Сейчас “уже никто не сомневается в большом научном и прикладном значении фотоэнергетики и ее оптических и метрологических раз­делов [1—5, 472]. Широким фронтом ведутся исследования по раз­работке новых моделей и конструкций солнечных элементов (в том числе из аморфных сплавов германия с кремнием [473] и кремния с селеном [474]), по расчету и разработке селективных покрытий, и хотя некоторые из более поздних работ [475—477] просто повто­ряют исследования, выполненные на 15 лет раньше [289—296, 309], в ряде публикаций описаны методы нанесения покрытий, усовер­шенствованные столь значительно [478, 479], что они могут быть широко использованы на практике в ближайшем будущем. Перспек­тивны работы по созданию плоских вакуумированных коллекторов [480], важны исследования, направленные на облегчение космиче­ских солнечных батарей, улучшение их радиационной стойкости и устойчивости к повреждающему воздействию лазерного излучения [481, 482], которое находит все большее применение в технологии и измерениях параметров солнечных батарей [483—486]. Конструи­руются новые имитаторы Солнца [487], уточняется значение сол­нечной постоянной [488]. Значительные успехи достигнуты в раз­работке просветляющих покрытий с переменным по глубине показа­телем преломления [489], созданы каскадные тонкопленочные эле­менты из аморфного и поликристаллического кремния с КПД 12,1% [490], организуются лаборатории по метрологии солнечных элемен­тов [491]. Входит в повседневную практику измерений параметров наземных солнечных батарей согласованный в международном мас­штабе спектр солнечного излучения в условиях AM 1,5 со строго фиксированными параметрами атмосферы [492, 493]. Спектральный состав и плотность излучения стандартного наземного солнечного спектра, по отношению к которому следует определять КПД сол­нечных элементов и батарей, продолжают уточнять.

Сотрудники Института солнечной энергии в штате Колорадо (США) предложили использовать в качестве стандартного спектр прямого солнечного излучения при АМ1,5 [494], незначительно от­личающийся от принятого в настоящее время [391, 393], а также спектр суммарного солнечного излучения при АМ1,5, падающего на поверхность, расположенную под углом 37° к горизонтали [494]. Этот спектр столь значительно обогащен коротковолновым излуче­нием за счет диффузной составляющей излучения и солнечного из­лучения, отраженного от поверхности Земли (альбедо Земли приня­то равным 0,2), что его спектральное распределение, определяемое, в частности, «сине-красным отношением», весьма близко к АМО.

о

М М Колтун

Наземные фотогенераторы на практике работают в условиях облучения суммарным, а не прямым потоком солнечного излучения,, однако применение суммарного потока для определения КПД встре­тит значительные методические трудности, связанные, например, с необходимостью учета зависимости коэффициента отражения и фототока солнечных элементов от угла падения солнечных лучей на измеряемую поверхность. В случае перехода на спектр суммарного излучения в качестве стандартного у эталонных и измеряемых сол­нечных элементов должны быть практически одинаковыми не толь­ко спектральная чувствительность, но и угловые спектральные зави­симости коэффициента отражения и фототока.

Оптические и Метрологические исследования свойств солнечных элементов — новое и важное в теоретическом и практическом отно­шении направление в науке о преобразовании энергии.

Без развития исследований по оптике и метрологии солнечных элементов было бы невозможно не только точно определить КПД элементов и батарей в космических и наземных условиях, но и опти­мизировать их характеристики применительно к разнообразным ус­ловиям эксплуатации.

[1] Использованный для получения данных табл. 4 3 спектр АМ1,5 представ­лен на рис. 4.5 (кривая 2) [391], диффузная составляющая (молекулярное и аэрозольное рассеяние) — на рис. 4.3 (кривая 2) [382, 383]. спектры АМЗ и АМ5 (прямое излучение) — на рис. 4.2 (кривые 4 и 6) [380].

Эталонные солнечные элементы из различных полупроводниковых материалов широко используются при настройке имитаторов Солн­ца для измерения параметров солнечных элементов и батарей в ла­

бораторных и заводских условиях и во время определения характе­ристик наземных солнечных батарей в натурных условиях. Значи­тельно более редким, но не менее важным с научной точки зрения является использование эталонных солнечных элементов для изуче­ния характеристик самого солнечного излучения, например, на бор­ту космических аппаратов, где высокие удельно-массовые характе­ристики, надежность, стабильность, термостойкость, малые габари­ты превращают полупроводниковые солнечные элементы в весьма удобные и чувствительные датчики солнечного излучения [465].

В наружных контейнерах, установленных на спутниках типа «Космос-1129» с биологическими объектами на борту, при помощи датчиков из солнечных элементов измерялась освещенность, созда­ваемая Солнцем на поверхности объектов, движущихся на сравни­тельно невысоких и почти круговых околоземных орбитах (средняя высота 300 км, угол наклона орбиты 62°), что было вызвано необ­ходимостью контроля условий экспонирования в открытом космосе биологических объектов. ОднЬвременно определялась суммарная дли­тельность промежутка времени, в течение которого были ориенти­рованы в направлении на Солнце детекторы космического излуче­ния, размещенные в этих же контейнерах.

Спутник был запущен на околоземную орбиту 25 сентября 1979 г,, и после почти 20-суточного полета наружные контейнеры в составе спускаемого аппарата возвратились на Землю. Во время полета спут­ник не был ориентирован, совершая медленное вращение вокруг оси, неконтролируемо меняющей свое направление. Использованные для исследований контейнеры во время прохождения спускаемого аппарата через сплошные слои земной атмосферы обеспечивали теплозащиту размещенных в них объектов.

Измерения освещенности проводились с помощью автономного, не имевшего телеметрического выхода датчика-интегратора типа ДКО-2, состоявшего из двух эталонных кремниевых солнечных эле­ментов, включенных навстречу друг другу и подключенных через делитель к интегрирующему ртутному кулометру, а также компен­сационные полупроводниковые диоды [465], С помощью механиче­ской шторки датчики могли быть поочередно открыты (при этом направление передвижения промежутка между ртутными электро­дами изменяется на обратное). Электрический ток, создаваемый от-‘ крытым солнечным элементом (при закрытом втором элементе), про­пускается через кулометр, представляющий собой стеклянный ка­пилляр с двумя ртутными электродами, разделенными каплей элек­тролита, называемой индексом кулометра. Освещение солнечного элемента вызывало появление тока, протекание которого в свою оче­редь приводило к смещению положения капли электролита на не­подвижной шкале. Смещение соответствовало количеству пропущен­ного через кулометр электричества, пропорциональному количеству света, попавшего на поверхность солнечного элемента [466].

Перед установкой на борт спутника датчик ДКО-2 и его эталон­ные солнечные элементы были отградуированы на имитаторе сол­нечного излучения таким образом, чтобы максимальная ингегралъ пая облученность в полете соответствовала 0,95 от длины шкалы кулометра.

На внутренней крышке контейнера с научной аппаратурой спут­ника «Космос-1129» были размещены также металлические пласти­ны с нанесенными на — их поверхность селективными покрытиям** Некоторые из них, например белые акриловые эмали, темнеют под воздействием солнечного излучения. Темп увеличения интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения их поверхности хо­роню изучен в космических условиях при полетах спутников серии «Венера» на датчиках с достаточно точной ориентацией на Солнце f23}, Световой поток, падающий на покрытия, и интегральная облу­ченность оценивались дополнительно по изменению коэффициента поглощения солнечного излучения этих покрытий за все время полета.

Зная коэффициент поглощения солнечного излучения до и после полета и используя его~ зависимость от облученности или времени полета в солнечных сутках (принималось, что солнечная постоянная равна 1360 Вт/м2) [23J, можно оценить длительность промежутка времени, в течение которого объекты, размещенные в контейнерах, освещались солнечным излучением, направленным перпендикулярно к поверхности пластин с покрытием, и провести сравнение двух ме­тодов измерения освещенности в течение полета.

Измерения на спутнике «Космос-1129» интегрального потока солнечного излучения, падающего на объекты, размещенные в кон­тейнерах, дали значения 4,6 эквивалентных солнечных суток по по­темнению покрытий и 4,5 сут по показателям датчиков типа ДКО-2 на эталонных элементах.

Отметим, что полученные данные соответствуют потоку солнеч­ного излучения, падающего по нормали к поверхности датчиков и пластин с покрытиями. Следовательно, речь идет об облучении по­током, эквивалентным прямому (направленному по нормали), по­скольку суммарный реальный поток излучения падает на плоские поверхности под разными углами в пределах телесного угла 2я.

Таким образом, выполненные исследования позволили с доста­точной степенью точности установить, что за время неориентиро­ванного полета искусственного спутника Земли «Космос-1129» (при­близительно 20 сут) установленные на нем контейнеры с научной аппаратурой были облучены потоком солнечного излучения, экви­валентного прямому солнечному потоку, направленному вдоль нор­мали к поверхности, в течение 4,5—4,6 сут.

Полупроводниковые солнечные элементы, преобразующие сол­нечное излучение сразу в электрическую энергию, могут, как уже указывалось, служить не только ее источником па борту космиче­ских аппаратов, но и датчиками освещенности прямым и отражен­ным световыми потоками при исследовании Земли из космоса [149,

Рис. 4.23. Расположение мало­габаритных солнечных бата­рей (1—3) на корпусе спускае­мого аппарата межпланетной автоматической станции «Ве­нера-11»

354]. а также при изучении прозрачности атмосфер других планет, например Венеры. С этой целью на борту большинства аппаратов, спускавшихся в атмосфере планеты Венера, устанавливались мало­габаритные солнечные батареи, предварительно отградуированные в лабораторных условиях [467]. Информация, полученная с помощью этих батарей, не только дополнила результаты спектральных изме­рений прозрачности атмосферы Венеры [468], но и позволила оце­нить степень диффузности светового потока, а также во время спу­ска 16 мая 1969 г. «Веперы-5» на ночной стороне планеты впервые зафиксировать всплески освещенности [469], которые наряду со све — товіьіми измерениями, проведенными при спуске «Веперы-9 и -10»

и исследованиями радиошумов, создаваемых электрическими разря­дами на «Венере-11 и -12», привели к выводу о появлении молний в атмосфере планеты [470].

Разработанная конструкция малогабаритных батарей выдержи­вает воздействие перегрузок до 300g (g — ускорение силы тяжести) при входе в атмосферу планеты, а также повышение температуры (до 300° С) и давления (до 100-105 Па). Как правило, каждая ба­тарея состояла из 28—30 отдельных солнечных элементов из крем­ния, предварительно отградуированных и соединенных последова­тельно друг с другом и с нагрузочным сопротивлением, обеспечиваю­щим получение выходного напряжения от 0 до 6 В при изменении плотности потока солнечного излучения от 50 до 1500 Вт/м2.

Малогабаритная солнечная батарея, как и остальная аппаратура спускаемого аппарата AMG «Венера», охлаждалась перед спуском приблизительно до —15° С [469], что позволило обеспечить вполне допустимый для солнечных элементов температурный режим на большей части траектории аппарата. При обработке результатов из­мерений вводилась температурная поправка.

Проведенные 25 декабря 1978 г. на станции «Венера-11» с по­мощью трех малогабаритных солнечных батарей, расположенных на корпусе спускаемого аппарата (рис. 4.23), измерения плотности потока солнечного излучения в атмосфере планеты показали, что плотность потока излучения, проходящего сквозь атмосферу Вене­ры, достаточно высокая (рис. 4.24). Это согласуется с данными ста­тей [468, 471] и говорит о возможности эффективной работы сол­нечных батарей с целью энергоснабжения, например, плавающих в атмосфере планеты аэростатных станций [467].

Отмеченный на рис. 4.24 вертикальными линиями разброс значе­ний на одном и том же спускаемом аппарате весьма невелик, что свидетельствует о практически полностью диффузном характере осве­щенности и об отсутствии прямой составляющей потока солнечного излучения на таких высотах в атмосфере Венеры. Во время спуска аппаратов «Венера-13 и -14» в марте 1982 г. проведены аналогичные эксперименты и получены результаты, весьма близкие к показанным на рис. 4.24.

* 1