Солнечные элементы

Наземные фотогенераторы в герметизирующих оболочках, использующие однократный или концентрированный поток солнечного излучения

Первоначально считалось, что создание наземных фотогенераторов из различных полупроводниковых солнечных элементов не встретит заметных научно-технических или инженерных трудностей, поскольку для этого типа устройств условия работы значительно легче, а возможности ремонта несоизмеримо больше, чем для космических солнечных батарей. Однако достаточно быстро выяснилось, что отрицательное воздействие, например, влаги воздуха на параметры солнечных элементов оказывается зачастую гораздо более сильным, чем влияние термоциклирования на околоземных орбитах. Это обстоятельство выдвинуло проблему герметизации наземных солнечных элементов в одну из наиболее актуальных. При этом оказалось, что экранировать от неблагоприятного воздействия различных климатических факторов необходимо не только фотогенерирующую часть этих устройств, но и многие вспомогательные узлы установок, такие, как дополнительные отражатели или концентраторы солнечного излучения.

В настоящее время КПД большинства наземных солнечных фотогенераторов из кремниевых солнечных элементов составляет 12–13 %, и это означает, что при плотности падающего на элементы потока солнечного излучения 800 Вт/м2, характерной для средней полосы СССР в ясные летние дни, каждый квадратный метр фотогенерирующей части подобных устройств может обеспечить получение около 100 Вт электрической мощности. Сейчас испытываются самые разнообразные конструкции наземных фотогенераторов. Различаются они главным образом по способу герметизации солнечных элементов и по оптической схеме используемого концентратора солнечных лучей, если, конечно, в установке предусмотрено применение многократных потоков излучения, что позволяет резко уменьшить стоимость получаемой электроэнергии, ибо концентрирующее устройство, как правило, в десятки и сотни раз дешевле непосредственно самих солнечных элементов.

Покрытия наземных фотогенераторов защищают в отличие от космических батарей не отдельные солнечные элементы, а целые модули. Покрытия солнечных элементов на земле герметически плотно соединены с поверхностью элементов и предотвращают попадание на них влаги.

В наиболее простом случае изоляцию, предохраняющую элементы от воздействия внешней среды, создают с помощью оптически прозрачного герметизирующего соединения или заключения в оболочку, которая защищает и межэлементные контакты. В более прочных конструкциях применяют сравнительно сложный и дорогостоящий способ герметизации, при котором межэлементные контакты заключают в оболочку из более жесткого пластика или стеклянного покрытия сразу поверх мягкого материала.

Рис. 5.7. Стеклянные и полимерные защитные покрытия плоских модулей наземных фотогенераторов

а — круглые и прямоугольные солнечные элементы 1 приклеены каучуком 2 к внешней стеклянной пластине 3; модуль изолирован по торцам металлической оболочкой 4 и резиновым уплотнителем 5, соединяющим внешнюю пластину 3 с тыльной пластиной 6 из металла или пластика; б — в конструкции а солнечные элементы 1 залиты слоем каучука 2, заполняющим все пространство между внешней и тыльной пластинами модуля; в — в конструкциях а и б тыльная пластина заменена на слой гибкого пластика или герметика 7, обволакивающего солнечные элементы с тыльной стороны; г — перевернутый вариант конструкции в, где обволакивающий слой 7 выполнен из светостойкого прозрачного полимера и обращен к свету; д — двусторонняя полимерная защитная конструкция (прозрачный пластик с обеих сторон), где могут быть использованы прозрачные солнечные элементы с двусторонней чувствительностью; е — солнечные элементы 1 приклеены к несущей полимерной или металлической подложке 2 и заключены в заполненную сухим инертным газом стеклянную трубку 3, используемую для люминесцентных ламп; ж — верхняя поверхность трубки 3 конструкции е плоская и солнечные элементы приклеены к ней снизу прозрачным каучуком 4; з — круглые солнечные элементы большой площади вклеены прозрачным каучуком в пустые лампы-фары, из которых собран модуль фотогенератора

При применении прочных защитных слоев поверх мягкой оболочки предполагается перевернутая конструкция модуля: соединенные друг с другом солнечные элементы вначале прикрепляются к защитным стеклам рабочей поверхностью, затем тыльная сторона солнечных элементов герметизируется и весь модуль устанавливается на любую подходящую подложку.

Тепло, передаваемое подложке элементами, можно использовать в комбинированных фототермических системах для нагрева теплоносителя — воды или воздуха.

Прозрачные покрытия, сделанные из стекла, и подложки, выполненные из металла, более влагостойки, чем подложки и покрытия из пластика. В этом случае требуется соответствующим образом герметизировать края элементов. На рис. 5.7 и 5.8 показаны различные способы решения этих задач.

Рис. 5.8. Трубчатые защитные оболочки комбинированного фототермического коллектора с солнечными элементами

1 — отражающая металлическая пленка; 2 — теплопоглощающая поверхность; 3 — трубопровод с жидким или газообразным теплоносителем; 4 — полость, заполненная прозрачной кремнийорганической жидкостью; б — вакуумированная полость; 6 — прозрачное селективное покрытие с низким значением коэффициента излучения ε; 7, 9 — прозрачные стеклянные оболочки; 8 — монокристаллические или пленочные солнечные элементы (плоские или трубчатые)

Высокую влагопроницаемость пластических материалов можно свести к минимуму, используя большое число слоев из различных материалов. Конструкция многослойного модуля позволяет обеспечить более высокую стойкость материалов защитных покрытий к истиранию и удару и снизить уровень повреждений, возникающих в солнечных элементах при внешних механических воздействиях.

Материалами для покрытий могут служить стекла и пластики. Некоторые стекла обладают лучшей по сравнению с другими материалами сопротивляемостью атмосферным воздействиям. Однако стабильность свойств в условиях отрицательных атмосферных воздействий у высококачественных пластиков выше, чем у плохих сортов стекол. В настоящее время к материалам, стойким к воздействию окружающей среды, относятся пластики, изготовленные на основе фторсополимеров и кремнийорганических смол.

Полиэтилентерефталат и поликарбонат имеют среднюю, а полиэтилен, поливинилхлорид, целлюлоза, полистирол, натуральный каучук и нейлон — низкую устойчивость к атмосферным воздействиям. Большинство материалов можно модифицировать, добавляя в них антиозонаты, стабилизаторы для повышения стойкости к ультрафиолетовому излучению и другие добавки, которые могут повысить стойкость материалов к атмосферным воздействиям. Наиболее часто для изготовления защитных покрытий применяют фторсодержащие пленки, кремнийорганические лаки и каучуки, а также акрилаты, несмотря на относительно высокую стоимость этих полимерных материалов, и материалы из различных сортов органического стекла, в целом довольно устойчивые к атмосферным воздействиям, но заметно темнеющие под действием ультрафиолета Солнца. Накопление пыли и грязи на поверхности твердых материалов обычно невелико, и поэтому подобное воздействие мало влияет на светопропускание покрытий. Мягкие же материалы, например кремнийорганические каучуки различных марок, накапливают грязь в больших количествах, в результате чего потери по светопропусканию составляют от 20 до 60 % и их лучше использовать в качестве промежуточных соединительных слоев.

В наиболее эффективно действующих наземных установках мягкие материалы защищены более твердыми. Таким образом обеспечивается надежная и долговечная комбинированная система защитных покрытий, герметизирующая элементы,