硅太阳能电池器件、系统及应用

2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 1 光伏 器件 系统及应用byChristianaHonsberg StuartBowden 一直以来 对专业教育的普遍缺乏被认为是光伏电池得到恰当应用的一个主要障碍 光伏电子课程面向的是学生和拥有基本专业知识的个人 例如 比较熟悉电子电路知识 但现在还没有掌握光伏器件和太阳能系统领域的知识 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 2 0 1太阳能 0 2光伏发电 0 3温室效应 序言 太阳能发电的介绍 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 3 0 1太阳能 太阳能 从某种形式上说 是地球上几乎所有能源的源头 而人类 像所有其它的动物和植物一样 因为温暖和食物而依赖于太阳 然而 人类同时还以许多不同的方式利用太阳的能量 比如 化石燃料 一种来自以前地质时代的植物材料 就被用在交通运输和发电上 本质上它就是储存了无数年以前的太阳能 类似的 生物把太阳能转换成可以用来加热 运输和发电的燃料 风能 几百年来被人们用来提供机械能以及用于运输的能源 利用的是被太阳光加热的空气和地球转动产生的空气流动 如今 风力涡轮机把风 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 4 0 1太阳能 能转换成电能 同时也用在传统用途上 甚至水电也是源之太阳能 水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气 水蒸气以雨水的形式回到地球并流向水坝 光伏发电 通常简称为PV 是一种简易而优美的利用太阳能的方式 光伏器件 太阳能电池 是独特的 因为它能把入射光线直接转换成电而不会产生噪音 污染且不需要移动零部件 这使得它们很牢固 可靠以及寿命长久 需要指出的是 太阳能电池跟通讯及电脑革命基于同样的原理和材料 而我们这个电子教程包括了光伏器件和系统的运行和应用 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 5 位于澳大利亚东海岸的蒙塔古小岛 一个国家公园和野生动物保护区 太阳能 点亮了这里房子 图上左边的小太阳能电池板为灯塔提供电力 同时右边大块的电池板负责为图片里面露出一部分的房屋供电 房屋里存放着给国家公园守护者和岛上的研究者的设备 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 6 0 2光伏发电的介绍 光伏发电是指使用太阳能电池把阳光直接转化成电的过程 今天 它正在快速地成长并成为常规化石燃料发电的越来越重要的替代品 但是 相比其它的发电技术 光伏发电还是个后起之秀 直到1950年代第一个实用的光伏器件才被展示出来 1960年代 太空工业里卫星应用对有别于电网的电力供应的需求巨大地推动了光伏产业的研究和发展 当时的太阳能电池要比现在的贵上好几千倍 而且对那种有别于传统的发电方式的需求还是十年以后才出现的 但是在几个潜在的专业市场上 相对于快速发展的晶体管 太阳能电池成为了一个令人感兴趣的科学变化 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 7 0 2光伏发电的介绍 1970年代发生的石油危机把全世界的眼光都聚焦在了对能为陆地上的人们所用的可替代能源的需求上 而这也反过来推动了光伏作为一种能为陆地上的人们所用的发电方式的研究 尽管石油危机被证明是短暂的以及对太阳能电池发展的经济支持的减少 但此时太阳能电池俨然已经进入了发电技术的竞争者行列 它在偏远的电力供应地区的应用和优势迅速地被人们认识到 并推动了陆地光伏产业的发展 小尺寸的可携带的应用 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 8 0 2光伏发电的介绍 如计算器和手表 开始被使用 并让偏远地区的电力供应受益匪浅 到了1980年代 对硅太阳能电池的研究获得了回报 电池的发电效率开始提高 1985年硅电池的效率达到了里程碑式的20 在紧接着的十年 光伏产业经历了每年15 到20 之间的稳定增长 1997年增长率达到了38 而今天 太阳能电池不再被认为只是一种提供电力和提高那些电网还没到达的偏远地区的人们生活质量的方法 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 9 0 2光伏发电的介绍 而是还作为一种能显著地减少由先进工业国家照成的环境破坏的影响的方法 不断增长的市场和光伏发电的鲜明个性意味着比以往任何时候都多的应用正在以光伏的形式被推动着 这些应用的领域从几兆瓦的发电站到无处不在的太阳能计算器 此电子教程旨在提供陆地太阳能发电的概况以向非专业人士提供基本的信息 我们希望 在使用了光伏电子教程后您能明白光伏器件和系统运作的基本原理 能够识别相应的应用 有能力承担光伏系统的设计 随着熟悉光伏概念和应用的人越来越多 我们希望能提高太阳能发电在适当应用方面的使用 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 10 0 3温室效应 尽管因为其十足的实用性和经济性 太阳能电池在今天被所人们使用着 但是使用太阳能发电的潜在好处就是 光伏发电是所有发电方式中对环境最友好的一种 发电对环境的影响 特别是温室效应 是又一个促使人们研究太阳能发电的因素 接下来将给出对温室效应的简短概述 地球的温度是来自太阳的辐射跟从地球射向太空的辐射达到平衡的结果 地球大气层的存在和物质的构成强烈地影响着从地球排放出去的辐射 如果我们地球像月球一样没有大气层 那么地球表面的平均温度将下降到大约零下18 C 然而 自然形成的占大气质量百万分之270 270ppm 的二氧化碳 CO2 吸收了飞向太空的辐射 也因此保存了大气的能量 让地球保暖 大气层使地 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 11 0 3温室效应 球平均温度保持在15 C左右 比月球的高33 C 二氧化碳强烈地吸收波长在13 19微米波段的辐射 而另外一种大气气体 水蒸气 能强烈吸收波长在4 7微米波段的辐射 大多数逃逸出地球的辐射的波长集中在7 13微米波段这个 窗口 人类活动正在不断地向大气排放 人造气体 这些气体能吸收波长在7 13微米范围内的辐射 特别是二氧化碳 甲烷 臭氧 氮氧化物以及含氯氟烃 CFC S 这些气体阻碍了热能的正常逃逸并有可能使地表温度升高 现有的证据显示 到2030年 起效果的CO2水平将是现在的两倍 致使全球温度升高1到4度 这将引起风的流动模式和降雨 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 12 0 3温室效应 量的变化 其结果可能导致大陆内部变得干旱以及地球海平面上升 排放的人造气体增长的越多 当然造成的影响就越严重 大气中 二氧化碳含量的上升 蓝线 与平均温度 红线 的上升相聚在一起 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 13 0 3温室效应 很显然 人类现在活动的规模已经达到了能够影响地球环境和它对人类的吸引力的程度了 它的副作用将是毁灭性的 在未来的几十年 那些对环境影响很小以及不排放温室气体的技术将变得越来越重要 能源领域因为其燃烧化石燃料而成为温室气体的最主要生产者 像光伏发电这种能够代替化石燃料的技术必须得到越来越多的应用 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 14 第一章 光的特性 1 1光的基本原理 1 2黑体辐射 1 3太阳辐射 1 4地表太阳辐射 1 5太阳辐射数据 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 15 1 1 1光的基本原理 光的特性 每秒钟地球接收到的太阳能是人类每年能量需求的好几倍 我们每天能看到的光只是从太阳发射然后进入地球的能量的一小部分而已 太阳光是电磁波的其中一种形式 而我们看到的可见光也只是我们右边显示的电磁波普的一个小子集 在电磁波普里 光被描述成有特定波长的波 光是一种波的说法首先在18世纪早期被人们接受 当时由杨 阿拉戈和菲涅耳所做的实验显示出了光的干涉 可见光 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 16 1 1 1光的基本原理 光的特性 效应 表明光是由波构成的 到了1860年代 光被认为是电磁波普中的一部分 然而 到了18世纪后期 当人们发现实验中测量的由热体所发出的电磁波的波普不能被波动方程所解释时 光是波的观点所引发的问题便开始显现出来 这个矛盾被普朗克在1900年和爱因斯坦在1905年的工作化解了 普朗克认为 光的总能量是由不可分的能量元素或能量量子所构成 而爱因斯坦在研究光电效应 当光照射在特定的金属或半导体上时会释放电子 时准确地得出了这些能量量子的值 鉴于他们在这个领域的成就 普朗克和爱因斯坦分别在1918年和1921年获得诺贝尔物理学奖 同时 基于他们的工作 人们认为光可能是由一系列的 包 或被叫做光子的能量粒子组成 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 17 1 1 1光的基本原理 光的特性 今天 量子力学即解释了光的波动性又解释了光的粒子性 在量子力学中 像所有其它量子力学粒子 如电子 质子等 一样 对光子最准确的描述就是 波包 波包被定义为一群平面波的叠合 这些平面波有可能以干涉在一个局限的空间的形式 就像一个方波是由无数的正弦波所组成一样 出现 也有可能只是简单地像一个波一样交替出现 当波包以局限在一个小空间的形式出现时 它就被看做粒子 因此 视情况的不同 一个光子有可能以波的形式或粒子的形式出现 这个概念就就叫 波粒二象性 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 18 1 1 1光的基本原理 光的特性 右边动画描述的是不同波长的光的波包 对光的特性的完整物理学描述需要用量子力学分析 因为光是量子力学粒子 中的一种 所以被叫做光子 对光伏应用来说 较少要求这么详细的知识 因此 在这里 在光的量子特性方面只给出了少量的文字描述 尽管如此 在某些情况下 幸运的是 仅仅涉及到光伏系统方面 根据这里的简单解释 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 19 1 1 1光的基本原理 光的特性 光的行为方式可能会违背常识 常识 指的是我们自己的观察 观察量子效应不能依靠常识 因为这些效应产生的条件超出了人类的观察范围 如果需要了解更多关于光的知识 请参考 费恩曼 1985 下面列出几个入射太阳光的重要特性 这些特性在决定入射光与太阳能电池或其他器件如何作用时非常重要 这些重要的特性是 入射光的光谱容量太阳辐射的功率强度太阳光入射到太阳能电池的角度一年或一天 太阳光照射到特定表面的总能量学完这章之后 你应该对以上的四个概念有所掌握 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 20 1 1 2光的基本原理 光子的能量 一般用波长 符号为 或相对应的能量 符号为E 来描述一个光子的特性 子的能量与波长之间存在反比例关系 方程如下 E hc 其中h是普朗克常数 c表示光速 它们以及其它常用的常数的数值都显示在常数页 上面的反比例关系表示 由光子组成的光的能量越高 比如蓝光 波长就越短 能量越低 如红光 波长越长 当描述光子 电子等粒子时 共同使用的能量单位是 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 21 1 1 2光的基本原理 光子的能量 电子伏特 eV 而不是 焦耳 J 一个电子伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的功 所以 要实现电子伏特与焦耳的转换 只需用电荷量q乘于1电子伏特的能量 公式如下 E J q E eV 在表达关于eV和 m方面的光子能量方程的时候 我们找到了表示能量与波长之间的关系E eV 1 24 m 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 22 1 1 2光的基本原理 光子的能量 通过上面的公式 可求出特定波长的光子的能量大小 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 23 1 1 3光的基本原理 光子通量 光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量 光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的重要因素 然而 单单光子通量并不足以确定太阳能电池产生的电流大小或说明光源的特性 光子通量没有包含关于入射光子的能量或波长的信息 因此 除非额外提供了光子能量方面的信息 否则功率强度 或吸收效率 就不能被确定 对于一群能量相同 单色光 且光子能量已经知道的光子来说 总的辐射功率强度 以W m2 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 24 1 1 3光的基本原理 光子通量 为单位 可以用以下公式计算 其中 指的是光子通量 E是以单位eV计算的光子能量 上面公式的应用之一是 表明了要获得同样的辐射强度 高能量的光子 短波 所需的光子通量比低能量的光子 长波 所需的光子通量小 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 25 1 1 4光的基本原理 光照度 作为光子波长 或能量 的对应量 光照度 记作F 是描述光源性质最常用的方式 光照度的单位是Wm 2 m 1 其中Wm 2指的是波长 m 的功率强度 则可知 m 2指的是光照射的表面积 m 1是特定波长 在分析太阳能电池时 通常即需要光子通量也需要光照度 通过把特定波长的光子通量转化成Wm 2的形式 见上一节光子通量 光照度便可以由光子通量确定 然后把转换后的结果除于波长 方程如下所示 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 26 1 1 4光的基本原理 光照度 式中F为光照度 单位Wm 2 m 1 为光子通量 E eV 和 m 分别是光子的能量和波长 q h和c都是常数 波长 nm 光照度 光照度 右图为氙气 绿色 卤素 蓝色 和水银 红色 的灯泡 以左边轴为纵坐标 发出的光的光照度与太阳光 的光照度 粉红色 以右边轴为纵坐标 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 27 1 1 5光的基本原理 辐射功率强度 发射自光源的总的功率强度可以通过所有波长或其对应的能量的光照度的叠加计算获得 然而 计算光源光照度的近似方程通常并不存在 取而代之的是 被测量出的光照度乘于所处波长范围 然后计算所有的波长的光照度 下面的方程可以用来计算光源发出总的功率强度 式中H为光源发出的总功率强度 以Wm 2为单位 F 是以Wm 2 m 1为单位的光照度 而d 及 都是波长 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 28 1 1 5光的基本原理 辐射功率强度 右边的动画展示了由给定的光照度得到功率强度的过程 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 29 1 2 1黑体辐射 黑体辐射 许多常见的光源如太阳和白炽灯都是相似的黑体模型 一个黑体能够吸收所有入射到它表面的电磁波 并基于温度的不同辐射出不同的电磁波 黑体一词的来源基于这样一个事实 就是如果物体辐射出的电磁波不在可见光范围内 而照射到物体的所有电磁波又都被吸收了 那么它一定是不可见的 黑的 在黑体辐射中 对光伏研究者来说 可见光部分是大家更关心的地方 辐射自黑体的光照度由普朗克辐射定律给出 其方程如下 式中 是光的波长 T和F分别为黑体的温度和光照度 而h c和k都是常数 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 30 1 2 1黑体辐射 黑体辐射 黑体辐射出的总功率强度可由所有波长的光照度的积分得到 和T分别为斯特番 波耳兹曼 Stefan Boltzmann 常数和黑体温度 另外一个很重要的黑体辐射参数是光照度最高处的波长 换句话说就是此波长辐射出的能量最高 对光照度方程进行求导 导数为零处的波长就是上面说的峰值波长 这就是维恩定律 方程由下给出 其中 p是光照度峰值处的波长 T为黑体温度 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 31 1 2 1黑体辐射 黑体辐射 打开下面的动画便可看到黑体辐射的光谱 能量和峰值波长是如何随着黑体温度 2000到6000k之间 的改变而改变的 上面的方程和动画显示 当黑体温度升高时 光谱分配和光的能量也随之改变 比如温度接近室温时 黑体 如人类身体或关掉的灯泡 将会辐射出低功率的电磁波 能量主要分布在低于10 m的波谱段 超出了人类眼睛的可视范围 如果黑体温度被加热到3000k 它将会变成红色 因为辐射光能量增强了 并且波谱也转向了可见光领域 如果灯丝的温度上升到更高的6000k 辐射出的波长将集中在红色光和紫色光之间的可见光波段 并呈现白色 下面的图比较了在三个不同温度时黑体辐射的光照度 在室温下300k的黑体 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 32 1 2 1黑体辐射 黑体辐射 黑点连成的线 在可见光波段基本上没有能量辐射 红外光波段附近的辐射如下图显示 由于辐射能量的巨大差异以及能量所在的波长范围有很大的不同 下图更加清楚地显示了黑体辐射波谱 温度的函数 的变化 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 33 1 3 1太阳辐射 太阳 太阳是一个充满气体的热球 其内部因太阳内核发生核聚变反应 氢转化成氦 温度超过20000000k 但因为接近太阳表面的氢原子层的强烈吸收 来自内核的辐射无法被看见 热量通过对流的方式被转移出这一氢原子层 太阳被叫做光球 其表面温度大概在6000K左右或者更精确点5762 50K 接近于一个黑体 通过功率强度乘于太阳的表面积可以计算得到太阳辐射的总功率 为9 5 1025w太阳辐射的总功率不只是由单一的波长构成的 而是由许多波长组成 因此在人眼中呈现白色或黄色 使太阳光透过棱镜便可以看到这些不同波长的光了 或者透过水雾便可看见彩虹 不同波长的光呈现不同的颜色 但不是所有波长的光都能被看见因为有一些对人的眼睛来说是不可见的 低能量光子 高能量光子 太阳光 玻璃三棱镜 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 34 1 3 2太阳辐射 太空中的太阳辐射 在太空中与太阳有一定距离的物体 其吸收的太阳光只占太阳总辐射的一小部分 太阳光照度 Ho单位W m2 指的是照射到物体的太阳光的功率强度 在太阳的表面 辐射功率强度相当于6000k黑体的辐射强度 其总的功率强度等于这个值乘于太阳表面积 然而 在远离太阳表面的地方 太阳总的功率强度就被扩散至大得多的表面 因此 随着太空中的物体距离太阳越来越遥远 照射到其表面的太阳光照度也越来越小 距离太阳为D的 物体接收到的太阳光照度可以通过总的太阳功率强度在物体所在球面的平均划分得到 太阳辐射的总功率强度可由 T4乘于太阳的表面积 4 R2 给出 其中R为太阳半径 当物体距离太阳为D时 太阳光照射在此处的球面面积为4 D2 因此 入射到物体的太阳光辐射强度 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 35 1 3 2太阳辐射 太空中的太阳辐射 Ho 单位W m2 为 式中Hsun 单位W m2 为太阳表面的功率强度 由斯特番 波耳兹曼 Stefan Boltzmann 的黑体方程确定 R和D分别为太阳的半径和与太阳的距离 单位都为m 如下图所示 在距离为D处 来自太阳的同样多的能量扩散到面积大得多的区域 太阳光的功率强度也随之减小了许多 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 36 1 3 2太阳辐射 太空中的太阳辐射 右边的表格给出了太阳系每个行星的太阳光照度的标准值 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 37 1 3 3太阳辐射 地球大气层外的太阳辐射 地球大气层外的太阳辐射强度可通过太阳表面的辐射功率强度 Hsun 5 961x107W m2 太阳半径 Rsun 和地球与太阳之间的距离D计算得到 其结果大约为1 36KW m2 下图显示了计算地球表面太阳光照度时使用的几何常数 H W m2 是大气层外的辐射功率强度 Hconstant是太阳光常数值 1 353kw m2 n为一年中的第几天 实际的功率强度会有轻微的变化 因为地球以椭圆形轨道围绕太阳公转以及太阳的辐射功率也是一直在改变着的 由椭圆形轨道引起的改变大概在3 4 左右 一月份时太阳光照度达到最大 最小时为七月份 描述这种变化的方程如下 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 38 1 3 3太阳辐射 地球大气层外的太阳辐射 一般来说这些变化都是非常小的 对光伏应用来说 太阳光照度可看做是一个常数 这个常数的值及其光谱已经被定为标准值 叫作大气质量零辐射 airmass zeroradiation 记作AM0 此时辐射值为1 353KW m2 可参考 1 4太阳辐射 大气质量 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 39 1 4 1地面太阳辐射 地球表面的太阳辐射 当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳定时 影响地球表面辐射的主要因素是 大气效应 包括吸收和散射当地大气质量的不同 如水蒸气 云层和污染纬度位置不同一年中季节的不同和一天里时间的不同上述的效应在几个方面影响了地球表面对太阳辐射的吸收 包括总的吸收能量和光谱含量的变化 以及光射到地球表面的角度的变化 另外 还有关键的一点就是 在不同的地方其太阳辐射的易变性也会有很大差别 易变性即受云层和季节变化等地方因素影响 又受其它例如不同纬度白天的长短不同等因素影响 沙漠地区由于当地云层等大气现象比较稳定而拥有较低的易变性 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 40 1 4 1地面太阳辐射 地球表面的太阳辐射 而在赤道地区 季节之间的变化也比较小 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 41 1 4 2地面太阳辐射 大气影响 大气效应在几个方面影响着地球表面的太阳辐射 在光伏应用领域其主要影响为 由大气吸收 散射和反射引起的太阳辐射能量的减少 由于大气对某些波长的较为强烈地吸收和散射而导致光谱含量的变化 分散的或间接的光谱组合被引入到太阳辐射中 当地大气层的变化引起入射光能量 光谱和方向的额外改变 这些影响总结在下图中 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 42 1 4 2地面太阳辐射 大气影响 典型的晴空时 大气对入射太阳光的吸收和散射 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 43 1 4 2地面太阳辐射 大气影响 大气层的吸收当太阳光穿过大气层时 气体 灰尘和悬浮颗粒都将吸收入射光子 特殊的气体包括臭氧 O3 二氧化碳 CO2 和水蒸气 H2O 都能强烈地吸收能量与其分子键能相近的光子 这样的吸收将使得辐射光谱曲线深深地往下凹 举例说 多数波长大于2 m的远红外光会被水蒸气和二氧化碳吸收 相似的 大多数波长小于0 3 m的紫外光会被臭氧吸收 但还不足以完全防止晒伤 然而 当这些大气中的特殊气体在改变地表太阳辐射的光谱含量的同时 并没有相应地明显减少辐射的总能量 取而代之的是空气分子和尘埃 它们通过对光的吸收和散射成为辐射能量减少的主要因素 这种吸收过程并不会产生光谱曲线的向下深凹 而是引起能量的减少 大小取决于穿过大气的路径长度 当太阳 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 44 1 4 2地面太阳辐射 大气影响 处在头顶正上方的时候 大气分子引起的吸收会导致光谱中可见光领域一整片的减少 所以入射光呈现白色 然而 当路径变得越长 能量更高 波长更小 的光子能更有效地被吸收和散射 所以在早上和傍晚太阳会变得更红 强度也比中午低 蓝色和红色曲线分别为1 5和0大气质量时的辐射强度 绿色曲线代表温度为6000k黑体的辐射强度 彩色柱子代表可见光的波谱 箭头所指的位置代表被相应气体吸收的部分 黑色线显示了能引起人类眼睛感觉的辐射强度 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 45 1 4 2地面太阳辐射 大气影响 由于入射光的散射导致的径直的和分散的辐射当光穿过大气层被吸收的同时也发生散射 大气中光的散射机制之一就是人们熟知的瑞利散射 它由大气中的分子引起 瑞利散射对短波光 如蓝光 作用效果显著 因为瑞利散射的强度与波长四次方成反比 除了瑞利散射之外 气溶胶和尘埃粒子也会是入射光产生散射 散射光的方向是杂乱无章的 所以它可以来自天空的任何地区 这种光也叫分散光 由于散射光主要是蓝光 所以除了太阳所处的区域外 来自天空所有区域的光都呈现蓝色 假如大气中没有散射的话 天空将变成黑色 而太阳则会变成一个圆盘状的光源 在天气晴朗的日子 入射光线中大概有10 会被散射 红光的波长大于多数的粒子线度 不会受影响 蓝光的波长与大气中粒子线度相当 所以被强烈散射 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 46 1 4 2地面太阳辐射 大气影响 来自云层和其它大气层的地方差异的影响大气对入射太阳光的最终影响来自大气层的地方差异 取决于覆盖云层的类型 入射光能量将会有不同程度的减少 下图是一个浓密云层的例子 右图分别显示了 在墨尔本的冬天 晴天和多云天气时光伏阵列的相对输出电流 光伏阵列的倾斜角为60 墨尔本 光伏阵列倾斜角度60 相对输出电流 晴朗冬天 多云冬天 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 47 1 4 3地面太阳辐射 大气质量 大气质量被定义为光穿过大气的路径长度 长度最短时的路径 即当太阳处在头顶正上方时 规定为 一个标准大气质量 大气质量 量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度 大气质量由下式给出 式中 表示太阳光线与垂直线的夹角 当太阳处在头顶时 大气质量为1 大气质量 描绘了太阳光到达地面前所需走过的路程与太阳处在头顶处时的路程的比例 也等于Y X 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 48 1 4 3地面太阳辐射 大气质量 估算大气质量的一个最简单的方法就是测量一个垂直立着的标杆的投影长度 如上图 大气质量等于斜边的长度除于标杆的高度h 然后由勾股定理便得到 标杆高度h 影子长度 s 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 49 1 4 3地面太阳辐射 大气质量 上述关于大气质量的计算是以假定大气层是一个平面层为前提的 但是由于实际上大气层是弯曲的 当太阳接近于地平线时大气质量并不完全等于大气层的路径长度 在日出的时候 太阳的入射光线与垂直位置的夹角为90 则计算得大气质量为无限大 但显然光线路径并不是无限大的 下面的方程则考虑了地球的曲率 标准太阳光谱和太阳辐射太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感 为了方便不同时间和不同地点时太阳能电池的数据比较 人们定义了地球大气层外和地球表面的光谱和功率强度的标准值 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 50 1 4 3地面太阳辐射 大气质量 地球表面的标准光谱称为AM1 5G G代表总的辐射 包括直接的和分散的辐射 或者AM1 5D 只包含直接的辐射 AM1 5D的辐射强度近似于减少28 能量后的AM0光谱的光谱强度 18 被吸收 10 被散射 总的光谱辐射强度要比直射的光谱强度高10 从上面的计算可得AM1 5G的值近似为970W m2 然而 由于整数计算比较方便以及入射太阳光存在固有的变化 人们规范了标准的AM1 5G光谱值为1KW m2 地球大气层外的标准光谱称为AM0 因为光没有穿过任何大气 这个光谱通常被用来预测太空中太阳能电池的表现 基于大气质量的强度计算一天中 太阳光的直射分量强度可由大气质量确定 其方程为 式中ID为垂直平面的太阳光线的功率强度 单位KW m2 AM为大气质量 数值1 353KW m2为太阳常数 而数字0 7则源于入射到大气层中的辐射大概有70 能到达地球 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 51 1 4 3地面太阳辐射 大气质量 即使在天气晴朗的时候 散射辐射中仍然有大约10 的直接辐射含量 因此在天气晴朗的时候垂直入射到地表的太阳光的总辐射量为 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 52 1 4 4地面太阳辐射 太阳的运动 太阳视运动 是由地球绕其轴自转引起的表面现象 它改变着射入地球的光线的直射分量角度 从地面的一个固定位置来看 太阳横跨整个天空运动 太阳的位置决定于地面上的点的坐标 一天中的时间和一年中的日期 下图将展示这种太阳视运动 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 53 1 4 4地面太阳辐射 太阳的运动 太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集器件获得的能量 当太阳光垂直入射到吸收平面时 在平面上的功率强度等于入射光的功率强度 然而 当太阳光与吸收平面的角度改变时 其表面的功率强度就会减小 当平面与太阳光平行时 功率强度基本上变为零 对于0度和90度之间的角 它们相对的功率强度为最大值乘于cos 其中 为太阳光与器件平面之间的夹角 点击右边的动画 观测吸收平面与入射光的夹角的改变所产生的影响 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 54 1 4 4地面太阳辐射 太阳的运动 地球上某固定点与太阳的夹角决定于其所处的位置 地点所在的经度 一年中的日期和一天中的时间 另外 太阳升起和落下的时刻决定于位置所在的经度 因此 刻画地球上某固定地点的太阳高度角需要纬度 经度 一年中的日期和一天中的时间 这些内容将在下面讨论 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 55 1 4 5地面太阳辐射 太阳的偏向角 偏向角 用符号 表示 由于地球绕其轴的自转和绕太阳的公转而存在季节性的变化 如果地球没有相对转轴倾斜 那么偏向角将一直为0 然而地球相对于公转平面是倾斜了23 45 的 偏向角的大小就在 23 45 之间变化 只有在春分日和秋分日的时候偏向角才会等于0 下面的动画描述了地球绕太阳公转以及偏向角的改变 太阳偏向角就是指赤道平面与地球中心点 太阳中心点的连线的夹角 太阳偏向角的季节性变化如下所示 点击 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 56 1 4 5地面太阳辐射 太阳的偏向角 右边视频显示了倾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 之间是如何变化的 尽管事实上是地球绕着太阳转的 但是如果把它想象成是太阳绕着地球转的 将会变得更容易理解一些 这需要一定的坐标转换 在这个代替的坐标系统里 太阳是绕着地球转的 偏向角的角度可以由下面的方程算出 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 57 1 4 5地面太阳辐射 太阳的偏向角 式中d为观测偏向角时所在的一年中的天数 在二分日 3月22日春分日和9月22日秋分日 时偏向角为0 在北半球夏天时角度为正 北半球冬天时为负 在夏至日6月22日偏向角达到最大值23 45 北半球夏至日 而在12月22日达到最小值 23 45 北半球冬至日 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 58 1 4 6地面太阳辐射 仰角与方位角 仰角指的是天空中太阳相对于地平面的高度角 日出的时候高度角为0 太阳处在头顶时高度角为90 比如在赤道地区 春分日和秋分日的时候就会出现这种情况 天顶角与高度角相似 但是相对于地平面的垂直线而不是地平面来说的 因此可以计算天顶角 90 高度角 太阳高度角在一天中不断变化 其大小还决定于观测位置的纬度和所在一年中的天数 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 59 1 4 6地面太阳辐射 仰角与方位角 在设计光伏系统时 一个重要的参数是最大太阳高度角 即一年中太阳在天空的高度达到最大时的角度 最大高度角出现在正午时分 大小取决于所在的纬度和偏向角 计算正午太阳高度角的公式如下 90 式中 为观测位置所处的纬度 在南半球它的符号是负的而在北半球的时候符号为正 为偏向角 大小取决于所在一年中的天数 夏至日 在北回归线处 太阳在头顶正上方 其高度角为90 在夏天 在赤道与北回归线之间观测的正午太阳高度角是大于90 的 这意味着阳光是来自北方的天空而不是南方的天空 相似的 在一年中的某个时期 在赤道和南回归线之间 太阳光是来自南方 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 60 1 4 6地面太阳辐射 仰角与方位角 而不是北方 最大太阳高度角被应用到非常简单的光伏系统设计中 然而更精确的光伏系统仿真则需要知道高度角在一天中是如何变化的这些知识 关于这方面的方程和公式将在下面几页中介绍 方位角方位角就是罗盘方向与阳光入射方向的夹角 在正午时分 北半球地区的太阳总是从南方射入 南半球地区则从北方射入 如下面的动画所示 一天中方位角是不断变化的 在赤道地区 春秋分日的时候太阳直接从升起在西方落下 不管所处的纬度是多少 日 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 61 1 4 6地面太阳辐射 仰角与方位角 出时的方位角都为90 而日落时为270 尽管如此 总的来说方位角还是随着纬度和一年中日期的改变而改变的 计算一天里太阳位置的完整方程将在下一页给出 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 62 1 4 7地面太阳辐射 太阳的方位 正午时分的太阳方位角和太阳高度角是摆放太阳能电池板时所使用到的两个重要角度参数 然而 如果想要计算一整天的太阳位置 就必须计算一整天的太阳高度角和方位角 这些角度将使用 太阳时间 来计算 按传统的计时方式 地球被分成不同的时区 然而 在这些时区里 正午时分并不一定就是太阳处在最高处的时候 类似的 日出时段也被描述为时区里的某个地区段的太阳正在升起 然而 由于一个时区横跨了一定长度的距离 当太阳刚刚照耀这个时区的某个地方的地平线时 此刻的时间有可能与定义的日出时间 或官方承认的日出时间 完全不同 而这种规定也是必要的 否则出现一街之隔的两座房子的时间会相差几秒的现象 从另一方面来说 不同经度的太阳时间是不同的 因此 如果要得到太阳的位置 必须先计算当地的太阳时间然后再计算太阳高度角和方位角 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 63 1 4 7地面太阳辐射 太阳的方位 当地太阳时间 LST 和当地时间 LT 当地太阳时间 LST 中午12时是指太阳升到最高处的时刻 由于地球轨道的偏心率和人类对时区和夏令时的调整 当地时间 LT 一般不等于当地太阳时间 当地标准时间子午线 LSTM 当地标准时间子午线 LSTM 是特定时区所采用的基准子午线 它类似于格林尼治时间使用的本初子午线 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 64 1 4 7地面太阳辐射 太阳的方位 LSTM 当地标准时间子午线 被使用在当地时区 这里显示的LSTM跨越了巴西和格陵兰岛的部分地区 格林威治时间所使用的本初子午线 经度 0 通过下列方程可计算LSTM LSTM 15 TGMT式中 TGMT表示当地时间与格林威治时间的差 一小时为单位 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 65 1 4 7地面太阳辐射 太阳的方位 时间方程 EOT 时间方程 以分为单位 是纠正了地球公转的偏心率和地球的轴向倾斜之后的经验方程 EOT 9 87sin 2B 7 53cos B 1 5sin B 其中B 360 d 81 365 单位为 d为从一年的第一天开始数起的天数 下图描绘了时间纠正方程 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 66 1 4 7地面太阳辐射 太阳的方位 时间纠正因子时间纠正因子 以分为单位 解释了在一个给定的时区内 当地太阳时间因时区内经度的变化而变化的现象 其方程也同时包含时间方程 TimeCorrection 4 LSTM 经度 EoT方程里的4分钟源自地球自转一度的时间是4分钟的事实 当地太阳时间当地太阳时间 LST 可以通过使用前两个矫正因子来调整当地时间 LT 得到 LST LT TC 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 67 1 4 7地面太阳辐射 太阳的方位 时角 HRA 时角把当地太阳时间 LST 转换成太阳在天空运动的度数的数值 按照定义 正午时分的时角为0 因为地球每转15 的时间为一个小时 所以 与正午时分间隔一个小时就相当于太阳在太空转过了15 角 在上午时角的符号是负的 下午是正的 HRA 15 LST 12 倾斜角在前面已经给出了倾斜角的公式 其中d为从一年第一天开始数起的天数 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 68 1 4 7地面太阳辐射 太阳的方位 高度角高度角可由下面的方程得到 高度角 sin 1 sin sin cos cos cos HRA 天顶角为太阳与垂直线之间的夹角 天顶角 90 高度角 高度角 天顶角 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 69 1 4 7地面太阳辐射 太阳的方位 方位角方位角就像罗盘一样 正北方向为0 正南方向为180 也有人使用稍微不同的定义 正南方向为0 方位角可由上面的参数计算得到 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 70 1 4 7地面太阳辐射 太阳的方位 日出和日落日出与日落的时间可以分别通过下面式子得到 一整天的太阳位置关于一整年中地球上任何位置的任何时间的太阳高度角和方位角的计算方法将在下页给出 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 71 1 4 8地面太阳辐射 在倾斜表面上的太阳辐射 入射到光伏组件上的能量不仅取决于太阳光所包含的能量 还受到组件与太阳光的夹角的大小的影响 当吸收表面与太阳光互相垂直时 组件表面的功率强度便等于太阳光的功率强度 换句话说 当光伏组件与太阳光垂直时 其表面的功率强度达到最大值 然而 由于太阳光与固定组件表面的夹角是不断改变的 固定光伏组件的功率强度也总是小于入射光的强度 入射到倾斜光伏组件的太阳辐射就是入射太阳光中垂直组件表面的辐射成分 下面的图画展示了 当给出地平面上的辐射强度 Shorizon 或垂直太阳光的平面的辐射强度 Sincident 时 如何计算入射到固定组件平面的辐射强度 Smodule 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 72 1 4 8地面太阳辐射 在倾斜表面上的太阳辐射 组件与入射光的角度发生倾斜会减小光伏组件的电流输出 Sincident smodule Shorizontal之间的关系方程如下所示 式中 为高度角 为组件平面相对于地平面的倾斜角 高度角的公式已由前面给出 90 和 分别代表纬度和太阳偏向角 其公式也已在前面写出 水平面 太阳辐射 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 73 1 4 8地面太阳辐射 在倾斜表面上的太阳辐射 由上面的方程可得出Smodule与Shorizontal的关系 倾斜角度对入射到平面的太阳辐射有重要的影响 对于角度固定的光伏组件平面来说 当倾斜角度等于当地的纬度时 它一整年获得的能量将达到最大 然而 对于漫长的冬天来说 陡峭的倾斜角是更优的选择 相反的 平坦的倾斜角在夏天能获得更多的光线 当组件平面的角度为0 时 组件获得的能量与地平面能量是相等的 因为此时组件是平躺在地面上的 当平面角度达到80 时 组件几乎是垂直放置的 此时组件能量小于入射光能量 除非组件平面垂直于太阳光线 它们的值才相等 组件平面是朝向赤道的 所以在南半球的时候它是面向北方的 而在北半球则面向南方 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 74 1 5 1太阳辐射数据 太阳辐射测量 对于光伏系统设计来说 知道当地在不同时间的可利用辐射量是很有必要的 两个描述太阳辐射特征的常用方法是太阳辐射 或辐射 和日照 太阳辐射是一个瞬时的功率强度 以KW m2为单位 一天中 太阳辐射的大小从晚上的0KW m2到最大值约1KW m2之间不断变化 太阳辐射主要取决于观测的位置和当地的天气 太阳辐射的测量由周期性全天测量的总辐射或直射分量组成 测量工具为日射强度计 测量总辐射量 或太阳热量计 测量直射分量 在设施比较完善的地区 已经收集了超过20年的这类数据 另一个测量太阳辐射的方法是使用日照计 此方法精确率较低但是成本也相对较低 这种日照计 也叫坎贝尔斯托克斯日照计 能测量出一天中光线强度超过某一个水平 通常为200mW cm2 的小时数 通过使测量出来的小时数与基于数学公式和几个纠正因子计算出来的小时数相比较 便可以得出日照度了 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 75 1 5 1地面太阳辐射 太阳辐射测量 尽管太阳辐射是最常被测量的数据 但是在光伏系统设计中更常使用的数据还是日照度 日照度是指特定时间内单位面积区域所接收到得总的太阳辐射量 通常以KWhr m2day 为单位 虽然日照度的单位与太阳辐射的单位都是功率强度 因为日照度中的分子小时hr与分母day同是时间单位 但是日照度与太阳辐射还是很大不同的 日照度是在给定时间段里的平均太阳辐射强度 日照度常常使用在简单的光伏系统设计中 而太阳辐射则在更为复杂的需要计算一天中每一时刻的情况的光伏系统中使用 日照度还可以用单位MJ m2year来表示 特定位置的太阳辐射强度可以通过以下几种方式表示 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 76 1 5 1地面太阳辐射 太阳辐射测量 平均每天 每月或每年的日照度一个月 一个季节或一整年的全球等辐射线日照时数基于卫星云层覆盖数据的日照度太阳辐射的计算 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 77 1 5 2太阳辐射数据 太阳辐照度的数据分析 最精确的太阳辐射数据是通过高温计测量获得的 高温计固定在一个位置几年 通常大约十年或者更久 每隔几分钟就测量一次直接辐射 然而 对于光伏系统设计来说 用这种技术产生的数据量并不足以提供当地的全部信息 取而代之的 是这些数据可以以其它的几种形式展现 在概念上最简单的方法就是算出测量期间的数据平均数 这种数据形式叫平均每天 每月或每年辐射量 尽管这种数据对基本的系统设计有用 却损失了太阳辐射的逐日变化 这种逐日变化的损失是非常严重的 因为 例如 每天辐射都是5KWhr day的系统的设计和性能与那种有几天是8KWhr day然后接着几天是2KWhr day的系统是有很大不同的 典型气象年与每年的平均的太阳辐射数据的比较 典型气象年 平均辐射数据 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 78 1 5 2太阳辐射数据 太阳辐照度的数据分析 描述太阳辐射最常用的方式是典型气象年 TMY 或者是由美国国家可再生能源实验室所使用的TMY2 TMY包含有每天数据的变化 TMY数据将在下页详细介绍 然而 平均太阳辐射数据 特别是一年中每个月的的平均数据在粗略估计太阳能电池板安装数量是也是被广泛使用的 另外一个尽管较少见到但是非常有用的的数据是连续几天出现阴天的概率 它可由全年辐射数据得到的 在这里 阴天被定义为地面实际接收到的光线要少于理论光线接收值的50 的日子 例如 某个地区连续4天出现阴天的概率为一年一次 连续5天出现阴天的概率5年一次 这些信息在估算足够的必备条件的储存时是非常有用的 然而 一般了来说这些信息是比较少考虑到的 如果需要使用 必须通过原始的数据集得到 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 79 1 5 3太阳辐射数据 典型气象年数据 TMY 描述当地天文气候时最常用的数据就是叫做典型气象年的数据 TMY 要测定TMY数据 必须获得几年中每隔一小时测量的气象变化结果 然后制成一副当地气候的变化图表 单单每年数据的平均数还不能很好的看清气象的变化 所以人们选择月平均数以最大程度代表当地情况 整个月以及整个测量周期的其它月平均辐射值被测算出来 如果有一年的各月的平均辐射值最接近于整个测量周期的月平均值 那么这一年就被选为典型气象年 TMY 而这一年的每月气象数据也被叫做TMY数据 然后 这个过程在一年中的每个月都重复进行 现实中没有严格标准的TMY数据所以使用者必须适当调整数据以符合应用 处理样本周期时必须相当谨慎 下面将以澳大利亚墨尔本一月一号的原始TMY数据文件为例 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 80 1 5 3太阳辐射数据 典型气象年数据 TMY 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 81 1 5太阳辐射数据 典型气象年数据 TMY 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 82 1 5 3太阳辐射数据 典型气象年数据 TMY 1 2020 4 5 UNSW新南威尔士大学 83 1 5 3太阳辐射数据 典型气象年数据 TMY TMY数据在气象应用领域被广泛使用 但是也有大量的数据与光伏应用是不相干的 在给出的参数中 通常只有时间和光照度才被用到 然而 更先进的模型还用到了温度和风速 上面表格中各个参数的意义为 月指的是一年中的月份日为一个月内的第几天 不是所有月份的天数都相等 小时指的是一天24小时的第几小