Солнечные батареи

Солнечные батареи (СБ) широко используются в качестве источников питания различных космических объектов. На третьем советском искусственном спутнике Земли (1958 г.) СБ была применена впервые. В последующие годы в области прямого преобразования солнечной энергии в электрическую достигнут существенный прогресс. В СССР и США для различных космических объектов было изготовлено более тысячи СБ, надежно работающих в течение ряда лет. Они используются для питания нагрузок, потребляющих мощность от нескольких ватт до 20 кВт.

На основе опыта применения СБ в космосе в СССР и в других странах ведутся работы по их использованию для питания различных наземных устройств. Преимущества солнечных энергетических установок на основе полупроводниковых фотоэлементов широко известны: это сравнительно высокий к. п. д. преобразования, практически неограниченный срок службы и простота конструкции. К недостаткам этих установок относятся: зависимость параметров вырабатываемой электрической энергии от интенсивности солнечной радиации, относительно малое количество электрической энергии, снимаемой с единицы площади СБ (при плотности солнечной радиации 800 Вт/м с 1 м² площади солнечной батареи можно получить элехтрическую мощность более 100 Вт), необходимость защиты фотоэлементов от воздействия окружающей среды.

Солнечные батареи, хорошо зарекомендовавшие себя в космосе, имеют перспективу широкого применения в ближайшем будущем на Земле при условии существенного снижения стоимости и повышения к. п. д.

Однако и при существующих ценах и к. п. д. фотоэлементов, равном 5—6%, целесообразно применение СБ мощностью до 0,5 кВт. Их срок службы может быть настолько большим, что при очень малых эксплуатационных расходах, характерных для СБ, стоимость одного киловатт-часа вырабатываемой ими электрической энергии, может быть ниже, чем получаемой от других автономных источников питания.

Действие солнечных батарей основано на внутреннем фотоэлектрическом эффекте, особенно сильно проявляющемся в полупроводниках. Наиболее широко освоены в производстве СБ, составленные из кремниевых фотоэлементов, в которых используется явление генерации свободных носителей электрических зарядов в области электронно-дырочного перехода в монокристаллической пластинке кремния при воздействии на него лучистой энергии.

Выбор кремния обусловлен тем, что промышленное производство чистого кремния освоено, а по спектральной чувствительности кремниевые фотоэлементы обеспечивают науличшее использование солнечной радиации, В диапазоне температур 20 — 100° С кремниевые солнечные фотоэлементы менее чувствительны к изменениям температуры чем германиевые, и лишь уступают фотоэлементам на основе арсенида галлия.

Изготовление кремниевых солнечных фотоэлементов

Монокристалл кремния р-типа с малым удельным сопротивлением (порядка 0,001 Ом-см) разрезают на пластины толщиной 0,5—0,6 мм. Одну сторону пластины (лицевую) полируют до получения высокой степени чистоты поверхности и в специальной печи осуществляют термическую диффузию фосфора в кремний, В результате на поверхностях пластинки образуется слон кремния n -типа толщиной 1—2 мкм с удельным сопротивлением около 10 Ом см. С другой (тыльной) стороны и с боковых граней пластины этот слой удаляют путем шлифования. Всю тыльную сторону фотоэлемента и кромки его лицевой стороны облуживают припоем.

Структура изготовленного таким способом солнечного фотоэлемента показана на рис. 1. Здесь: 1—контактная полоска (припой), окаймляющая слой кремния с электропроводностью n-типа; 2 — слой кремния с электропроводностью n-типа (показан в относительно увеличенном масштабе); 3 — слой кремния с электропроводностью р-типа; 4— контактный вывод базы фотоэлемента (припой); 5 — световой поток.

Если к контактным выводам 1и 4 освещенного фотоэлемента присоединить внешнюю нагрузку, то через нее потечет ток, величина которого зависит от интенсивности освещения.

При составлении из описанных фотоэлементов солнечной батареи выводы 1 и 4 соседних элементов соединяют между собой методом пайки.

Солнечные батареи для питания радиоаппаратуры

В Советском Союзе разработаны и изготовлены опытные образцы СБ для питания радиовещательных приемников и приемо-передатчиков с номинальными значениями напряжения: 4,5; 6; 9; 12; 18 и 27 В. Их можно использовать для прямого питания, либо в буферных режимах с аккумуляторами или сухими гальваническими элементами.

Показанная на рис. 2 СБ Фотон с номинальным напряжением 9 В может быть применена как автономный источник питания транзисторных радиовещательных приемников при использовании в качестве первичного источника энергии прямого или рассеянного солнечного света. В этой СБ применены фотоэлементы, имеющие к.п.д. 5—7%. Как видно из приведенной на рис. 3 вольтамперной характеристики СБ Фотон (соответствует освещенности 800 Вт/м²), при номинальном напряжении U_б=9 В ток нагрузки I_н составляет 20,5 мА. При увеличении напряжения на 10% (до 9,9 В) ток нагрузки снижается до 7 мА, а при снижении напряжения на 20% (до 7,2 В) ток нагрузки увеличивается до 40,8 мА. При снижении напряжения до значения U_б-мин = 5 В, допускаемом ГОСТ 5651-64 для радиовещательных приемников третьего и четвертого классов, ток нагрузки составляет 44,4 мА. Максимальная мощность 0,3 Вт достигается при токе нагрузки 40 мА. Следовательно СБ Фотон обеспечивает работу всех радиовещательных приемников, рассчитанных на питание от батарей Крона-ВЦ.

Батарея Фотон состоит из последовательно соединенных групп, каждая из которых образована из двух спаянных параллельно кремниевых фотоэлементов длиной 10 мм (позиция 5 на рис. 2). Число последовательно соединенных пар фотоэлементов—21. Общая ширина каждой группы равна 30 мм. Для защиты их от механических повреждений и лучшего использования рассеянного светового потока к поверхности групп приклеена общая рифленая панель, изготовленная из высококачественного органического стекла. Группы СБ вместе с лицевой панелью вложены на клею в корпус 6 (см. рис. 2), соединенный шарниром с крышкой 1. На ее внутренней поверхности укреплена бобина 3 для намотки соединительного шнура 4 и держатель присоединительной колодки 2, снабженной стандратными пружинными контактами от батареи Крона-ВЦ. Крышка и корпус СБ изготовлены методом штамповки из листового алюминия. Размеры батареи в закрытом состоянии: длина 110, ширина 76,5, высота 18 мм. Масса 100 г.

Для буферного питания радиоприемников от СБ Фотон и химического источника тока (батарея 7Д-0.1 или Крона-ВЦ) к колодке приемника припаивают параллельно вторую такую же колодку с небольшим отрезком шнура, в один из проводов которого включают диод Д1, предохраняющий химический источник от разряда через СБ при недостаточной освещенности (см. рис. 4).

Если приемник питается от СБ и частично разряженного аккумулятора, последний будет заряжаться. Когда же аккумулятор заряжен, оба источника работают одновременно, но так как э.д.с. СБ больше, то питание осуществляется в основном от нее.

При максимальной величине тока нагрузки, соответствующей пиковым уровням громкости, не превышающей величины тока короткого замыкания СБ, последняя способна обеспечить прямое питание. Если же для питания приемника требуются большие величины тока при пиковых уровнях громкости, параллельно СБ необходимо включить сухую батарею или аккумулятор.

В средних географических широтах при переменной облачности буферное подключение к СБ химического источника тока позволяет существенно увеличить срок службы последнего. В южных широтах, особенно в летнее время, СБ Фотон обеспечивает надежное питание и предельную громкость приемника ВЭФ-201.

При нагрузке СБ Фатон на приемники Банга, Планета и Этюд получены следующие результаты. При уровне громкости звучания 60—80 дБ СБ работает на линейном участке вольтамперной характеристики. При максимальной громкости напряжение питания не падает ниже 7,5 В, а в режиме покоя не превышает 9,5 В.

Отклонение по азимуту и склонению относительно Солнца в пределах ±20° не влияют заметно на параметры СБ. При отклонениях на ±40° ток короткого замыкания СБ уменьшается в среднем на 15%, а э.д.с. на 0,2— 0,3 В, то есть на 2—3%. Такие изменения параметров СБ практически не влияют на звучание радиоприемников. Поэтому не требуется точно ориентировать СБ на Солнце и часто корректировать ее положение.

Простота в обращении, малая масса и малые размеры СБ, возможность их использования также для питания разных электроприборов, практически неограниченная долговечность и надежность делают СБ полезными в экспедициях, альпинистских и туристических походах и для других целей, где регулярное снабжение химическими элементами затруднено, а заряд аккумуляторов невозможен.

Для экспедиций в условиях Арктики и Антарктики изготовлены специальные солнечные батареи типа СБСП. На рис. 5 представлены их вольтамперные характеристики. Батарея СБСП-1 служит для питания приемопередатчика в буфере с аккумуляторной батареей. На ее корпусе предусмотрены места для крепления привязных ремней. Батарея СБСП-2, предназначенная для питания радиоприемников Орбита-2, снабжена четырьмя тросиками, закрепленными на углах батареи, на концах которых имеются зажимы типа Крокодил, позволяющие закреплять батарею в походном положении на одежде участника экспедиции, на рюкзаке, на палатке, нартах и т. д.

Герметичные солнечные батареи. Для повышения надежности и увеличения срока службы СБ образующие их солнечные фотоэлементы необходимо защищать от воздействия окружающей среды.

Наиболее простым методом такой защиты является запайка СБ в баллоны трубчатой формы, подобные применяемым при изготовлении осветительных люминесцентных ламп. Из баллона откачивают воздух и заполняют его осушенным водородом или гелием. Освоены в производстве модульные конструкции СБ на номинальные мощности от 0,5 до 2,25 Вт (рис. 6) в баллонах диаметром D=38 и 54 мм и длиной L от 300 до 1 600 мм (большие размеры соответствуют большим мощностям).

На рис. 6 приняты следующие обозначения: 1 —стеклянный баллон: 2 — токоотвод от секций солнечных фотоэлементов; 3 — стеклянная ножка баллона; 4 — штенгель; 5 — цоколь; 6 — каркас СБ; 7 — группы солнечных фотоэлементов; 8 — диод.

Более мощные СБ заключают в герметичные трубы из органического стекла диаметром 100 мм и более. Применяя различные комбинации соединения секций солнечных фотоэлементов внутри модулей можно получить на выходе СБ любую требуемую номинальную величину напряжения, которое для СБ малой мощности обычно равно 6, 9, 12 и 18 В.

Наряду с лучистым теплообменом, водород или гелий обеспечивают конвекционный перенос тепла от облучаемых поверхностей фотоэлементов к тыльным, затененным поверхностям оболочки. При интенсивности солнечной радиации 1,1 кВт/м2 и температуре окружающего воздуха 35° С температура на поверхности кремниевых фотоэлементов не превышает 50° С.

В процессе длительных испытаний в различных географических и климатических условиях установлено, что цилиндрическая стеклянная оболочка обладает свойством самоочищения от пыли, снега и льда.

Типовые модули в прозрачных оболочках устанавливают в нужном количестве в каркасы, размеры и конструкция которых зависят от назначения СБ. На побережье Черного моря с 1970 г. работают два навигационных знака с СБ мощностью до 30 Вт. За истекшее время не наблюдалось отказов их в работе, поломок или неполадок, обслуживания этих СБ не требовалось.

Различные по мощности и назначению СБ проходят эксплуатационные испытания на главных опознавательных и створных знаках внутренних водных путей, а также на озерных буях. На Юге страны, в естественных условиях ведутся испытания СБ мощностью 20 Вт, предназначенной для линий радиосвязи газопроводов. Такие СБ служат для заряда аккумуляторных батарей и для работы под нагрузкой в буферном режиме во время сеансов связи.

Ведутся испытания СБ различной мощности до 0,5 кВт. предназначенных для электропитания систем катодной защиты от коррозии опор линий электропередачи, газо-нефтепродуктов и других металлических сооружений на суше и в море, а также СБ мощностью до 1,5 Вт, предназначенных для питания переносных геологоразведочных приборов.