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,
Правильный выбор концентрирующей системы столь же благотворно сказывается на экономичности и эффективности работы наземного фотогенератора, как и создание прозрачных и светостойких оптических покрытий и герметизирующих оболочек.
Солнечный свет можно концентрировать, используя эффекты преломления и отражения. Преломление происходит в линзах, а отражение — в зеркалах. Линзы могут быть плосковыпуклые и двояковыпуклые. В последнее время широко используются плоские линзы Френеля (рис. 5.9). Поверхность линз бывает сферической и несферической. Несколько практических схем для собирания света при отражении показано на рис. 5.10.
Рис. 5.9. Преломляющие собиратели света
а — обычные оптические линзы со сферической или несферической поверхностями; б — плоские линзы Френеля со сферической или несферической поверхностями
Pис. 5.10. Отражающие собиратели света
а — параболическое зеркало, отражающее свет к оси в прямом направлении; б — в противоположном направлении; в, с — зеркала в форме профиля морской волны; г — плоские зеркала, расположенные под углом друг к другу; д — параболические зеркала Френеля
При преломляющем и отражающем способах собирания света можно использовать действительные или мнимые изображения. Элементы, проектирующие действительное изображение, уменьшают проекцию Солнца на плоскость изображения (фокальную плоскость) в соответствии с законами геометрической оптики. Концентраторы света, использующие мнимое изображение, просто сводят солнечные лучи, не создавая при этом изображения Солнца.
Отражающие и преломляющие компоненты устройств могут быть точечно-фокусирующие и линей-но-фокусирующие, независимо от того, действуют они по оптической схеме с мнимым или действительным изображением. Точечно-фокусирующие концентраторы называют также аксиальными, коаксиальными или трехмерными концентраторами. Линейно-фокусирующие концентраторы делятся на желобочные, линейные двумерные.
Точечно-фокусирующие концентраторы могут быть полностью осесимметричного (кругового) или многоугольного типов. Четырехсторонний тип концентратора часто используют в устройствах, состоящих из нескольких линз Френеля или зеркал квадратной или прямоугольной формы.
Концентраторы можно классифицировать также по числу применяемых ступеней собирания. На рис. 5.11 показаны два концентратора, имеющих две ступени собирания. В одной, известной также как система Кассегрена (названа по системе телескопа аналогичной конструкции), для собирания света используются два зеркала. Третий отражатель, не рассматриваемый как самостоятельная ступень собирания, служит для отведения в сторону размытых пучков, образующихся при отражении от несовершенной части оптической поверхности, например, образовавшихся при неточной установке оптической оси системы в направлении на Солнце. В других двухступенчатых системах используются для отражения одна внешняя и одна внутренняя поверхности. Внутреннее отражение, известное также как полное отражение, происходит, когда луч света пытается выйти из среды с высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления, причем угол падения света иа границу двух сред достаточно большой.
Рис. 5.11. Двухступенчатые концентраторы типа Кассегрена (а) и Баранова — Уинстона (б)
1 — солнечные лучи;
2 — зеркало для сбора первичного пучка света;
3 — зеркало, отражающее вторичный пучок света;
4 — вторая ступень концентрации света (а — зеркало, б — волоконно-оптический элемент из стекла или пластика);
5 — солнечный элемент
В концентраторах солнечного света, в которых используется принцип преобразования длин волн, поступающая энергия внутри достаточно широкой полосы спектра Солнца преобразуется в энергию излучения узкого интервала длин волн, соответствующего наиболее высокой спектральной чувствительности солнечного элемента. Этот интервал длин волн, как правило, расположен вблизи красной границы фотоэффекта для данного полупроводникового материала, определяемой шириной его запрещенной зоны.
Преобразование длины волны излучения, падающего на батарею или элементы, может быть обеспечено, например, с помощью селективных излучателей или пленочного люминофора. Поверхность селективных излучателей покрывается материалом, способным испускать излучение в узком диапазоне длин волн, причем нагрев излучателя осуществляется с помощью концентратора солнечного света; диапазон длин волн, испускаемых селективным излучателем, как правило, выбирается вблизи энергии запрещенной зоны полупроводникового материала, из которого изготовлен солнечный элем