太阳能建筑一体化原理与应 课件全套1-11 绪论 -太阳能与建筑围护结构一体化

太阳能建筑一体化原理与应用第一章绪论一、可再生能源与太阳能

可再生能源是指在自然界中可以不断再生、永续利用的能源。可再生能源主要包括风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源。

太阳能(solarenergy)，一般是指太阳光的辐射能量，太阳能是一种可再生能源，广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、生物质能、潮汐能、水的势能等。二、太阳能利用方式的分类太阳能利用的方式可分为光-热利用、光-电利用、光-化学利用、光-生物利用四类。其中：1、光-热利用是指将太阳能转换为热能，然后加以利用，如供应热水、采暖、驱动制冷循环、强化自然通风等。2、光-电利用是指通过太阳能电池的光伏效应将太阳辐射直接转化为电能加以利用的过程。3、光-化学利用则包括植物的光合作用、太阳能光解水制氢、热解水制氢以及天然气重整等转换过程。4、光-生物利用是指通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。三、我国建筑运行能耗用能分类建筑面积（亿m2)用电量(亿kWh)燃料用量(亿tce)商品能耗(亿tce)一次能耗强度北方城镇供暖1627701.892.1213.1kgce/m2城镇住宅(不含北方城镇供暖)30560510.962.78769kgce/户公共建筑(不含北方城镇供暖)147117170.333.8626.3kgce/m2农村住宅22637541.192.321220kgce/户合计678222924.3711.1

2022年我国四类建筑运行能耗三、我国建筑运行能耗将四部分建筑能耗的规模、强度和总量表示在图所示的四个方块中，横向表示建筑面积，纵向表示单位面积建筑能耗强度，四个方块的面积即是建筑能耗的总量。四、我国建筑运行碳排放将四类建筑碳排放的规模、强度和总量表示在图所示的方块图中，横向表示建筑面积，纵向表示单位面积碳排放强度，四个方块的面积即是碳排放总量。五、太阳能建筑一体化的含义太阳能与建筑的有机结合就是太阳能与建筑一体化，也就是实现太阳能利用系统的功能和建筑功能的一体化。一体化应该包含两方面的要求：一是外观和形式上，太阳能集热、光伏发电等设备应与建筑外围护结构有机结合，不影响建筑的美观，甚至具有增加建筑美学效果，这是对一体化的“外在”要求，也是基本要求；二是内容和功能上，既要使太阳能集热、光伏发电提供的能源能够在建筑中得到有效使用和输配，同时还要满足建筑采光、保温、隔热、防水等功能，这是对一体化的“内在”要求，也是高级要求。太阳能建筑原理与应用第二章太阳辐射2.1太阳的基本特征与能量来源2.1.1太阳的物理特征太阳直径约139万公里，质量为地球的33万倍，主要由氢和氦组成。其内部核聚变反应将氢转化为氦，每秒亏损400万吨质量，释放出巨大能量。太阳能量传播太阳辐射以电磁波形式传播，到达地球大气层上界的能量约占总辐射的20亿分之一，但仍高达180×10¹²千瓦，是地球能量的重要来源。2.1.2地球公转与赤纬角图2-2地球绕太阳运行示意图2.1.2地球公转与赤纬角图2-2地球绕太阳运行示意图2.1.2地球公转与赤纬角太阳中心与地球中心的连线（即午时太阳光线）与地球赤道平面的夹角称为太阳赤纬角（或称太阳赤纬）。太阳赤纬角是一个以一年为周期变化的量，它的变化范围为±23

o

27'。北半球夏至(6月22日)即南半球冬至，太阳光线正射北回归线δ=23o27’；北半球冬至(12月22日)即南半球夏至，太阳光线正射南回归线，δ=−23

o

27'；春分及秋分太阳正射赤道，赤纬角都为零，地球南、北半球日夜相等。式中

n——一年中的日期序号

2.1.3地球的自转与太阳时地球在公转时，始终绕着地轴由西向东在自转，每转一周（360°）为一昼夜（24小时）。时间可以用角度来表示，每小时相当于地球自转15°。正午时为零，上午为负，下午为正，数值等于离正午的时间（小时）乘以15。2.太阳时时差E：真太阳时和平太阳时之差1.时角2.1太阳的基本特征与能量来源时差E也可以从此图查出2.2大气层外太阳辐射的计算2.2.1太阳常数和太阳辐射光谱太阳常数太阳辐照度（Irradiance）（W/m2），符号G，表示照射到单位面积表面上的太阳辐射能通量。太阳辐照量（Irradiation）（J/m2）——照射到单位面积表面上的太阳辐射能量。Gon是一年中第n天在垂直于光线的平面上的大气层外的辐照度（即大气层外法向辐照度）。大气层外太阳辐照度的变化计算方程：2.太阳辐射光谱（solarradiationspectrum）大气层外太阳辐射的光谱分布2.2.2太阳角（1）纬度φ：赤道以北或以南的角度位置，北半球为正，南半球为负，赤道为0。−90°≤φ≤90°（2）采光面倾角β：采光表面与水平面之间的角度。0°≤β≤180°（β>90°表示该表面向下）。（3）采光面方位角γ:采光表面法线在水平面上的投影与当地子午线的偏差，正南为零，东为负，西为正。−180°≤γ≤180°。（4）太阳入射角θ：太阳光线与采光表面法线之间的夹角θ，称为太阳光线的入射角。太阳光线可分为两个分量，一个垂直于表面，一个平行于表面，只有垂直分量的辐射能被采光面所截取。1.太阳入射角的计算2.2.2太阳角图2-7采光面的倾角、方位角和太阳入射角2.太阳高度角与方位角天顶角θz

—太阳光线和地平面法线之间的夹角。高度角αs—太阳光线和它在地平面上投影线之间的夹角。方位角γs—太阳光线在地平面上投影与地平面上正南方向线之间的夹角。2.太阳高度角与方位角2.2.2地球大气层外水平面上的太阳辐射

2.3大气层内太阳辐射的估算2.3.1大气层对太阳辐射的衰减作用太阳辐射在通过大气层到达地球表面之前，在大气层中将遇到各种成分并与之相互作用，使其一部分能量被反射回宇宙、一部分被吸收、一部分被散射。1.大气的吸收作用大气的主要吸收物质是氧气（O2）、臭氧（O3）、水汽（H2O）及二氧化碳（CO2）。氧吸收波长小于0.2μm的紫外线。波长低于0.29μm的短波几乎被臭氧全部吸收，当波长超过0.29μm后，臭氧的吸收减少，直到0.35μm，之后就没有吸收了。1.大气的吸收作用图2-9太阳在大气中的入射路径2.太阳高度角与方位角如果忽略地球表面的曲率和大气折射的影响，则根据图2-9可以直接导出大气质量m的以下近似计算式式中，θz为天顶角；αs为太阳高度角。当αs=30°时，计算得的大气质量值与观测值非常近，其误差在0.01；而当αs<30°时，由于地面曲率和折射影响增大，计算结果误差较大。当θz

=0°时，太阳在天顶，m=1；当θz

=60°时，m=2。太阳高度角αs越小，m越大，地面受到的太阳辐射越少。在太阳辐射计算中，经常取m=1.5时的太阳辐射光谱作为典型工况。2.大气散射作用大气对太阳辐射的散射过程是由于太阳辐射作为电磁波射入大气层中时，与大气中的空气分子、水汽和尘粒发生相互作用假设散射粒子的线度远小于入射光的波长，根据瑞利散射（T.B.Rayleigh，1871）定律，有：式中：I0为入射光的辐照度，W/m2；Iθ为在（r，θ）处散射光的辐照度，W/m2；λ为波长，μm；r为观测点到散射中心的距离，m；θ为散射角，即入射光线与散射光线之间的夹角，°；α为粒子极化率，m³2.大气散射作用散射与吸收不同，它不会把辐射能转变为粒子热运动的动能，而仅仅改变辐射的方向使直射光变为漫射光，甚至使太阳辐射逸出大气层而不能到达地面。散射对辐射的影响随散射粒子的线度而变，一般可分为两种。（1）分子散射，散射粒子小于辐射波长，散射强度与波长的四次方成反比。大气对长波光的散射较弱，即透明度较大，而对短波光的散射较强，即透明度较小。（2）微粒散射，散射粒子大于辐射波长，随着波长的增大，散射强度也增强，而长波与短波间散射的差别也愈小，甚至出现长波散射强于短波散射的情况。2.大气散射作用图2-10瑞利散射和大气吸收对光束辐照度光谱分布影响的示例

2.3.2标准晴天水平面上太阳辐射的计算对于直射辐射的大气透明度τb的定义为，式中，Gon大气层外垂直于光线的平面上的辐照度，可由式（2-5）计算；下标T表示某倾斜平面；直射辐射的大气透明度可由下式计算，即式中a0，a1和k是针对具有23km能见度的标准晴空大气的常数。当海拔高度小于2.5km时，可首先算出相应的a0*，a1*和k*，再通过考虑气候类型的修正系数r0=a0/a0∗，r1=a1/a1∗和rk=k0/k0∗，最后求出a0，a1和k0，a0*，a1*和k*的计算公式为：2.3.2标准晴天水平面上太阳辐射的计算式中A为海拔高度，单位是km。修正系数由表2-4给出。表2-4考虑气候类型的修正系数气候类型r0r1rk亚热带0.950.981.02中等纬度，夏天0.970.991.02高纬度，夏天0.990.991.01中等纬度，冬天1.031.011.002.3.2标准晴天水平面上太阳辐射的计算对于散射辐射，相应的大气透明度为τd=Gd/Go=0.2710−0.293τb（2-25）G0：大气层外水平面上的太阳辐射，可由式（2-15）计算。利用标准晴空大气透明度的计算模型（下标c表示晴空，clear-sky）﹐可以求出晴天时法向平面上的辐照度，Gcnb=Gonτb

（2-26）式中τb--晴天，直射辐射的大气透明度，可用式（2-20）～式（2-23）计算；Gon--大气层外，垂直于辐射方向上的太阳辐照度，W/m2，可由式（2-5）计算；Gcnb--晴天，垂直于辐射方向上的直射辐照度，W/㎡。2.3.3晴空指数与水平面直射辐射、散射辐射的分解表征天气晴朗程度的另一个指标是晴空指数，该指数在太阳辐射的估算中经常用到，经常借助该指数把总辐射中的直射辐射与散射辐射分量估算出来。月平均的晴空指数KT是水平面上月平均日辐射与大气层外月平均日辐射之比KT=H/H0（2-30）相应地能定义一天的晴空指数KT，它是某天的日辐照量与同一天大气层外日辐照量之比。KT=H/H0（2-31）2.3.3晴空指数与水平面直射辐射、散射辐射的分解一小时的晴空指数kT和kT,c，则分别为kT=I/I0（2-32）kT,c=I/Ic（2-33）晴空指数中的H，H和I是用总辐射仪在水平面上实测的辐照量；H0，H0和I0可用式（2-15）~（2-17）计算﹐Ic可用例2-6中提供的方法计算，这里把Ic也看做计算的基础数据。把水平面上的总辐射分解成直射辐射和散射辐射的两个分量，在太阳能应用中具有实际意义。比如，将水平面上的辐射数据转换到倾斜平面时，要求对直射辐射和散射辐射作分别处理。2.3.3晴空指数与水平面直射辐射、散射辐射的分解（2-34）（2-35）分解方法的实质，是在大量统计实验数据基础上建立散射辐射的百分率与晴空指数之间的相关关系式。下面介绍与四种晴空指数相对应的四种关系式。（1）kT=I/I0与Id/I的关系式2.3.3晴空指数与水平面直射辐射、散射辐射的分解（2-36）（2-37）2.3.4已知日总辐射，估算小时辐射量（2-39）（2-38）2.3.4已知日总辐射，估算小时辐射量小时散射辐射与全天散射辐射之比rd，用下式计算（2-40）2.3.5倾斜表面上的辐射量（1）.倾斜面辐射量的计算图2-11散射辐射组成示意图2.3.5倾斜表面上的辐射量（2-41）散射辐射由三部分组成。（1）天空散射辐射，来自整个天穹。（2）环日散射辐射，由太阳辐射的向前传播时的散射引起，集中在太阳光束周围。（3）地平线增亮散射辐射，集中在地平线附近，在空旷地带（沙漠、戈壁、草原等）晴天时最为明显。入射太阳辐射包括直射辐射、来自天空的散射辐射以及从倾斜表面“看到”的各个表面反射的辐射。该倾斜表面上的总入射辐射可写为：其中下标iso、cs、hz和refl分别指天空、环日、地平线和反射辐射。2.3.5倾斜表面上的辐射量（2-42）对于面积为Ac的表面（采光面），总入射辐射可以用水平表面上的直射和散射辐射以及反射到倾斜表面的表面上的总辐射来表示。方程2-41中的项变为第一项是直射部分。第二项是天空散射辐射项，包括天空面积As（未知面积）和从天空到斜面的角系数Fs−c的乘积。第三项是环日散射，它被视为来自与直射相同的方向。第四项是来自具有另一个未定义区域Ahz的地平线散射。第五项是来自倾斜表面所能“看到”的建筑物等的反射辐射流的集合。i指的是每个反射流：Ii是入射到第i个表面的太阳辐射，ρi是该表面的反射比，Fi−c是从第i个表面到倾斜表面的角系数。2.3.5倾斜表面上的辐射量（2-43）（2-44）式（2-42）可以通过交换面积和角系数写成更实用的形式。这消除了未知面积As和Ahz。由于面积Ac出现在方程的每一项中，Ac可以消去，得到如下公式当IT确定后，就可以确定倾斜表面上的总辐射与水平面上的总辐射之比。根据定义，2.水平面与倾斜面上辐照量的比例因子（2-45）图2-12水平面和倾斜面上的直射图2-12上分别表示出直射辐射在水平面和倾斜面上的入射角，水平面上的入射角为θz，倾斜面上为θ。倾斜面和水平面上接受到的直射辐照量之比，称为比例因子Rb，可用下式计算2.水平面与倾斜面上辐照量的比例因子2.4建筑表面所得太阳辐射的估算建筑围护结构外表面，包括墙面、窗户和屋顶，直接或者间接接收到太阳辐射，这些建筑表面所得太阳辐照量的计算是太阳能利用和建筑能耗分析的重要内容。在本节通过一个简单的例子，来说明建筑表面所得太阳辐射的估算方法。如图2-13所示，建筑墙面与水平面之间的倾角β为90°，屋顶为坡屋顶，倾角为60°，建筑表面和水平面到的直射辐照量之比为修正因子由式（2-45）计算得到。假设散射辐射各向同性，当建筑表面为垂直平面（竖直墙面或者窗户）时，计算太阳散射时平面对天空的角系数Rd=（1＋cosβ）/2，则可得Rd=0.5；对地面反射的角系数Rρ=（1-cosβ）/2，则可得到角系数Rd=0.52.4建筑表面所得太阳辐射的估算图2-13建筑的外表面的围护结构2.5太阳辐射的测量太阳辐射测量的基本原理是，将入射到测量仪器特制受光面上的太阳辐射能全部吸收，使之转换为其他某种形式的能量并进行检测。鉴于太阳辐射有总辐射、直射辐射和散射辐射之分，所以测量太阳辐射的仪器也各不相同，有总日射表、直接日射表等几类.1.直接日射表直接日射表是用于测量太阳直射辐射的仪器。带有准直管准直管的作用有两个：一是为瞄准太阳，二是为限定视角。直射表测得的太阳辐射包括了日面周围的散射辐射，即环日散射辐射，而日面本身的视场角仅为0.5o。2.5太阳辐射的测量直接日射表可分为绝对和相对两类。绝对直接日射表无需参考源或辐射器，就能将太阳直射辐照度确定出来；绝对直接日射表均使用腔体作为辐射接收器。相对直接日射表，需要通过与绝对仪器相对照，才能求出具体的灵敏度（换算系数）。相对直接日射表均使用热电堆作为感应元件。2.5太阳辐射的测量（a）直接日射表2.总日射表总日射表是用于测量太阳总辐射的仪器，它是用途最广泛的太阳辐射测量仪器。将总日射表水平放置，可测量水平面上的太阳总辐照度；将总日射表倾斜放置，可测量倾斜面上的太阳总辐照度；将总日射表翻转过来放置，可测量地面反射辐照度；将总日射表用遮阳环遮去太阳直射辐射，可测量太阳散射辐照度，如图2-14（c）所示。总日射表按其感应面的种类，可分为全黑型和黑白型两类。通常，全黑型总日射表的性能要优于黑白型总日射表。2.总日射表（c）散射辐射表图2-14常用的太阳辐射测量仪2.6太阳能资源分布2.6.1世界各地太阳能资源分布根据国际太阳能热利用区域分类，全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非、中东地区、美国西南部和墨西哥、南欧、澳大利亚、南非、南美洲东、西海岸和中国西部地区等。北非地区是世界太阳能辐照最强烈的地区之一。中东几乎所有地区的太阳能辐射能量都非常高。南欧的平均太阳年辐照总量超过7

200

MJ/m2。美国也是世界太阳能资源最丰富的地区之一。澳大利亚的太阳能资源也很丰富。全国一类地区太阳年辐射总量为7621~8672MJ/m22.6.2中国太阳能资源分布图2-15世界太阳能分布图等级太阳能条件水平面上年太阳辐照量/[MJ/（m2·a）]年日照时数/h地区Ⅰ资源丰富区（资源极富区）6700-83703200~3300宁夏北、甘肃西、新疆东南、青海西、西藏西Ⅱ资源较富区（资源丰富区）5400~67003000~3200冀西北、京、津、晋北、内蒙古及宁夏南、甘肃中东、青海东、西藏南、新疆南Ⅲ资源一般区（资源较富区）5090~54002200~3000鲁、豫、冀东南、晋南、新疆北、吉林、辽宁、云南、陕北、甘肃东南、粤南4200~50001400~2200湘、桂、赣、江、浙、沪、皖、鄂、闽北、粤北、陕南、黑龙江Ⅳ资源欠缺区（资源一般区）＜42001000~1400川、黔、渝表2-7中国太阳能资源区划带太阳能建筑一体化原理与应用第3章太阳能的吸收与透射上海理工大学环境与建筑学院3.1物体的辐射特性1、发射率的定义

实际物体表面与在同温度下黑体表面发射的辐射能之比称为发射率(Emittance)(也称发射比或者黑度，即接近黑体的程度)。根据辐射能与方向和波长有关，可引伸出四种不同含义的发射率。单色定向发射率：

（3-1）3.1.1实际物体的发射率3.1.1实际物体的发射率

单色半球发射率(MonochromaticHemisphericalEmittance)---波长一定，在整个半球面上的辐射强度与同温度下黑体半球方向的辐射强度之比。

半球发射率(可简称发射率)(HemisphericalEmittance)—在整个半球面上，全波长范围内的总辐射强度与同温度下黑体总辐射强度之比。（3-2）3.1.1实际物体的发射率2、灰体与漫发射表面

假定某物体表面的光谱发射率不随波长发生变化，则这种物体称为灰体。

工程实践中，如果参与辐射传热的温度低于2000K，此时实际物体在红外波段内范围内的可近似视为灰体。

如果物体发射的定向辐射强度与方向无关，则成为漫发射表面。

如果某表面的辐射特性，除了与方向无关，还与波长无关，则称为“漫灰表面”。3.1.2物体的吸收比1、

吸收比的定义

材料表面的吸收比(SurfaceAbsorption)是入射的辐射能被表面所吸收的比率，基于入射辐射能的特点，可定义四种吸收比。

（3-3）

3.1.2物体的吸收比1、

吸收比的定义

半球吸收比(HemisphericalAbsorption)(简称吸收比)----整个半球面上、全波长范围内入射的辐射能被表面吸收的比率。在全波长范围内积分可得：（3-4）3.1.2物体的吸收比2、发射率与吸收比的关系根据基尔霍夫定律，物体表面的单色定向发射率等于同一温度下的单色定向吸收比，即：表3.1基尔霍夫定律的三个层次层次数学表达式成立条件光谱、定向无条件光谱、半球漫射表面全波段、半球与黑体辐射处于热平衡或漫灰表面3.1.2物体的吸收比3、吸热材料的吸收比与入射角度的关系

在多数情况下，太阳能集热器使用的吸热表面的太阳能吸收比与入射角度的角度是有关的，但其函数关系通常是缺失的。普通黑色表面(如用于太阳能集热器)的太阳能吸收比是入射角的函数。

3.1.2物体的吸收比4、常用材料的太阳能吸收比和发射率材料人的皮肤（某种白种人）0.620.970.64白漆（涂在金属底板上）0.210.960.22黑漆（涂在金属底板上）0.970.971灰漆0.750.950.79白纸0.25~0.280.950.26~0.29冰（在薄雪覆上）0.310.96~0.970.32雪（新）0.130.820.16雪，冰球0.330.890.37白细砂0.450.840.54白石膏0.070.910.08石灰砂浆（白色，粗糙）-0.87-0.82-3.1.2物体的吸收比4、常用材料的太阳能吸收比和发射率材料红砖0.550.920.60石棉水泥板0.590.960.61磨光大理石0.50~0.600.900.61平板玻璃-0.88-0.94-木材-0.80-0.90-粗混凝土0.600.970.62混凝土0.600.880.68沥青道路0.93--沙漠表面0.750.900.83干犁翻地0.75-0.800.900.83-0.89一般菜园0.700.900.783.1.3物体表面反射比1、

反射比的定义

一般来说，给定表面在特定方向上的反射强度大小是入射辐射的波长和空间分布的函数。反射比的定义如下：（3-6）图3-2反射函数的坐标系

当光束从µi，ϕi方向入射到表面上，能量通量为Iλ,i，µi，Δωi，分子是µr，ϕr方向上反射强度，如图3-2。3.1.3物体表面反射比2、常见的几种反射表面

物体的反射表面可以有三种不同的类型：镜面反射表面、漫反射表面、混合型反射表面，如图3-3所示。图3-3物体表面的反射示意图3.1.3物体表面反射比2、常见的几种反射表面反射辐射存在两种特殊分布：

一种是镜面反射，即入射角与反射角相等，入射光束与反射光束沿着反射平面的法向对称；

另一种是漫反射，反射辐射均匀地分布在所有方向上。

实际物体表面的反射既不是镜面反射，也不是漫反射。3.1.3物体表面反射比3、物体的吸收比、反射比、发射率之间的关系

对于不透明表面，对于特定波长和方向的入射能量来说，根据基尔霍夫定律和能量守恒定律，可以得出：(3-7)

因此，已知单色定向反射比就可以计算得出单色定向发射率和单色定向吸收比。3.1.3物体表面反射比3、物体的吸收比、反射比、发射率之间的关系

对于一个不透明的表面，对于半球方向的辐射能量，单色或是全波段，根据能量平衡定律，入射辐射，要么被吸收，要么被反射，即(3-8)(3-9)和上海理工大学环境与建筑学院3.2

透明材料的透射3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比图3-4自然光示意图

光是一种电磁波。电磁波是一种横波，所以光波中光矢量的振动方向总是和光的传播方向垂直。

偏振光是指在垂直于光传播方向的平面内，各方向光振动的振幅不相等，甚至在一些方向上为0。

自然光，也就是非偏振光，如图3-4所示。3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比图3-5与光传播方向的光矢量

自然光一般用两个互相垂直的光振动来表示，如图3-5所示。(a)光实际在各个方向的分量

(b)

用两个互相垂直的光分量来表示

当入射角达到某一特定值（布儒斯特角），反射光有可能成为完全偏振光。因而，必须对太阳辐射的反射和折射作偏振处理3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

（3-10）（3-11）（3-12）3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

图3-6角度和折射率关系（3-13）

3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

太阳能利用和建筑中，应用最广泛的透明材料为玻璃。每层玻璃有两个界面，从而导致反射损失，造成透射比的降低。在非垂直入射时，界面上反射的辐射对于每个偏振分量都是不同的图3.7一层玻璃的透射比3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比（3-16）3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

（3-17）

角标r表示，这是只考虑反射损失而没有考虑吸收损失的透射比。3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比若透明盖层由相同性质的N层玻璃组成，类似分析可以得到：（3-18）3.2.1直射辐射透射比计算1、只考虑反射时的透射比

在平均折射率为1.526在太阳光谱中，对于非吸收性玻璃，用上面的方法计算所有入射角的太阳透过率，可以绘制出一条变化曲线。图3-8给出了一到四层玻璃的结果。

3.2.1直射辐射透射比计算2、只考虑吸收时的透射比

太阳辐射通过透明材料时，除了有反射损失外，还存在吸收损失，即材料吸收部分辐射而使透过的能量降低，简称由于吸收引起的透射比。

根据Bouguer定律，被吸收的辐射量与介质中当地辐射量I和辐射经过介质的距离成正比：

K称为透明材料的消光系数（ExtinctionCoefficient），在太阳光谱内假设为常数。3.2.1直射辐射透射比计算2、只考虑吸收时的透射比

（3-19）

采用相同性质的多层玻璃时，不用考虑中间空气层的吸收，只要把各层玻璃的厚度总加起来代入上式即可。3.2.1直射辐射透射比计算3、同时考虑反射、吸收时透射比计算

（3-20）（3-21）（3-22）3.2.1直射辐射透射比计算3、同时考虑反射、吸收时透射比计算3.2.1直射辐射透射比计算3、同时考虑反射、吸收时透射比计算

（3-23）

3.2.1直射辐射透射比计算3、同时考虑反射、吸收时透射比计算

图3-9是1-4层玻璃，考虑了吸收和反射共同作用引起的透射比。采用一种玻璃KL为0.0370，图上横坐标为入射角。曲线由式（3-23）计算得到，但都经过实际验证。图3-9三种玻璃1，2，3和4层的透射比（考虑吸收和反射）3.2.2散射辐射透射比计算1、散射辐射的透射比图3-10各向同性天空散射辐射和地面反射散射辐射的等效入射角

阴影区包括各种各样的玻璃窗。上沿的曲线是没有内部吸收的单层玻璃，而下面的曲线代表消光长度KL=0.0524的双层玻璃。

地面反射的散射辐射等效角，如图3-10中所示的虚线，由下式给出对于天空散射辐射的等效角上海理工大学环境与建筑学院3.3太阳能建筑中典型装置吸收的太阳能3.3.1平板集热器吸收的太阳能

平板集热器是太阳能低温热利用的基本部件，平板集热器已广泛应用于生活用水加热、建筑物采暖等诸多领域。

平板集热器主要由吸热板、透明盖板、隔热材料和外壳等几部分组成，如图3-11所示。图3-11平板集热器结构图3.3.1平板集热器吸收的太阳能1、透射比与吸收比的乘积图3-12太阳辐射经玻璃盖板到吸热面的吸收情况

3.3.1平板集热器吸收的太阳能1、透射比与吸收比的乘积（3-28）

3.3.1平板集热器吸收的太阳能1、透射比与吸收比的乘积

层数KL=0.0125KL=0.0370KL=0.052410.150.150.1520.230.220.2130.280.250.2440.310.270.25

3.3.1平板集热器吸收的太阳能1、透射比与吸收比的乘积（3-29）

3.3.1平板集热器吸收的太阳能2、透射比-吸收比乘积与入射角度的相关性

3.3.1平板集热器吸收的太阳能3、平板集热器吸收的太阳能

根据上面分析，吸热面实际接受到的太阳辐射能S就可以通过下式计算，（3-30）3.3.1平板集热器吸收的太阳能

（3-31）3.3.1平板集热器吸收的太阳能

玻璃层数10.270.210.1320.150.620.120.530.090.4030.140.450.750.080.400.670.060.310.53表3-3公式（3-31）中的常数3.3.2房间对窗口入射太阳辐射的吸收1、空腔接收器的有效吸收比

一些太阳能应用中太阳辐射被吸收在空腔里而不是在平面上，建筑房间其实就相当于一个空腔。采光面上没有盖板时，空腔的有效吸收比，也就是被空腔吸收的入射辐射的比例，是空腔内表面吸收比、空腔采光口与空腔内表面面积之比的函数。近似为：（3-32）

3.3.2房间对窗口入射太阳辐射的吸收2、房间对太阳辐射的吸收

通过窗户进入的太阳辐射对房间热环境有很大的影响。房间吸收的太阳辐射份额与采光面玻璃层的透射比需要考虑玻璃透射的影响。同时，由于相比于开口的空腔，采光口上的玻璃透射比小于1.0，因此通过采光口透射出去的辐射会少一些，房间的有效吸收比计算也要做相应修改。方程（3-32）修改为（3-33）

3.3.2房间对窗口入射太阳辐射的吸收2、房间对太阳辐射的吸收

可见，考虑到房间内表面的吸收和反射以后，对于这种极限窗墙比的情形，最后的吸收比仍然为窗户透射比的89%；考虑到窗框等不透明部件的影响，即使整面外墙都是窗户，透明部分所占比例一般最大也就70%，这时计算所得房间的吸收比为窗户透射比的92%。因此，在近似计算时，房间的吸收比可直接取窗户透射比的92%-95%。上海理工大学环境与建筑学院3.4光谱选择性吸收涂层3.4.1光谱选择性涂层的原理

图3-14描述光谱选择性的概念示意图图3-15理想选择性表面3.4.2光谱选择性吸收表面的制作

光谱选择性吸收涂层有多种制备方法，如：喷涂方法、化学方法、电化学方法、真空蒸发沉积法等。1.电化学沉积法

电化学沉积法即常规电镀法。将被加工部件置于含有所沉积元素的离子溶液中，溶液极板为正极，所镀金属部件为负极。薄膜的生成速度决定于电镀溶液的组成、溶液温度和电流密度，最后由控制电镀时间控制薄膜生成厚度，由控制部件表面电场分布的均匀性控制薄膜生成厚度的均匀度。电镀法一般只能制作中等吸收-发射比的涂层。

电镀法的优点是：电镀材料可以有多种选择，工艺成熟，生产效率高，成本低廉，可做大工件电镀层，可进行连续生产

缺点是：无法在介电质材料上沉积涂层，个别工艺需用剧毒药品。3.4.2光谱选择性吸收表面的制作

电镀黑镍，具有良好的光谱选择性能，近年来发展很快，已在太阳能热水器上得到大量使用。其吸收比为0.88~0.94，发射率为0.05~0.07，其耐热温度为200-280℃，在310℃的空气中，其性能变得不稳定。所以，电镀黑镍一般只用于中低温太阳能热水器。某电镀黑镍光谱反射比曲线如图3-16所示。图3-16镀镍钢基底表面上双层黑镍的光谱反射比曲线3.4.2光谱选择性吸收表面的制作2.化学转换着色法

化学转换着色法是采用化学方法，在待加工部件表面生成很薄的光谱选择性涂层。它们通常是金属氧化物和硫化物，可以采用浸渍处理或喷涂处理制备。化学转换着色法只能制作中下等级的吸收-发射比涂层。

化学转换着色法的优点是：工艺设备简单，操作方便，生产效率高，成本低廉，可做大工件处理，可进行连续生产；

缺点是：涂层厚度有时不够均匀，个别工艺需用剧毒药品。3.4.2光谱选择性吸收表面的制作

黑铜是目前在太阳能热水器中使用最多的一种光谱选择性吸收表面，可以采用很多工艺方法进行制作，最常用的是化学转换着色法。

黑锌也是常用的选择性涂层，制作黑锌涂层的基本工艺流程是，首先在基底材料表面电镀锌，然后再用化学转换着色法或阳极氧化处理，得到具有光谱选择性吸收的黑锌涂层。图3-17在钢基底材料的镀锌表面上，用阳极氧化处理的黑锌涂层的光谱选择性能3.4.2光谱选择性吸收表面的制作3.涂刷法

涂刷法借助于喷涂设备，将制成的选择性涂料均匀涂布在太阳辐射接收表面。

涂刷法的优点是：工艺极为简单，可大面积涂布，易于推广，成本低廉；

缺点是：涂层与基底材料结合性差，涂刷难以做到十分均匀。

目前，市场上有一种太阳能涂料，其太阳辐射吸收比为0.92，红外发射率为0.28，制作成平板集热器吸收涂层，测试结果表明性能良好，可在150℃以下长期使用。3.4.2光谱选择性吸收表面的制作4.真空蒸发沉积方法

真空蒸发沉积法是利用物质在真空室中加热蒸发的原理，将选定的物质沉积到需要制作涂层的表面。物质的蒸发速度决定于加热温度和真空室的真空度。

真空蒸发沉积法的优点是：除去易分解物质，能将各种材料蒸发制成涂层，能制备高反射比或高吸收-发射比的涂层，并能准确地掌握工艺参数和涂层厚度；

缺点是：工件尺寸受真空室大小的限制，只能间歇操作，制作成本高。3.4.2光谱选择性吸收表面的制作5.高频磁控溅射法

高频磁控溅射法就是在真空条件下，阴极和阳极之间加上正交磁场，从阴极发射的电子受到磁场的作用，增大行程，撞击工作气体氯气，使其电离。电离后的氯气正离子在强电场作用下轰击靶材，从而溅射出大量的金属原子，沉积在置于靶材附近的底材表面，形成选择性吸收涂层。目前市售的专用磁控溅射镀膜机，已可方便地用于大规模工业生产，工艺成熟，成本低廉。上海理工大学环境与建筑学院3.5光谱选择性吸收涂层3.5.1波长对玻璃透射比的影响

以上几节是按材料的透射与波长不相关来计算的，实际上大多数透明材料对光线的透射能力与入射辐射的波长有关，如图3-18所示给出了玻璃透射比的光谱分布。图3-18正常入射时，含不同氧化铁含量的6mm玻璃的光谱透过率3.5.2太阳能集热装置的选择性透过涂层

为了透明盖层的太阳能透射比尽可能高，以便让更多的太阳能透射进来；同时希望吸热体发出的热辐射尽可能多的被透明盖板反射回来，以便减少向环境散热。为此光谱选择性透过涂层应运而生。1、太阳能集热装置的选择性透过涂层的工作原理

图3-19光谱选择性透过涂层的概念示意图2、光谱选择性透过涂层的制作1）二氧化锡（SnO2）：其是N型宽带隙半导体

二氧化锡涂层的光学性能与其电导率具有密切关系，通常电导率越高，则其长波段反射比越大，但是在太阳辐射波段透过率有所下降，如图3-20所示。二氧化锡可用喷涂、化学气相沉积（CVD）以及反应性溅射等工艺制备。图3-20二氧化锡透过涂层的光谱选择性能3.5.2太阳能集热装置的选择性透过涂层2、光谱选择性透过涂层的制作2）三氧化二铟(In2O3)：其是简并本征N型半导体，三氧化二铟可用热解喷涂方法制备，也可用直流溅射工艺制备，但对大面积膜来说CVD工艺更为适用。由喷涂热解制备的掺锡二氧化铟涂层，是很好的透明导体，其太阳辐射波段的透射比为0.85~0.90，而其红外波段的反射比为0.90~0.93。3.5.2太阳能集热装置的选择性透过涂层2、光谱选择性透过涂层的制作3)锡酸镉(Cd2SnO4)：其为N型缺陷半导体，具有良好的透光性能，其表面涂层可以通过热解喷涂法和溅射沉积法制备。采用射频溅射沉积法制备的Cd2SnO4薄膜，太阳辐射透射比为0.78，红外发射率为0.1。3.5.2太阳能集热装置的选择性透过涂层3.5.3建筑门窗玻璃幕墙用的镀膜玻璃

为了采光、美观等方面要求，建筑中大量使用玻璃门窗和幕墙。与太阳能集热装置主要保证集热装置运行期间的高效率不同，建筑玻璃门窗和幕墙需要承担更多的功能，常用的门窗玻璃幕墙光学热工性能指标有如下几个：1）可见光透射比，采光是建筑的基本功能，采光性能用可见光透射比来表示。2）太阳光总透射比，通过玻璃、门窗或玻璃幕墙成为室内得热量的太阳辐射部分与投射到玻璃、门窗或玻璃幕墙构件上的太阳辐射照度的比值。3）遮阳系数，其含义为在给定条件下，玻璃、门窗或玻璃幕墙的太阳光总透射比。4）传热系数，两侧环境温度差为1K时，在单位时间内通过单位面积门窗或玻璃幕墙的热量。3.5.3建筑门窗玻璃幕墙用的镀膜玻璃

为了实现这些功能，人们研发了多种新型节能玻璃，以满足采光、隔热保温、遮阳和美观等要求。1.低辐射镀膜玻璃

低辐射玻璃(Low-E玻璃)是在玻璃表面涂以银等金属薄膜或SnO2等金属氧化物、铟锡合金等导电膜，这种极薄厚度的低辐射膜层对波长2.5~40μm范围的远红外线有较高的反射能力。

图3-21为某在线低辐射镀膜玻璃的光谱特性曲线。与普通玻璃相比，它大幅度提高了在远红外波段的反射率，可以将80%以上的红外热辐射反射回去图3-21低辐射玻璃对不同波长光的透射比和反射比曲线3.5.3建筑门窗玻璃幕墙用的镀膜玻璃1.低辐射镀膜玻璃

低辐射膜分为两种：高透型和遮阳型。

高透型Low-E玻璃在可见光谱波段具有高透过率、低反射率、低吸收率的性能，增强采光效果；在红外波段具有高反射率、低吸收性。高透型低辐射玻璃适合在北方寒冷地区使用，冬季太阳能可通过这种玻璃进入室内，减小室内供暖负荷。

遮阳型Low-E玻璃可整体降低太阳辐射热量进入室内的比例，选择性透过可见光，并同样具有对远红外波段的高反射特性。遮阳型低辐射玻璃适合在我国南方炎热地区使用，在夏季可以遮挡大量的红外辐射进入室内，降低空调负荷。3.5.3建筑门窗玻璃幕墙用的镀膜玻璃1.低辐射镀膜玻璃低辐射玻璃的制作方法1）在线高温热解沉积法(在线Low-E玻璃)

在线高温热解沉积法是一种在线镀制工艺，在600~650℃高温状态下，直接将不同金属氧化物所组成的“硬膜”镀到玻璃上，镀膜后的玻璃再在软化点温度状态下进行热处理。2）离线磁控溅射法(离线Low-E玻璃)

离线磁控射法是利用气体放电将靶材逐层溅射沉积到玻璃表面形成膜层，其膜层一般由三层构成：第一层及第三层均为金属氧化物膜，作为保护层，中间层需采用纯银的薄膜层，作为功能层。可增加颜色的纯度及光透射度。3.5.3建筑门窗玻璃幕墙用的镀膜玻璃2.阳光控制镀膜玻璃（热反射玻璃）

通常所称热反射玻璃就是阳光控制镀膜玻璃，热反射玻璃是镀膜玻璃的一种。

太阳光谱中的红外部分含有较多的热能，使用热反射玻璃的主要优势在于其反射太阳红外光的功能，由于红外光进入室内量的减少，可以大幅度地减低夏季室内空调负荷。

热反射玻璃宜用于热带、亚热带或温带，因为它同样也降低了冬季进入室内的太阳红外热能，反而会加大采暖的负荷，所以在寒带使用应慎重。3.5.3建筑门窗玻璃幕墙用的镀膜玻璃3.典型建筑玻璃的光学热工参数玻璃品种遮阳系数SC透明玻璃3mm透明玻璃0.830.871.005.86mm透明玻璃0.770.820.935.712mm透明玻璃0.650.740.845.5热反射玻璃6mm高透光热反射玻璃0.560.560.645.76mm中等透光热反射玻璃0.400.430.495.46mm低透光热反射玻璃0.150.260.304.6单片Low-E玻璃6mm高透光Low-E玻璃0.610.510.583.66mm中等透光型Low-E玻璃0.550.440.513.5中空玻璃6透明+12空气+6透明0.710.750.862.86中等透光热反射+12空气+6透明0.280.290.342.46低透光热反射+12空气+6透明0.160.160.182.36高透光Low-E+12空气+6透明0.720.470.621.96中透光Low-E+12空气+6透明0.620.370.501.86低透光Low-E+12空气+6透明0.350.200.301.86高透光Low-E+12氩气+6透明0.720.470.621.56中透光Low-E+12氩气+6透明0.620.370.501.4上海理工大学环境与建筑学院3.6减反射涂层3.6减反射涂层

在太阳能利用中，透明盖板（玻璃）的透射性能是很重要的，透射性能越好，才会有更多的太阳能透过透明盖板。减反射涂层的作用就是减少玻璃对太阳辐射的反射，从而提高玻璃对太阳辐射的透过能力。所以减反射涂层也称为“增透膜”。

减反射涂层是根据薄膜干涉原理蒸镀在太阳辐射接受表面上，从而能够有效地降低其光反射率。在其上、下两表面之间多次反射和透射的光，将发生多次光束干涉，可以在很宽的波长范围内降低表面的反射率。3.6减反射涂层图3-22侵蚀后和未经过侵蚀玻璃的光谱反射比曲线

一种减反射涂层的制备方法是，将经过预处理的玻璃浸入特定的溶液中，使溶液对玻璃表面进行侵蚀，在玻璃表面形成减反射膜。由图3-22可见，侵蚀后玻璃的反射比在整个太阳辐射光谱范围内都有明显的下降。太阳能建筑一体化原理与应用第四章太阳能光伏发电4.1半导体与P-N结基本知识4.1.1半导体导体是具有大量能够自由移动的带电粒子，容易传导电流的物体。一般金属都是导体。例如，铜的电阻率在10-6Ω⋅cm左右。绝缘体是极不容易传导电流的物体，如陶瓷、云母、油脂、橡胶等，例如，石英的电阻率在1016Ω⋅cm左右。半导体的导电性能介于导体和绝缘体两者之间，其电阻率在10-5~107Ω⋅cm之间，而且半导体还可以通过加入少量杂质使其电导率在上述范围内变化。足够纯净的半导体，其电阻率会随温度的上升而急剧下降。晶体结构模型半导体的许多电学特性可以用一种简单的晶体结构模型来解释：硅的原子序数是14，所以原子1核外面有14个电子；其中内层的10个电子被原子核紧密地束缚住；而外层的4个电子受到原子核的束缚比较小，如果得到足够的能量，就能使其脱离原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来位置留出一个空穴。电子带负电；空穴带正电。硅原子核外层的这4个电子又称为价电子。硅原子示意图如图所示。4.1.2能级与能带孤立原子中的电子占据非常固定的一组分离的能级但晶体中的情况就不同，当孤立原子相互靠近，在规则整齐排列的晶体中，由于各原子的核外电子相互作用，本来在孤立原子状态是分离的能级就要扩展，相互叠加，变成如图4-3所示的带状，这就是能带。价带未填满电子的最外壳层中的电子数，决定这一元素的化学性质，这些电子称为价电子。价电子所处的基态能级叫作价级。价电子共有化运动形成一个能带，使其处于价级分裂后的这些能级上，价电子这样的能带，叫做价带。价带的宽度约为几个电子伏特(eV)。如果价带中所有的能级都按泡里不相容原理填满了电子，则成为满带。禁带宽度价电子经激发后，可以跃迁到价级以上的空能级中去，这些空能级称作激发能级。激发能级也同样分裂成为能带。一般地讲，激发能带中没有电子，常称做空带。但是价电子有可能经激发后，跃迁到空带中而参与导电，所以空带也称之导带或自由带。在两个相邻的能带之间(一般指价带与导带之间)，可能有一个不被允许的能量间隔(此间不存在能级)，这个间隔称为禁带，其能量值之差称为禁带宽度、带隙或者能隙。禁带宽度是非常重要的一个参数，对半导体的电性能有重要影响。导电现象的微观解释半导体的禁带宽度一般比较窄,Eg约为0.1~2eV。绝缘体的能带结构与半导体的能带结构相似，不过绝缘体的禁带宽度较半导体禁带宽度宽的多，一般Eg约为3~10eV。在金属导体中，可能有两种情况：一种是导带的下面部分能级与价带的上面部分能级相互叠合，因而没有禁带；另一种是在单价金属中，价带中只有一部分能级占有电子，因此即使价带与导带并不叠合,也能导电。半导体的导电在半导体中，一旦从外部获得能量，共价键被破坏后，电子将从价带跃迁到导带，同时在价带中留出电子的一个空位。这种空位可由价带中相邻键上的电子来占据，而这个电子移动所留下的新的空位又可以由其他电子来填补，也可看成空位在依次移动，等效于在价带中带正电荷的粒子朝着与电子运动相反的方向移动，称为空穴。在半导体中，空穴和导带中的自由电子一样成为导电的带电粒子（载流子）。电子和空穴在外电场作用下，朝相反的方向运动。由于所带电荷符号相反，故电流方向相同，对电导率起叠加作用。4.1.3本征半导体与掺杂半导体晶格完整且不含有杂质的半导体称为本征半导体。非常纯的硅是本征半导体。本征导电：具有电子在导带中和空穴在满带中相互并存的导电机构，称为本征导电；如硅、锗、碲等都可以是这一类半导体。掺杂半导体：根据需要可以在纯净半导体晶体点阵里，用扩散等方法渗入微量的其他元素。所掺入的元素，对半导体基体而言，称作杂质。有杂质的半导体，称为掺杂半导体。4.1.4N型和P型半导体N型半导体：一个掺入5价杂质的4价半导体，就成了电子导电类型的半导体，也称为N型半导体。例如：如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷，由于磷的原子数目比硅原子少得多，因此整个结构基本不变，只是某些位置上的硅原子被磷原子取代。由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子与相邻的4个硅原子结成共价键后，还多余1个价电子，这个价电子没有被束缚在共价键中，所以它受到的束缚力要小得多，很容易挣脱磷原子核的吸引而变成自由电子，从而使得硅晶体中的电子载流子数目大大增加4.1.4N型和P型半导体P型半导体：掺入3价杂质的4价半导体，也称为P型半导体。例如：如果在纯净的硅晶体中掺入能够俘获电子的3价杂质，如硼，这些3价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而在一个共价键上要出现一个空穴，这个空穴可以接受外来电子的填补。而附近硅原子的共价电子在热激发下，很容易转移到这个位置上来，于是在那个硅原子的共价键上就出现了一个空穴，硼原子接受一个价电子后也形成带负电的硼离子。这样，每一个硼原子都能接受一个价电子，同时在附近产生一个空穴，从而使得硅晶体中的空穴载流子数目大大增加。4.1.5P-N结P-N结：如果将P型和N型半导体两者紧密结合，连成一体，导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为P-N结。多数载流子的扩散运动如果将P型和N型半导体两者紧密结合，连成一体，导电类型相反的两块半导体之间的过渡区域，称为P-N结。在P-N结两边，P区内，空穴很多，电子很少；而在N区内，则电子很多，空穴很少。因此，在P型和N型半导体交界面的两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。P-N结的内建电场如图所示。在P-N结内，由于两边分别积聚了正电荷和负电荷，会产生一个由N区指向P区的反向电场，称为内建电场（或势垒电场）。P-N结2.少数载流子的漂移运动由于内建电场的存在，就有一个对电荷的作用力，电场会推动正电荷顺着电场的方向运动，而阻止其逆着电场的方向运动。同时，电场会吸引负电荷逆着电场的方向运动，而阻止其顺着电场方向的运动。因此，当P区中的空穴企图继续向N区扩散而通过空间电荷区时，由于运动方向与内建电场相反，因而受到内建电场的阻力，甚至被拉回P区中：同样N区中的电子企图继续向P区扩散而通过空间电荷区时，也会受到内建电场的阻力，甚至被拉回N区中。漂移运动总之，内建电场的存在阻碍了多数载流子的扩散运动。但是对于P区中的电子和N区中的空穴，却可以在内建电场的推动下向P-N结的另一边运动，这种少数载流子在内建电场作用下的运动称为漂移运动，其运动方向与扩散运动方向相反。4.2光伏电池的原理和特性4.2.1光生伏特效应内光电效应（原子把电子打出金属的现象是外光电效应）：当半导体的表面受到太阳光照射时，如果其中有些光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，就能使电子挣脱原子核的束缚，在半导体中产生大量的电子-空穴对。半导体材料就是依靠内光电效应把光能转化为电能的，因此实现内光电效应的条件是所吸收的光子能量要大于半导体材料的禁带宽度，即4.2光伏电池得原理和特性

4.2光伏电池的原理和特性对于光伏电池而言，禁带宽度有着举足轻重的影响，禁带宽度越大，可供利用的太阳能就越少，每种光伏电池对所吸收光的波长都有一定的限制。根据半导体材料的禁带宽度，可算出相应的本征吸收波长限。一些常用的光伏材料物理参数如表。材料晶体结构晶格常数nm热胀系数10-4/℃禁带宽度eV能带D0.59312.331.11间接1.1178D0.56585.750.66间接1.88ZB0.47701.45直接0.8557ZB0.56545.81.43直接0.86774.2光伏电池的原理和特性通过下图可以更直观地看出常用半导体材料可吸收的波长范围。4.2光伏电池的原理和特性光生伏特效应1.照到光伏电池上的太阳光，一部分被光伏电池表面反射掉，另一部分被光伏电池吸收，还有少量透过光伏电池。2.在被光伏电池吸收的光子中，那些能量大于半导体禁带宽度的光子，可以使半导体中原子的价电子受到激发，在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。这样形成的电子-空穴对由于热运动向各个方向迁移。3.光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进N区，光生空穴被推进P区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。光生伏特效应4.在N区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向P-N结边界扩散，一旦到达P-N结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下做漂移运动，越过空间电荷区进入P区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。5.P区中的光生电子也会向P-N结边界扩散，并在到达P-N结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下做漂移运动，进入N区，而光生空穴（多数载流子）则被留在P区。6.因此在P-N结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使P型层带正电，N型层带负电，因此产生了光生电动势，这就是“光生伏特效应”（简称光伏效应）。如图所示。4.2光伏电池的原理和特性4.2.2晶体硅光伏电池的结构晶体硅太阳能电池本质上就是一个大面积的二极管，由pn结、钝化膜、金属电极组成。在n型衬底上掺杂硼源，p型衬底上掺杂磷源，分别形成p+或n+型发射极，并与硅衬底形成pn结，该pn结形成内建电场，将光照下产生的光生载流子(电子-空穴对)进行分离，分别被正面和背面的金属电极收集。4.2光伏电池的原理和特性4.2.2晶体硅光伏电池的结构下图是常规晶体硅大阳能电池的结构示意图，从上到下依次为正面栅线电极、正面减反膜SiNx、pn结、硅衬底、背表面场(backsurfacefield，BSF)以及背面金属电极。4.2光伏电池的原理和特性4.2.3光伏电池等效电路如果在受到光照的光伏电池正、负极两端接上一个负载电阻R，光伏电池就处在工作状态，其等效电路如图所示。它相当于一个电流为Iph的恒流源与一只正向二极管并联，流过二极管的正向电流在光伏电池中称为暗电流ID。从负载R两端可以测得产生暗电流的正向电压V，流过负载的电流为I，这是理想光伏电池的等效电路。4.2光伏电池的原理和特性实际使用的光伏电池由于本身还存在电阻，其等效电路如图所示。Rsh称为旁路电阻，主要由以下几种因素形成：1.表面沾污而产生的沿着电池边缘的表面漏电流；2.沿着位错和晶粒间界的不规则扩散或者在电极金属化处理之后，沿着微观裂缝、晶粒间界和晶体缺陷等形成的细小桥路而产生的漏电流。4.2光伏电池的原理和特性Rs称为串联电阻，由扩散顶区的表面电阻、电池的体电阻和正、背电极与光伏电池之间的欧姆电阻及金属导体的电阻所构成。4.2光伏电池的原理和特性4.2.4光伏电池的主要技术参数1.伏安特性曲线当负载R从0变到无穷大时，负载R两端的电压V和流过的电流I之间的关系曲线即为光伏电池的负载特性曲线，通常称为光伏电池的伏-安特性曲线，以前也按习惯称为I-V特性曲线。4.2光伏电池的原理和特性2.最大功率点调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，对应的工作电流Im和工作电压Vm的乘积为最大，即Pm=ImVm=Pmax，则称M点为该光伏电池的最佳工作点（或最大功率点）Im为最佳工作电流，Vm为最佳负载电压，Rm为最佳负载电阻，Pm为最大输出功率。4.2光伏电池的原理和特性3.开路电压在一定的温度和辐照度条件下，光伏电池在空载（开路）情况下的端电压，也就是伏安特性曲线与横坐标相交的一点所对应的电压，通常用Voc来表示。对于一般的光伏电池可近似认为接近于理想的光伏电池，即认为光伏电池的串联电阻等于零，旁路电阻为无穷大。当开路时，I=0，电压V即为开路电压-Voc，由式可知：4.2光伏电池的原理和特性4.短路电压在一定的温度和辐照度条件下，光伏电池在端电压为零时的输出电流，也就是伏-安特性曲线与纵坐标相交的一点所对应的电流通常用Isc来表示。由式可知，当V=0时，Isc=Iph,光伏电池的短路电流Isc与光伏电池的面积有关，面积越大，Isc越大。一般的晶硅光伏电池Isc值约为35~38mA。4.2光伏电池的原理和特性5.填充因子（曲线因子）填充因子是表征光伏电池性能优劣的一个重要参数，其定义为光伏电池的最大功率与开路电压和短路电流的乘积之比，通常用FF（或CF）来表示：光伏电池的串联电阻越小，旁路电阻越大，则填充因子越大，该电池的伏安特性曲线所包围的面积也越大，这就意味着该光伏电池的最大输出功率越接近于所能达到的极限输出功率，因此性能越好。4.2光伏电池的原理和特性6.光伏电池的转换效率

光伏电池的输出功率与入射到该光伏电池上的全部辐射功率的百分比称为光伏电池的转换效率。其中，Vm和Im分别为输出功率点的电压和电流，At为包括栅线面积在内的光伏电池总面积（也称全面积）；Pin为单位面积入射光的功率。4.2光伏电池的原理和特性

4.2光伏电池的原理和特性

4.2光伏电池的原理和特性

4.2.5晶体硅光伏电池效率损失机制造成太阳能电池效率损失的原因主要有：1）能量小于电池吸收层禁带宽度的光子不能激发产生电子-空穴对。2）能量大于电池吸收层带宽度的光子被吸收，产生的电子-空穴对分别被激发到导带和价带的高能态，多余的能量以声子形式释放，高能态的电子-空穴又回落到导带底和价带顶，导致能量的损失。3）光生载流子在P-N结内分离和输运时，会发生复合损失。4）半导体材料与金属电极接触处的非欧姆接触引起电压降损失。5）光生载流子输运过程中由于材料缺陷、界面缺陷等导致的复合损失。总的来说，可分为两大类，即光学损失和电学损失。4.2光伏电池的原理和特性4.2.5晶体硅光伏电池效率损失机制单结晶体硅太阳能电池的能量损失图见图（①为低能光子损失；②为热弛豫损失；③、④为接触电压损失；⑤为载流子对的复合损失）4.2光伏电池的原理和特性造成太阳能电池效率损失的原因总的来说，可分为两大类，即光学损失和电学损失。1．光学损失晶体硅是光学带隙（禁带宽度）为1.12eV的间接带隙半导体材料。对晶体硅太阳能电池而言，太阳光中低于1.12eV能量的长波段光子能量太低，不足以提供足够的能量来产生自由载流子。这部分光子占比大约30%，电池无法利用。而短波的光子能量高，激发一个电子从价带到导带只需1.12eV的能量，多余的光子能量又无法利用，在晶格弛豫中以热量形式散发出来。4.2光伏电池的原理和特性如图所示，只有图中红色部分的太阳光，才能被晶体硅太阳能电池充分利用。在AM1.5G光谱中，权重最大的是400~800nm的可见光，其次是800~1116nm的近红外线，权重最低的是波长400nm以下的紫外线。4.2光伏电池的原理和特性光学损失的另一方面还来自晶体硅太阳能电池的结构和工艺。首先对于晶体硅而言，硅折射率在3.8左右，空气折射率略大于1，两者差值很大。当太阳光照射在晶体硅表面时，由于折射率的差异，会导致入射光中很大一部分（30%~40%）光被反射出去。其次，晶体硅是间接带隙半导体材料，光吸收系数相对较低。长波长的光入射进硅片不能被充分吸收，导致部分光从电池背面透出。最后，晶体硅太阳能电池的正面金属栅线会遮挡入射光。这些都导致了电池的光学损失。4.2光伏电池的原理和特性2.电学损失（1）复合损失半导体内的缺陷和杂质能够俘获载流子，增大载流子的复合概率。复合陷阱浓度越高，陷阱能级越靠近禁带的中央，陷阱的俘获截面积就越大，载流子的运动速度越快，被陷阱俘获的数量就会越多，从而陷阱辅助复合的速率越大，载流子寿命越短。硅片体内由于存在掺杂、杂质、缺陷等因素，光生少数载流子在硅片内运动时，很容易被复合掉。4.2光伏电池的原理和特性另外，半导体材料表面高浓度的缺陷，电子和空穴会通过表面这些缺陷复合，称为表面复合或者界面复合。复合损失主要有辐射复合、俄歇复合、SRH复合（Shockley-Read-Hall，非平衡载流子复合）和表面复合，如图所示。4.2光伏电池的原理和特性3.电阻损失太阳能电池实际工作中，还会遇到串联电阻Rs和并联电阻Rsh等寄生电阻的问题。Rs源于大面积太阳能电池电流流向上的电阻和金属栅线等的接触电阻；并联电阻Rsh是来自P-N结结构和制备过程中的工艺。电阻损失包括串联电阻和并联电阻两大部分。4.2光伏电池的原理和特性

4.2光伏电池的原理和特性为了降低太阳能电池效率损失，需从降低光学损失及降低电学损失两方面着手，如前表面低折射率的减反射膜、前表面绒面结构、背部高反射等陷光结构及技术降低光学损失，同时优先选择优良硅基材料，优化发射极、新型钝化材料与技术及金属接触技术等，减少载流子的复合，从而