Сравнение эффективности солнечных элементов, полученных в раз­личных лабораториях и при промышленном производстве, не может быть осуществлено без введения единых методов оценки их выход­ных параметров. Особенно важно применять стандартные методы при измерении характеристик солнечных элементов и батарей, рабо­тающих в наземных условиях, поскольку электрическая мощность, генерируемая селективно-чувствительными солнечными элементами,

Рис. 4.2. Спектральное распределение энергии солнечного излучения при различных значе­ниях воздушной массы

1—в— т=0, 1, 2, 3, 4, 5 соответственно

Рис. 4.3. Спектральное распре­деление энергии суммарного (1, 1′) и диффузного (2, 2′) наземного солнечного излуче­ния при т—2 и Р=0,1

1,2 — расчет;

Ґ, 2′ — эксперимент

Pi.0. 4.4. Спектральная зависи­мость относительных прямой (Y) и рассеянной (V) радиа­ции для различных высот Солнца^над горизонтом

неоднозначно связана с плотностью потока изменчивого по спектру наземного солнечного излучения.

Стандартизация методов измерений не только в государственном, но и в международном масштабе будет способствовать расширению сотрудничества в области использования солнечной энергии и облег­чит проблему сравнительной оценки качества солнечных элементов и батарей, выпускаемых в разных странах мира.

Международная комиссия по освещению (CIE) на XV сессии, проходившей в Вене в 1963 г. с участием представителей Великобри­тании, СССР, США и других стран, в качестве стандарта для ис­кусственного воспроизведения наземного солнечного излучения ре­комендовала условия облучения горизонтальной плоскости при ат­мосферной массе т=1 (условия АМ1) и следующих параметрах атмосферы: слой осажденных паров воды —2 см, озона —2 мм; коэф­фициент мутности ^=0,05. Интегральная плотность потока назем­ного солнечного излучения считается при этом равной 1110 Вт/м2.

Вопросы, касающиеся стандартных условий облучения, рассмат­ривались CIE и в последующие годы. В 1972 г. Международная
комиссия по освещению рекомендовала при имитации космических условий принимать солнечную постоянную равной 1350 Вт/м2 ±5% [384].

При испытании материалов на световое старение и расчетах энер­гетического воздействия наземного солнечного излучения комиссия рекомендовала пользоваться данными П. Муна [380] по спектраль­ному распределению излучения Солнца на поверхности Земли при различных значениях воздушной массы. Материалы Международ­ной комиссии хорошо дополняет обзор [385] предложенных разны­ми авторами расчетных формул [386] и моделей атмосферы [379].

Полученные многими исследователями сведения о различных характеристиках солнечной радиации [385] полезны для расчета параметров наземных солнечных элементов и батарей. К таким ха­рактеристикам относится, в частности, спектральная зависимость относительного содержания прямой (ч=Еар/Е) и рассеянной (у’= —EJE) радиации в суммарной солнечной радиации Е для различ­ных высот Солнца над горизонтом (рис. 4.4). Относительное содер­жание рассеянной радиации увеличивается^ не только по мере сни­жения высоты Солнца, но и с уменьшением длины волны, что хоро­шо заметно на рис. 4.4. При всех высотах Солнца относительное содержание рассеянной радиации в суммарной особенно велико в ультрафиолетовой и коротковолновой видимой частях спектра.

Интересны также результаты измерений спектрального состава и интенсивности прошедшего сквозь облачную атмосферу солнечного излучения [385]. Если принять плотность потока солнечного излу­чения Е в безоблачный день за 100%, то при 20% облачности (0,2 поверхности неба закрыто облаками) Е уменьшается до 89%, при 40 — до 77, при 60 — до 64, при 80 — до 46, при сплошной об­лачности — до 20 %. Коррелированная цветовая температура Солнца для наземного солнечного излучения в пасмурный день составляет 6020-6050 К.

В 1974—1975 гг. в странах, разрабатывающих солнечные элементы и батареи, начались активные исследования по выбору стандартного спектра наземного солнечного излучения применительно к измере­нию их параметров. Был предложен стандартный солнечный спектр, соответствующий атмосферной массе т=1 [387], основанный в свою очередь на расчетах, в которых в качестве исходного спектра вне­атмосферного солнечного излучения использовалось распределение Джонсона [369], при следующих условиях: слой осажденных паров воды 1,0 см, озона 3,5 мм при 200 аэрозольных частицах пыли в кубическом сантиметре воздуха [388].’ Суммарный поток такого стандартного наземного солнечного излучения (обычно обозначаемо­го как солнечное излучение для условий АМ1) 917 Вт/м2, прямая составляющая этого излучения равна 865 Вт/м2.

Следует отметить, что условия, близкие к АМ1, наблюдаются практически только в тропиках и на средних широтах в высоко­горье. В связи с этим были продолжены работы по выбору стан­дартного спектра и оптимальных методов измерений, наиболее пол­но отражающих условия эксплуатации большинства наземных фото­электрических установок.

В 1975 г. была разработана временная методика испытаний сол­нечных элементов наземного применения [389],предусматривающая три способа измерений: на естественном солнечном излучении с при­менением эталонных солнечных элементов, с применением неселектив­ных радиометров и на солнечных имитаторах. В методике описы­ваются приборы и оборудование, необходимые для проведения ис­пытаний, рекомендуются способы градуировки эталонных элементов. В качестве стандартных предложены условия облучения при атмо­сферной массе т=2 и следующих параметрах атмосферы: толщина слоя осажденных паров воды 2,0 см, озона 3,4 мм; коэффициент мутности р= 0,04; показатель селективности при аэрозольном по­глощении а=1,3 (такой спектр наземного излучения обычно кратко обозначается как условия АМ2). Спектральное распределение энер­гии солнечного излучения при стандартных условиях получено рас­четным путем на основе спектра внеатмосферного излучения, вы­веденного М. П. Такаекарой [356, 357]. В качестве стандартной тем­пературы принято значение 28±2° С.

Однако условия АМ2 также недостаточно точно соответствуют средним условиям работы наземных солнечных элементов и батарей, особенно летом в южных районах. В связи с этим временная мето­дика [389] была переработана. В усовершенствованной [390] в ка­честве стандарта приняты условия, соответствующие атмосферной массе т=1,5 (обозначаемые как условия АМ1,5). При этом счита­ется, что толщина слоя осажденных паров воды составляет 2,0 см, озона — 3,4 мм, коэффициент мутности р=0,12 и показатель селек­тивности а=1,3. Плотность прямого потока в спектре АМ1,5 равна 834,6 Вт/м2.

Для измерения плотности потока солнечного излучения преду­сматривается применять только эталонные солнечные элементы.

Среди искусственных источников света приемлемыми считаются три: ксеноновая лампа с короткой дугой, импульсная ксеноновая и вольфрамовая лампы при цветовой температуре 3400 К с дихроиче — ским интерференционным фильтром. При градуировке эталонных элементов следует использовать абсолютную радиометрическую шкалу.

Дополнительно к методике измерений характеристик солнечных элементов в прямом потоке естественного солнечного излучения вы­работаны и рекомендованы методика измерений в полном потоке и методика измерений элементов, работающих с концентраторами.

Все измерения следует проводить в специализированной лабора­тории, на которую возлагаются обязанности по разработке общих методических вопросов определения характеристик солнечных эле­ментов наземного применения, градуировке эталонных элементов и их распределению между исследовательскими организациями, а так­же общий метрологический контроль за правильностью измерений в условиях производства и выпуск соответствующих инструкций по выполнению измерений.

Детальному изучению подверглись вопросы метрологии солнеч­ных элементов на советско-американском семинаре в сентябре 1977 г. в Ашхабаде (программа по прямому преобразованию солнечной энергии; сопредседатели заседаний с советской и американской сто­рон — М. М. Колтун и Г. Брандхорст).

После подробного обсуждения специалистами разных стран, в том числе Великобритании, СССР, США и Франции, в 1982 г. методика измерений солнечных элементов при условиях АМ1,5 взята за осно­ву выбора стандартного спектра Международной электротехниче­ской комиссией ООН [391]. Этот спектр, так же как и спектр для условий АМО [358], приведен в приложении 1.

Следует отметить, что советскими специалистами спектр AM 1,5 и до этого широко использовался для измерений не только парамет­ров солнечных элементов, но и интегральных оптических характе­ристик гелиотехнических материалов (см., например, [ 146]). Однако параметры атмосферы, обусловливающие форму спектральных полос поглощения, в работе [146] не были определены и эти данные нель­зя было использовать при международной стандартизации.

В соответствии с методикой измерений параметров солнечных элементов под естественным солнечным излучением [392] в качест­ве стандартных были выбраны условия облучения в полном потоке солнечного излучения при атмосферной массе 1. В отличие от дру­гих исследований, где спектр наземного излучения получен пересче­том из внеатмосферного, в этой методике стандартное распределение энергии полного потока установлено усреднением одиннадцати экс­периментальных кривых, полученных в течение четырех дней в июле 1976 г. на о-ве Мальта. Остров расположен на широте 36°, и в июле в полдень атмосферная масса не превышает 1,03. В качестве стан­дартной принята плотность потока 1000 Вт/м2. Измерения могут проводиться на естественном солнечном излучении, а также на ими­таторах. На естественном излучении измерения рекомендуется про­водить в полном потоке при наведении солнечных элементов и бата­рей по нормали на Солнце с точностью ±5°. При этом плотность потока должна быть не менее 800 Вт/м2. Излучение, отраженное от Земли (которое, например, в случае снежного покрова может быть достаточно большим) и окружающих предметов, должно быть ис­ключено. Для измерения плотности потока излучения имитаторов и Солнца применяются эталонные солнечные элементы, отградуиро­ванные в соответствующих условиях.

Западцоевропейскими странами недавно принята единая мето­дика измерений солнечных элементов наземного применения [366], разработанная международной группой под эгидой Европейского экономического сообщества в Объединенном научном центре (ШС), Италия. Созданы метрологические лаборатории по градуировке и

проверке эталонных элементов при европейских центрах по изучению космического пространства: RAE (Фарнбороу, Великобритания), CNES (Тулуза, Франция), ESTEC (Нордвик, Нидерланды).

Создана методика измерений солнечных элементов наземного при­менения [393], единая для стран —членов СЭВ. Наиболее активное участие в ее разработке принимали специалисты из Болгарии, Венг­рии, Монголии, Польши, СССР и Чехословакии. Методика включает проведение измерений солнечных элементов на естественном сол­нечном излучении, на имитаторах Солнца, а также измерения при концентрированном солнечном излучении. При ее разработке учиты­валась возможность согласования условий измерения в более широ­ком международном масштабе; в этой методике использован опыт исследований, проводившихся в разных странах мира. В качестве стандарта приняты два варианта условий облучения: т=1, Е— = 1000 Вт/м2; га=1,5, £Пр=850 Вт/м2. Параметры атмосферы в обоих случаях одинаковы: слой осажденных паров воды 2,0 см, озона 3,4 мм; коэффициент мутности ^=0,12 и показатель селективно­сти а=1,3.

Согласно этой методике характеристики солнечных элементов можно измерять в прямом и полном потоках излучения.

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

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

В октябре 1980 г. в Ереване проводилось совещание специали­стов стран СЭВ по метрологии солнечных элементов, на котором методика рекомендована к применению.

Общепринятые в настоящее время (при расчетах и эксперимен­тальном определении КПД и выходных электрических параметров солнечных элементов и батарей) спектры внеатмосферного [358] и наземного солнечного излучения при условиях AM 1,5 [390, 391] представлены на рис. 4.5.

Важность стандартизации спектра солнечного излучения и со­става атмосферы при измерениях можно проиллюстрировать следую­щим примером: при одинаковой атмосферной массе 1,5 и безоблач-

Рис. 4.5. Спектральное распределение энергии внеатмосферного (1) и назем­ного солнечного излучения при т—1,5, толщине слоя осажденных паров воды 2 см, озона 3,4 мм, коэффициентах аэрозольного рассеяния а=1,3 и р=0,12 (2)

ном небе в зависимости от влажности и количества аэрозольных частиц плотность прямого потока солнечного излучения может из­меняться от 943 до 616 Вт/м2 [376].