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.