Солнечное излучение и выбор стандартного спектра

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 31'59″ [35], следовательно, в каждую точку освещаемой элементарной площадки попадает пучок лучей, заключенный в конусе с углом ±16'. Поток излучения идеально однороден.

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 в не тропосферных измерений [32, 33]. 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 [35], 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 [31].

Анализ информации о характеристиках солнечного излучения [31] дает все основания отдать предпочтение спектральному распределению, предложенному Макаровой и Харитоновым. Именно это распределение используется и Европейским космическим центром [32].

Работы по уточнению значения солнечной постоянной продолжаются. По результатам измерений на космических аппаратах и ракетах ее средневзвешенное значение 1370 Вт/м² [33]. Изменение солнечной постоянной вследствие цикличности солнечной активности изучалось многими исследователями [34]. 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 як 0,75% [33]. 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 2000 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) [36].

Более подробные сведения о внеатмосферном солнечном излучении суммированы в обзоре [37].

Таблица 2. Плотность потока солнечного излучения на орбитах планет.

При проектировании солнечных батарей двусторонней [16, 5] или прозрачной в инфракрасной области солнечного спектра [19— 11] конструкции для низколетящих спутников Земли [13, 19] необходимо учитывать также данные об альбедо Земли по отношению к падающему солнечному излучению [35, 38].

Потемнение солнечного диска к краям отмечалось во многих работах; имеются необходимые для тепловых расчетов космических аппаратов и солнечных батарей сведения о собственном тепловом излучении Земли и других планет и значения их альбедо [37].

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 [39]; в начале 2000;го года в качестве стандарта было принято 1353 Вт/м², выведенное М. П. Такаекарой [36, 37]; в настоящее время наиболее достоверным считается 1360 Вт/м², определенное Е. А. Макаровой и А. В. Харитоновым [36—32, 36, 30].

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 [30]: 991 Вт/м² [36]; 1039 Вт/м² [39]; 1014 Вт/м² [38].

Сравнение различных спектральных кривых распределения энергии 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 [30]. 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 [30] и расчет по спектру [38] 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 [38].

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 11⁰32'. 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:

(3.1).

Где —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 [32], определяющей часть солнечного излучения, прошедшего сквозь атмосферу после рэлеевского рассеяния:

(3.2).

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

(3.3).

где —коэффициент поглощения солнечного излучения парами воды; щ — 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 [33].

Для оценки аэрозольного рассеяния пользуются понятием «мутность атмосферы». Прямой солнечный поток, ослабленный в результате аэрозольного рассеяния, можно определить по следующей формуле [34]:

(3.4).

где в — коэффициент мутности; б — коэффициент, который называют показателем селективности [35].

Коэффициент мутности характеризует количество взвешенных в воздухе частиц, показатель селективности — состав частиц по размерам: чем мельче частицы, тем выше б 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 в — от 0,01 до 0,375.

При выводе обобщающей формулы, учитывающей все виды потерь солнечного излучения в процессе прохождения сквозь земную атмосферу [36], предполагалось, что спектральная плотность потока наземного солнечного излучения в узком интервале длин волн Е_л зависит от спектрального потока внеатмосферного излучения в этом интервале следующим образом:

(3.5).

где с₁, с₂ и — изменение длины оптического пути соответственно из-за рэлеевского рассеяния, наличия слоя озона и запыленности воздуха; — коэффициент, учитывающий уменьшение прозрачности атмосферы вследствие полос молекулярного поглощения, который может быть выражен (в зависимости от спектрального положения полосы) с помощью одного из соотношений:

(3.6).

где с₄—с₆ — эмпирические константы [37, 38].

Рисунок 3.1 Селективное спектральное поглощение солнечного излучения постоянными газами атмосферы при воздушной массе m=1, толщине слоя осажденных паров воды 2 см и приведенной толщине слоя озона 2 мм (при нормальных температуре и давлении).

Разработаны различные модели атмосферы, с использованием которых можно рассчитывать на ЭВМ оптическое пропускание земной атмосферы по отношению к падающему солнечному излучению [39].

Спектры наземного прямого солнечного излучения для значений воздушной массы от 0 до 5 при постоянных параметрах атмосферы (щ=2 см; приведенная толщина слоя озона 2,8 мм; количество частиц пыли в воздухе d~300 см^-3) были рассчитаны (рис. 3.2) исходя из спектра внеатмосферного излучения [42] по формуле:

(3.7).

где — коэффициент поглощения отдельными составляющими атмосферы в узком спектральном интервале [30]. При этом пропускание атмосферы с учетом аэрозольного рассеяния рассчитывалось не по уравнению (3.1), а по формуле:

(3.8).

Используя эти спектры наземного солнечного излучения, а также другие расчетные и экспериментальные (см., например, [31]), 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. 3.3) [34, 32]. Экспериментальные данные, относящиеся как к суммарному, так и к диффузному потоку солнечного излучения для условий т=1, представлены в работе [33].

Международная стандартизация спектра наземного солнечного излучения.

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, 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.

Рисунок 3.2 Спектральное распределение энергии солнечного излучения при различных значениях воздушной массы.

Рисунок 3.3 Спектральное распределение энергии суммарного и диффузного наземного солнечного излучения при m=2 и в=0,1.

Рисунок 3.4 Спектральная зависимость относительно прямой и рассеянной радиации для различных высот солнца над горизонтом.

Международная комиссия по освещению (СІЕ) на XXX сессии, проходившей в Вене в 2003 г. с участием представителей Великобритании, СНГ, США и других стран, в качестве стандарта для искусственного воспроизведения наземного солнечного излучения рекомендовала условия облучения горизонтальной плоскости при атмосферной массе m=1 (условия АМ1) и следующих параметрах атмосферы: слой осажденных паров воды —2 см, озона —2 мм; коэффициент мутности в=0,05. Интегральная плотность потока наземного солнечного излучения считается при этом равной 1110 Вт/м².

Вопросы, касающиеся стандартных условий облучения, рассматривались СІЕ и в последующие годы. В 2005 г. Международная комиссия по освещению рекомендовала при имитации космических условий принимать солнечную постоянную равной 1350 Вт/м² ±5% [34].

При испытании материалов на световое старение и расчетах энергетического воздействия наземного солнечного излучения комиссия рекомендовала пользоваться данными П. Муна [30] по спектральному распределению излучения Солнца на поверхности Земли при различных значениях воздушной массы. Материалы Международной комиссии хорошо дополняет обзор [35] предложенных разными авторами расчетных формул [36] и моделей атмосферы [39].

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.

и рассеянной.

радиации в суммарной солнечной радиации Е для различных высот Солнца над горизонтом (рис. 3.4). Относительное содержание рассеянной радиации увеличивается не только по мере снижения высоты Солнца, но и с уменьшением длины волны, что хорошо заметно на рис. 3.4. 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 2004—2005 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 m=1 [37], основанный в свою очередь на расчетах, в которых в качестве исходного спектра внеатмосферного солнечного излучения использовалось распределение Джонсона [39], при следующих условиях: слой осажденных паров воды 1,0 см, озона 3,5 мм при 200 аэрозольных частицах пыли в кубическом сантиметре воздуха [38]. ' 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 2007 г. была разработана временная методика испытаний солнечных элементов наземного применения [39], 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 m=2 и следующих параметрах атмосферы: толщина слоя осажденных паров воды 2,0 см, озона 3,4 мм; коэффициент мутности в= 0,04; показатель селективности при аэрозольном поглощении б=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 [36, 37]. 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 [39] была переработана. В усовершенствованной [30] в качестве стандарта приняты условия, соответствующие атмосферной массе m=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 б=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 дихроическим 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.

В соответствии с методикой измерений параметров солнечных элементов под естественным солнечным излучением [32] 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 2006 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.

Западноевропейскими странами недавно принята единая методика измерений солнечных элементов наземного применения [36], разработанная международной группой под эгидой Европейского экономического сообщества в Объединенном научном центре (IRC), 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 [33], единая для стран—членов СЭВ. Наиболее активное участие в ее разработке принимали специалисты из Болгарии, Венгрии, Монголии, Польши 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. Параметры атмосферы в обоих случаях одинаковы: слой осажденных паров воды 2,0 см, озона3,4 мм; коэффициент мутности в=0,12 и показатель селективности б=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/м²при .

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 2000 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 [38] и наземного солнечного излучения при условиях AM 1,5 [30, 31] представлены на рис. 3.5.

Важность стандартизации спектра солнечного излучения и состава атмосферы при измерениях можно проиллюстрировать следующим примером: при одинаковой атмосферной массе 1,5 и безоблачном небе в зависимости от влажности и количества аэрозольных частиц плотность прямого потока солнечного излучения может изменяться от 943 до 616 Вт/м² [36].

Рисунок 3.5 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 б=1,3 и в=0,12 (2).