第一二章 太阳辐射

太阳能光伏发电应用技术第1章绪论第2章太阳辐射第3章晶体硅太阳能电池的基本原理第4章薄膜太阳电池第5章

聚光太阳电池第6章太阳电池的制造第7章光伏系统部件第8章光伏系统的应用第9章光伏系统设计第10章

光伏系统的安装、调试及维护第11章太阳能光伏发电系统的应用

目录第7章光伏系统部件第8章

光伏系统设计第9章

光伏系统的安装、调试及维护第10章

光伏系统的应用第11章光伏发电的效益分析

第1章

绪论第2章

太阳辐射开发太阳能的意义以及太阳能发电的现在及展望基本概念光伏电池晶体硅电池单晶硅电池多晶硅电池薄膜电池第3章

晶体硅太阳能电池的基本原理第4章薄膜太阳电池第5章

聚光太阳电池第6章

太阳电池的制造多元化合物电池硅基薄膜电池燃料敏化太阳能电池有机半导体太阳能电池碲化镉铜铟镓硒太阳电池的工作原理及其特性第1章绪论1.1开发利用太阳能的重要意义化石燃料：煤炭、石油等可再生能源：水能、风能、太阳能（SolarEnergy）据已探明的储存量，各种资源可开采的年数为： 石油45年；天然气61年；煤炭230年；铀71年资源枯竭环境问题（如气候变暖、酸雨等）气候变暖：自然界食物链逐渐断裂内陆地区大面积干旱气温升高会给人类生理机能造成影响

……常规电网的局限性太阳能的热能和光能利用是两个重要的应用领域。到达地球的太阳能，在大气圈外为1.38kW/m2，其中30％向宇宙反射，其余的70％到达地球。太阳的寿命可达几十亿年。太阳能不会产生CO2等有害物质，是一种清洁能源。太阳能的缺点是能量密度低、容易受气象条件的影响，不具备蓄电功能等。此外，虽然太阳能本身对环境无污染，但也应该看到，太阳能电池、电力电子变换装置的制造和使用过程中仍会产生环境污染，应考虑综合效益。

1.2

太阳能的特点优点：（1）储量巨大

（2）不会枯竭（3）清洁能源（4）不受地域限制太阳能发电光-热-电转换光-电转换太阳能光伏发电

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳能电池将太阳能直接转化为电能太阳能热发电（太阳槽式热发电、太阳能塔式热发电、太阳能蝶式热发电）通过聚集太阳辐射获得热能，将热能转化成高温蒸汽驱动蒸汽轮机来发电的

太阳能发电类型太阳槽式热发电太阳能塔式热发电太阳能蝶式热发电亚洲首座太阳能热发电实验电站历经6年科研攻关和施工建设，我国首个、亚洲最大的塔式太阳能热发电电站——八达岭太阳能热发电实验电站在延庆建成，并于2012年8月成功发电。这也使我国成为继美国、西班牙、以色列之后，世界上第四个掌握太阳能热发电技术的国家。太阳能电池，完成将太阳能转换为电能的任务。太阳能电池主要由半导体硅制成，在半导体上有光线照射时，吸收光能激发出电子和空穴，在半导体中产生电压（流），称为“光生伏特效应”或简称“光伏效应”（Photovoltaiceffect）。以硅晶体做成的半导体，掺有磷杂质的硅晶体中自由电子是多数载流子，称为N型半导体；掺有硼杂质的硅晶体中空穴是多数载流子，称为P型半导体。若将P型半导体与N型半导体结合，形成PN结。太阳能电池利用了PN结的光伏效应。当有光照射太阳能电池时，则激发电子自由运动流向N型半导体，正电荷集结于P型半导体，从而产生电位势。若外接负荷，则有电流流动。太阳光N型半导体P型半导体正极负极电流负荷太阳能发电发展历程年代成就1800发现光伏效应1876硒的光伏效应研究1904Cu、Cu2O对光的敏感性研究1940PN结理论的研究1954

单晶硅太阳能电池发明（美国贝尔实验室）1955CdS太阳能电池发明1956GaAs太阳能电池发明1958在先驱者1号通信卫星上应用太阳能电池1972美国制订新能源开发计划1974日本制订太阳能发电发展的“阳光计划”1976非晶硅太阳能电池的发明1984美国7MW太阳能发电站建成1985日本1MW太阳能发电站建成1991制定再生新能源发电与公共电力网并网法规（德国）1992制定逆潮流供电与公共网并网法规（日本）1994住宅用太阳光发电系统技术规程（日本）2003RPS法（新能源法案）（日本）

1.3今年世界光伏产业的发展状况国际上在光伏领域具有领先地位的国家主要有日本、德国、美国、澳大利亚等。生产厂排名产量（MW）比例（％）Sharp（日本）夏普1（1）324.025.8Kyocera（日本）京瓷2（2）105.08.3BPSolar（英国）3（3）84.96.8MitsubishiElectric（日本）4（6）75.06.0Q-Cells（德国）4（9）75.06.0ShellSolar（荷兰）壳牌6（4）72.05.7Sanyo（日本）三洋7（8）65.05.4RWESchottSolar（德国）8（5）63.05.0Isofoton（西班牙）9（7）53.04.2台湾茂迪（中国）10（10）35.02.8无锡尚德（中国）10（16）35.02.8世界十大太阳能电池生产厂2004年排名与产量注：括号内为2003年排名2013年全球十大太阳能电池组件企业产量排名名次制造商产量（MW）1英利(中国)31002天合光能(中国)24713阿特斯(中国)18004晶科能源(中国)17005FirstSolar(美国)16286韩华(韩国)13007晶澳(中国)12188SunPower(美国)11349京瓷(日本)

110010SolarFrontier(日本)920美国——“百万屋顶计划”美国在1997年6月宣布了太阳能“百万屋顶计划”（MillionSolarRoofs

Initiative），准备在2010年以前，在100万座建筑物上安装太阳能系统，主要是

太阳能光伏发电系统和太阳能热利用系统。

美国太阳能光伏发电与热利用技术比较成熟，开始进入大规模生产阶段。两大太阳能电池公司年生产能力分别达到5MW和10MW，整个美国光伏发电产品的年销售量达到100MW以上。美国政府极为重视对太阳能的开发和利用。投入巨额资金用于该领域的科研开发，同时在政策上给予倾斜。目前“百万屋顶计划”已经在美国某些地区大力发展起来。在夏威夷，由于自然条件优越，太阳能已经成为当地能源供给的主要形式和经济发展的重要组成部分。日本——“阳光计划”日本的光伏发电发展阶段1.第一次石油危机后，日本通产省于1974年制订了以发展太阳能为主的可再生能源代替石油的技术研究开发中长期规划，即“阳光计划”。初期，太阳能电池用于家用计算器、灯标和孤岛柴油发电的补充能源。之后成立了新能源生产技术综合管理机构，加大资金投入，加速了光伏发电的产业化发展步伐。2.1988－1994年，随着社会环保意识的提高，以及电力公司独立电源示范工程成功的基础上，太阳能光伏项目扩大到公园、学校、医院、展览馆等公共示范工程以及民用示范工程。3.1993年制订的“阳光计划”，仍然把光伏发电作为重点项目，光电技术已达到普遍应用水平。售价过高是影响推广应用的关键因素，降低光电器件成本和高效率材料的开发是重要发展方向。从1994年，日本实施住宅光电系统的优惠政策，对每户居民住宅光电系统提供½的政策补贴，极大地促进了住宅用光电项目的推广。日本光伏产业快速发展的主要经验：基本国策，常抓不懈；资金投入，政策优惠。德国——“十万屋顶发电计划”德国在2003年完成“10万屋顶发电计划”，2000年颁布可再生能源法，2003年又公布了可再生能源促进法，引发了德国光伏发展的新一轮高峰。2004年德国光伏发电总量达到6×105GW·h，可再生能源发电占9.3％。德国政府在推广光伏发电方面采取了一系列有力的举措，主要包括银行贷款和上网电价补贴等。在德国，若在自家屋顶上安装了一套光伏发电设备，相当于一个小型发电厂，发出的电能输送到公共电网，国家最高给予57.4cent/kW·h的补贴，可以获得较高的经济回报。因此，德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济产业。现在，德国的光伏市场已从探索阶段发展为繁荣的专业市场，其安装量瑶瑶领先于其他国家。中国——“光明工程计划”我国在太阳能光热利用方面处于世界先进行列，是最大的太阳能热水器生产国和消费市场。在太阳能光伏发电研究和产业发展方面奋起直追，取得了较大进展。2004年在该领域的产业规模上超过印度，成为亚洲处于前列的光伏电池生产国家。2005年通过《中华人民共和国可再生能源法》，于2006年1月1日起正式实施。我国光伏发电的发展历程：1958年开始研制太阳能电池，1959年第一个有实用价值的太阳能电池诞生。1971年3月，太阳能电池首次应用于我国第二颗人造卫星。1973年，太阳能电池首次应用于天津港的浮标灯上。1979年，用半导体工业积压单晶片生产单晶硅电池。20世纪80年代后期，引进国外关键设备、生产线和技术，太阳能电池生产能力达到4.5MW，太阳能电池制造产业初步形成。全球单体最大太阳能建筑并网发电全球最大的光伏建筑一体化低能耗生态建筑——尚德光伏研发中心大楼竣工。这里将成为尚德公司国家级企业（集团）技术中心的研发基地。

尚德光伏研发中心大楼总投资约2亿元，该幢建筑地上7层，幕墙总高度37米，总面积约1.8万平方米，PV幕墙面积6900平米，是全球最大的光电幕墙。整个工程设计容量为1兆瓦，预计全年发电量将达到70万千瓦时，预计将为整体建筑提供80％耗电。以最低使用寿命25年计算，共可产生电量1737.5万千瓦时，预计每年可以替代标准煤240吨，减排432吨，25年共替代标煤6000吨。无锡尚德太阳能电力有限公司成立于2001年1月，是一家集研发、生产、销售为一体的高新技术光伏企业，主要从事晶体硅太阳电池、组件、光伏系统工程、光伏应用产品的研究、制造、销售和售后服务。经过短短几年跨越式、超常规的大发展，尚德公司的产品技术和质量水平已完全达到国际光伏行业先进水平，位列世界光伏企业前三强，在太阳能组件制造方面已位居世界首位。－－人民网2009年1月8日

第2章太阳辐射

2.1太阳概况太阳从中心到边缘可以分为：核反应区——太阳热能产生的基地。辐射区——太阳能先通过这里传播出去。对流区——太阳能经过这里向太阳表层传播，是“输送带”。太阳大气——大致可分为光球、色球、日冕等层次。00.40.81.21.62.02.42.83.20.51.01.52.02.5发射强度（W/cm2.um）波长λ（um）可见光紫外红外地面太阳光光谱分布图太阳辐射光谱中，能量密度最大值是0.475μm，由此向短波方向，光波具有的能量急剧降低，向长波方向各光波具有的能量则缓慢地减弱。在大气层上界，太阳辐射总能量中约有7%的能量在紫外线以下的波长范围内，

47%的能量在可见光范围内，

46%的能量在红外线波长波长范围内。

太阳辐射总能量的22亿分之一辐射到地球，这部分能量约有19％被大气层吸收；约有30％的能量被大气层和尘粒和地面反射会宇宙空间；穿过大气到达地球表面的太阳辐射功率约占51％。尽管太阳能只有很少的一部分辐射到地面，但数量仍然巨大。每年辐射到地球表面的太阳能能量约为1.8×1018KW·h，等于1.3×106亿吨标准煤，是地球年耗能量的几万倍。我国2/3的地区太阳能辐射总量大于5024MJ/m2，年日照时数在2000h以上，太阳能资源十分丰富。其中西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古的辐射总量和日照时数在我国位居前列。除了四川盆地和毗邻地区以外，我国绝大部分地区的太阳能资源超过或相当于国外同纬度地区，优于欧洲和日本。由于南面是海拔7000～8850m的喜马拉雅山脉，阻挡着印度洋的水蒸气，因此青藏高原的太阳能年辐射总量达6670～8850MJ/m2，年日照时数达3200～3300h，是我国太阳能资源最好的地区。而四川盆地云雨天气多，是太阳能资源相对较差的地区。日地运动示意图

2.2日地运动地球绕“地轴”自西向东自转一周（360°）为一昼夜每小时自转15°。地球自转同时，绕太阳“公转”椭圆形轨道称为“黄道”公转一周为一年。地轴与黄道面夹角23°27′公转时，自转轴方向始终不变。

2.3天球坐标天球：以观察者为球心，以任意长为半径，其上分布着所有天体的球面。天轴：地轴无限延长便是天轴。天极：天轴与天球表面相交的两点叫天极。其中与地球北极对应的叫天北极（P），另一极为天南极（P′）。天赤道：过天球球心与天轴相垂直的平面与天球相交的大圆。天球坐标系(1)天轴、天极、天赤道：天顶、天底：某地铅垂线无限延长与天球的交点。在地平之上的为天顶（Z），另一点为天底（z′）。

地平圈：过天球球心与当地铅垂线相垂直的平面与天球相交的大圆。这个面叫地平面，它把天球分为可见和不可见两部分。(2)天顶、天底、地平圈：两圈交点是东点和西点，地平圈上与东、西点相距90°的两个点为南点和北点。另外，天赤道对于地平圈的两个远距点，在地平之上的称作上点（Q），另一个在地平之下的称为下点（Q′）.(3)天赤道与地平圈上的点：

2.3.1赤道坐标系以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标系用途：用于时间度量赤纬(δ)

太阳赤纬角可由库伯（Cooper）方程计算计算：春分（3月21日）的赤纬n为一年中的天数。太阳赤纬角在春分，n=81,则太阳光线垂直照射地球的位置，以当地地理纬度来表示。赤纬在北半球取正值，在南半球取负值。一年里太阳赤纬在+23.45o至－23.45o之间变动。春分日和秋分日，太阳直射赤道，δ=０；夏至日，太阳直射北回归线，δ=+23.45o；冬至日，太阳直射南回归线，δ＝-23.45o时角()天体所在的时圈相对于上点Q（午圈）的方向和角距离。规定正午时角为0，上午时角为负值，下午时角为正值通常以表示，数值等于离正午的时间乘以15o

2.3.2地平坐标系以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系，叫做地平坐标系用途：表示天体在天空中的高度和方位太阳高度角（）太阳平行光线与地平面的交角称为太阳高度角，常简称为太阳高度。

=0°时最小，

=90°时最大太阳天顶角（）太阳光线与地平面法线之间的夹角太阳方位角（）太阳光线在地平面上投影和地平面上正南方向线之间的夹角

2.3.3太阳角的计算1太阳高度角的计算当太阳正午时，式中地理纬度太阳赤纬角太阳时角计算太阳高度角的表达式例题：计算夏至日南回归线上的正午太阳高度角。例题：计算春分日北极圈(φ=66°33′)上的正午太阳高度角。解：δ=23°27′，φ=-23°27′

=90°+（φ-δ）=43°06′解：δ=0°，φ=66°33′=90°-（φ-δ）=23°27′当正午太阳在天顶以南，即时当正午太阳在天顶以北，即时3日出、日落时的时角日出、日落时的太阳高度角00为日出时角；由于为日落时角2方位角的计算5日出、日落时的方位角日出、日落时的太阳高度角004日照时间当地由日出到日落之间的时间间隔。由于地球每小时自传150

例题：计算北纬34.5度，东经110度，5月10日正午时太阳的高度角、方位角及该日的日出、日落时间。解：由题可知n=130可得δ=17.52°正午时ω=0，代入可得

=73°可得方位角

=0代入数据，可得ω1=102.53°ω2=-102.53°则日出时间为日落时间

2.4太阳辐射量太阳辐射功率或辐射通量：单位时间内，太阳以辐射形式发射的能量，单位为瓦（W）辐射度或辐照度：太阳投射到单位面积上的辐射功率，单位为瓦/平方米（W/m2）(cal：热量单位，卡路里)2.4.1大气层外的太阳辐射1.太阳常数太阳与地球间的距离不是一个常数，因此，地球大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同。实际上，由于日地间距离很大（15000万公里），其相对变化量很小，由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过3.4%，这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。我们使用“大气常数”来描述大气层上界的太阳辐射强度。在日地平均距离时，地球大气层上界垂直于太阳光线表面的单位面积单位时间内所接收到的太阳辐射能。用Isc表示。参考值为2.到达大气层上界的太阳辐射大气层上界水平面上的太阳辐射日总量H0为大气常数；为日出、日落时角；为太阳赤纬角；为日地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量的修正值；n为一年中的日期序号。3.大气质量（AM）“大气质量”是一个无量纲量，用AM表示。太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶角方向时穿过大气路径之比。地球大气上界的大气质量为零。假定在1个标准大气压和0度时，海平面上太阳光线入射时的路径为AM=1太阳在其他位置时，大气质量都大于1地面光伏应用中统一规定大气质量为1.5。通常写成AM1.5为当地大气压；为太阳天顶角；地面上大气质量的计算公式为海平面大气压。上式忽略了大气的曲率及折射因素的影响。≥30°时，计算值与观测值非常接近。≤30°时，采用下式计算2.4.2到达地表的太阳辐照度1.大气透明度上式积分或者式中，到达地表的法向太阳辐照度大气层上界的太阳辐照度大气的消光系数单色光谱透明度

m大气质量或2.垂直于太阳光线的地表上的直射辐强度大气透明度p与大气质量m相关，为了简化，通常将大气透明度订正到某一给定的大气质量，例如，将pm修正到m=2的透明度p2，此时，垂直于太阳光表面上的直接辐射强度3.水平面上的太阳直射