Страница 4 из 46
Реальные условия эксплуатации 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 применительно к астрономическим условиям, характерным для 80-х годов нашего столетия, при солнечной постоянной 1360 Вт/м2 плотность потока солнечного излучения на границе атмосферы Земля 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.
Для прогнозирования выходной мощности расположенных на низколетящих спутниках Земли батарей, состоящих из солнечных элементов, способных преобразовывать в электрическую энергию и ту часть солнечного излучения, которое может попасть на тыльную поверхность батареи, необходимо знать интегральный коэффициент отражения солнечного излучения от поверхности Земли (альбедо Земли). Величина альбедо может колебаться в зависимости от рельефа местности, состояния атмосферы и облачности в значительных пределах: от 0,1 (ясная погода) до 0,9 (Земля покрыта плотным слоем облаков). Обычно в среднем альбедо Земли для большинства орбит низколетящих спутников составляет 0,35—0,3.
Отраженное от Земли и ее облачного покрова солнечное излучение, так же как и тепловое излучение Земли в инфракрасной области спектра, влияет и на рабочую температуру космических аппаратов. Поток собственного теплового излучения Земли, попадающий на солнечную батарею, оценивается обычно для низколетящих спутников Земли величиной 200–300 Вт/м2. Его влияние проявляется не только в повышении равновесной температуры батареи на освещаемой части орбиты (явление несомненно отрицательное из-за заметного падения мощности батареи с ростом температуры), но и в подогреве батареи на участке орбиты, проходящем в тени Земли, что предохраняет батарею от чрезмерно резкого термоциклирования и положительно сказывается на ее работоспособности при длительной эксплуатации на орбите.
Вернемся к основному назначению солнечных элементов и батарей — преобразовывать излучение Солнца в электроэнергию с возможно большей эффективностью. 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 и составляет: 991 Вт/м2 (Μ. П. Такаекара), 1039 Вт/м2 (Ф. Джонсон), 1014 Вт/м2 (Е. А. Макарова и А. В. Харитонов).
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 излучение Солнца (исходя из спектральных зависимостей чувствительности элементов) и путем экстраполяции к нулевой воздушной массе результатов натурных измерений, выполненных в первой половине 70-х годов зарубежными исследователями на острове Мальта и советскими — на высокогорной станции Государственного астрономического института им. Штернберга вблизи Алма-Аты. 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.
Эксперименты на острове Мальта и на высокогорной станции около Алма-Аты и расчет по спектру Макаровой и Харитонова 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.
Поглощение солнечного излучения в атмосфере и характеристики наземного солнечного излучения
Плотность потока 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, для определения которой введена 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°
Атмосферным массам (на уровне моря) 1; 1,5; 2; 3; 5 соответствуют следующие значения высоты Солнца: 90o, 41o49′, 30o, 19o27′ и 11o32′. 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, что обычно обозначается как условия AM0, в то время как наземным измерениям соответствуют условия AM1, AM1,5 и т. д.
Воздушная масса принимается равной единице на Земле на уровне моря при ясном безоблачном небе, когда Солнце находится в зените и лучи его попадают перпендикулярно на поверхность измеряемых элементов (атмосферное давление в этом случае p0= 1,013×105 Па).
Воздушная масса в любой точке земной поверхности может быть определена по уравнению
m=p/p0 sin θ=p cosec θ/p0,
где р — давление воздуха в данной точке поверхности Земли; Θ — угол, определяющий высоту Солнца над линией горизонта.
Состав атмосферы существенно влияет на параметры наземного солнечного излучения. Проходя сквозь атмосферу, космическое солнечное излучение 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.
Солнечное излучение, прошедшее сквозь атмосферу, с учетом рэлеевского рассеяния может быть оценено как
τr=exp(-0,008735λ~4,08mp/p0).
Пропускание, уменьшенное из-за поглощения парами воды, характеризуется частью солнечных лучей, прошедших сквозь атмосферу в спектральных областях полос поглощения воды:
τω=exp(-kω(λ)ω),
где kω (λ) — коэффициент поглощения солнечного излучения парами воды; ω — 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. Эмпирические соотношения для расчета поглощения каждой из этих составляющих атмосферы выведены, но значительно более наглядное представление о задержке ими проходящего на Землю солнечного излучения можно получить из рис. 1.3.