективности.

Коэффициент мутности характеризует количество взвешенных в воздухе частиц, показатель селективности — состав частиц по размерам: чем мельче частицы, тем выше α и тем большая часть излучения ослабляется в ультрафиолетовой и голубой областях спектра. Предполагается, что для различных атмосферных условий коэффициент α изменяет свое значение от 0,8 до 2, а коэффициент β — 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_λ зависит от спектрального потока внеатмосферного излучения E_oλ в этом интервале следующим образом:

E_λ=E_0λ exp(-(c₁+c₂+c₃)m)T_λi,

где c₁, C₂ и c₃=βλ-α — 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_λ1=exp(-c₄(ωm)½), T_λ2=exp(-c₅ωm), T_λ3=1-c₆m½

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 β=0,04; показатель селективности при аэрозольном поглощении α=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 Μ. П. Такаекарой. В качестве стандартной принята температура 28±2o 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 β=0,12 и показатель селективности α=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.