《太阳辐射与光伏》-第一章

1.1光及其特性

1.1.1光及其基本性质光是什么?光是一种人类眼睛可以看见的电磁波,即可见光谱。光只是电磁波谱上的某一段频谱,一般定义为波长在400~700nm的电磁波,也就是波长比紫外线长、比红外线短的电磁波。光既是一种高频的电磁波,又是一种由基本粒子组成的粒子流。因此光同时具有粒子性与波动性,或者说光具有“波粒二象性”。光的基本性质有哪些?1666年,英国科学家牛顿用实验证明了太阳光是各种颜色的混合光,并发现了光的颜色取决于光的波长。下一页返回1.1光及其特性

所有的光,不论是自然光还是人工的室内光,都具有以下的特征:(1)光沿直线传播。小孔成像实验说明了这一点。(2)光速极快。光速定义值:c=299792458m/s=299792.458km/s,在真空中速度更快,为3.0×105km/s。(3)光中有含能粒子,称为“光子”,因此能引起胶片感光乳剂等物质的化学变化。光线越强,所含的光子越多。(4)光的方向很容易确定。(5)明暗度表示光的强弱,可以随着光源能量和距离的改变而发生改变。上一页下一页返回1.1光及其特性

1.1.2可见光谱可见光是电磁波谱中可以被人眼感知的部分,可见光谱没有精确的范围,一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400~760nm,但还有一些人能够感知到波长在380~780nm的电磁波。可见光的频率范围如图1-1所示。可见光由紫、蓝、青、绿、黄、橙、红七色光组成。可见光是绿色植物进行光合作用所必需的和有效的太阳辐射能。到达地表面上的可见光辐射随大气浑浊度、太阳高度、云量和天气状况而变化。可见光辐射占总辐射的45%~50%。上一页下一页返回1.1光及其特性

1.1.3白光与色温大部分光源所发出的光皆称为白光,白光是由不同折射率的各种颜色的光组成的,是全部颜色的混合色,不是一种单一颜色。光源的色表温度或相关色温度用来衡量其光色相对白的程度,量化光源光色。黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度,称为色温,以绝对温度K(Kelvin或开氏温度)为单位(K=℃+273.15)。光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。热黑体辐射体与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是那个光源的色温。图1-2所示为白平衡与色温。根据MaxPlanck的理论,将一具完全吸收与放射能力的标准黑体加热,温度逐渐升高光度亦随之改变,渐变过程为红→橙红→黄→黄白→白→蓝白。黑体的温度越高,光谱中蓝色的成分则越多,而红色的成分则越少。黑体加热至呈红色时温度约为527℃(800K)。上一页返回1.2光的吸收转换

1.2.1光能转换为电能的基本原理当太阳光通过半导体材料时太阳能就会转换成电能,这个转换过程就是“光伏效应”,指的是在自然光的照射下不均匀半导体或金属半导体的不同部位之间产生电位差的物理现象。光能转换为电能的基本原理是当光线照射太阳电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了跃迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。图1-3所示为光能转换为电能的过程示意图。下一页返回1.2光的吸收转换

1.2.2太阳电池的光伏效应太阳电池是光伏发电系统中最基础的元件,目前市场上主流的是晶体硅太阳电池,又有单晶和多晶硅太阳电池两种。除了这两种,薄膜太阳电池也占据着一定的市场份额,薄膜太阳电池是以单质元素、无机化合物或有机材料等制作的薄膜作为基底材料的太阳电池。上述几种太阳电池中目前光电转换效率最高的是单晶硅太阳电池,在实验室里能达到24.7%,大规模生产时可达18%。多晶硅太阳电池的生产成本相对较低,其效率介于单晶硅太阳电池和薄膜太阳电池之间。薄膜太阳电池适合大规模生产的场合,其材料本身具有的光电衰退问题是目前薄膜太阳电池的技术瓶颈,如果能解决稳定性问题及提高转换率,那么薄膜太阳电池的发展也将潜力无限。上一页下一页返回1.2光的吸收转换

太阳电池的结构原理如图1-4所示,可以看成是N型半导体和P型半导体两者的结合物。N型半导体是利用特殊工艺在硅片里掺杂少量的五价元素,在硅片的背面分布着自由电子;P型半导体是用特殊工艺在硅片里掺杂少量的三价元素,硅片内部分布着带正电的空穴。在扩散和漂移作用下就会形成P-N结。太阳电池表面经过太阳光照射时,电子和空穴对会被激发出来。在内电场的作用下,N区的空穴向P区移动,而P区的电子往N区移动,这样P-N结中就形成了电势差,内部电流的方向是从N型半导体到P型半导体,这样当太阳电池连接上负载时便可以向其输送电流。上一页返回1.3光谱响应

1.3.1光谱响应的概念光谱响应指光阴极量子效率与入射波长之间的关系,用以表示太阳电池对不同波长入射光能转换成电能的能力,其单位为安培/瓦(A/W)。光谱响应特性主要取决于光电阴极材料。不同光电阴极材料,对同一种波长的光有不同的响应率;同一种光电阴极材料,对不同波长的光具有不同的响应率。太阳电池的光谱响应特性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的,因为这样可以更充分地利用太阳光,同时可以提高太阳电池的光电转换效率。图1-5所示为太阳电池归一化光谱响应。太阳电池的光谱响应分为绝对光谱响应和相对光谱响应。下一页返回1.3光谱响应

1.3.2绝对光谱响应与相对光谱响应太阳电池的绝对光谱响应:各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳电池上,将产生不同的短路电流,按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线。太阳电池的绝对光谱响应是一个可以直接测量的量,其定义为单位辐照下的短路电流密度,如图1-6所示。太阳电池的相对光谱响应:如果每一波长以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太阳电池上,所产生的短路电流与光谱范围内最大的短路电流比较,即将各波长的短路电流以最大短路电流作基准进行归一化,按波长的分布求得的比值变化曲线。在测试时,常用光谱响应已知的太阳电池作参比电池,测得待测太阳电池的短路电流与参比电池的短路电流相比,从而来计算待测太阳电池的光谱响应。上一页返回1.4热辐射与波

1.4.1光的波粒二象性波粒二象性(wave-particleduality)是微观粒子的基本属性之一,指微观粒子有时显示出波动性,有时又显示出粒子性,在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质。一切微观粒子都具有波粒二象性。光既能像波一样向前传播,也能表现出粒子的特征,因此称之为光的“波粒二象性”。1.4.2太阳常数由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行,太阳与地球之间的距离不是一个常数,一年里每天的日地距离也不一样。因此地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而,由于日地间距离太大(平均距离为1.5×108km),所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就习惯采用“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。下一页返回1.4热辐射与波

太阳常数是指在日地平均距离上,大气顶界垂直于太阳光线的单位面积每秒钟接受的太阳辐射,太阳常数的常用单位为W/m2。因观测方法和技术不同,得到的太阳常数值不同。世界气象组织(WMO)1981年公布的太阳常数值是1368W/m2。1.4.3太阳辐射总量及其影响因素太阳辐射总量是指在特定时间内水平面上太阳辐射的累计值,常用的统计值有日总量、月总量、年总量。世界年太阳总辐射量如图1-7所示。太阳辐射总量包括到达地面的太阳直接辐射和太阳散射辐射两部分。太阳辐射通过大气后,其强度和光谱能量分布都发生变化。到达地面的太阳辐射能量远比大气上界小得多,就全球平均而言,太阳总辐射只占到达大气上界太阳辐射的45%。由于太阳辐射波长较地面和大气辐射波长小得多,所以通常太阳辐射又可以称为短波辐射,地面和大气辐射称为长波辐射。上一页下一页返回1.4热辐射与波

太阳辐射总量主要与两个因素有关:(1)太阳辐射强度,即单位时间接受太阳辐射的能量多少;(2)接受太阳辐射的时间。此外,还需要考虑其他的影响因素,如纬度、地形、天气等。赤道地区虽然太阳高度角的平均值最大,可是多雨的天气使得日照时间缩短,而南北半球20°~30°的副热带高气压有效辐射多。上一页下一页返回1.4热辐射与波

1.4.4太阳辐射分布特征及其影响因素太阳辐射全年以赤道获得的最多,极地最少。这种热量不均匀分布,必然导致地表各纬度的气温产生差异,在地球表面出现热带、温带和寒带气候。因此,影响太阳辐射分布的因素主要包括以下五个方面。(1)太阳高度:太阳高度越高,单位面积获得的热量就越多,如直射时要比斜射时地面单位面积获得热量较多。(2)海拔:海拔越高,太阳辐射穿过大气的路程越短,那么穿越途中受到散射、反射、折射等削弱的机会就越少,太阳辐射就强且时间长。(3)天气状况:一般晴天比阴天接受太阳辐射时间长,强度大。(4)昼夜长短:昼长越长则接受太阳辐射时间越长。(5)空气清洁度:如工业城市污染较严重,空气中污染物对太阳辐射的削弱作用强。上一页下一页返回1.4热辐射与波

1.4.5有效辐射与散射辐射有效辐射又可称为地面有效辐射,指的是地面辐射和地面所吸收的大气逆辐射之间的差值。有效辐射的强弱会随地面温度、空气温度、空气湿度及云况而变化。有效辐射一般总是正的,即地面与大气的热量交换中地面损失热量,大气得到热量。白天太阳辐射能量超过有效辐射,地面增温;夜晚无太阳辐射,有效辐射的结果使地面降温。若天空布满云且湿度高,大气逆辐射将增强而有效辐射将减少,故阴雨天夜间地面降温少;若天气晴朗干燥,有效辐射强烈,夜间地面将迅速降温,在小风或无风条件下常形成自地面开始的逆温,这种逆温与大气污染关系最密切。上一页下一页返回1.4热辐射与波

散射辐射指的是由于空气分子和气溶胶粒子的作用,或由于空气密度的涨落以及不均一,电磁辐射能量以一定规律在各方向重新分布的现象。散射辐射能量的分布与入射波长、强度及粒子的大小、形状和折射率有关,分别称为瑞利散射(分子散射)和大粒子的米散射。空气分子对可见光的散射属于瑞利散射,光强与波长的四次方成反比,所以天空呈现蔚蓝色;云滴和气溶胶粒子对可见光属于米散射,光强与波长无关,故云呈白色。太阳散射辐射随太阳高度的加大而减小;当天空的浑浊程度加大,即太阳通过的路径受到了阻挡,太阳散射辐射的程度加大;地面反射率增加,散射辐射也加大。上一页返回1.5计算日照数据

1.5.1日照数据的估算在设计光伏发电系统时,我们经常需要估算落在任意斜面的日照量,因此以适当的形式获得准确的日照数据显然是非常重要的,目前应用较广的一种数据形式是落到水平面或者倾斜平面上的日平均、月平均、季平均或年平均全局辐射。当估算组件倾斜角对所接受日照的影响时,一般需分别考虑直接辐射成分和漫射辐射成分,但这些数值需要根据全局辐射的数据估算而来:(1)利用测量所得到的数据来计算给定地点水平面上的全局辐射;(2)利用全局辐射的数值来估算水平面上的直射成分和漫射成分;(3)利用水平面上的直射成分与漫射成分数据来估算倾斜平面的相应数据。下一页返回1.5计算日照数据

1.5.2全局辐射的数据1.峰值日照时数峰值日照时数用于描述太阳辐射的单位[W/(m2·天-1),即瓦每平方米每天],也称为太阳日照率或者日照率。每月的日平均日照水平通常用“峰值日照小时数”来表示,用来比较不同地区的太阳能资源,辐照单位:MJ/m2,标准日照小时数的单位是h(小时)。折算公式1J=1W·s,1h=3600s1000W/m2=1000J/s·m2=1000∗3600J/3600s·m2=3.6MJ/(h·m2)所以1kW·h/m2=3.6MJ/m2,同时1kW·h/m2相当于标准条件下,1小时标准日照小时数(1kW·h/m2÷1000W/m2)。由此得出将太阳能资源(MJ/m2)换算为标准日照时数的系数为3.6。上一页下一页返回1.5计算日照数据

2.日照小时数在一个给定的时间段(通常是一个月)中,每天超过约为210W/m2辐射强度的日照小时数。值得注意的是,日照小时数没有给出日照的绝对数据,并且仅对太阳光的直射辐射有效。上一页返回1.6人类活动与温室效应

1.6.1人类活动与气候变化气候与人类活动关系密切。人类在生产和生活过程中如森林砍伐、过量放牧、盲目垦荒、土地的不合理使用等都会有意识或无意识地对气候产生各种影响。20世纪30年代以来,人们就开始注意人类活动对局部地区气候的影响,以后逐渐注意其对全球气候的影响。人类活动对大范围以至全球气候的影响虽仍缺少定量数据,但是研究人类活动对气候的影响,是一项迫在眉睫的重要科学问题。砍伐森林的后果就是绿洲沦为荒漠,水土大量流失,干旱缺水严重,洪涝和泥石流灾害频繁发生,动物失去了家园,很多物种纷纷濒临灭绝。由于烟雾中含有大量的二氧化碳和二氧化硫等气体,这些烟雾被直接排放到大气中,会产生酸雨、温室效应等。下一页返回1.6人类活动与温室效应

1.6.2温室效应温室效应又称“花房效应”,是大气保温效应的俗称。大气能使太阳短波辐射到达地面,但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收,这样就使地表与低层大气温度增高,因其作用类似于栽培农作物的温室,故名温室效应。自工业革命以来,人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增加,大气的温室效应也随之增强,已引起全球气候变暖等一系列严重问题,引起了世界各国的广泛关注。法国学者Jean-BaptisteJosephFourier(1768—1830)于1824年第一个提出温室效应。温室效应有两个特点:①温度较室外高;②不散热。上一页下一页返回1.6人类活动与温室效应

1.6.3温室效应对人类的影响温室效应的影响是多尺度、全方位、多层次的,正面和负面影响并存。温室效应能给人类带来一