Как выбрать гостиницу для кошек
14 декабря, 2021
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].
Таблица 4.1 Плотность потока солнечного излучения на орбитах планет Плотность солнечного потока, Вт/м*
|
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.
Таблица 3.5 Результаты исследований заряженного состояния образцов стекол после’их пребывания в космосе
|
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
Подложка + покрытие |
е30° с (ФМ-63) |
е90° С (ТЭД) |
Алюминий^полированный + многослойное интерференционное покрытие Ni—Si02—Ni—Si02 (испарение в вакууме;^ =]0,01 0,015 мкм; ^і02= 0,08 ч — 0,09 мкм) [310] |
0,09 |
0,085 |
Алюминиевая фольга — f — многослойное покрытие Ni— |
0,13 |
0,138 |
—Si02—Ni—Si02—Ni—Si02 (ZNl = 0,01-t-0,015 мкм; ZSl0j = |
0,16 |
0,162 |
= 0,08 — f-‘0,09 мкм) [310] |
0,18 |
0,183 |
0,18 |
0,135 |
|
0,16 |
0,162 |
|
0,13 |
0,135 |
|
Алюминий полированный — j — черное селективное покрытие на основе низковакуумных конденсатов алюминия [317, 318] |
0,16 |
0,162 |
Медная фольга + гокрытие на основе никеля (испарение |
0,12 |
0,129 |
в вакууме, ZNl = 0,2 — і — 0,3 мкм) [309] |
0,11 |
0,103 |
0,12 |
0,121 |
|
0,11 |
0,104 |
|
Алюминий АД1 4- оксидная пленка (электрохимическое анодирование) [320, 321] |
0,4 |
0,395 |
Алюминий полированный + оксидный слой с внедрен- |
0,32 |
0,347 |
ными атомами никеля (анодирование и электрохимичес- |
0,27 |
0,307 |
кое чернение внедрением атомов никеля; /Д10 =2-нЗ мкм) [320,321] Алюминий полированный черная акриловая эмаль марки AR-512 |
0,32 |
0,328 |
Z = 1 — г — 2 мкм |
0,56 |
0,546 |
0,58 |
0,595 |
|
0,8 |
0,778 |
|
1 = 10 — S — 15 мкм |
0,9 |
0,92 |
і |
0,85 |
0,835 |
0,85 |
0,835 |
|
Алюминий электрохимически полированный + толстый |
0,7 |
0,753 |
оксидный слой (анодирование, ZAlj0j = 18 ч — 20 мкм) |
— |
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.
Таблица 3.3 Расчетные значения максимального отношения «с/еп для четырехелойных покрытий на металлической подложке
|
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.