Проблема точных измерений неразрывно связана с обеспечением точ­ного воспроизведения стандартных параметров солнечного излуче­ния, таких, как плотность потока, спектральное и угловое распре­деление энергии, однородность и стабильность потока.

Внеатмосферное солнечное излучение

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 него на расстояние, равное одной астрономической единице (сред­нее расстояние от Земли до Солнца). Энергетическую облученность, соответствующую этим условиям, называют солнечной постоянной. Угловой размер Солнца при этом составляет ЗІ’Ь9" [355], следо­вательно, в каждую точку освещаемой элементарной площадки по­падает пучок лучей, заключенный в конусе с углом ±16′. Поток из­лучения идеально одонороден.

Спектральное распределение энергии излучения Солнца неодно­кратно измерялось как с поверхности Земли, так и непосредственно за пределами атмосферы. Причем значения солнечной постоянной, вы­водимые по результатам измерений в разных условиях, не совпа­дают. Комитет по солнечной радиации США в качестве стандарта принял данные, полученные М. П. Текаекарой и А. Дж. Драммон­дом путем усреднения результатов внетропосферных измерений [356, 357]. При этом принято значение солнечной постоянной 1353 Вт/м2. Е. А. Макарова и А. В. Харитонов вывели спектральное распреде­ление, основанной на усреднении всех достоверных результатов из­мерений, как наземных, так и высотных [358]. На основании ре­зультатов только внеатмосферных измерений предложено значение солнечной постоянной 1360 Вт/м2. Усреднение спектрального распре­деления, проведенное К. Алленом [359], учитывало практически результаты лишь наземных измерений, при этом значение солнеч­ной постоянной предлагалось также равным 1360 Вт/м2. Данные этих же измерений были взяты за основу модели солнечного излу­чения, описанной в публикации [360].

Анализ информации о характеристиках солнечного излучения [361] дает все основания отдать предпочтение спектральному рас­пределению, предложенному Макаровой и Харитоновым. Именно это распределение используется и Европейским космическим цент­ром [362].

Работы по уточнению значения солнечной постоянной продолжа­ются. По результатам измерений на космических аппаратах и ра­кетах ее средневзвешенное значение 1370 Вт/м2 [363]. Изменение солнечной постоянной вследствие цикличности солнечной активно­сти изучалось многими исследователями [364]. Анализ наземных измерений солнечной постоянной [365] 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 нй 0,75% [363]. Дальнейшие исследования с помощью аппаратуры, установленной на ориентируемых космических стан­циях, позволят определить изменения солнечной постоянной за боль­ший период времени.

Реальные условия эксплуатации солнечных 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 на эпоху 1980 г., при солнечной по­стоянной 1360 Вт/м2 плотность потока солнечного излучения на гра­нице атмосферы Земли 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 (табл. 4.1) [366].

Более подробные сведения о внеатмосферном солнечном излуче­нии суммированы в обзоре [367].

При проектировании солнечных батарей двусторонней [146, 5] или прозрачной в инфракрасной области солнечного спектра [ 109— 111] конструкции для низколетящих спутников Земли [143, 149] необходимо учитывать также данные об альбедо Земли по отноше­нию к падающему солнечному излучению [365, 368].

Потемнение солнечного диска к краям отмечалось во многих ра­ботах; имеются необходимые для тепловых расчетов космических аппаратов и солнечных батарей сведения о собственном тепловом излучении Землй й других планет и значения их альбедо [367].

Внеатмосферный спектр Солнца, как показывают измерения, от­личается от спектра абсолютно черного тела при температуре 5785 К (приближение, которое наиболее часто используется). 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.

Таким образом, на протяжении последних пятидесяти лет при­нятое значение солнечной постоянной уточнялось не один раз: в 1923 г. в первых работах по солнечным элементам [82] исполь­зовалось 1350 Вт/м2, предложенное К. Дж. Абботом; в 1954 г. Ф. Джонсон получил 1393 Вт/м2 [369]; в начале 70-х годов в ка­честве стандарта было принято 1353 Вт/м2, выведенное М. П. Та — каекарой [356, 357]; в настоящее время наиболее достоверным счи­тается 1360 Вт/м2, определенное Е. А. Макаровой и А. В. Харитоно­вым [356—362, 366, 370].

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).

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 [370]: 991 Вт/м2 [356]; 1039 Вт/м2 [369]; 1014 Вт/м2 [358].

Сравнение различных спектральных кривых распределения энер^ гии 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 излучения Солнца (исходя из спектральных зависи­мостей чувствительности элементов) и путем экстраполяции к нулевой воздушной массе результатов натурных измерений на о-ве Маль­та [370]. 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.

Эксперимент на о-ве Мальта [370] и расчет по спектру [358] 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 [358].

Наземное солнечное излучение

Выбор стандартных параметров наземного излучения усложняется значительной вариацией условий, при которых может работать сол­нечный элемент. Интенсивность 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. Вводится 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° [371]. Атмосферным массам (на уровне моря) 1; 1,5; 2; 3; 5 соот­ветствуют следующие значения высоты Солнца: 90°, 41°49′, 30°, 19°27′ и 11°32JP. 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.

Воздушная масса принимается равной единице на Земле на уров­не моря при ясном безоблачном небе, когда Солнце находится в зените и лучи его падают перпендикулярно на поверхность изме­ряемых элементов (атмосферное давление в этом случае р0= =1,013-105 Па).

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

т=р/рв sin 0=р cosec 0/ро, (4.1)

где р, 0 —давление воздуха и угол, определяющий высоту Солнца над линией горизонта, в данной точке поверхности Земли; р0= =1,013-105 Па.

Состав атмосферы существенно влияет на параметры излучения. Проходя сквозь атмосферу, радиация 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.

Пропускание атмосферы с учетом рэлеевского рассеяния может быть оценено по следующей формуле [372], определяющей часть солнечного излучения, прошедшего сквозь атмосферу после рэлеев — ского рассеяния:

тг=ехр(—0,008735Х-4,ов тр/р0).

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

т»=ехр (—кш (X) ю),

где кш (X) — коэффициент поглощения солнечного излучения парами воды; о — 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. Хотя подобраны эмпирические соот­ношения для расчета поглощения каждой из этих составляющих атмосферы, значительно более наглядное представление о задержке ими проходящего на Землю солнечного излучения можно получить из рис. 4.1 [373].

Для оценки аэрозольного рассеяния пользуются понятием «мут­ность атмосферы». Прямой солнечный поток, ослабленный в резуль­тате аэрозольного рассеяния, можно определить по следующей фор­муле [374]:

тв=ехр(—$Х~ат), (4.2)

где р — коэффициент мутности; а — коэффициент, который называют показателем селективности [375].

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

При выводе обобщающей формулы, учитывающей все виды по­терь солнечного излучения в процессе прохождения сквозь земную атмосферу [376], предполагалось, что спектральная плотность по­тока наземного солнечного излучения в узком интервале длин волн Ех зависит от спектрального потока внеатмосферного излучения Ео в этом интервале следующим образом:

ЕХ=Е0Х ехр (- (сі+с2+сз) т) Ти, (4.3)

где с1? с2 и с3={Мг* — изменение длины оптического пути соответ­ственно из-за рэлеевского рассеяния, наличия слоя озона и запылен­ности воздуха; Ти — коэффициент, учитывающий уменьшение про­зрачности атмосферы вследствие полос молекулярного поглощения, который может быть выражен (в зависимости от спектрального по-

ложения полосы) с помощью одного из соотношений:

Гл.^ехрС—сДсот)’), Гл2=ехр(—с5(от), Tx=i—c6m’h,

где с4—с6 — эмпирические константы [377, 378].

Разработаны различные модели атмосферы, с использованием ко­торых можно рассчитывать на ЭВМ оптическое пропускание зем­ной атмосферы по отношению к падающему солнечному излуче­нию [379].

Спектры наземного прямого солнечного излучения для значений воздушной массы от 0 до 5 при постоянных параметрах атмосферы (/>>о—1,013* 105 Па; о)=2 см; приведенная толщина слоя озона 2,8 мм; количество частиц пыли в воздухе d~300 см-3) были рассчитаны (рис. 4.2) исходя из спектра внеатмосферного излучения [82] по формуле

Ек=ЕХ0 ехр(—ахт), (4.4)

где а*. — коэффициент поглощения отдельными составляющими ат­мосферы в узком спектральном интервале [380]. При этом пропуска­ние атмосферы с учетом аэрозольного рассеяния рассчитывалось не по уравнению (4.1), а по формуле

та=ехр( —l,02-10“u"°’7’d).

Используя эти спектры наземного солнечного излучения, а так­же другие расчетные и экспериментальные (см., например, [381]), 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 и аэрозольным рассеянием атмосфе­ры. Диффузная составляющая излучения неба может быть весьма значительной даже в ясные дни (рис. 4.3) [374, 382]. Эксперимен­тальные данные, относящиеся как к суммарному, так и к диффузному потоку солнечного излучения для условий /71=1, представлены в ра­боте [383].

Кремниевые солнечные элементы, прозрачные в инфракрасной об­ласти спектра и снабженные зеркальными теплоотражающими по­крытиями [109—111, 141], имеют низкую равновесную рабочую температуру и могут быть широко использованы не только при со­здании батарей для межпланетных автоматических станций серии «Венера» [142], работающих в условиях повышенной освещенности, но и для изучения прямой и отраженной от Земли и ее облачного покрова солнечной радиации, что было подтверждено результатами натурных испытаний [354].

Солнечные батареи, устанавливаемые на низколетящих спутни­ках Земли (высота орбиты 200—400 км), необходимо защищать от перегрева, обусловленного альбедо Земли и ее тепловым излучением. Альбедо Земли, а следовательно, и тепловой режим солнечных ба­тарей сильно зависят от облачности и оптических свойств подсти­лающего рельефа местности. Количество отраженной солнечной радиации, поступающей на тыльную поверхность панелей солнеч­ных батарей, может быть в свою очередь измерено с помощью ори­ентированных на Землю (и экранированных от прямого солнечного света) датчиков из солнечных элементов, если их температура во время полета определяется каким-либо независимым способом.

Изучению перечисленного комплекса взаимосвязанных вопросов были посвящены эксперименты на низколетящих спутниках Земли серии «Космос», в частности на «Космосе-1061, -1280, -1301», пред назначенных для исследования природных ресурсов Земли в интере­сах различных отраслей народного хозяйства СССР и международ­ного сотрудничества.

На контейнере научной аппаратуры спутников укреплялись две прямоугольные панели с малогабаритными солнечными батареями и датчиками (рис. 3.18). Одна из панелей (нижняя) могла быть точно сориентирована на центр Земли, другая (верхняя) устанавли­валась перпендикулярно к направлению падения солнечных лучей в любой момент времени на трассе полета. На обеих панелях было размещено по четыре малогабаритных солнечных батареи, что по­зволило повысить надежность и достоверность получаемых резуль­татов. Каждая батарея, состоящая из 78 плоских модулей солнечных элементов размерами 54X40 мм, по конструкции аналогична солнеч­ным батареям для межпланетных автоматических станций «Вене­ра-9 и -10» [142]. Солнечные элементы и несущая панель прозрач­ны для инфракрасного излучения Солнца в диапазоне длин волн от 1,1 до 2,5 мкм, защищены от воздействия космической радиации и ультрафиолетового излучения Солнца тонкими стеклами из радиаци — онно стойкого стекла, приклеенными к просветленной поверхности кремниевых солнечных элементов прозрачным кремнийорганиче — ским каучуком (стабильность оптических свойств используемых сте­кол и каучука была подтверждена в ходе длительных испытаний в космосе [347]). На внутренней стороне защитных стекол (над местами, занятыми межэлементными контактными соединениями), создавались зеркальные теплоотражающие покрытия из алюминия [141]. На стекла, приклеиваемые к тыльной поверхности модулей, также наносилось сплошное теплоотражающее покрытие из алюми­ния (см. рис. 2.12), что позволило отражать не только лучи с дли­ной волны от 1,1 до 2,5 мкм, прошедшие через прозрачные солнеч­ные элементы, но и 83—85% падающего на тыльную поверхность

Рис. 3.18. Расположение на нескольких спутниках серии «Космос» плоских панелей с малогабаритными солнечными батареями

1,2 — обращенные к Земле и

Солнцу соответственно,

2 — контейнер с научной ап­паратурой,

I — направление на Солнце,

II — к Земле

Рис 3.19. Плотность потока отраженной от Земли и ее облачного покрова сол­нечной радиации, измеренная во время двух витков одного из спутников серии «Космос» (а), и изменение в течение второго витка напряжения холостого хода и температуры солнечных батарей (б)

1, 2 — на первом и втором витках соответственно, 3 — напряжение холостого хода обращенных к Солнцу батарей, 4, 5 — температура обращенных к Солнцу батарей и направленных на Землю соответственно
излучения в широком диапазоне солнечного спектра (от 0,3 до 25 мкм), отраженного от Земли и ее облачного покрова.

Две батареи на каждой из панелей работали в режиме тока ко­роткого замыкания, по значению которого можно было судить об уровне падающей на Землю (панель 2) и отраженной от Земли (панель 1) солнечной радиации. По напряжению холостого хода ос­тальных батарей (его температурная зависимость предварительно измерялась в лаборатории) определялась температура панелей.

Кроме того, на панели 2 был установлен специальный датчик ориентации панели на Солнце, выполненный из солнечных элемен­тов [17], а на панели 1 — электромеханический датчик ампер-часов многократного действия (по достижении отметки 10 А-ч барабан счетчика возвращался в исходное состояние).

Все использованные в экспериментах малогабаритные солнечные батареи имели весьма близкие значения тока короткого замыкания, тщательно измеренные на точных имитаторах внеатмосферного сол­нечного излучения в лабораторных условиях. Благодаря этому была получена исходная реперная точка — значение тока короткого за­мыкания батарей при плотности потока солнечного излучения 1360 Вт/м2 — и могла быть определена плотность потока отражен­ного от Земли излучения в любые моменты времени на орбите.

Характерное для низких орбит распределение по времени отра­женного от Земли солнечного излучения показано на рис. 319 Представленные данные получены на одном из спутников серии «Космос» в 1981 г. в течение витков с минимальной длительностью светлого участка (около 52 мин), когда необходимо обеспечить уве­личение мощности, генерируемой солнечными батареями, и отра­женная от Земли радиация является резервом для выработки до­полнительной мощности [143, 149]. Плоскости орбит, для которых характерны минимальные световые участки, лежат в плоскости па­дения светового потока. Плотность отраженного потока, как пра­вило, возрастает по обе стороны от линии зенита, поскольку условия отражения облачного покрова и попадания отраженного потока на тыльную сторону панелей в этих участках резко улучшаются.

Максимальные значения температуры панелей невелики (не пре­вышают 57—58° С в отличие от значений 70—75° С, характерных для солнечных элементов обычной конструкции [110]) даже для бата­рей панели 2 (см. рис. 3.18) вследствие использования солнечных элементов, прозрачных в инфракрасной области солнечного спектра, и теплоотражающих покрытий. На температуру панели 1 (см. рис. 3.18), как видно из рис. 3.19, влияет изменение количества падаю­щей на нее отраженной от Земли радиации (точки а и Ъ’ кривой 4 соответствуют точкам а и Ъ кривой 2).

Выполненные исследования показали возможность значитель­ного уменьшения рабочей температуры солнечных элементов и бата­рей с помощью зеркальных теплоотражающих покрытий, прозрач­ных в инфракрасной области спектра.

Определение коэффициента полезного действия
и метрологических характеристик
солнечных элементов и батарей

Хорошо известно, что для определения коэффициента полезного действия солнечных элементов и батарей необходимо (так же как в случае любых других преобразователей излучения) знать коли­чество энергии излучения, поступившей на солнечный элемент, и количество электроэнергии, выработанной им. Проблема, однако, ос­ложняется несколькими обстоятельствами:

энергия поступает к элементу в форме солнечного излучения, спектральный состав и мощность которого продолжают уточняться даже для внеатмосферных условий, а характеристики наземного сол­нечного излучения чрезвычайно сильно зависят от состояния атмос­феры и часто изменяются в течение весьма непродожительных пе­риодов времени;

создание имитаторов Солнца, копирующих по всем основным па­раметрам внеатмосферное или выбранное в качестве стандарта на­земное солнечное излучение, представляет собой сложную научно — техническую задачу;

при разработке стабильных эталонных солнечных элементов для настройки имитаторов Солнца, следует учитывать особенности опти­ческих и электрических свойств каждого типа элементов, в частности их спектральной-чувствительности; при измерении выходных элект­рических параметров элементов и батарей необходимо иметь в виду сильное влияние последовательного сопротивления элементов и со­противления измерительных приборов на получаемые значения.

Таким образом, определение КПД солнечных элементов и бата­рей представляет собой сложную комплексную проблему, и это вы­делило метрологию полупроводниковых преобразователей энергии излучения в самостоятельный раздел исследований по фотоэлектри­честву.

Метрологические задачи и вопросы точного определения КПД солнечных элементов, с одной стороны, и изучение их оптических характеристик — с другой, тесно связаны между собой. Общность используемых спектральных и интегральных оптических приборов и методов, решающее влияние свойств поверхности солнечных эле­ментов на их КПД, необходимость точно имитировать спектр сол­нечного излучения при измерении как КПД, так и оптйческих пара­метров элементов, высокие требования, предъявляемые в обоих слу­чаях к оптическим покрытиям на рабочих поверхностях преобразо­вателей солнечной энергии и элементов имитаторов солнечного

излучения,— все это объединяет две большие и важные области сов­ременной гелиоэнергетики.

Разработке и стандартизации точных методов измерения харак­теристик солнечных элементов и батарей уделяется большое вни­мание во всех странах, занимающихся использованием и преобразо­ванием солнечного излучения в другие формы энергии. Повышение интереса к работам в этой области вызвано значительными достиже­ниями на пути усовершенствования кремниевых элементов [2, 5, 13, 17—22], а также элементов с гетеропереходами на основе арсе­нида галлия [1, 19, 115—117, 156—168], что позволяет уже сейчас широко использовать солнечные батареи не только в космических, но и в наземных условиях, и закладывает основу для создания фо­тоэлектрических станций значительной мощности [1—3]. Проблемы, •связанные с обеспечением стабильности параметров современных сол­нечных элементов и батарей при длительной эксплуатации, можно считать в основном решенными [13, 142, 178, 183, 191, 347].

Измерение электрических характеристик солнечных элементов проводится для решения различных задач, в том числе: определение нормируемых параметров при приемо-сдаточных испытаниях; кон­троль за ходом технологических процессов; сортировка по КПД перед сборкой отдельных элементов и групп для их соединения с мини­мальными коммутационными потерями [13, 21]; прогнозирование электрических характеристик в различных нестационарных услови­ях работы; оптимизация параметров при разработке и исследовании новых типов солнечных элементов [5, 142, 149, 354]. Требования к условиям и точности измерений во всех случаях могут быть сущест­венно различными. Одной из наиболее важных является задача из­мерения характеристик готовой продукции при приемо-сдаточных (квалификационных) испытаниях. Такие измерения должны быть строго единообразными, а методы их проведения — достаточно точ­ными, позволяющими получать надежные воспроизводимые резуль­таты. Стандартизация методов измерений позволяет с высокой сте­пенью точности прогнозировать и определять нормируемые харак­теристики батарей при их проектировании, разработке и изготов­лении.

Защита наземных солнечных элементов и батарей, их просветляю­щих покрытий интерференционной толщины и контактов от ат­мосферных воздействий при работе в неблагоприятных климатиче­ских условиях осуществляется двумя основными способами:

приклейкой внешнего защитного стекла или полимера, армиро­ванного стекловолокном [344, 345] (приклейка осуществляется слоем светостойкого кремний органического каучука или фторсопо — лимера, возможно также тринлексирование тонких солнечных эле­ментов между двумя слоями стекла или фторсополимерной пленки методом горячего прессования под давлением);

заключением солнечных элементов, собранных в модули и груп­пы, в газонаполненные стеклянные трубчатые оболочки [346].

Последний способ позволяет стабилизировать во времени пара­метры чувствительных к воздействию внешних факторов тонко­пленочных солнечных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди—сульфид кадмия [347]. Регулирование состава газовой смеси внутри стеклянных оболочек, подпыление полупрозрачного слоя /-гптттипй порядка 100 А) меди поверх сульфида меди с последую­
щей термообработкой, нанесение диэлектрических просветляющих покрытий и защитных лаков позволили значительно улучшить ста­бильность свойств тонкопленочных солнечных элементов.

Четырехлетние ресурсные испытания модулей тонкопленочных солнечных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди—суль­фид кадмия (слой сульфида меди получен в результате химической обработки в растворе однохлористой меди), помещенных в газо­наполненные герметичные стеклянные оболочки, в естественных условиях под Москвой показали, что при оптимальном подборе за­щитных покрытий и заполнении рабочего объема осушенным газом деградация не превышает 5% за срок испытаний.

Испытания прозрачных теплоотражающих и проводящих покрытий

Оптимальное сочетание высокой прозрачности в области солнечного спектра с низким поверхностным слоевым сопротивлением и, сле­довательно, малым значением интегрального коэффициента излу­чения е обеспечивают селективные покрытия двух типов:

трехслойные структуры двуокись титана—серебро—двуокись ти­тана [46] или сульфид цинка—серебро—сульфид цинка [23, 307, 308], нанесенные на стекло методом термического испарения в вы­соком вакууме;

прозрачные проводящие оксиды на основе легированных широ­козонных полупроводников (двуокись олова, трехокись ИНДИЯ или их смеси, стапнаты кадмия), получаемые на поверхности стекла обычно методом химической пульверизации при гидролизе на воз­духе распыляемых растворов солей металлов или ионно-плазмен­ным напылением в вакууме при низком давлении инертного газа.

Трехслойные теплоотражающие покрытия на стекле из полу­прозрачных пленок серебра, просветленных с обеих сторон слоями сульфида цинка (система сульфид цинка—серебро—сульфид цинка), с интегральными коэффициентами пропускания в солнечной об­ласти Гс=0,65 и теплового излучения е=0,06 были использованы для проведения в вакууме эксперимента по отжигу радиационных дефектов (возникающих под влиянием корпускулярного облучения радиационных поясов Земли) в модулях солнечных батарей. Кон­структивная схема проведения этого эксперимента показана на рис. 3,17. Через минуту после включения лампы — имитатора вне­атмосферного Солнца с мощностью излучения #=1360 Вт/м2 на модуле солнечной батареи, расположенной в вакуумной камере, без использования какого-либо другого источника тепла была за­фиксирована температура 320° С, вполне достаточная для проведе­ния процессов отжига радиационных дефектов. Интегральный ко­эффициент теплового излучения модуля солнечной батареи состав­лял с лицевой поверхности 0,9, с тыльной 0,95. При увеличении прозрачности теплоотражающего покрытия, сквозь которое имити­рованное солнечное излучение попадает на модуль солнечной бата —

реи, равновесная температура отжига может быть поднята до 380— 400° С [323].

Прозрачные проводящие покрытия на основе смесей оксидов индия и олова (пленки ITO) использовались для экранирования электрической составляющей электромагнитного поля солнечных батарей [301]. Подобная экранировка была осуществлена для сол­нечных батарей спутника Земли «Интеркосмос—Болгария-1300», на борту которого находилась болгарская научная аппаратура, предназначенная для продолжения комплексных исследований фи-

Рис. 3.17. Схема эксперимента по отжигу в вакууме радиационных дефектов в моду­ле солнечной батареи из кремния

1 — лампа — имитатор внеатмосферного Солнца;

2— светофильтр;

3 — стекло;

4 — прозрачное теплоотражающее покрытие

ZnS—Ag—ZnS;

5 — модуль солнечной батареи из кремния;

в — теплоотражающая шторка из алюминиевой фольги с е=0,04

зических процессов, происходящих в ионо — и магнитосфере Земли, запущенного 7 августа 1981 года [348], и солнечных батарей спут­ника Земли «Ореол-3» с научной аппаратурой, разработанной со­ветскими и французскими специалистами в рамках совместного советско-французского проекта «Аркад-3» для изучения процессов, протекающих в магнито — и ионосфере Земли, и природы полярных сияний, запущенного на орбиту 21 сентября 1981 года [349].

Солнечные батареи обоих спутников со встречным расположе­нием электрических соединений и радиационно-защитными стекла­ми, размещенными по обеим сторонам модулей батареи, с нанесен­ными на их внешнюю поверхность прозрачными проводящими по­крытиями ІТО (поверхностное слоевое сопротивление порядка 1 кОм/П), электрически соединенные между собой и корпусом ап­паратов [350, 301], не вносят каких-либо искажений в работу на­учной аппаратуры спутников. Аналогично ранее проведенным на­турным испытаниям батарей на спутниках Земли «Эксплорер-31» и «Геос», где для экранирования электрической части собственного электромагнитного поля батарей использовались прозрачные элект­ропроводные покрытия на основе оксидов индия [21], эксперимен­ты на советско-болгарском и советско-французском спутниках Зем­ли показали, что наряду с многообразными задачами, успешно решенными с помощью оптических покрытий солнечных батарей, удалось справиться еще с одной значительной научной проблемой — созданием электромагнитно-чистых батарей. При этом благодаря оптийизации толщины и удельного сопротивления проводящих пле­нок просветляющие, радиационно-защитные и теплоизлучающие свойства покрытий сохраняются на прежнем уровне.

Исследование повышенных радиационно-защитных свойств стекол с накоплением объемного заряда

В 1973—1975 гг. на спутниках «Космос-605, -690 и -782» с биологи­ческими объектами на борту проведены эксперименты по радиа­ционной безопасности космических полетов, включавшие изучение новых перспективных средств защиты (от воздействия заряженных "частиц космического пространства), в частности таких, как диэлект­рическая защита, основанная на способности электростатического поля, созданного внутри диэлектрика, отклонять потоки заряженных частиц. В первых космических экспериментах исследовалась воз­можность поддержания сильного поля внутри диэлектриков с по­мощью высоковольтного бортового генератора, в последующих по­летах отклоняющее поле создавалось внешним потоком электронов при прохождении космического аппарата со слоем диэлектриче­ской защиты через радиационные пояса Земли [351].

Результаты опытов по изучению стабильности заряженного со­стояния и оптических свойств стекол, предназначенных для радиа­ционной защиты солнечных элементов и батарей, в условиях косми­ческого полета тех же спутников, а также спутника «Космос-936» (1977 г.) представлены в работе [352].

Для испытания радиационно-оптических свойств покрытий в кос­мическом полете были использованы четыре специальных контейне­ра, устанавливаемых на внешнюю поверхность космического аппа­рата. Каждый контейнер представлял собой корпус с крышкой. Образцы покрытий размещались в корпусе на специальной плате с ячейками. Ориентированное движение спутника происходило лишь на участке выведения, а во время полета на орбите спутник не был ориентирован и медленно вращался, вследствие чего можно пола­гать, что условия воздействия космического излучения (как кор­пускулярного, так и электромагнитного) на образцы во всех кон­тейнерах были одинаковыми. В период выведения спутника контей­неры с открытой крышкой находились под теплозащитой обтекателя, а при спуске крышки захлопывались и в составе спускаемого ап­парата возвращались на Землю. На каждом спутнике экспозиция образцов покрытий продолжалась по двадцать суток. Средняя вы­сота орбиты спутников над поверхностью Земли не превышала 300 км, угол наклона составлял приблизительно 62°.

Образцы стекол, выбранных в качестве объектов исследований, по составу близки фосфатным стеклам [284, 285] и согласно дан­ным наземных испытаний обладали свойством образовывать под электронным облучением сильные внутренние электрические поля и сохранять их длительное время после прекращения облучения. Перед установкой в контейнеры в образцах стекол облучением на линейном электронном ускорителе типа ЛУЭ-8-5 (энергия электро­нов 7?9=6,2 МэВ) и электростатическом ускорителе типа КГУ-300 (#э=0,2 МэВ) создавались электрические поля. При облучении сте­

кол на этих ускорителях ток пучка, а также поток электронов были одинаковыми (0,5—5 мкА и 10u—1015 см-2 соответственно).

Толщина образцов в обоих вариантах облучения превышала иони­зационный пробег электронов. В первом случае он составлял 0,7 от толщины стекол, а во втором 0,1, т. е. исследовалась релаксация как объемного, так и приповерхностного поля. Для каждой серии стекол, запускаемых в космическое пространство, на Земле остава­лись контрольные образцы для сравнительных испытаний.

После возвращения образцов на Землю (по истечении после окон­чания полета периода времени т, мес) проводились следующие из­мерения: методом ударной стимуляции определялось наличие элект­рического поля в образцах, методом ‘у-зондирования [353] — распре­деление потенциала на глубине порядка 1 мм с каждой из сторон и доза радиации, воздействовавшей на образцы во время полета, а на спектрофотометре СФ-4 измерялось оптическое светопропуска — ние образцов стекол до и после космического полета.

Температура нагрева внутренних поверхностей контейнера и об­разцов стекол во время полета не превышала 60° С, а поглощенная в стеклах доза радиации, обусловленная воздействием на них кор­пускулярного излучения, составила 0,14—0,2 Гр. При полете спут­ников «Космос-690 и -782» на поверхности образцов стекол были зарегистрированы также небольшие потоки ионов с различным атом­ным номером Z и энергией. Эти результаты согласуются с данными, полученными на орбитальной станции «Скайлаб».

Метод ^-зондирования для измерения электрического потенциала Ф в стеклах основан на определении эмиссии комптон — и фотоэлект­ронов с поверхности образца в результате его облучения ^-квантами от радиоактивного источника Со60. Толщина зондируемого слоя со­ставляла около 1 мм с обеих сторон образца. По изменению эмиссии из образца диэлектрика в заряженном состоянии и после удаления объемного заряда (путем отжига при 250° С в течение четырех ча­сов) определяется потенциал слоя (табл. 3.5).

Разброс значений потенциала обусловлен различием в потоках электронов при зарядке образцов на ускорителе. Потенциал в соот­ветствующих контрольных и экспонированных в космическом про­странстве образцах практически не отличается.

Как показали измерения оптического пропускания фосфатных стекол до и после полета на спутнике «Космос-782», за время испы­таний стекла практически не изменили своей высокой исходной про­зрачности. Более того, в длинноволновой области спектра (0,6-г — -^0,7 мкм) наблюдается небольшое увеличение прозрачности, выз­ванное, вероятно, просветляющим действием пленки, осажденной на поверхность стекол во время обезгаживания в космическом вакууме органических клеев и связующих, использованных для крепления стекол во внутренних ячейках контейнера.

Необходимо отметить, что в предварительно незаряженных об­разцах после полета не было обнаружено появление какого-либо электрического поля, что объясняется сравнительно низкими орби­тами использованных для экспериментов космических аппаратов, трассы которых проходят ниже радиационных поясов Земли.

Эксперименты показали, что заряженное состояние диэлектри­ков в космосе на околоземных орбитах и в наземных условиях ха­рактеризуется малыми скоростями релаксации и сохраняется дли­тельное время.

Облучение кремниевых солнечных элементов со стеклами на ус­корителе электронов показало, что при плотности потока электро­нов (с энергией 1 МэВ) 101в см-2 генерируемая элементами после облучения электрическая мощность (при одинаковой исходной мощ­ности) на 25—30% выше в случае защиты стеклами с накоплением заряда, чем при защите обычными радиационно стойкими стеклами.

Таким образом, результаты как наземного, так и космического экспериментов подтверждают возможность увеличения защитных свойств оптических покрытий солнечных элементов за счет взаимо­действия электронов с электрическим полем диэлектрика в случае возникновения достаточно сильных полей во время полета аппарата по орбитам, пересекающим радиационные пояса Земли.

В течение нескольких лет (1975—1979 гг.) проводились испытания трубчатых вакуумированных коллекторов с одновременным улуч­шением конструкции преобразователя данного типа. По мере улуч­шения конструкции КПД преобразователя постепенно возрастал

<———-

Рис. 3.15. Равноэнергетическая (0) и деформированные в соответствии со — спектральной зависимостью излучения абсолютно черного тела шкалы длин волн для разных значений температуры

J~9 ——— 153, —93, —53, —27, 147, 277, 327, 427, 527° С соответственно

(с 30 до 67%). В усовершенствованной конструкции трубчатого вакуумированного преобразователя использовались многослойные селективные покрытия (из чередующихся слоев диэлектрика и по­лупрозрачного металла) е отношением <хс/е~19 [341]. Улучшение тепловой изоляции трубопроводов между вакуумированными эле­ментами, использование дополнительных отражателей-концентрато­ров из алюминиевой фольги, помещенных между элементами, по­зволили поднять КПД активной тепловоспринимающей поверхности коллектора до уровня 78—82%.

Комбинированные фототермичеекие установки

и коллекторы е солнечными элементами и селективными покрытиями

Первые конструкции комбинированных фототермических установок с монокристаллическими или тонкопленочными солнечными элемен­тами, расположенными на поверхности обычного плоского теплово­го коллектора [302, 303], обладали невысоким КПД: не более 50% (3% — преобразование в электрическую энергию, 47% — в тепло­вую). В этих устройствах солнечные элементы были защшценц, как ж в батареях космического назначения, приклеенными к поверх­ности стеклянными покрытиями, что увеличивало интегральный ко­эффициент излучения элементов до уровня 0,86—0,9 и приводило к вредному в данном случае росту тепловых потерь комбинирован­ного преобразователя в окружающую среду.

Предложен ряд конструкций фототермических преобразователей с увеличенным общим КПД [106,342,343]. Использование трубчатой вакуумированной оболочки позволяет практически полностью изба­виться от конвективных потерь, а применение селективных покры­тий с низким коэффициентом излучения е на поверхности солнеч­ных элементов (размещенных на внутренней трубке, через которую протекает теплоноситель) или на обращенной к элементам поверх­ности стеклянной оболочки резко уменьшает потери путем излуче­ния [307, 308]. Особенно интересна конструкция комбинирован­ного фототермического коллектора с двумя трубчатыми стеклян­ными ободочками (рис. 3.16), что позволяет поместить солнечные элементы в прозрачную инертную кремнийоргаиическую жидкость [106, 342], Вследствие заполнения прозрачной жидкостью внутрен­няя оболочка приобретает фокусирующие свойства, увеличивая в 1,2—1,3 раза количество солнечной энергии, поступающей на сол­нечные элементы; повышенная теплоемкость придает коллектору такой конструкции теплоаккумулирующие свойства; срок службы коллекторов резко возрастает в результате защитного действия инертной жидкости, стабилизирующей свойства внешних и торце — „ вых поверхностей солнечных элементов. Испытания показали, что общий КПД комбинированных фототермических коллекторов усо­вершенствованных конструкций превышает 70%, причем 10—12% из них получены за счет электрической энергии, выработанной

Риє. ЗЛ6. Комбинированный фототермический коллектор с солнечными элементами

1 — отражающая металлическая пленка, 8 — теплопоглощающая поверхность, 3 — трубопровод с жидким или газообразным теплоносителем, 4 — полость, заполненная прозрачной нремнийорганичеекой жидкостью, $ — вакуумированная полость;

6 — прозрачное селективное покрытие с низким значением 8; 7, 9 — прозрачные стеклянные оболочки;

8 — мононристалличесиие или тонкопленочные солнечные элементы (плоские или трубчатые)

кремниевыми солнечными элементами [106, 343], Замена кремние­вых солнечных элементов элементами с гетероструктурой AlGaAs— GaAs позволит увеличить количество электрической энергии в сум­марной энергоотдаче комбинированных фототермических коллекто­ров до уровня 20—22%,

Учитывая, что для плоских тепловых коллекторов с воздушным промежутком между стеклом н поглощающей поверхностью значи­тельная часть тепловых потерь приходится на конвективные потери и потери из-за утечек тепла через слой теплоизоляции, применение селективных покрытий позволяет, как правило, не более чем на 10—20° С увеличить рабочую температуру теплоносителя коллекто­ра. Эффективность использования селективных покрытий в данном случае сильно зависит от температуры рабочей поверхности коллек­тора и значительно увеличивается при малом расходе теплоносите­ля. Обычно для коллекторов данного типа применяют одно — и двух­слойные электрохимические покрытия на основе черного хрома и никеля [339]. Успешно испытаны на поверхности плоских коллек­торов стойкие интерференционные покрытия [340], состоящие из пленок никеля—двуокиси церия—двуокиси кремния, никеля—моно­окиси кремния—фтористого магния и никеля—сульфида цинка— фтористого магния [309, 311]. Применение таких покрытий с ас= =0,9-^0,91 и е=0,05-^-0,06 (у обычной неселективной поверхности ас=е=0,94) позволило увеличить производительность коллекторов по подогреву воды до 70° С в полтора-два раза.

Для расчета теплового баланса преобразователей солнечной энер­гии различного типа и оценки КПД солнечных установок необхо­димо знать точное значение интегрального коэффициента теплового излучения є покрытий для коллекторов солнечной радиации дри температуре, соответствующей наиболее распространенным режи­мам их эксплуатации (60—90° С). Однако большинство используе­мых в настоящее время в гелиотехнике устройств для контроля е позволяет определить степень черноты тела при комнатной или же — при очень высокой температуре (более 1000° С) [23, 335—337].

Испытания устройства с термоэлектрическим датчиком (ТЭД) для измерения степени черноты поверхностей гелиоустановок до и после нанесения селективных оптических покрытий проводились при рабочей температуре эксплуатации гелиоустановок [338]. Дей­ствие устройства основано на радиационном методе определении коэффициента е с использованием абсолютно черного тела в качест­ве эталона. Первичным измерительным преобразователем в установ­ке является чувствительный радиометр на основе датчиков, описан­ных в работах [103, 105].

С помощью этого устройства при 90° С были измерены значения интегральных коэффициентов теплового излучения е9о° с для раз­личных поверхностей, используемых в гелиотехнике. Результаты из­мерений сравнивались со значениями є3о° с, полученными при ис­пользовании накладного терморадиометра ФМ-63 при 30° С (табл. 3.4).

Необходимо отметить, что в тех случаях, когда проведенные ис­пытания указывают на термостойкость селективных покрытий, опре­деление интегрального коэффициента излучения е при различной температуре может быть осуществлено расчетным путем по спек­тральным распределениям отражения образца коллектора с покры­тием в инфракрасной области спектра. Расчет проводится по номо­граммам, построенным с применением метода деформируемой шка­лы длин волн [23, 46]. При использовании табличных спектров, излучения абсолютно черного тела были построены деформирован­ные шкалы длин волн для следующих девяти значений температу-

Таблица*3.4

Экспериментальные значения интегрального коэффициента излучения образцов селективных покрытий дли поверхностей солнечных установок и коллекторов

ры черного тела: -153, -93, -53, 27, 147, 277, 327, 427 и 527° С, и шкала равноэнергетических интервалов, соответствующих различ­ным диапазонам шкалы длин волн для каждого значения темпера­туры (рис. 3.15).

С помощью этих данных были определены температурные зави­симости интегрального коэффициента излучения є для прозрачных проводящих покрытий на основе оксидов олова и индия и их сме­сей. Такие покрытия, особенно в случае нанесения их на тугоплав­
кие стекла или кварц, не изменяют свои спектральные характери­стики до температуры 700—800° С. Приведем результаты расчетов для двух прозрачных проводящих покрытий на основе смеси 10% двуокиси олова и 90% трехокиси индия — покрытия ITO (спек­тральные кривые отражения см. на рис. 3.6, кривые 1, 2) с разным поверхностным слоевым сопротивлением (0,02 кОм/П(Єі) и 0,1 кОм/ /□(в*)):

На погрешность результатов расчета є решающее влияние, ес­тественно, оказывает точность измерения используемых спектраль­ных коэффициентов отражения селективных покрытий. К сожале­нию, большинство применяемых в настоящее время инфракрасных спектрофотометров позволяет измерить толькр зеркальную состав­ляющую коэффициента отражения покрытий. В том случае, когда диффузная составляющая коэффициента отражения мала (покры­тия ІТО), результаты измерений, подобные представленным, доста­точно точно отражают температурную зависимость интегрального коэффициента излучения.

3.4. Результаты испытаний

селективных оптических покрытий солнечных элементов, тепловых и комбинированных фототермических установок и коллекторов в наземных и космических условиях

Селективные оптические покрытия повышают КПД преобразования солнечной энергии установками и коллекторами различных типов в тепловую и электрическую энергию, изменяют в требуемом на­правлении рабочую температуру, способствуют возрастанию погло­щенной радиации за счет эффекта проеветления поверхности, защи­щают от воздействия корпускулярного облучения, улучшают ста­бильность характеристик преобразователей энергии при длительной эксплуатации.

Сравнительную качественную оценку комбинированных фототер­мических установок — источников одновременно тепловой и электри­ческой энергии — можно проводить по общему КПД, представляю­щему простую сумму электрического и теплового КПД. Однако сле­дует помнить, что принципы экзергетического подхода требуют, что­бы при определении и сравнении КПД устройств различные виды энергии приводились к какому-либо одному и параметры, влияющие на работу устройства в целом, были одинаковыми. Корректное опре­деление общего КПД фототермического коллектора может быть вы­полнено, если считать, что вырабатываемая им тепловая энергия используется для получения электрической энергии при температу-

6 М M Колтун

ре работы солнечных элементов. Только после этого, суммируя энер­гоотдачу солнечных элементов и теплового коллектора в форме элек­трической энергии, полученной в аналогичных условиях, следует подсчитать общий КПД устройства. Упрощенный подход к расчету КПД комбинированных устройств оправдан во многих случаях, рас­смотренных в настоящей главе, только потому, что КПД определя­ется здесь лишь для сравнения качества селективных оптических покрытий, а не для оптимизации конструктивных, механических, электрофизических п прочих характеристик преобразователей энергии.

Введение представления об идеальной селективной поверхности и оптимальной пороговой длине волны (при которой низкое отраже­ние в основной области солнечного спектра наиболее выгодно резко изменить на высокое отражение в области собственного теплового излучения поверхности) позволило расчетным путем определить оптимальный интервал концентрации солнечного-излучения и ра­бочей температуры для коллекторов с селективными оптическими покрытиями, а также вычислить, насколько параметры реальных селективных покрытий отличаются от предельных теоретических значений. Обычно подобные расчеты [23] проводились применитель­но к внеатмосферному солнечному излучению (условия АМ0). В работе [331] была выполнена оценка влияния селективных опти­ческих свойств поверхности коллектора на его КПД в условиях облучения не только внеатмосферным спектром Солнца, но и одним из стандартных наземных солнечных спектров (условия АМ2), что имеет важное практическое значение для наиболее широкой области применения тепловых и фототермических коллекторов — отопление, кондиционирование, горячее водоснабжение, получение электриче­ской и тепловой энергии для солнечных домов.

Рассмотрим подробнее вопрос о целесообразности применения селективных оптических поверхностей и установим область значе­ний коэффициента концентрации С солнечного излучения, где се­лективная поверхность с определенной температурой превосходит по тепловому КПД поверхность черного тела.

В идеальном случае селективная поверхность имеет ступенчатый профиль изменения поглощательной способности с пороговой дли-

1—7 — 70, 100, 150, 200, 250, 300 и 500° С соответственно

ной волны А, п, определяемой из следующих условий: а(А,)=е(А,)=1 при А<ЯП и а(Я)=е(Я)=0 при Х>ХП. Очевидно, что оптимальное значение ^nopt, при котором поглощающая поверхность сохраняет максимальное количество энергии для полезной работы, зависит как от коэффициента концентрации излучения, так и от температуры преобразователя.

Расчетные зависимости Хп 0Pt и максимального теплового КПД идеальной селективной поверхности т]Ид от коэффициента концен­

трации С при различных значениях рабочей температуры представ­лены на рис. 3.13. Эти зависимости были получены исходя из урав­нения теплового баланса, записанного в наиболее общей форме. Для условий радиационного теплообмена поглощенное тепло

Qn=CaJE—eaT

где о — постоянная Стефана—Больцмана; Е — мощность падающего солнечного излучения.

Тогда получаем следующее выражение для максимального КПД идеальной селективной поверхности:

Лид=ас—еаТЧСЕ.

В наземных условиях ЛиД=ас—ео (Г4—Г04) /СЕ,

где среднесезонная температура окружающего воздуха Г0=10° С (принято предположение, что основным источником тепловых по­терь является переизлучение, справедливое для вакуумированных преобразователей). В расчетах использовались табличные данные по распределению интенсивности излучения в спектрах АМО [332] и АМ2 [333], а также по энергии излучения черного тела в интер­вале длин волн от 0 до Я [46].

Поскольку солнечный спектр простирается в область Я>ЯП opt, где а(Я)=0, а часть спектра излучения черного тела расположена в области ЖЯпорі, где е(Я)=1, то даже у идеальной селективной поверхности КПД не достигает 100%. Однако при температуре, не превышающей 250° С, что характерно для комбинированных фо­тотермических коллекторов, КПД теплового преобразования идеаль­ной селективной поверхности в условиях АМО превышает 95 %т а в условиях АМ2 —97% (см. рис. 3.13,а, г). Сложный характер зависимостей ЯПОрі и т]Ид для спектра АМ2 объясняется наличием в нем полос поглощения после прохождения излучения через ат­мосферу Земли. Аналогичная зависимость получена и для спек­тра AM 1,5.

Сопоставить эффективности преобразования энергии поверх­ностью черного тела и идеальной селективной поверхностью Y|„» позволяют графики, приведенные на рис. 3.14. При фиксированном значении С необходимость в селективной поверхности возрастает по мере увеличения температуры. При заданной температуре селек­тивная поверхность оказывается более эффективной, когда концен­трация солнечного излучения невысока. Поверхность черного тела, освещаемая сильно концентрированным световым потоком, может переизлучать лишь однократный поток энергии, поэтому значение т|ч т приближается к т)ид.

Анализ полученных результатов показывает, что при Г<300° С и С=1-г-20 селективные поверхности в сравнении с черными обеспе­чивают значительно более высокий КПД преобразования энергии.

г—7 — 70, І00, 150, 200, 250, 300 и 500° С соответственно

Кроме того, в условиях АМ2 селективные поверхности обладают большим преимуществом перед черными поверхностями, чем в ус­ловиях АМО. В преобразователях солнечного излучения, работаю­щих в наземных условиях без концентраторов и использующих в качестве теплоносителя воду (рабочая температура 70—100° С), оп­тически неселективная поверхность при Г=100°С (см. рис. 3.14,6, кривая 2) вообще не вырабатывает полезной тепловой энергии, а при 67=10 имеет КПД, составляющий 90% от КПД идеальной селективной поверхности. Когда необходимо получить рабочую тем­пературу 200° С (см. рис. 3.14,6, кривая 4), поверхность черного тела начинает выдавать полезное тепло лишь при <7>3,3, а цч., при С=10 составляет 68% от Цид. Если Г=300° С, то поверхности обоих типов становятся сравнимыми по КПД при ОЇ00, если же Т>500° С, то т]чт приближается к т]ид при коэффициентах концен­трации, значительно превышающих 100.

Полученные зависимости Anopt позволяют выбрать селективную поверхность с оптическими характеристиками, оптимальными для конкретного режима работы преобразователя.

Необходимость применения селективных оптических покрытий в комбинированных фототермических преобразованиях, рабочая температура которых ограничена из-за наличия температурной за­висимости КПД солнечных элементов, при наиболее доступных ко­эффициентах концентрации С=1-^20 очевидна. В связи с этим оп­тимизация электрофизических характеристик солнечных элементов комбинированных фототермических преобразователей была выпол­нена в основном для этого интервала концентраций солнечного из лучения.

Следует отметить, что в тех случаях, когда оптическое покрытие обладает заметной селективностью свойств в пределах спектраль-
ного интервала солнечного излучения (например, имеет заметные интерференционные максимумы и минимумы), переход при расчете — ас от условий АМО к условиям АМ2 (или AM 1,5) заметно скажется на значении ас в силу влияния полос поглощения водяным паром и озоном, а также аэрозольного рассеяния, например, на соотношение между инфракрасной и видимой составляющей спектра. В связи с этим при расчете ас селективных покрытий следует учитывать влия­ние спектра наземного Солнца [334].

В трубчатых вакуумированных коллекторах целесообразно йсполь — зовать покрытия с большим отношением ас/е, причем коррозионная устойчивость покрытий в этом случае не имеет значения.

Подобные покрытия позволяют также проводить отжиг радиа­ционных дефектов солнечных батарей или нагрев материалов в ва­кууме за счет солнечного излучения [323]. При высоком отношении а с/е покрытий температура металлических пластин или трубок, за­ключенных в прозрачные вакуумированные оболочки, может дости­гать нескольких сотен градусов Цельсия даже без применения кон­центраторов солнечного излучения.

Для трубчатых вакуумированных коллекторов наиболее перспек­тивны следующие методы получения селективных покрытий:

вакуумное осаждение чередующихся диэлектрических и полу­прозрачных металлических пленок;

электрохимическое осаждение черных слоев; одновременное испарение в вакууме диэлектрика и металла (или заранее приготовленной их смеси) с целью создания металлокерами­ческих пленок.

Перед началом экспериментальных исследований в этой области необходимо решить вопрос об оптимизации селективных покрытий, чтобы оценить, какие максимальные значения отношения ас/є мо­гут быть получены при использовании данных методов создания покрытий.

Расчеты оптических характеристик многослойных структур про­водились с помощью ЭВМ М-4030 [324, 325]. Для всех рассматри­вавшихся моделей селективных покрытий определялся спектраль­ный коэффициент отражения R(k) (по методикам, приводимым в

работах [23, 292—295]) в диапазоне длин волн 0,3—50 мкм. С ис­пользованием спектральных’зависимостей R(k) по методу дефор­мированной шкалы К [23, 46] рассчитывались ас для внеатмосфер­ного солнечного излучения (условия АМО) и на поверхности Зем­ли (условия АМ2), коэффициент излучения по нормали е„ при 27— 500° С и соответствующие значения ас/вп. Параметры покрытий (тип материала, толщина слоев) оптимизировались по значению отноше­ния aJen. У экспериментальных покрытий измерялся также коэф­фициент излучения в полусферу Вн. Расчетные данные могут быть ■скорректированы с учетом соотношения е*/е«=1,25-И,30 [46].

Вакуумные селективные покрытия. В качестве материалов для подложки рассмотрены серебро, алюминий, медь и никель. Данные по оптическим константам толстых (порядка 0,1 мкм) металличе­ских пленок взяты для алюминия и серебра из статьи [46], для меди из публикаций [46, 294, 326], для никеля из работ [326, 327]. Оптические характеристики этих металлов обладают следую­щими особенностями: серебро и медь имеют наиболее низкие, ни­кель — наиболее высокие ас и е„. Это определяет характер чередо­вания металлических слоев в многослойных оптических системах. Наиболее предпочтительные материалы для использования в качест­ве подложек — серебро, медь, а также алюминий, в то время как для создания промежуточных слоев можно использовать никель.

Были рассчитаны оптические характеристики систем, включаю­щих одно-, двух, трех — и четырехслойные тонкопленочные покры­тия, которые состояли только из диэлектрических прозрачных слоев или представляли собой комбинацию прозрачных и частично погло­щающих тонких металлических пленок. Из большого количества ди­электрических материалов выбраны двуокись кремния (показатель преломления п=1,45), двуокись алюминия (тг=1,7) и сульфид цин­ка (п—2,3). Известно, что оптические константы тонких (50—200 А) металлических пленок значительно изменяются с уменьшением тол­щины, причем их показатель преломления, как правило, возрастает и они приобретают полупроводниковые свойства [293, 294]. Однако данные по оптическим константам тонких металлических пленок приводятся в литературе лишь для некоторых значений толщины пленок и длины волны или в узком спектральном интервале, поэто­му при расчетах пришлось воспользоваться оптическими констан­тами толстых напыленных металлических пленок.

Результаты расчетов показывают, что прозрачные диэлектриче­ские покрытия (даже многослойные) не обеспечивают эффективного просветления поверхности металла в области солнечного спектра. В состав покрытия надо включать частично поглощающие слои (на­пример, никеля), поэтому необходимо использовать диэлектрический материал с наиболее высоким показателем преломления, чтобы обе­спечить повышенные значения ас. В качестве такого материала выбран сернистый цинк (гс*=2,3), который обладает большей про — зрачностыо в инфракрасной области спектра, чем, например, дву­окись кремния.

В табл. 3.3 представлены максимальные значения ас/е„ (назем­ный солнечный спектр, характерный для условий АМ2, при темпе­ратуре 100° С), которые по расчетам обеспечивают четырехслойные покрытия никель—сульфид цинка—никель—сульфид цинка на ме­таллических подложках из серебра, меди и алюминия.

Электрохимические покрытия. Зависимость показателей прелом­ления и поглощения пленок черного никеля от плотности тока, при которой проводится процесс электрохимического осаждения [328], открывает возможность получения разнообразных по оптическим свойствам селективных покрытий, состоящих, например, из чере­дующихся слоев интерференционной толщины с высоким и низким показателями преломления. Слоистая структура такого покрытия может быть получена изменением по заранее заданной программе плотности тока при проведении процесса осаждения; увеличение плотности тока приводит к уменьшению показателя преломления. Возможно также плавное изменение химического состава и струк­туры покрытия по толщине и постепенное снижение показателей преломления и поглощения в направлении от подложки к поверх­ности.

В качестве материала подложки рассматривались медь и никель, которые могут предварительно электролитически осаждаться на полированную коллекторную поверхность из алюминия или стали [324, 325, 329]. Никель обладает более высоким по сравнению с медью исходным значением степени черноты, однако интересно также оценить оптические характеристики селективных покрытий, нанесенных на подложки из никеля, поскольку он является корро­зионно-стойким материалом и покрытия на его основе должны об­ладать большей стабильностью. Кроме того, никель имеет более низкий коэффициент отражения в области солнечного спектра и, следовательно, повышенную поглощательную способность ас, что важно при создании покрытий для невакуумированных тепловых коллекторов.

Оптические константы п и к пленок черного никеля [328] счи­тались постоянными в широком спектральном диапазоне 0,3—20 мкм. При создании однослойных покрытий наиболее высокие значения ас/є„ могут быть получены при /1=1,77 и &=0,43, которые соответ­ствуют наиболее высоким допустимым значениям плотности тока при проведении процесса осаждения. Максимальное отношение ас/еп при 100° С достигается при толщине слоя черного никеля 2=900 А и в условиях АМ2 равно 13,31 для никелевой подложки и 56,94 для подложки из меди. В условиях АМ0 соответствующие значе­ния ас/еп несколько снижаются и составляют 12,88 и 54,81.

Для двухслойных электрохимических покрытий оптимальное со­четание оптических констант черного никеля /іі=1,77, &і=0,43 и п2=2,07, &2=0,98 получается, когда внешний слой покрытия имеет наименьшее, а внутренний слой — наибольшее из реально достижи­мых значений показателя преломления. Максимальные значения ас/в„ У таких покрытий, однако, лишь незначительно выше, чем у оптимальных однослойных покрытий: при 100° С в условиях АМ2 для двухслойного покрытия на подложке из никеля ас/еп= 13,34 (2і=700 А, 22=200 А), а для двухслойного покрытия на подложке из меди ас/е„=58,61 (2t=600 A, 22=300 А). Результаты оптимизации трехслойных электрохимических покрытий показали, что такие по­крытия не являются более эффективными по сравнению с двух­слойными.

Расчетные зависимости отражательной способности подложек из никеля и меди с одно — и двухслойными электрохимическими покры­тиями с оптимизированными параметрами представлены на рис. 3.11.

Металлокерамические покрытия. Аналогичные расчеты оптиче­ских характеристик проводились для структур с покрытиями из кер- метных пленок, полученных совместным испарением в глубоком вакууме металла и диэлектрика из двух источников или из таблетки, изготовленной прессованием порошка — смеси металла и диэлектри­ка (с использованием в этом случае одного электроннолучевого или термического испарителя). Предполагалось, что тг=1,77 во всем диа­пазоне спектра 0,3—20 мкм, в то время как к=0,43 при А<3,0 мкм и 2с=0,10 или 0,05 при Я>3,0 мкм. Эти значения оптических кон­стант близки к значениям, опубликованным для керметных пленок из смесей никеля и окиси магния или никеля и двуокиси крем­ния [330].

Расчетные зависимости отношения ас/еп от толщины покрытий на медной подложке представлены на рис. 3.12. Для вакуумного покрытия (кривая 1) со структурой сульфид цинка—никель—медь мак­симальные значения ас/е„ приведены в зависимости от общей тол­щины покрытия 2 (при 2=500 А толщина слоя никеля 22—130 А, при 2=1200 А, 22^170 А).

Более сложные вакуумные покрытия, например сульфид цинка— никель—сульфид цинка—никель—медь, позволяют лишь незначи­тельно повысить отношение ас/е„ —с 37,3 до 38,4.

Рис. 3.11. Спектральные зависимости коэффициента отражения полированной поверхности меди (а) и никеля (б) с электрохимическими покрытиями из черного никеля

1, Ґ — до просветления; 2, 2′ — однослойное покрытие (пі=1,77; fti=0,43 Z,=900 А); З, 3’ — двухслойное покрытие («1=1,77, fci=0,43, /1=600-5-700 A; nj=2,07, fc,=0,98, Z2=200-r300 A)

Рис. 3.12. Расчетные зависимости отношения otc/Єп для наземного сол­нечного спектра (условия АМ2) при температуре коллектора 100° С от толщины селективных покрытий трех типов

1 — ZnS—N1—Си;

2 — черный никель — Си;

3,4 — керметная пленка — Си при разных значениях показателя поглощения (fc=0,10 и 0,05 соответственно)

В отличие от электрохимических покрытий из черного никеля (кривая 2) керметные пленки при Я>3 мкм имеют существенно меньший показатель поглощения: &=0,10 (кривая 3) и /с=0,05 (кривая 4), что и обусловило более высокие значения ас/еп кермет- ных покрытий, особенно при большой толщине.

Изменением режима электрохимического осаждения можно до­биться для покрытий из черного никеля более благоприятных спек­тральных зависимостей пик, аналогичных полученным для кер — метных покрытий [321].

Проведенные расчеты позволяют сделать два важных практиче­ских вывода:

с помощью изученных методов создания селективных покрытий возможно получение селективных поверхностей с большими значе­ниями отношения ссс/е;

электрохимические и металлокерамические покрытия, представ­ляющие собой структуры из мелких, равномерно распределенных в прозрачной диэлектрической матрице поглощающих частиц метал —

па, обладают лучшей селективностью оптических свойств и позво­ляют достичь значительно более высоких значений отношения ас/е (при большей общей толщине покрытий), чем вакуумные покрытия из чередующихся слоев диэлектрика и полупрозрачного металла.

Эксперимент подтвердил результаты расчета. Для покрытий всех рассмотренных типов удалось получить ас>0,9, однако лишь при нанесении керметных и электрохимических покрытий коэффициент излучения подложки не изменялся, оставаясь, например, для кол­лектора из полированной меди на уровне 0,02—0,03, что говорит о реальной возможности достижения значений ас/еп=30-^40 для поглощающих поверхностей трубчатых вакуумированных коллекто­ров. Электрохимические покрытия на основе двухслойных структур из черного никеля [329] обладают, как показали испытания, доста­точно высокой свето — и термостойкостью, если их осаждение ведет­ся не из сернокислых электролитов, как это обычно принято, а из ванн, содержащих хлориды никеля и цинка.

Многослойные селективные покрытия, наносимые испарением в вы­соком вакууме-[309, 310]. Свето — и термостойкость таких покрытий можно существенно повысить, если при их получении использовать слои тугоплавких диэлектрических оксидов, таких, как двуокись циркония Zr02, и полупрозрачных пленок из тугоплавких металлов, например из хрома [311]. Подобные структуры из чередующихся стабильных слоев двуокиси циркония—хрома—двуокиси циркония — хрома лучше наносить испарением в высоком вакууме электронным лучом на тонкую, прогреваемую до 300—400° С алюминиевую, сталь­ную, никелевую или медную фольгу, которую затем можно при­клеить к поверхности плоского коллектора тонким слоем высоко­теплопроводного и эластичного кремнийорганического герметика или каучука [309]. Обладая рядом технологических достоинств, подоб­ный метод позволяет создавать селективные покрытия на коллекто­рах большой площади без предварительной полировки поверхности. Для полученных покрытий характерны коэффициенты ас=0,88^0,92, €=0,11-^0,12 (измерения при 30° С) и термостойкость до 250— 350° С.

Селективные покрытия на плоских коллекторах большой площа­ди, созданные традиционным методом — электрохимическим осажде­нием черного никеля и хрома. Свето — и термостойкость покрытий этого типа остается невысокой, однако они продолжают привлекать внимание разработчиков [218, 312].

Селективные покрытия, получаемые методом термического раз­ложения — пиролиза металлосодержащих органических соединений„ Селективные покрытия на основе черных оксидных пленок кобаль­та Со304 изготавливались термическим разложением ацетилацето — ната кобальта (С5Н702)зСо, испаряемого при 150—200° С, на под­ложках из алюминиевой фольги, нагретой до 350—450° С [313]. При толщине оксида кобальта 0,3 мкм интегральные оптические коэф­фициенты ас и е составляли 0,95 и 0,08 (измерения при 30° С) соответственно, отношение ас/е^11,9. Покрытия успешно выдержа­ли длительные испытания в камерах повышенной влажности и об­лучение имитированным солнечным излучением в течение 1440 ч.

Подобные покрытия с аналогичными значениями ас и е нано­сились пульверизацией состава, содержащего полумолярный рас­твор нитрата кобальта и тиомочевину в соотношениях от 1:1 до 1:1,66; скорость распыления сжатым воздухом составляла 2 мл/мин [314]. При нанесении на алюминиевую фольгу черной пленки окси­дов кобальта толщиной 0,21 мкм ас=0,91-^0,92 и е=0,13 (измере­ния при 100° С). Температура подложек из фольги размерами 20Х Х20 см в процессе нанесения покрытия поддерживалась на уровне от 130 до 180° С. Покрытия сохраняли стабильность свойств при нагреве до 220° С [314].

Поверхность коллектора с селективными оптическими свойствами, обусловленными заданной шероховатостью. Механической шлифов­кой предварительно отполированных коллекторных пластин на по­верхности образуются регулярные углубления, соизмеримые по гео­метрическим размерам с длиной волны солнечного излучения. По отношению к длинноволновому инфракрасному излучению такие пластины остаются зеркально отражающими [315].

Селективно-шероховатые поверхности можно получить на осно­ве пленок дендритной структуры, которые наносятся методом вы­сокотемпературного химического осаждения, например металличе­ского рения, из паровой фазы. Пилообразное дендритное строение поверхности пленки рения способствует увеличению отношения ас/e поглощающей поверхности солнечных тепловых коллекто­ров [312].

Известен более простой метод создания селективных покрытий дендритной структуры. Фольга из нержавеющей стали толщиной 50 мкм, содержащая добавки хрома (4%) и алюминия (0,3%), про­ходила в течение нескольких секунд термообработку при 900° С в аргоне с примесью 0,1% кислорода. При этом на поверхности фоль­ги получалась очень тонкая дефектная оксидная пленка, необхо­димая для образования при дальнейшем окислении на воздухе в те­чение 8 ч при 900° С оксидного слоя дендритной структуры. Длина полученных дендритов (усов) составляла 2,5 мкм, ширина 0,25 мкм, расстояние между ними было 0,5—1,0 мкм. Достигнутое отношение

длины дендритов к ширине, равное 10:1, можно увеличить до 20:1, модифицируя процесс окисления, и значительно улучшить тем са­мым селективные оптические свойства оксидных покрытий на ста­ли [316].

Селективные покрытия на основе низковакуумных конденсатов металлов. Высокая поглощательная способность таких покрытий обусловлена низкими значениями коэффициента отражения в основ­ной области солнечного спектра и полного поглощения падающего излучения внутри покрытия благодаря большому числу пор и раз­витой удельной поверхности. Покрытия представляют собой части­цы металла, достаточно равномерно распределенные в матрице из смеси оксидов того же металла, образующихся при конденсации пленки в условиях низкого вакуума. Однако подобные покрытия, как правило, обладают невысокой химической и механической устой­чивостью [23]. Удалось получить селективные покрытия на основе низковакуумных конденсатов алюминия с повышенной коррозион­ной и термостойкостью путем усовершенствования процесса осаж­дения и контролируемого спекания слоев [317, 318]. Для получе­ния стабильных покрытий использовались одновременно объемная конденсация из пересыщенного металлического пара алюминия и осаждение из молекулярного пучка. Окисление мелкодисперсных частиц конденсатов также способствовало их более прочному сцеп­лению между собой и повышению адгезии покрытия к материалу подложки. Для покрытий данного типа характерны ас=0,9-^-0,98 и 8=0,12-^0,15, причем увеличение толщины покрытия и изменение параметров процесса осаждения дают возможность при необходи­мости поднять є до 0,8, позволяя использовать разработанную ме­тодику получения слоев для создания стойких неселективных по­крытий приемников инфракрасного излучения.

Двухслойное электрохимическое покрытие на поверхности алю­миния. Тонкую анодную оксидную пленку наносят на поверхность металла. Поры пленки, прилегающие к его поверхности, заполняют (методом электрохимического внедрения) поглощающими свет час — тицами металла типа никеля, при этом внешний слой пленки дву­окиси алюминия не содержит атомов никеля и является просвет­ляющим [319]. При проведении электрохимического процесса чрез­вычайно трудно добиться получения равномерной анодной пленки с одинаковой общей толщиной, не превышающей долей микрометра (или 1—2 мкм) на всей поверхности алюминиевого коллектора пло­щадью 0,7—1,2 м2 (для этого необходимо обеспечить одинаковую плотность тока по всей площади анодируемой поверхности), а уве­личение толщины анодной пленки будет приводить к резкому росту коэффициента излучения е. Известно, что при толщцне анодной пленки двуокиси алюминия, большей 10 мкм, є составляет уже 0,78-0,8.

Предложено трехслойное электрохимическое покрытие на алю­минии; и его сплавах, лишенное отмеченного недостатка [320, 321].

Первый слой покрытия, создаваемый непосредственно на поверх­ности алюминиевого коллектора, состоит также из анодной пленки двуокиси алюминия с порами, заполненными частицами поглощаю­щего металла; второй слой представляет собой гидратированную двуокись алюминия (необходимую для улучшения сцепления пер­вого и третьего слоев покрытия); третий слой покрытия образован нанесением прозрачной проводящей пленки двуокиси олова. Низкое тепловое излучение покрытия в целом (е=0,18-К>,25) обеспечива­ется в этом случае высокой отражательной способностью верхнего — слоя двуокиси олова в инфракрасной области спектра, благодаря чему значение коэффициента 8 не зависит от толщины первого слоя покрытия и от качества предварительной обработки поверхности коллектора. Оптимизированы толщины слоев, обеспечивающие наи­лучшее сочетание оптических, механических и эксплуатационных свойств трехслойного покрытия: первый слой — 2—5 мкм, второй — 4—10 мкм, третий (верхний) —0,4—0,6 мкм [320]. Коэффициент ас разработанного покрытия 0,9—0,94.

Анодировали коллекторы из алюминиевого сплава АД-1 в 18%-ном водном растворе серной кислоты в течение 40 мин при плотности тока 1,5 А/дм2 и температуре электролита 18—20° С. После тща­тельной промывки анодированных образцов в воде проводилось электролитическое окрашивание на переменном токе в растворе со­лей никеля, меди и олова. При внедрении в пленку атомов меди использовался электролит следующего состава: CuS04*5H20 — 35 г/л; MgS04 * 7Н20 — 20 г/л; H2S04-5 г/л; pH электролита 1,2—1,4. Про­цесс проводился при 15 В на ванне в течение 5 мин и затем еще 5 мин при 20 В [321]. Коэффициент е поверхности коллектора из алюминиевого сплава АД-1 при анодировании и окрашивании, на­пример, Солями меди составлял 0,87. После нанесения на нагретую до 360—400° С поверхность коллектора третьего слоя прозрачной проводящей двуокиси олова, которое осуществлялось аэрозольным способом (путем распыления раствора четыреххлористого олова SnCl4 на воздухе пульверизатором при давлении 2—4 ата в течение 20—30 мин), значении 8 уменьшалось до уровня 0,18—0,25 (изме­рения при 30° С).

Конечно, для упрощения технологического процесса изготовления селективного покрытия целесообразно все его слои получать одно­типным методом. В связи с этим были предприняты исследования, направленные на создание покрытия, каждый из слоев которого на­носился бы методом гидролиза в процессе химической пульвери­зации.

Двухслойные селективные покрытия, создаваемые методом хи­мической пульверизации. Технология позволяет получать эти по­крытия при подогреве около 400° С на воздухе поверхности кол­лектора из любого металла [322]. Первый слой состоял из черной окиси меди СиО и наносился распылением водного раствора нитра­та меди Cu(N03)2; второй слой, представлявший собой прозрачную

проводящую пленку двуокиси олова, распылялся пульверизацией хлоридов олова. Время нанесения двухслойного покрытия в целом не превышало нескольких минут, хотя для уменьшения внутренних напряжений в слоях был использован способ получения покрытий из нескольких десятков тончайших пленок [287], каждая из кото­рых (толщиной от 50 до 500 А) наносилась с помощью специально разработанного пульверизатора тз импульсным режимом работы в течение 1—2 с.

Двухслойные покрытия позволили получить интегральные коэф­фициенты ас=0,88-^0,91 и е=0,25-Ю,29. Начаты испытания покры­тий в натурных условиях эксплуатации коллекторов. Нагрев в му­фельной печи до 350—400° С в течение 100 ч покрытия выдержали без изменения оптических характеристик. Нанесение поверх слоя двуокиси олова просветляющей пленки двуокиси кремния методом: химической пульверизации и гидролиза позволило поднять ас по­крытий до уровня 0,92—0,94 [320—322].

Параметры солнечных элементов из любого полупроводникового ма­териала с высоким исходным КПД, измеренным в условиях одно­кратной внеатмосферной или земной освещенности, резко ухудша­ются при увеличении концентрации солнечного излучения, если их последовательное сопротивление составляет 0,5—0,6 Ом см2, что характерно для большинства элементов, используемых при созда­нии солнечных батарей обычной конструкции Даже при сравни­тельно небольших значениях коэффициента концентрации (С= =20—50), при которых особенно эффективно применение тепловых и фотоэлектрических преобразователей солнечного излучения с се­лективными покрытиями [23], потери по КПД и генерируемой сол­нечными элементами электрической мощности могут оказаться столь велики, что использование комбинированных фототермических уста­новок и коллекторов с концентраторами станет энергетически и эко­номически невыгодным. Сохранить высокие исходные электрические параметры и КПД высококачественных солнечных элементов при увеличении степени концентрации падающего излучения можно, если наносить на поверхность тонкого верхнего легированного слоя элементов, оказывающего наибольшее влияние на последовательное сопротивление, частую контактную сетку с оптимизированными раз­мерами полое и полупрозрачные металлические слои (просветлен­ные с одной или обеих сторон), резко уменьшающие поверхностное слоевое сопротивление легированной области.

Оптимизация параметров солнечных элементов, предназначенных для работы в условиях повышенной интенсивности излучения, была гревах и интенсивном солнечном облучении. Термическая, световая ж коррозионная устойчивость селективных покрытий такого типа должна быть исключительно высокой. Поскольку для изготовления плоских коллекторов чаще всего используется алюминий и его спла­вы, не обладающие высокой влагостойкостью без применения осо­бых защитных обработок и покрытий (например, плакирования), то нанесение. стабильных селективных покрытий позволяет увели­чить срок службы гелиотехнических установок в целом.

Селективные покрытия второй подгруппы работают в условиях, •близких к идеальным: помещенная в вакуумированную оболочку теплоприемная поверхность полностью защищена от неблагоприят­ных атмосферных воздействий; тепловой баланс трубчатых вакууми- рованных коллекторов практически полностью определяется зна­чением ае и отношением ас/г. Задача максимально возможного уве­личения отношения ас/е представляет в этом случае не только тео­ретический, но и практический интерес. Покрытия с очень высоким значением ас/е для трубчатых вакуумиррванных коллекторов были оптимизированы расчетным путем и получены экспериментально. Эти исследования позволили также определить предельно достижи­мые (при современных возможностях тонкопленочной технологии и использовании подложек с максимальным отражением в инфракрас­ной области спектра) значения отношения ас/е для черно-белых селективных покрытий.