Преобразование солнечной энергии в электричество

     Содержание
     

Введение	9
1 Солнечные элементы и батареи как объект моделирования	12
1.1 Математическая модель солнечных элементов	12
1.2 Солнечные элементы. Идеализированная аналитическая модель. Параметры реального полупроводникового фотоэлемента	12
2 Влияние условий окружающей среды на характеристики сэ и сб. конструктивные параметры батарей	23
2.1 конструктивные параметры батарей	23
2.3 Обзор моделей СЭ	37
3 Построение модели солнечных батарей	41
3.1 Общие принципы реализации модели СБ	41
3.2 Определение входных и выходных параметров модели	44
3.3 Математическое описание характеристик солнечных элементов и батарей	50
3.4 Алгоритм моделирования солнечных батарей. Выбор языка имитационного моделирования	54
4. Расчет солнечной электроустановки. Создание программы на языке паскаля Для расчет солнечных электроустановок.	60
Список литературы	66



Введение
      
     Преобразование солнечной энергии в электричество является наиболее перспективным и активно развиваемым направлением возобновляемой энергетики. Солнечная энергия широко доступна, обладает практически безграничными ресурсами, при ее фотоэлектрическом преобразовании не происходит загрязнения окружающей среды. Для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую используется явление фотоэффекта в солнечных элементах (СЭ) на основе структуры с р-п переходом. На сегодняшний день максимальная эффективность некоторых типов полупроводниковых СЭ составляет более 30 %.
     Единичные фотоэлементы генерируют ограниченную мощность. Для получения требуемых энергетических характеристик элементы объединяют последовательно между собой в модули и последовательно-параллельным способом в батареи. Мощность каждого модуля и батареи складывается из выходных мощностей отдельных СЭ. В зависимости от технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей, существуют различные виды солнечных батарей. Наиболее широко распространены кристаллические,фотоэлектрические преобразователи, изготовленные из моно- или мультикристаллического кремния, а также тонкопленочные солнечные элементы на основе аморфного кремния, теллурида кадмия, арсенида галлия, фосфида индия и некоторых других соединений. На сегодняшний день доля кристаллических солнечных элементов составляет около 93 %, а тонкопленочных - около 7 %. Ведутся разработки по применению концентраторных и электрохимических солнечных элементов.
     К 2031 г. в мире планируется иметь совокупную установленную мощность электрогенераторов на солнечной энергии 1700 ГВт (для сравнения: в 2004 г. - 1256 МВт). Если сегодня фотоэлементы занимает менее 1 % в общемировом балансе произведенной электроэнергии, то к 2040 г. эта доля должна возрасти до 30 %. В России наземная солнечная энергетика на текущий момент является активно развивающейся отраслью. Имеются проекты по созданию фотоэлектрических' солнечных электростанций, развиваются технологии производства СЭ и СБ.
     Широкое внедрение солнечной энергетики ставит перед проектировщиками проблему оценки эффективности работы фотоэлектрических систем (ФЭС). Необходимо иметь возможность предсказать мощность солнечных батарей под действием разнообразных факторов окружающей среды, сравнить эффективность использования СБ из различных материалов, оценить поведение фотоэлектрических преобразователей в различных режимах работы. Для эффективного использования фотоэлектрических генераторов необходимо знать точку максимальной мощности и обеспечить такой режим, чтобы отдаваемая мощность при изменении окружающих условий была наибольшей. При отработке ФЭС используют имитаторы солнечных батарей, позволяющие воспроизводить характеристики СБ под влиянием разнообразных внешних воздействий.
     Предсказание поведения и воспроизведение характеристик СЭ и СБ осуществляется с помощью моделирования. По сравнению с экспериментом, математическое моделирование предоставляет более быстрый, гибкий и дешевый способ отработки ФЭС. Для воспроизведения характеристик СЭ и СБ чаще всего используются аналитические модели, которые строятся на базе эквивалентной электрической схемы и основного уравнения СЭ. Работы по моделированию характеристик СБ активно ведутся за рубежом, результаты исследований рассматриваются на регулярно проводимых конференциях по фотовольтаике. Вследствие перспективности внедрения солнечной энергетики, вопрос моделирования СБ интересует и российских исследователей.
     Известные аналитические модели позволяют воспроизводить изменение выходных характеристик СЭ и СБ под. действием различных температур и уровней освещенности, но не учитывают других значимых факторов. Не принимаются во внимание неидеальность СЭ, конструктивные особенности батарей, необходимость воспроизведения характеристик СБ из различных материалов. Вместе с тем, для использования предлагаемых моделей требуется проведение дополнительных экспериментов, позволяющих определить их входные параметры.
     Объектом исследований явились солнечные элементы и батареи из различных полупроводниковых материалов. Методологическую основу диссертационной работы составляют общенаучные методы познания, такие как научная абстракция, анализ и синтез, системный и структурный подходы, а также математическое моделирование. В исследовании применялись методы математического анализа, предметно-логического и структурно- функционального анализа, методы визуального программирования. В ходе работы использованы пакеты программ моделирования
     В диссертационной работе показана -полезность и целесообразность моделирования солнечных батарей для повышения эффективности их применения на практике На основе моделирования выполнено сравнение ВАХ и ВВХ целого ряда солнечных батарей, позволившее дать рекомендации по построению фотоэлектрических систем.
     Представленные положения позволяют улучшить качественные результаты разработок при создании новых образцов и модернизации существующих ФЭС.
     Содержащиеся в работе практические положения полезны при расчете энергетических параметров ФЭС, отработке алгоритмов захвата точки максимальной мощности, выработке конкретных предложений по применению СБ. Моделирование СБ позволяет согласовать динамические режимы работы преобразователей, входящих состав ФЭС. Реализованная модель является теоретической базой и подготовленным математическим инструментом для проведения исследований характеристик СБ и обработки их результатов.
     

1 Солнечные элементы и батареи как объект моделирования
     
1.1 Математическая модель солнечных элементов

     Построение математической модели солнечных батарей включает в себя несколько этапов. Важнейший начальный этап создания модели - получение по возможности более четкого представления о моделируемом объекте и уточнение его содержательных характеристик, а также анализ достоинств и недостатков существующих моделей СБ.
     Солнечные элементы преобразуют энергию фотонов в электричество. Существуют различные типы полупроводниковых СЭ с разнообразными характеристиками. Выходные параметры СЭ и СБ зависят от множества факторов - собственных характеристик материала фотоэлементов, конструктивных особенностей СЭ и условий окружающей среды. Влияние различных параметров на выходные характеристики СБ необходимо описать математически. Простейшая модель СЭ представляет собой источник фототока, зависящего от интенсивности излучения, и встречно включенный диод.
     
1.2 Солнечные элементы. Идеализированная аналитическая модель. Параметры реального полупроводникового фотоэлемента
     
     СЭ изготавливают из пластин р- и п-типа, на которые наносят легирующие слои с одной или несколькими примесями для образования р-п переходов [1]. Рассмотрим солнечный элемент со слоем л-типа, созданным в поверхностном базовом слое р- типа (рисунок 1.1)
     
Рисунок 1.1 –Генерирование электрического тока солнечным элементом: а - образование электронно-дырочных пар; б - разделение генерируемых носителей заряда под действием поля
     Пусть СЭ освещается солнечным светом. Фотоны с различной энергией поглощаются в полупроводниковом материале на различной глубине — фотон А имеет большую энергию (меньшую длину волны), чем фотон В. Фотоны А и В выбили электроны из соответствующих атомов, на месте выбитых электронов образовались две дырки (появились электронно-дырочные пары аа' и вв’ ( рисунок 1а). Электроны притягиваются п- областью, а дырки — р- областью (с и с'). Электроны d, e, f и g перемещаются по внешней цепи, к которой подключена нагрузка, образуя электрический ток. На поверхности раздела контакт р-область полупроводника электроны рекомбинируют. (электрон g рисунок 16), при этом они становятся электрически нейтральными до тех пор, пока новый фотон снова не разделит их на электронно-дырочную пару. Отметим, что р-п переход является идеализированным электрическим понятием, не отражающим все особенности реального физического перехода.
     Теоретическая модель СЭ получается из уравнений физики твердого тела. Приведем наиболее существенные моменты вывода математической модели фотоэлемента. При температурах выше О К температурные колебания атомной решетки приводят к появлению свободных электронов и дырок, движущихся хаотически, в материалах р- и п- типа. Благодаря легированию примесями концентрация свободных дырок рр в материале р- типа намного больше их концентрации рп в материале п- типа. Эффективность СЭ с р-п переходами зависит от токов неосновных носителей заряда. По обе стороны перехода имеется избыток носителей, в переходе существует градиент концентрации дырок dp/dx, который стремится вызвать диффузию дырок из р- области в п- область. Аналогичное утверждение справедливо для электронов. Плотности диффузионных токов электронов Jn и дырок Jр
     
                               	       		    				  (1.1)
                     ………………………              ……………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………………………………………           ………………………………	          	……………       (1.2)
     
      где q- заряд электрона 
     Dр и Dn – коэффициенты диффузии (зависят от свойств материала) дырок р и электронов п соответственно; знак минус определяет направление протекания тока.
     Действительная концентрация дырок в материале п- типа и электронов в материале р- типа уменьшается с удалением от перехода вследствие процесса рекомбинации. Период времени с момента инжекции носителя в область материала, где он является неосновным, до момента его рекомбинации с основным носителем, называется временем жизни т неосновного носителя, а расстояние, проходимое им за этот период - диффузионной длиной. Время жизни t связано с диффузионной длиной L уравнениями.
     
                                         ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	………………	……………          (1.3)
      
     Основными процессами, происходящими в солнечном элементе, являются инжекция неосновных носителей с использованием энергии падающих на поверхность элемента фотонов солнечного света, образование электронно- дырочных пар и собирание неосновных носителей. Число фотонов, падающих на единицу площади в единицу времени (т.е. плотность потока излучения), рассматриваются как уровень инжекции.
     В ходе протекания диффузионных токов через область перехода в р- области рекомбинируют свободные электроны, поступающие из п- области. Дырки, поступающие из р- области, рекомбинируют с электронами в п- области. Вследствие этих процессов область перехода становится обедненной и возникает потенциальный барьер Vg, который препятствует протеканию диффузионных токов. Электрический потенциал Vg вызывает дрейф дырок из материала п- типа в материал р- типа и дрейф электронов в противоположном направлении. Выражения для дрейфового тока для электронов (n) и дырок (p):
     
                                                                       ……………………………………………………………………………………………                                                                                                                                                                      	………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(1.4)
      
                                                                  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(1.5)
      
     где  M подвижность электронов и дырок соответственно.
     Подвижность является постоянной величиной для материала и связана с коэффициентами диффузии уравнением Эйнштейна
     
                                                           ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………      	…………………………………………           	……………(1.6)
      
     где к— постоянная Больцмана;
     Т— абсолютная температура; 
     q - заряд электрона.
      Динамическое равенство диффузии и дрейфа дырок и электронов в любой момент времени t и на любом расстоянии х от рассматриваемого р-п перехода должно соответствовать принципу сохранения заряда. Этот принцип выражается уравнением непрерывности для дырок в n-области (подобное уравнение можно записать для электронов р- области):
                                    …………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(1.7)
      
     Увеличение концентрации неосновных носителей вследствие протекания процессов на некотором расстоянии х за момент времени t равняется суммарной концентрации инжектированных извне дырок и концентрации дырок рп0, находящихся в состоянии теплового равновесия, плюс дырочные составляющие диффузионных и дрейфовых токов. Для решения уравнения непрерывности неосвещенного СЭ необходимо иметь два граничных условия. Во-первых, концентрация инжектированных дырок снижается с удалением от перехода, т.е. рп(х)?0 при х?? Во-вторых, зависимость концентрации дырок рп(0) на переходе (т.е. при х=0) от концентрации дырок р„о, находящихся в состоянии теплового равновесия, и внешнего приложенного напряжения V:
     
      					………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(1.8)
      
     Используя указанные граничные условия и учитывая, что суммарный ток через СЭ должен при любом х иметь постоянное значение, диодное уравнение
     
      					………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(1.9)
      
     где плотность тока насыщения определяется формулой
     
      				  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(1.10)
      
     Решение уравнения непрерывности для освещенного р-п перехода приводит к получению дополнительного слагаемого в диодном уравнении, которое учитывает концентрацию неосновных носителей, инжектированных светом. Генерированные светом неосновные носители составляют фототок Iph  (плотность фототока Jph) который может протекать во внешней электрической цепи. Уравнение полного тока СЭ единичной площади описано формулой
     
      				            ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(1.11)
      
     На основании этого теоретического уравнения строят эквивалентную идеализированную электрическую цепь (рисунок 2). Источник тока создает ток фотонов зависящий от плотности потока излучения. Вольтамперная
     характеристика элемента (ВАХ) определяется величиной Jph  и плотностью тока протекающего через идеализированный р-п переход при определенной абсолютной температуре Т и напряжении на выходе V.
     
     
     Рисунок 1.2 - Идеализированная модель СЭ
     
     Величина рп (0) в уравнении непрерывности представляет собой концентрацию дырок в материале п- типа, обусловленную либо приложением внешнего прямого напряжения смещения, либо инжекцией дырок в п- область при попадании на неё фотонов света. Как только к переходу прикладывается прямое напряжение смещения или на него падает свет, снижается потенциальный барьер р-п перехода в прямом направлении, внутреннее электрическое поле вызывает дрейф дырок из р- области в п- область. Дрейфовый дырочный ток становится в материале п- типа током инжектированных дырок, дрейфовый электрический ток в материале р- типа - током инжектированных электронов. При любом значении х сумма электронного и дырочного токов равняется суммарной плотности тока J.
     Дырки, достигнув перехода, частично рекомбинируют с инжектированными электронами, снижая суммарную плотность тока J . В производстве СЭ немалые усилия прилагаются для уменьшения рекомбинации и максимального увеличения плотности выходного тока элемента Большие значения диффузионной длины L и продолжительное время жизни неосновных носителей t способствуют уменьшению потерь, вызываемых рекомбинацией. Кроме того, облучение заряженными частицами приводит к появлению дефектов кристалла, что уменьшает диффузионную длину и время жизни неосновных носителей.
     Показанная аналитическая модель фотоэлемента является основой для построения более сложных моделей, учитывающих паразитные явления в структуре фотоэлемента. Теоретическое уравнение (1) представляет собой простейшее аналитическое выражение, описывающее ВАХ СЭ. Для прогнозирования поведения фотоэлемента в различных условиях необходимо включить в описание модели зависимости, определяющие соответствующие изменения выходных характеристик СЭ.
     Вследствие несовершенства структуры в фотоэлементе одновременно с полезным преобразованием солнечной энергии в электричество имеют место различного рода потери. Различают потери отражения падающего излучения от поверхности преобразователя и фотоэлектрически неактивное поглощение фотонов в полупроводнике (без образования электронно-дырочной пары). Наблюдается также прохождение некоторого количества фотонов до тыльного электрода и поглощение в нем. Потери энергии электронов и дырок при их движении внутри преобразователя происходят за счет рекомбинации созданных светом пар, сопровождающейся передачей энергии решетке; утечки фотоэлектронов и фотодырок через шунтирующее сопротивление; потери энергии фотоэлектронами и фотодырками при их столкновении с атомами решетки (переход в пределах одной и той же зоны на нижележащие уровни); прохождения фотоносителей через последовательное сопротивление.
     Потери на отражение уменьшают, применяя различные просветляющие слои. Рекомбинация образованных светом пар и утечка через шунтирующее сопротивление составляют потери по току. Потеря энергии фотоэлектронов (или фотодырок) при столкновении с атомами решетки и прохождение их через последовательное сопротивление дает потери по напряжению.
     Последовательное сопротивление Rs фотоэлемента является фактором, в значительной степени определяющим его качество. Величина зависит от удельного сопротивления материала СЭ и его конструкции, качества и геометрии контакта всего фотоэлемента. Шунтирующее сопротивление Rsh оказывает на работу солнечных элементов значительное меньшее влияние. Причиной его возникновения являются посторонние включения, появившиеся в процессе производства на поверхности СЭ у мест выхода р-п перехода наружу.
     При моделировании СЭ необходимо иметь возможность имитировать ВАХ элементов с различными значениями последовательного сопротивления. Шунтирующее сопротивление оказывает меньшее влияние на выходные характеристики фотоэлементов, следует оценить необходимость его учета в модели СБ. Кроме того, следует помнить, что отклонения в технологических режимах при производстве СЭ влекут за собой разброс выходных параметров элементов одной партии. При этом мощность СБ всегда ниже, чем сумма мощностей отдельных солнечных элементов. При проведении моделирования необходимо также учесть старение параметров СЭ с течением времени.
     Важной характеристикой любого фотоэлемента является его спектральная чувствительность , которая характеризует величину фототока, возникающую под действием единицы лучистого потока определенной длины волны, и определяется как отношение фототока короткого замыкания к падающему на СЭ потоку монохроматического излучения
      						…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(1.12)
     Знание спектральной чувствительности для какой-нибудь конкретной длины волны в большинстве случаев бывает недостаточным. Для получения полного представления о спектральных свойствах фотопреобразователя необходимо также знать распределение чувствительности по спектру, т.е. спектральную характеристику, которая отражает характер зависимости величины фототока короткого замыкания от воздействия на него лучистых потоков различных длин волн. Спектральную характеристику фотопреобразователя обычно изображают в виде графика   Максимум
     спектральной чувствительности кремниевого СЭ лежит в интервале длин волн 0,7-0,8 мкм и довольно близко подходит к максимуму распределения числа фотонов как функции длины волны в солнечном спектре [2].
     При проведении моделирования необходимо принимать во внимание спектральный состав света и спектральную чувствительность элемента, которые непосредственно влияют на ток короткого замыкания СЭ.
     Каждый тип фотоэлемента характеризуется рядом параметров, определяющих не только его свойства, но и пределы его применения в той или иной области. Типичная В АХ СЭ показана на рисунке 3. Точки пересечения с осями координат соответствуют крайним режимам работы элемента - режимам холостого хода (V0c) и короткого замыкания (Isc).
     
     
     
     Рисунок 1.3 - Типовая ВАХ СЭ
     Мощность, отдаваемая в нагрузку, определяется как произведение тока на напряжение. Хотя ток максимален в режиме короткого замыкания, напряжение при этом равно нулю, а значит и мощность нулевая. В режиме холостого хода мощность также равна нулю. При данном уровне освещенности имеется только одно сочетание величин тока и напряжения, при котором мощность, отдаваемая в нагрузку, максимальна. Точка максимальной мощности Рт находится в области перегиба ВАХ [3].
     Одной из величин, описывающих параметры СЭ, является коэффициент заполнения ВАХ FF (формула 3). Этот коэффициент показывает, насколько характеристика элемента близка к прямоугольной:
     
      						……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	………………………………           	……………(1.13)
     Эффективность солнечного элемента (к.п.д., формула 4) представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой элементом, к входной мощности падающего излучения –Pm
     
      						……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(1.14)
      
     Фотоэлектрические системы являются модульными - они строятся из нескольких частей, количество которых необходимо увеличивать, чтобы построить системы большой мощности, или уменьшать, чтобы построить маломощные системы. Диапазон мощностей получаемой электрической энергии - от милливатт для бытовых применений до мегаватт для наземных фотоэлектрических установок. Принципы работы фотоэлектрических устройств одинаковы, на их эффективность влияют процессы преобразования в СЭ.
     Основой ФЭС являются солнечные элементы, скомпонованные и объединенные в определенном порядке, а также электронное оборудование, необходимое для соединения систем или отдельных элементов. Выходной ток СЭ в батарее определяется числом элементов, соединенных параллельно, а выходное напряжение - числом элементов, соединенных последовательно.
     Представленные электрические характеристики количественно определяют свойства СЭ. Описанные параметры (ВАХ, максимальная мощность, к.п.д., коэффициент заполнения) позволяют оценить эффективность использования СБ. Эти параметры являются выходными величинами создаваемой математической модели.


2 Влияние условий окружающей среды на характеристики СЭ и СБ. Конструктивные параметры батарей
    
     2.1 Конструктивные параметры батарей
     
     В рабочих условиях солнечные батареи подвергаются воздействию солнечного излучения, климатических и биологических факторов (для наземных систем) и космических факторов (для внеатмосферных систем). Условия работы делят, с некоторым упрощением, на космические и наземные. Окружающая среда в том и другом случае состоит из отдельных элементов. Некоторые из них взаимосвязаны, другие действуют обособленно. Взаимосвязь элементов может быть синергетической и антисинергитической. При синергизме результат совместного действия превосходит суммарный эффект, который наблюдался бы при действии каждого элемента по отдельности. Антисинергизм, наоборот, смягчает влияние отдельных элементов.
     Длительное пребывание в естественной среде обычно ведет к снижению работоспособности солнечных батарей. В наземных условиях батареи важно защитить от сильных ветров, снега и оледенения, от коррозии, развитию которой способствует влага, высокая температура и загрязнения, вносимые из воздуха. Космические батареи необходимо предохранить от повреждений при наземном обслуживании и запуске, защищать от космической радиации. Значительное снижение срока службы космических и наземных батарей вызывает циклическое изменение температуры, связанное с перерывами в облучении (при появлении облачности, с наступлением ночного времени, в космосе - при вхождении в земную тень). Существуют и другие явления, оказывающие отрицательное влияние на солнечные батареи.
     Благоприятно сказываются на работе наземных батарей низкая температура воздуха и умеренный ветер. В этих условиях к.п.д. СЭ повышается. Рассмотрим влияние различных факторов на характеристики СЭ.
     Энергетическая освещенность поверхности, расположенной перпендикулярно солнечным лучам на среднем расстоянии от земли до Солнца, называется солнечной постоянной. 
     Интенсивность солнечного излучения обычно выражают в долях солнечной постоянной, значение которой составляет 1353 Вт/м2 . Предполагаемая погрешность равна  ± 2,1 Вт/м2 . Значение солнечной постоянной соответствует энергетической освещенности на среднем расстоянии от Земли до Солнца на границе земной атмосферы.
     Спектральная плотность энергетической освещенности на среднем расстоянии от земли до Солнца, на границе земной атмосферы приведена на рисунке 4. В диапазоне длин волн погрешность составляет ±5 %, вне этой спектральной плотности погрешность выше. На рисунке 4 показано также спектральное распределение энергии солнечного излучения на поверхности
     Земли и компоненты, которыми вызывает каждая полоса поглощения.
      
     Рисунок 2.1 - Спектральное распределение энергии солнечного излучения:
     1 - солнечное излучение за пределами атмосферы; 2 - солнечное излучение на уровне моря; 3 - излучение черного тела при 5900 °К;
     4 - рассеянный поток (дымка);  5 - рассеянный поток (ясное небо)
     По оптическим свойствам атмосфера Земли представляет собой селективный светофильтр, который изменяет характеристики космического солнечного излучения. Если поток излучения проходит атмосферу по нормали к земной поверхности до точки, расположенной на уровне моря, его оптический путь равен атмосферной массе (AMI). Длину оптического пути наклонных лучей определяют по отношению к длине пути при AMI. В случае, когда излучение не ослабляется атмосферой, оптическая атмосферная масса равна нулю (AMO). Энергетическая освещенность, создаваемая прямым потоком солнечного излучения на поверхность Земли на уровне моря в полдень при ясном небе, близка к 100 мВт/см2, а за пределами атмосферы (т.е. при AMO) равна 135,3 мВт/см2.
     Количество солнечного излучения, поступающего к поверхности Земли в определенном географическом районе за определенный период времени, называют инсоляцией. Инсоляция зависит от широты местности и местного климата, уровня загрязнения воздуха, изменяется также с сезонными колебаниями расстояния от Земли до Солнца, зависит от атмосферной массы. При проектировании батарей необходимо знать вероятный ход изменения погодных условий в местности, где предполагается работа СБ, для чего необходим анализ состояния погоды за 10-50. На сегодняшний день недостаточно сведений по инсоляции некоторых районов для проектирования СБ оптимального размера и, следовательно, наименьшей стоимости.
     Солнечное излучение, поступающее к Земле, отражается от ее поверхности, от облаков, рассеивается атмосферой. Отраженное излучение влияет на работу солнечных батарей: с одной стороны, дополнительный поток энергии увеличивает температуру батареи, снижая к.п.д., с другой стороны, если энергия отраженного излучения сосредоточена в спектральном диапазоне, совпадающем с областью чувствительности солнечных элементов, то выходная мощность батареи увеличивается. Однако чтобы с успехом использовать отраженное излучение, батарею необходимо определенным образом расположить в пространстве.
     Выходные характеристик СЭ сильно зависят от интенсивности падающего излучения (рисунок 5). При построении модели СБ необходимо учесть спектральный состав светового потока и его мощность, а также потери на отражение излучения [4].
     
     Рисунок 2.2 — ВАХ СЭ при различных уровнях освещенности и разных температурах
     
     Напряжение и ток солнечных элементов зависят от температуры. Температура СБ, работающих в атмосфере Земли, определяется температурой воздуха, т.е. количеством теплоты, которую приносит с собой солнечное излучение. Рабочая температура зависит от площади поверхности батареи, рассеивающей тепловую энергию в окружающее пространство. В общем случае различные части поверхности батареи имеют равную температуру. Ее распределение зависит от качества герметизации, способа коммутации СЭ, расположения крепежных и установочных деталей, рам, опор, несущих конструкций и механизмов слежения. Температура поверхности не обязательно соответствует температуре окружающего воздуха: она зависит от механизма теплопередачи, который эффективнее отводит теплоту. В фотоэлектрические системы иногда вводят устройства принудительного охлаждения.
     Понятия о температурах в космосе и в земной атмосфере принципиально отличаются между собой, поскольку межпланетная космическая среда состоит из газовых молекул, расположенных на больших расстояниях друг от друга. Температура солнечных батарей в космосе определяется уровнем энергии, получаемой за счет прямого излучения Солнца.
     Изменение Iус, Уос, Ртах при изменении температуры обычно указано в данных производителей в виде температурных коэффициентов. Изменение рабочей температуры влияет, в первую очередь, на значение напряжения холостого хода СЭ (рисунок 5). Зачастую в моделях делается допущение о независимости тока короткого замыкания от температуры, однако это положение опровергается наличием температурного коэффициента тока короткого замыкания в информации производителей.
     На работу СБ существенное воздействие оказывает ионизирующее излучение космического пространства [5]. Оно проявляется в ухудшении характеристик отдельных СЭ и батарей в целом, причем с увеличением интегрального потока ионизирующего излучения свойства ещё более ухудшаются. Ухудшение свойств СБ обычно принято называть деградацией.
     Ионизирующее излучение радиационных поясов планет, в частности Земли, солнечных вспышек, солнечного ветра галактического происхождения различным образом воздействует на космические аппараты. Это различие зависит от траектории (орбиты) их полета. В таких условиях повысить срок службы СБ можно, сохранив время жизни неосновных носителей полупроводника и основные свойства р-п перехода. Чтобы сохранить время жизни неосновных носителей тока, необходимо защитить солнечные элементы и батареи от излучения, проникающего через их покрытие. С учетом особенностей ионизирующего излучения космического пространства не представляется возможным обеспечить полную защиту СБ. При разработке космических аппаратов решается задача поиска средств, обеспечивающих оптимальный для данного случая срок эффективной службы батарей.
     Вследствие того, что полностью исключить деградацию характеристик СБ под действием космической радиации невозможно, следует предусмотреть возможность моделирования ВАХ СБ при различных флюенсах облучения. Общий вид выходных характеристик СЭ под действием радиационного излучения представлен на рисунке 6 [6].
     
     
     Рисунок 2.3 - Изменение ВАХ СЭ под действием радиационного облучения
     
     В первом приближении конструкция батарей представляет собой слоистую структуру из защитного стекла, соединенных между собой солнечных элементов, нескольких слоев клеящих и защитных материалов. Все это герметично собрано и упаковано в металлическую раму, снабжено небольшим распределительным устройством и выводами для подключения к нагрузке.
     Процессы сборки и монтажа оказывают влияние на характеристики СЭ и солнечных панелей. Конструктивные факторы могут быть выражены в виде безразмерных коэффициентов при выходной мощности, напряжении или токе, а также в виде дифференциальных последовательных сопротивлений или разности потенциалов. На практике обычно используют коэффициенты, а также вводят определенный процент падения напряжения, возникающий при сборке и монтаже батарей.
     Конструктивные факторы могут изменяться в течение срока службы или времени нахождения на орбите. С их помощью учитывают ухудшение выходных характеристик СЭ, связанное с изменение свойств паяных и сварных соединений. Конструктивные параметры описывают также деградацию выходных характеристик СЭ, связанную с циклическим изменением температур. При оценке изменения выходных характеристик СБ в зависимости от её конструкции, часто принимается во внимание падение напряжения на блокирующих диодах (предохраняющих элементы от протекания избыточных токов), падение напряжения в электропроводке и межэлементных соединениях, связанное с наличием у них активного сопротивления и с его изменением.
     Коэффициент оптического поглощения учитывает все факторы, влияющие на количество излучения, достигающего активной поверхности СЭ (потемнение клеящего слоя, потемнение покрытия, угол падения света, поглощение излучения слоем пыли и увеличение такого поглощения с течением времени, для наземных СБ - коэффициент конвективной теплоотдачи батареи).
     Коэффициент, учитывающий наличие покрытия СЭ определяется как
     
      ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………           	…………………………………………           	……………(2.1)
      
     где П и Н соответствует току короткого замыкания 1КЗ элемента, покрытого и не покрытого защитным слоем.
     Обычно для СЭ, покрытых SiOx , F меньше единицы для СЭ с покрытием Та205  , F>1 (больше единицы) / При моделировании СБ, состоящих из соединенных между собой определенным способом СЭ, следует принимать во внимание описанные конструктивные потери. Эти потери можно учесть при помощи коэффициента, влияющего на .......................