3) Характеристики солнечного излучения
Данные об интенсивности солнечной радиации и ее распределении по длинам волн, т.е. о спектральном составе радиации, наиболее точно могут быть представлены за пределами земной атмосферы, поскольку на ее измерения на поверхности Земли влияют такие факторы как облачность, прозрачность атмосферы, ее влажность. При измерении характеристик солнечных элементов и батарей, предназначенных для космоса, в качестве стандарта повсеместно приняты условия, соответствующие условиям солнечного облучения плоскости, расположенной нормально к направлению на Солнце и удаленной от него на расстояние, равное одной астрономической единице (среднее расстояние от Земли до Солнца). Количество энергии, которую приносят солнечные лучи в единицу времени на площадку в 1м2, поставленную вне земной атмосферы перпендикулярно к солнечным лучам, называют солнечной постоянной Wc . Наиболее достоверным считается значение Wc=1360 Дж/м2с=1360Вт/м2. Зная абсолютное значение солнечной постоянной, можно найти энергию, которая поступила на поверхность солнечного элемента и батареи, работающих во внеатмосферных условиях, что требуется при расчетах их КПД. Однако, чтобы определить полезную энергию, полученную от СЭ, необходимо измерить спектральное распределение падающей радиации, особенно в интервале спектральной чувствительности солнечных элементов (для элементов из кремния - от 0.3 до 1.1мкм). Установлено, что для элементов из кремния эта величина равна 1014Вт/м2. Интенсивность солнечного излучения в малом интервале длин волн от до d , приходящаяся на площадку в 1м2 , нормальную к направлению солнечных лучей, определяется формулой
dWc=Gc()d() [Дж/м2*с=Вт*с/м2*с=Вт/м2],
где Gc() - спектральная интенсивность солнечного излучения, измеренная в Вт/м2*мкм. При вычислениях удобно принимать, что Солнце излучает как абсолютно черное тело с температурой 5800К. Спектральная плотность интенсивности излучения абсолютно черного тела Go() выражается функцией Планка, определяющей полное излучение абсолютно черного тела с 1см2 его поверхности
Go(,T)=(2)2 C2-5/[exp(2 C/kT}-1]=C1-5/[exp(C2/T)-1] (12)
где =0,658 эВ*с -постоянная Планка,
k=1,38*10-23 Дж/К=0,86*10-4 эВ/К -постоянная Больцмана,
С=3*1010 см/с -скорость света,
С1,С2- константы, зависящие от единиц измерения длины волны : C1=3.7*10-12Вт/см2,
С2=1,44 см*К.
По мере удаления от Солнца интенсивность излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния и поэтому на Земле она определяется следующей приближенной формулой
Gc()= Go(,Tc), (13)
где Тс=5800К -температура Солнца, а =2,17*10-5 - квадрат отношения радиуса Солнца к расстоянию от Солнца до Земли. График этой функции весьма приблизительно совпадает с истинной спектральной интенсивностью солнечного излучения, но для фотоэлементов, выходная электрическая мощность которых зависит от всего спектра излучения, использование последней формулы оправдано.
Спектральную интенсивность можно выразить как функцию частоты падающего света
dWo=Go(,T)d={(2)2 3/C2[exp(2 kT) -1]}d.
4) Наземное солнечное излучение
Выбор стандартных параметров наземного солнечного излучения усложняется вариацией условий, при которых может работать солнечный элемент. Интенсивность и спектр солнечного излучения на поверхности Земли зависит от высоты Солнца над горизонтом, от высоты местности над уровнем моря, от состояния атмосферы и т.д..
Высота Солнца над горизонтом определяет длину пути лучей в атмосфере. В связи с этим вводится величина, называемая оптической массой атмосферы. Единичной атмосферной массе (АМ1) соответствует путь, пройденный солнечными лучами при вертикальном падении до уровня моря. Атмосферным массам на уровне моря соответствуют следующие значения высоты Солнца: АМ1 - 90о ,АМ1.5 - 41о49’,АМ2 - 30 о, АМ3 - 19о27’,АМ5 - 11о32’. На верхней границе атмосферы атмосферная масса равна 0 (АМ0). Атмосферная масса принимается равной 1 на Земле на уровне моря при ясном безоблачном небе, когда Солнце находится в зените и его лучи падают перпендикулярно на поверхность измеряемых элементов (атмосферное давление ро=1.013*105Па).