光伏基礎教程

1、2024/3/28,1,光伏： 器件、系統(tǒng)及應用 by Christiana Honsberg & Stuart Bowden,一直以來，對專業(yè)教育的普遍缺乏被認為是光伏電池得到恰當應用的一個主要障礙。光伏電子課程面向的是學生和擁有基本專業(yè)知識的個人，例如，比較熟悉電子電路知識，但現(xiàn)在還沒有掌握光伏器件和太陽能系統(tǒng)領域的知識。,2024/3/28,2,湖南理工職業(yè)技術學院,張存彪簡介：張存彪：男，中共

2、黨員，1981年10月出生，工程師，光電子技術碩士，中國新能源產(chǎn)業(yè)協(xié)會理事，江西省高等院校光伏專業(yè)教材委員會委員，北京天裕德科技有限公司光伏教學實訓設備研發(fā)工程師，太陽能電池組件工程師. 長期在企業(yè)從事技術開發(fā)工作，具備豐富的技術開發(fā)經(jīng)驗。與湖南神州光能源有限公司合作編寫《太陽電池與應用技術》，出版了《太陽能光伏理化基礎》《光伏電池制備工藝》《光伏組件制備工藝》等光伏書籍?，F(xiàn)任湖南理工職業(yè)技術學院信息工程系黨總支副書記、副主任 、光伏專

3、業(yè)建設帶頭人。,2024/3/28,3,,&0.1太陽能&0.2光伏發(fā)電&0.3溫室效應,序言：太陽能發(fā)電的介紹,2024/3/28,4,&0.1太陽能,太陽能，從某種形式上說，是地球上幾乎所有能源的源頭。而人類，像所有其它的動物和植物一樣，因為溫暖和食物而依賴于太陽。然而，人類同時還以許多不同的方式利用太陽的能量。比如，化石燃料，一種來自以前地質時代的植物材料，就被用在交通運輸和發(fā)電上。本質上它

4、就是儲存了無數(shù)年以前的太陽能。類似的，生物把太陽能轉換成可以用來加熱、運輸和發(fā)電的燃料。風能，幾百年來被人們用來提供機械能以及用于運輸?shù)哪茉?，利用的是被太陽光加熱的空氣和地球轉動產(chǎn)生的空氣流動。如今，風力渦輪機把風,2024/3/28,5,&0.1太陽能,能轉換成電能，同時也用在傳統(tǒng)用途上。甚至水電也是源之太陽能。水力發(fā)電依賴于太陽光蒸發(fā)的水蒸氣，水蒸氣以雨水的形式回到地球并流向水壩。 光伏發(fā)電（通常簡稱為PV）是

5、一種簡易而優(yōu)美的利用太陽能的方式。光伏器件（太陽能電池）是獨特的，因為它能把入射光線直接轉換成電而不會產(chǎn)生噪音、污染且不需要移動零部件，這使得它們很牢固、可靠以及壽命長久。需要指出的是，太陽能電池跟通訊及電腦革命基于同樣的原理和材料。而我們這個電子教程包括了光伏器件和系統(tǒng)的運行和應用。,2024/3/28,6,,位于澳大利亞東海岸的蒙塔古小島———一個國家公園和野生動物保護區(qū)，太陽能,,點亮了這里房子。圖上左邊的小太陽能電池板為燈塔提供

6、電力，同時右邊大塊的電池板負責為圖片里面露出一部分的房屋供電。房屋里存放著給國家公園守護者和島上的研究者的設備。,2024/3/28,7,&0.2光伏發(fā)電的介紹,光伏發(fā)電是指使用太陽能電池把陽光直接轉化成電的過程。今天，它正在快速地成長并成為常規(guī)化石燃料發(fā)電的越來越重要的替代品。但是，相比其它的發(fā)電技術，光伏發(fā)電還是個后起之秀，直到1950年代第一個實用的光伏器件才被展示出來。1960年代，太空工業(yè)里衛(wèi)星應用對有別于電網(wǎng)的電力供

7、應的需求巨大地推動了光伏產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展。當時的太陽能電池要比現(xiàn)在的貴上好幾千倍，而且對那種有別于傳統(tǒng)的發(fā)電方式的需求還是十年以后才出現(xiàn)的。但是在幾個潛在的專業(yè)市場上，相對于快速發(fā)展的晶體管，太陽能電池成為了一個令人感興趣的科學變化。,2024/3/28,8,&0.2光伏發(fā)電的介紹,1970年代發(fā)生的石油危機把全世界的眼光都聚焦在了對能為陸地上的人們所用的可替代能源的需求上，而這也反過來推動了光伏作為一種能為陸地上的人們所用的發(fā)

8、電方式的研究。盡管石油危機被證明是短暫的以及對太陽能電池發(fā)展的經(jīng)濟支持的減少，但此時太陽能電池儼然已經(jīng)進入了發(fā)電技術的競爭者行列。它在偏遠的電力供應地區(qū)的應用和優(yōu)勢迅速地被人們認識到，并推動了陸地光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。小尺寸的可攜帶的應用,2024/3/28,9,&0.2光伏發(fā)電的介紹,（如計算器和手表）開始被使用，并讓偏遠地區(qū)的電力供應受益匪淺。 到了1980年代，對硅太陽能電池的研究獲得了回報，電池的發(fā)電效率開始提高。

9、1985年硅電池的效率達到了里程碑式的20%。在緊接著的十年，光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了每年15%到20%之間的穩(wěn)定增長。1997年增長率達到了38%。而今天，太陽能電池不再被認為只是一種提供電力和提高那些電網(wǎng)還沒到達的偏遠地區(qū)的人們生活質量的方法。,2024/3/28,10,&0.2光伏發(fā)電的介紹,,而是還作為一種能顯著地減少由先進工業(yè)國家照成的環(huán)境破壞的影響的方法。 不斷增長的市場和光伏發(fā)電的鮮明個性意味著比以往任何時候都多的應

10、用正在以光伏的形式被推動著。這些應用的領域從幾兆瓦的發(fā)電站到無處不在的太陽能計算器。此電子教程旨在提供陸地太陽能發(fā)電的概況以向非專業(yè)人士提供基本的信息。我們希望，在使用了光伏電子教程后您能明白光伏器件和系統(tǒng)運作的基本原理，能夠識別相應的應用，有能力承擔光伏系統(tǒng)的設計。隨著熟悉光伏概念和應用的人越來越多，我們希望能提高太陽能發(fā)電在適當應用方面的使用。,2024/3/28,11,&0.3溫室效應,盡管因為其十足的實用性和經(jīng)濟性，太陽

11、能電池在今天被所人們使用著，但是使用太陽能發(fā)電的潛在好處就是，光伏發(fā)電是所有發(fā)電方式中對環(huán)境最友好的一種。發(fā)電對環(huán)境的影響，特別是溫室效應，是又一個促使人們研究太陽能發(fā)電的因素。接下來將給出對溫室效應的簡短概述。 地球的溫度是來自太陽的輻射跟從地球射向太空的輻射達到平衡的結果。地球大氣層的存在和物質的構成強烈地影響著從地球排放出去的輻射。如果我們地球像月球一樣沒有大氣層，那么地球表面的平均溫度將下降到大約零下18

12、6;C。然而，自然形成的占大氣質量百萬分之270（270ppm）的二氧化碳（CO2 ），吸收了飛向太空的輻射，也因此保存了大氣的能量，讓地球保暖。大氣層使地,2024/3/28,12,&0.3溫室效應,球平均溫度保持在15°C左右，比月球的高33°C。二氧化碳強烈地吸收波長在13-19微米波段的輻射，而另外一種大氣氣體——水蒸氣，能強烈吸收波長在4-7微米波段的輻射。大多數(shù)逃逸出地球的輻射的波長集中在7-13

13、微米波段這個“窗口”。 人類活動正在不斷地向大氣排放“人造氣體”，這些氣體能吸收波長在7-13微米范圍內的輻射，特別是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化物以及含氯氟烴（CFC’S）。這些氣體阻礙了熱能的正常逃逸并有可能使地表溫度升高?，F(xiàn)有的證據(jù)顯示，到2030年，起效果的CO2水平將是現(xiàn)在的兩倍。致使全球溫度升高1到4度。這將引起風的流動模式和降雨,2024/3/28,13,&0.3溫室效應,量的變化，其結果可能導致大陸內

14、部變得干旱以及地球海平面上升。排放的人造氣體增長的越多，當然造成的影響就越嚴重。,大氣中，二氧化碳含量的上升（藍線）與平均溫度（紅線）的上升相聚在一起。,2024/3/28,14,&0.3溫室效應,很顯然，人類現(xiàn)在活動的規(guī)模已經(jīng)達到了能夠影響地球環(huán)境和它對人類的吸引力的程度了。它的副作用將是毀滅性的，在未來的幾十年，那些對環(huán)境影響很小以及不排放溫室氣體的技術將變得越來越重要。能源領域因為其燃燒化石燃料而成為溫室氣體的最主要生產(chǎn)者

15、，像光伏發(fā)電這種能夠代替化石燃料的技術必須得到越來越多的應用。,2024/3/28,15,第一章：光的特性,&1.1光的基本原理&1.2黑體輻射&1.3太陽輻射&1.4地表太陽輻射&1.5太陽輻射數(shù)據(jù),2024/3/28,16,&1.1.1光的基本原理 —光的特性,每秒鐘地球接收到的太陽能是人類每年能量需求的好幾倍。我們每天能看到的光只是從太陽發(fā)射然后

16、進入地球的能量的一小部分而已。太陽光是電磁波的其中一種形式，而我們看到的可見光也只是我們右邊顯示的電磁波普的一個小子集。 在電磁波普里，光被描述成有特定波長的波。光是一種波的說法首先在18世紀早期被人們接受，當時由楊、阿拉戈和菲涅耳所做的實驗顯示出了光的干涉,可見光,2024/3/28,17,&1.1.1光的基本原理 —光的特性,效應，表明光是由波構成的。到了1860年代，光被認為是電磁波普中的

17、一部分。然而，到了18世紀后期，當人們發(fā)現(xiàn)實驗中測量的由熱體所發(fā)出的電磁波的波普不能被波動方程所解釋時，光是波的觀點所引發(fā)的問題便開始顯現(xiàn)出來。這個矛盾被普朗克在1900年和愛因斯坦在1905年的工作化解了。普朗克認為，光的總能量是由不可分的能量元素或能量量子所構成。而愛因斯坦在研究光電效應（當光照射在特定的金屬或半導體上時會釋放電子）時準確地得出了這些能量量子的值。鑒于他們在這個領域的成就，普朗克和愛因斯坦分別在1918年和1921年

18、獲得諾貝爾物理學獎，同時，基于他們的工作，人們認為光可能是由一系列的“包”或被叫做光子的能量粒子組成。,2024/3/28,18,&1.1.1光的基本原理 —光的特性,今天 ，量子力學即解釋了光的波動性又解釋了光的粒子性。在量子力學中，像所有其它量子力學粒子（如電子、質子等）一樣，對光子最準確的描述就是“波包”。波包被定義為一群平面波的疊合，這些平面波有可能以干涉在一個局限的空間的形式（就像一個方波

19、是由無數(shù)的正弦波所組成一樣）出現(xiàn)，也有可能只是簡單地像一個波一樣交替出現(xiàn)。當波包以局限在一個小空間的形式出現(xiàn)時，它就被看做粒子。因此，視情況的不同，一個光子有可能以波的形式或粒子的形式出現(xiàn)，這個概念就就叫“波粒二象性”。,2024/3/28,19,&1.1.1光的基本原理 —光的特性,右邊動畫描述的是不同波長的光的波包。 對光的特性的完整物理學描述需要用量子力學分析，因為光是量子力學粒子,中的一種

20、，所以被叫做光子。對光伏應用來說，較少要求這么詳細的知識，因此，在這里，在光的量子特性方面只給出了少量的文字描述。盡管如此，在某些情況下（幸運的是，僅僅涉及到光伏系統(tǒng)方面），根據(jù)這里的簡單解釋，,2024/3/28,20,&1.1.1光的基本原理 —光的特性,光的行為方式可能會違背常識?！俺ＷR”指的是我們自己的觀察，觀察量子效應不能依靠常識，因為這些效應產(chǎn)生的條件超出了人類的觀察范圍。如果需要了解更

21、多關于光的知識，請參考《費恩曼.1985》。 下面列出幾個入射太陽光的重要特性，這些特性在決定入射光與太陽能電池或其他器件如何作用時非常重要。這些重要的特性是： 入射光的光譜容量 太陽輻射的功率強度 太陽光入射到太陽能電池的角度 一年或一天，太陽光照射到特定表面的總能量 學完這章之后，你應該對以上的四個概念有所掌握。,2024/3/28,21,&1.1.2光的基本原理 --光子的

22、能量,一般用波長（符號為λ）或相對應的能量（符號為E）來描述一個光子的特性。 子的能量與波長之間存在反比例關系，方程如下： E=hc/ λ 其中h是普朗克常數(shù)，c表示光速。它們以及其它常用的常數(shù)的數(shù)值都顯示在常數(shù)頁. 上面的反比例關系表示，由光子組成的光的能量越高（比如藍光），波長就越短

23、。能量越低（如紅光），波長越長。 當描述光子、電子等粒子時，共同使用的能量單位是,2024/3/28,22,&1.1.2光的基本原理 --光子的能量,“電子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。一個電子伏特的能量相當于把一個電子的電勢提高一伏所需要的功，所以,要實現(xiàn)電子伏特與焦耳的轉換，只需用電荷量q乘于1電 子伏特的能量。公式如下: E(J)= q &

24、#215; E(eV)在表達關于eV和μm方面的光子能量方程的時候，我們找到了表示能量與波長之間的關系 E（eV）=1.24/λ（μm）,2024/3/28,23,&1.1.2光的基本原理 --光子的能量,通過上面的公式，可求出特定波長的光子的能量大小。,2024/3/28,24,&1.1.3光的基本原理 --光子通量,光子通量被定義為單位

25、時間內通過單位面積的光子數(shù)量：,光子通量是決定太陽能電池產(chǎn)生的電子數(shù)量和電流大小的重要因素。然而，單單光子通量并不足以確定太陽能電池產(chǎn)生的電流大小或說明光源的特性。光子通量沒有包含關于入射光子的能量或波長的信息。因此，除非額外提供了光子能量方面的信息，否則功率強度（或吸收效率）就不能被確定。對于一群能量相同（單色光）且光子能量已經(jīng)知道的光子來說，總的輻射功率強度（以W/m2,2024/3/28,25,&1.1.3光的基本原理

26、 --光子通量,為單位）可以用以下公式計算：,其中Φ指的是光子通量，E是以單位eV計算的光子能量。上面公式的應用之一是，表明了要獲得同樣的輻射強度，高能量的光子（短波）所需的光子通量比低能量的光子（長波）所需的光子通量小。,2024/3/28,26,&1.1.4光的基本原理 --光照度,作為光子波長（或能量）的對應量，光照度（記作F）是描述光源性質最常用的方式。光照度的單位是Wm-2μm

27、-1.其中Wm-2指的是波長λ（μm）的功率強度。則可知，m-2指的是光照射的表面積，μm-1是特定波長。 在分析太陽能電池時，通常即需要光子通量也需要光照度。通過把特定波長的光子通量轉化成Wm-2的形式（見上一節(jié) 光子通量），光照度便可以由光子通量確定。然后把轉換后的結果除于波長，方程如下所示：,2024/3/28,27,&1.1.4光的基本原理 --光照度,式中F為光照度（單位Wm-2μm-1 ），

28、Φ為光子通量，E（eV）和λ（μm）分別是光子的能量和波長。q、h和c都是常數(shù)。,波長（nm）,,光照度,光照度,右圖為氙氣（綠色）、鹵素（藍色）和水銀（紅色）的燈泡（以左邊軸為縱坐標）發(fā)出的光的光照度與太陽光,的光照度（粉紅色，以右邊軸為縱坐標）。,2024/3/28,28,&1.1.5光的基本原理 --輻射功率強度,發(fā)射自光源的總的功率強度可以通過所有波長或其對應的能量的光照度的疊加計算獲

29、得。然而，計算光源光照度的近似方程通常并不存在。取而代之的是，被測量出的光照度乘于所處波長范圍，然后計算所有的波長的光照度。下面的方程可以用來計算光源發(fā)出總的功率強度:,,式中H為光源發(fā)出的總功率強度，以Wm-2為單位；F（λ）是以Wm-2μm-1為單位的光照度，而dλ及Δλ都是波長。,2024/3/28,29,&1.1.5光的基本原理 --輻射功率強度,右邊的動畫展示了由給定的光照度得到功率

30、強度的過程。,2024/3/28,30,&1.2.1黑體輻射 --黑體輻射,許多常見的光源如太陽和白熾燈都是相似的黑體模型。一個黑體能夠吸收所有入射到它表面的電磁波，并基于溫度的不同輻射出不同的電磁波。黑體一詞的來源基于這樣一個事實，就是如果物體輻射出的電磁波不在可見光范圍內，而照射到物體的所有電磁波又都被吸收了，那么它一定是不可見的、黑的。在黑體輻射中，對光伏研究者來說，可見光部分是大家更關心的地方。輻射

31、自黑體的光照度由普朗克輻射定律給出，其方程如下：,式中λ是光的波長，T和F分別為黑體的溫度和光照度，而h、c和k都是常數(shù)。,2024/3/28,31,&1.2.1黑體輻射 --黑體輻射,黑體輻射出的總功率強度可由所有波長的光照度的積分得到：,σ和T分別為斯特番—波耳茲曼(Stefan-Boltzmann) 常數(shù)和黑體溫度。另外一個很重要的黑體輻射參數(shù)是光照度最高處的波長λ，換句話說就是此波長輻射出的能量最高

32、。對光照度方程進行求導，導數(shù)為零處的波長就是上面說的峰值波長λ。這就是維恩定律，方程由下給出：,其中λp是光照度峰值處的波長，T為黑體溫度。,2024/3/28,32,&1.2.1黑體輻射 --黑體輻射,打開下面的動畫便可看到黑體輻射的光譜、能量和峰值波長是如何隨著黑體溫度（2000到6000k之間）的改變而改變的：,上面的方程和動畫顯示，當黑體溫度升高時，光譜分配和光的能量也隨之改變。比如溫度接近室溫時，

33、黑體（如人類身體或關掉的燈泡）將會輻射出低功率的電磁波，能量主要分布在低于10μm的波譜段，超出了人類眼睛的可視范圍。如果黑體溫度被加熱到3000k,它將會變成紅色，因為輻射光能量增強了，并且波譜也轉向了可見光領域。如果燈絲的溫度上升到更高的6000k，輻射出的波長將集中在紅色光和紫色光之間的可見光波段，并呈現(xiàn)白色。下面的圖比較了在三個不同溫度時黑體輻射的光照度。在室溫下300k的黑體,2024/3/28,33,&1.2.1黑體

34、輻射 --黑體輻射,（黑點連成的線）在可見光波段基本上沒有能量輻射。紅外光波段附近的輻射如下圖顯示。由于輻射能量的巨大差異以及能量所在的波長范圍有很大的不同，下圖更加清楚地顯示了黑體輻射波譜（溫度的函數(shù)）的變化。,2024/3/28,34,&1.3.1太陽輻射 --太陽,太陽是一個充滿氣體的熱球，其內部因太陽內核發(fā)生核聚變反應（氫轉化成氦），溫度超過20000000k。但因為接近太陽表面的氫原子

35、層的強烈吸收，來自內核的輻射無法被看見。熱量通過對流的方式被轉移出這一氫原子層。太陽被叫做光球，其表面溫度大概在6000K左右或者更精確點5762±50K，接近于一個黑體。通過功率強度乘于太陽的表面積可以計算得到太陽輻射的總功率，為 9.5×1025w 太陽輻射的總功率不只是由單一的波長構成的，而是由許多波長組成，因此在人眼中呈現(xiàn)白色或黃色。使太陽光透過棱鏡便可以看到這些不同波長的光了，或者

36、透過水霧便可看見彩虹。不同波長的光呈現(xiàn)不同的顏色，但不是所有波長的光都能被看見因為有一些對人的眼睛來說是不可見的。,低能量光子,,高能量光子,太陽光,玻璃三棱鏡,2024/3/28,35,&1.3.2太陽輻射 --太空中的太陽輻射,在太空中與太陽有一定距離的物體，其吸收的太陽光只占太陽總輻射的一小部分。太陽光照度（Ho 單位W/m2）指的是照射到物體的太陽光的功率強度。在太陽的表面，輻射功率強

37、度相當于6000k黑體的輻射強度，其總的功率強度等于這個值乘于太陽表面積。然而，在遠離太陽表面的地方，太陽總的功率強度就被擴散至大得多的表面。因此，隨著太空中的物體距離太陽越來越遙遠，照射到其表面的太陽光照度也越來越小。距離太陽為D的,,,,,,,物體接收到的太陽光照度可以通過總的太陽功率強度在物體所在球面的平均劃分得到。太陽輻射的總功率強度可由σT4乘于太陽的表面積（4πR2）給出，其中R為太陽半徑。當物體距離太陽為D 時，太陽光照射

38、在此處的球面面積為 4πD2. 因此，入射到物體的太陽光輻射強度,2024/3/28,36,&1.3.2太陽輻射 --太空中的太陽輻射,Ho（單位W/m2），為：,式中Hsun（單位W/m2）為太陽表面的功率強度，由斯特番—波耳茲曼(Stefan-Boltzmann) 的黑體方程確定。R和D分別為太陽的半徑和與太陽的距離，單位都為m，如下圖所示：,在距離為D處，來自太陽的同樣多的能量擴散

39、到面積大得多的區(qū)域，太陽光的功率強度也隨之減小了許多。,2024/3/28,37,&1.3.2太陽輻射 --太空中的太陽輻射,右邊的表格給出了太陽系每個行星的太陽光照度的標準值,2024/3/28,38,&1.3.3太陽輻射 --地球大氣層外的太陽輻射,地球大氣層外的太陽輻射強度可通過太陽表面的輻射功率強度（Hsun ，5.961x107 W/m2）、太陽半

40、徑（Rsun）和地球與太陽之間的距離D計算得到。其結果大約為1.36 KW/m2.下圖顯示了計算地球表面太陽光照度時使用的幾何常數(shù)：,H（W/m2）是大氣層外的輻射功率強度，Hconstant是太陽光常數(shù)值，1.353kw/m2，n為一年中的第幾天。,實際的功率強度會有輕微的變化，因為地球以橢圓形軌道圍繞太陽公轉以及太陽的輻射功率也是一直在改變著的。由橢圓形軌道引起的改變大概在3.4%左右，一月份時太陽光照度達到最大，最小時為七月份。描

41、述這種變化的方程如下,2024/3/28,39,&1.3.3太陽輻射 --地球大氣層外的太陽輻射,一般來說這些變化都是非常小的，對光伏應用來說，太陽光照度可看做是一個常數(shù)。這個常數(shù)的值及其光譜已經(jīng)被定為標準值，叫作大氣質量零輻射（air mass-zero radiation）,記作AM0.此時輻射值為1.353KW/m2.（可參考&1.4太陽輻射—大氣質量）,2024/3/28,40,&am

42、p;1.4.1地面太陽輻射 --地球表面的太陽輻射,當入射到地球大氣層的太陽輻射相對穩(wěn)定時，影響地球表面輻射的主要因素是:大氣效應，包括吸收和散射當?shù)卮髿赓|量的不同，如水蒸氣、云層和污染緯度位置不同一年中季節(jié)的不同和一天里時間的不同 上述的效應在幾個方面影響了地球表面對太陽輻射的吸收。包括總的吸收能量和光譜含量的變化，以及光射到地球表面的角度的變化。另外，還有關鍵的一點就是，在不同的地方其太陽輻

43、射的易變性也會有很大差別。易變性即受云層和季節(jié)變化等地方因素影響，又受其它例如不同緯度白天的長短不同等因素影響。沙漠地區(qū)由于當?shù)卦茖拥却髿猬F(xiàn)象比較穩(wěn)定而擁有較低的易變性。,2024/3/28,41,&1.4.1地面太陽輻射 --地球表面的太陽輻射,而在赤道地區(qū)，季節(jié)之間的變化也比較小。,2024/3/28,42,&1.4.2地面太陽輻射 --大氣影響,大氣效應在幾個方面影響著地球

44、表面的太陽輻射。在光伏應用領域其主要影響為：由大氣吸收、散射和反射引起的太陽輻射能量的減少。由于大氣對某些波長的較為強烈地吸收和散射而導致光譜含量的變化。分散的或間接的光譜組合被引入到太陽輻射中。當?shù)卮髿鈱拥淖兓鹑肷涔饽芰俊⒐庾V和方向的額外改變。 這些影響總結在下圖中：,2024/3/28,43,&1.4.2地面太陽輻射 --大氣影響,典型的晴空時，大氣對入射太陽光的吸收和散射。,2024/3

45、/28,44,&1.4.2地面太陽輻射 --大氣影響,大氣層的吸收 當太陽光穿過大氣層時，氣體、灰塵和懸浮顆粒都將吸收入射光子。特殊的氣體包括臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）和水蒸氣（H2O）都能強烈地吸收能量與其分子鍵能相近的光子。這樣的吸收將使得輻射光譜曲線深深地往下凹。舉例說，多數(shù)波長大于2μm的遠紅外光會被水蒸氣和二氧化碳吸收。相似的，大多數(shù)波長小于0.3μm的紫外光會被臭氧吸收（但還不足

46、以完全防止曬傷?。?然而，當這些大氣中的特殊氣體在改變地表太陽輻射的光譜含量的同時，并沒有相應地明顯減少輻射的總能量。取而代之的是空氣分子和塵埃，它們通過對光的吸收和散射成為輻射能量減少的主要因素。這種吸收過程并不會產(chǎn)生光譜曲線的向下深凹，而是引起能量的減少（大小取決于穿過大氣的路徑長度）。當太陽,2024/3/28,45,&1.4.2地面太陽輻射 --大氣影響,處在頭頂正上方的時候，大氣分子引起

47、的吸收會導致光譜中可見光領域一整片的減少，所以入射光呈現(xiàn)白色。然而，當路徑變得越長，能量更高（波長更小）的光子能更有效地被吸收和散射。所以在早上和傍晚太陽會變得更紅，強度也比中午低。,藍色和紅色曲線分別為1.5和0大氣質量時的輻射強度，綠色曲線代表溫度為6000k黑體的輻射強度，彩色柱子代表可見光的波譜。箭頭所指的位置代表被相應氣體吸收的部分，黑色線顯示了能引起人類眼睛感覺的輻射強度。,2024/3/28,46,&1.4.2地面

48、太陽輻射 --大氣影響,由于入射光的散射導致的徑直的和分散的輻射 當光穿過大氣層被吸收的同時也發(fā)生散射。大氣中光的散射機制之一就是人們熟知的瑞利散射，它由大氣中的分子引起。瑞利散射對短波光（如藍光）作用效果顯著，因為瑞利散射的強度與波長四次方成反比 。除了瑞利散射之外，氣溶膠和塵埃粒子也會是入射光產(chǎn)生散射。散射光的方向是雜亂無章的，所以它可

49、以來自天空的任何地區(qū)。這種光也叫分散光。由于散射光主要是藍光，所以除了太陽所處的區(qū)域外，來自天空所有區(qū)域的光都呈現(xiàn)藍色。假如大氣中沒有散射的話，天空將變成黑色，而太陽則會變成一個圓盤狀的光源。在天氣晴朗的日子，入射光線中大概有10%會被散射。,紅光的波長大于多數(shù)的粒子線度，不會受影響。,藍光的波長與大氣中粒子線度相當，所以被強烈散射 。,2024/3/28,47,&1.4.2地面太陽輻射 --大氣影響,來自云層和

50、其它大氣層的地方差異的影響 大氣對入射太陽光的最終影響來自大氣層的地方差異。取決于覆蓋云層的類型，入射光能量將會有不同程度的減少。下圖是一個濃密云層的例子。,右圖分別顯示了，在墨爾本的冬天，晴天和多云天氣時光伏陣列的相對輸出電流，光伏陣列的傾斜角為60°,墨爾本，光伏陣列傾斜角度60°,相對輸出電流,晴朗冬天,多云冬天,2024/3/28,48,&1.4.3地面太陽輻射 --大氣質量,

51、大氣質量被定義為光穿過大氣的路徑長度，長度最短時的路徑（即當太陽處在頭頂正上方時）規(guī)定為“一個標準大氣質量”?！按髿赓|量”量化了太陽輻射穿過大氣層時被空氣和塵埃吸收后的衰減程度。大氣質量由下式給出：,式中θ表示太陽光線與垂直線的夾角，當太陽處在頭頂時，大氣質量為1。,“大氣質量”描繪了太陽光到達地面前所需走過的路程與太陽處在頭頂處時的路程的比例，也等于Y/X.,2024/3/28,49,&1.4.3地面太陽輻射

52、--大氣質量,估算大氣質量的一個最簡單的方法就是測量一個垂直立著的標桿的投影長度。,如上圖，大氣質量等于斜邊的長度除于標桿的高度h，然后由勾股定理便得到：,標桿高度h,影子長度，s,2024/3/28,50,&1.4.3地面太陽輻射 --大氣質量,上述關于大氣質量的計算是以假定大氣層是一個平面層為前提的，但是由于實際上大氣層是彎曲的，當太陽接近于地平線時大氣質量并不完全等于大氣層的路徑長度。在日出的時候，太陽的入

53、射光線與垂直位置的夾角為90°，則計算得大氣質量為無限大，但顯然光線路徑并不是無限大的。下面的方程則考慮了地球的曲率：,標準太陽光譜和太陽輻射 太陽能電池的效率對入射光的能量和光譜含量都非常敏感。為了方便不同時間和不同地點時太陽能電池的數(shù)據(jù)比較，人們定義了地球大氣層外和地球表面的光譜和功率強度的標準值。,2024/3/28,51,&1.4.3地面太陽輻射 --大氣質量,地球表面的標準光譜稱為AM1

54、.5G（G代表總的輻射，包括直接的和分散的輻射）或者AM1.5D（只包含直接的輻射）。AM1.5D的輻射強度近似于減少28%能量后的AM0光譜的光譜強度（18%被吸收，10%被散射）?？偟墓庾V輻射強度要比直射的光譜強度高10%。從上面的計算可得AM1.5G的值近似為970W/m2。然而，由于整數(shù)計算比較方便以及入射太陽光存在固有的變化，人們規(guī)范了標準的AM1.5G光譜值為1KW/m2。 地球大氣層外的標準光譜稱為AM

55、0，因為光沒有穿過任何大氣。這個光譜通常被用來預測太空中太陽能電池的表現(xiàn)。 基于大氣質量的強度計算 一天中，太陽光的直射分量強度可由大氣質量確定，其方程為：,式中ID為垂直平面的太陽光線的功率強度，單位KW/m2。AM為大氣質量。數(shù)值1.353KW/m2為太陽常數(shù)，而數(shù)字0.7則源于入射到大氣層中的輻射大概有70%能到達地球。,2024/3/28,52,&1.4.3地面太陽輻射 --大氣

56、質量,即使在天氣晴朗的時候，散射輻射中仍然有大約10%的直接輻射含量。因此在天氣晴朗的時候垂直入射到地表的太陽光的總輻射量為:,2024/3/28,53,&1.4.4地面太陽輻射 --太陽的運動,“太陽視運動”是由地球繞其軸自轉引起的表面現(xiàn)象，它改變著射入地球的光線的直射分量角度。從地面的一個固定位置來看，太陽橫跨整個天空運動。太陽的位置決定于地面上的點的坐標、一天中的時間和一年中的日期。下圖將展示這種太陽視運動：

57、,2024/3/28,54,&1.4.4地面太陽輻射 --太陽的運動,太陽視運動在很大程度上影響著太陽能收集器件獲得的能量。當太陽光垂直入射到吸收平面時，在平面上的功率強度等于入射光的功率強度。然而，當太陽光與吸收平面的角度改變時，其表面的功率強度就會減小。當平面與太陽光平行時，功率強度基本上變?yōu)榱恪τ?度和90度之間的角，它們相對的功率強度為最大值乘于cos（θ），其中θ為太陽光與器件平面之間的夾角。,點擊右邊

58、的動畫，觀測吸收平面與入射光的夾角的改變所產(chǎn)生的影響。,2024/3/28,55,&1.4.4地面太陽輻射 --太陽的運動,地球上某固定點與太陽的夾角決定于其所處的位置（地點所在的經(jīng)度）、一年中的日期和一天中的時間。另外，太陽升起和落下的時刻決定于位置所在的經(jīng)度。因此，刻畫地球上某固定地點的太陽高度角需要緯度、經(jīng)度、一年中的日期和一天中的時間。這些內容將在下面討論。,2024/3/28,56,&1.4.5地

59、面太陽輻射 --太陽的偏向角,偏向角，用符號δ表示，由于地球繞其軸的自轉和繞太陽的公轉而存在季節(jié)性的變化。如果地球沒有相對轉軸傾斜，那么偏向角將一直為0°。然而地球相對于公轉平面是傾斜了23.45°的，偏向角的大小就在±23.45°之間變化。只有在春分日和秋分日的時候偏向角才會等于0°。下面的動畫描述了地球繞太陽公轉以及偏向角的改變：,太陽偏向角就是指赤道平面與地球中

60、心點--太陽中心點的連線的夾角。太陽偏向角的季節(jié)性變化如下所示；,點擊,2024/3/28,57,&1.4.5地面太陽輻射 --太陽的偏向角,,右邊視頻顯示了傾斜角在北半球的夏至日（或南半球的冬至）和北半球的冬至日（南半球的夏至）之間是如何變化的。,盡管事實上是地球繞著太陽轉的，但是如果把它想象成是太陽繞著地球轉的，將會變得更容易理解一些。這需要一定的坐標轉換，在這個代替的坐標系統(tǒng)里，太陽是繞著地球轉的。偏向

61、角的角度可以由下面的方程算出：,2024/3/28,58,&1.4.5地面太陽輻射 --太陽的偏向角,式中d為觀測偏向角時所在的一年中的天數(shù)。 在二分日（3月22日春分日和9月22日秋分日）時偏向角為0°，在北半球夏天時角度為正，北半球冬天時為負。在夏至日6月22日偏向角達到最大值23.45°（北半球夏至日）而在12月22日達到最小值-23.45°（北半球冬至日）

62、。,2024/3/28,59,&1.4.6地面太陽輻射 --仰角與方位角,仰角指的是天空中太陽相對于地平面的高度角。日出的時候高度角為0°，太陽處在頭頂時高度角為90°（比如在赤道地區(qū)，春分日和秋分日的時候就會出現(xiàn)這種情況）。天頂角與高度角相似，但是相對于地平面的垂直線而不是地平面來說的，因此可以計算天頂角=90°-高度角。,太陽高度角在一天中不斷變化。其大小還決定于觀測位

63、置的緯度和所在一年中的天數(shù)。,2024/3/28,60,&1.4.6地面太陽輻射 --仰角與方位角,,在設計光伏系統(tǒng)時，一個重要的參數(shù)是最大太陽高度角，即一年中太陽在天空的高度達到最大時的角度。最大高度角出現(xiàn)在正午時分，大小取決于所在的緯度和偏向角。計算正午太陽高度角的公式如下： α=90°+ ф –δ,式中ф為觀測位置所處的緯度，在南半球它的符號是負的而在北半球的時候符號

64、為正。δ為偏向角，大小取決于所在一年中的天數(shù)。 夏至日，在北回歸線處，太陽在頭頂正上方，其高度角為90°。在夏天，在赤道與北回歸線之間觀測的正午太陽高度角是大于90°的。這意味著陽光是來自北方的天空而不是南方的天空。相似的，在一年中的某個時期，在赤道和南回歸線之間，太陽光是來自南方,2024/3/28,61,&1.4.6地面太陽輻射 --仰角與方位角,而不是北方。

65、 最大太陽高度角被應用到非常簡單的光伏系統(tǒng)設計中，然而更精確的光伏系統(tǒng)仿真則需要知道高度角在一天中是如何變化的這些知識。關于這方面的方程和公式將在下面幾頁中介紹。 方位角 方位角就是羅盤方向與陽光入射方向的夾角。在正午時分，北半球地區(qū)的太陽總是從南方射入，南半球地區(qū)則從北方射入。如下面的動畫所示，一天中方位角是不斷變化的。在赤道地區(qū)，春秋分日的時候太陽直接從升起在西方落下，不管所處的緯度是多少，日,202

66、4/3/28,62,&1.4.6地面太陽輻射 --仰角與方位角,出時的方位角都為90°而日落時為270°。盡管如此，總的來說方位角還是隨著緯度和一年中日期的改變而改變的。計算一天里太陽位置的完整方程將在下一頁給出。,2024/3/28,63,&1.4.7地面太陽輻射 --太陽的方位,正午時分的太陽方位角和太陽高度角是擺放太陽能電池板時所使用到的兩個重要角度參數(shù)。然

67、而，如果想要計算一整天的太陽位置，就必須計算一整天的太陽高度角和方位角。這些角度將使用“太陽時間”來計算。按傳統(tǒng)的計時方式，地球被分成不同的時區(qū)。然而，在這些時區(qū)里，正午時分并不一定就是太陽處在最高處的時候。類似的，日出時段也被描述為時區(qū)里的某個地區(qū)段的太陽正在升起。然而，由于一個時區(qū)橫跨了一定長度的距離，當太陽剛剛照耀這個時區(qū)的某個地方的地平線時，此刻的時間有可能與定義的日出時間（或官方承認的日出時間）完全不同。而這種規(guī)定也是必要的，

68、否則出現(xiàn)一街之隔的兩座房子的時間會相差幾秒的現(xiàn)象。從另一方面來說，不同經(jīng)度的太陽時間是不同的。因此，如果要得到太陽的位置，必須先計算當?shù)氐奶枙r間然后再計算太陽高度角和方位角。,2024/3/28,64,&1.4.7地面太陽輻射 --太陽的方位,當?shù)靥枙r間（LST）和當?shù)貢r間(LT) 當?shù)靥枙r間（LST）中午12時是指太陽升到最高處的時刻。由于地球軌道的偏心率和人類對時區(qū)和夏令時的調整，當?shù)貢r間(LT

69、)一般不等于當?shù)靥枙r間。 當?shù)貥藴蕰r間子午線（LSTM） 當?shù)貥藴蕰r間子午線（LSTM）是特定時區(qū)所采用的基準子午線，它類似于格林尼治時間使用的本初子午線。,2024/3/28,65,&1.4.7地面太陽輻射 --太陽的方位,LSTM(當?shù)貥藴蕰r間子午線)被使用在當?shù)貢r區(qū)。這里顯示的LSTM跨越了巴西和格陵蘭島的部分地區(qū).,,格林威治時間所使用的本初子午線（經(jīng)度=0°）,,通過下列方程

70、可計算LSTM: LSTM=15°× ΔTGMT 式中ΔTGMT表示當?shù)貢r間與格林威治時間的差（一小時為單位）。,2024/3/28,66,&1.4.7地面太陽輻射 --太陽的方位,時間方程（EOT） 時間方程（以分為單位）是糾正了地球公轉的偏心率和地球的軸向傾斜之后的經(jīng)驗方程。 EOT=9.87sin(2B) – 7.53cos(