太陽(yáng)電池原理與光伏技術(shù)

1、太陽(yáng)電池原理與光伏技術(shù)主要內(nèi)容第一章太陽(yáng)電池和太陽(yáng)光參考書目1.太陽(yáng)電池工作原理、工藝和系統(tǒng)的應(yīng)用澳馬丁.格林著，李秀文，謝鴻禮 趙海濱等譯 劉熙 校TM914.4/82.太陽(yáng)電池及其應(yīng)用趙富鑫魏彥章主編 TOC o 1-5 h z 3.4.5.第一章太陽(yáng)電池和太陽(yáng)光1.1太陽(yáng)電池發(fā)展概況1839年，法國(guó)科學(xué)家Becquerel首先報(bào)導(dǎo)了太陽(yáng)電池的光伏效應(yīng)；1876年,在硒的全固態(tài)系統(tǒng)中也觀察到了光伏效應(yīng)現(xiàn)象；1954年，出現(xiàn)了第一塊硅太陽(yáng)電池，標(biāo)志太陽(yáng)電池研制工作的重大進(jìn)展；1958年,太陽(yáng)電池首次在空間應(yīng)用,裝備美國(guó)先鋒1號(hào)衛(wèi)星；1959年，第一個(gè)多晶硅太陽(yáng)電池問世,效率達(dá)5%;1960年

2、，硅太陽(yáng)電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行；1975年，非晶硅太陽(yáng)電池問世；1998年，單晶硅光伏電池效率達(dá)24.7%，多晶硅太陽(yáng)電池產(chǎn)量第一次超過單晶硅太陽(yáng)電池而成 為世界光伏電池之王；1999年，日本太陽(yáng)電池總產(chǎn)量第一次超過美國(guó)而居世界之首，其中85%用于太陽(yáng)能光伏建筑 集成。1.2陽(yáng)光的物理來(lái)源1.2.1太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)是距離地球最近的一顆恒星.日地距離為 1.49597892x108Km.太陽(yáng)直徑為1.392 x106Km，是地球的109倍;體積比地球大130多萬(wàn)倍.太陽(yáng)平均密度為1.4g/cm3,即比水的密度大50%,太陽(yáng)內(nèi)部密度約160g/cm3,因此日心 引力比地心引力大29倍左右.太陽(yáng)的物質(zhì)組

3、成：就質(zhì)量而言,H 78.4%; He 19.8%;金屬和其他元素,總計(jì)占1.8%.圖1-1太陽(yáng)結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)部中間層溫度,FK圖1-2不同黑體溫度的Plank黑體輻射分布Ei圖1-3陽(yáng)光的光譜分布1.3太陽(yáng)與地球間關(guān)系的天文背景天球與天球坐標(biāo)系天球 :以觀察者為球心，以任意長(zhǎng)為半徑，其上分布著所有天體的球面叫做天球.地平:在圖中，通過觀察者的眼睛，即天球的中心零與鉛垂線相垂直的平面為地平面，地平面無(wú)限延展可將天球分割在兩個(gè)半球；地平面與天球的交線是一個(gè) 大圈，稱為地平圈 天頂慶底:通過觀察者頭頂?shù)你U垂線向兩端無(wú)限延展，與天球的交點(diǎn)分別稱做天 頂和天底。周日運(yùn)動(dòng):天球每日旋轉(zhuǎn)一周，稱做周日運(yùn)動(dòng)。

4、天極 ：在旋轉(zhuǎn)過程中，天球上有兩個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，叫天極-天軸:連接兩天極的直線叫天軸天球赤道面 :通過觀察者眼睛與天軸相垂直的平面叫天球赤道面-天赤道:天球赤道面與天球的交線稱天赤道子午:通過天頂和天極的大圈稱為子午圈天底圖1-4天球及天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系的種類(與太陽(yáng)能利用有關(guān)的坐標(biāo)系為地平坐標(biāo)系和時(shí)角坐標(biāo)系)地平坐標(biāo)系:以地平圈為基本圈，天頂為基本點(diǎn)，南點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系叫做地平坐標(biāo)系。赤道坐標(biāo)系：以南點(diǎn)為原點(diǎn)的第一赤道坐標(biāo)系或稱時(shí)角坐標(biāo)系以春分點(diǎn)為原點(diǎn)的第二赤道坐標(biāo)系黃道坐標(biāo)系銀道坐標(biāo)系(1)地平經(jīng)：在地平坐標(biāo)系中，過天頂和太陽(yáng)(或任一天體)X做一大圈，叫做地平經(jīng)圈地平經(jīng)度SM：地平經(jīng)圈交地平圈

5、于M點(diǎn)，從原點(diǎn)S沿地平圈順時(shí)針方向計(jì)量，弧 SM為地平經(jīng)度，或方位角A.地平緯度XM (高度角h)：弧XM為地平緯度，或高度角h，向上為正，向下 為負(fù)。天頂距ZX,Z=90-h：弧zx稱天頂距，自z起計(jì)量，用z表示。顯然z=90-h.北點(diǎn)N圖1-5地平坐標(biāo)系-時(shí)角坐標(biāo)系：以天赤道為基本圈，北天極為基本點(diǎn)，天赤道和子午圈在南點(diǎn)附近的交點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系叫時(shí)角坐標(biāo)系或第一赤道坐標(biāo)系。:過北天極和太陽(yáng)（或任一天體）X作一大圈叫做時(shí)圈。- 時(shí)角：時(shí)圈與天赤道交于T點(diǎn)。自原點(diǎn)Q開始順時(shí)針方向計(jì)量到T，弧QT稱為時(shí)角。（以度，分，秒表示，或時(shí)，分，秒表示）-赤緯（弧XT）， 從天赤道算起，向上為正，向下為負(fù)

6、。；太陽(yáng)時(shí)角和太陽(yáng)時(shí)之間的關(guān)系式：T: = （hh + rnrn 12） X 15060圖1-6時(shí)角坐標(biāo)系天底圖1-7地平坐標(biāo)系與時(shí)角坐標(biāo)系兩坐標(biāo)系之間的換算：從一個(gè)坐標(biāo)系向另一個(gè)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，可借助于球面三角邊角關(guān)系的有 關(guān)定理進(jìn)行。已知：8, T求z,A,順序應(yīng)用余弦定理，正弦定理和五元素關(guān)系，可以得到如下關(guān)系式：cos Z sin 巾 sin 6 + cos巾 cos 6 - cost sinh sin 巾 sin 6 + cos巾 cos 6 - cost sin Z - sin A = cos 6 - sintsin Z cos A = - sin 6 cos巾 + cos 6 sin

7、 巾 cost已知：6, t求z,A,sin 6 sin cos Z - cos sin Z cos Acos 6 sint sin Z sin Acos 6 cost cos Z cos + sin Z sin cos A1.4太陽(yáng)常數(shù)：在地球大氣層之外，地球-太陽(yáng)平均距離處，垂直于太陽(yáng)光方向的單位面積上的輻射能基本為一常數(shù)。這個(gè)輻射強(qiáng)度稱為太陽(yáng)常數(shù)，或稱此輻射為大氣質(zhì)量為零 （AM0）的輻射。目前，光伏工作中采用的太陽(yáng)常數(shù)值是1.353kW/m2，這個(gè)數(shù)值是由裝在氣球，高空飛機(jī)和 宇宙飛船上的儀器的測(cè)量值加權(quán)平均而確定的。陽(yáng)光能量的精確分布對(duì)于太陽(yáng)電池的工作很重要，因?yàn)檫@些電池對(duì)于不同波長(zhǎng)

8、的光有不同的 反應(yīng)。1.5地球表面的陽(yáng)光強(qiáng)度： 陽(yáng)光穿過地球大氣層時(shí)，至少衰減了 30%。造成衰減的原因是：（1）瑞利散射或大氣中的分子散射。這種散射對(duì)所有波長(zhǎng)的太陽(yáng)光都有衰減作用，但對(duì)短 波長(zhǎng)的光衰減最大；（2）懸浮微粒和灰塵引起的散射；（3）大氣，特別是其組成氣體氧氣、臭氧、水蒸氣和二氧化碳的吸收。光學(xué)大氣質(zhì)量：太陽(yáng)在頭頂正上方時(shí)，路程最短，太陽(yáng)光線的實(shí)際路程和此最短路程之比稱 為光學(xué)大氣質(zhì)量。太陽(yáng)在頭頂正上方時(shí)，光學(xué)大氣質(zhì)量為1，這時(shí)的輻射稱為大氣質(zhì)量為1（AM1）輻射。當(dāng)太陽(yáng)和頭頂正上方成一個(gè)角度。時(shí)，大氣質(zhì)量由下式得出：大氣質(zhì)量=1/cos9估算大氣質(zhì)量的簡(jiǎn)易方法是測(cè)量高度為h的豎直

9、物體投射的陰影長(zhǎng)度s，于是有大氣質(zhì)量j+CXv h在其他大氣變量不變的情況下，隨著大氣質(zhì)量的增加，到達(dá)地球的能量在所有波段都遭到衰 減。在陽(yáng)光的光譜分布中，吸收帶附近衰減更為嚴(yán)重。與地球大氣層外的情況相反，地面陽(yáng)光的強(qiáng)度和光譜成分變化都很大。因此為了對(duì)不同地點(diǎn) 測(cè)得的不同太陽(yáng)電池的性能進(jìn)行有意義的比較，就必須確定一個(gè)地面標(biāo)準(zhǔn)，然后參照這個(gè)標(biāo) 準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。（一般采用AM1.5的分布，即總功率密度為1KW/m2（100mW/cm2），即接近 地球表面接收到的功率密度的最大值）1.6直接輻射和散射輻射：到達(dá)地面的太陽(yáng)光，除了太陽(yáng)的直接輻射外，還包括由大氣層散射引起的相當(dāng)可觀的間接輻 射或散射輻射，所

10、以成分更復(fù)雜。甚至在晴天，白天散射輻射占總輻射量的10-20%。 散射陽(yáng)光的光譜成分不同于直接輻射的光譜成分，一般散射陽(yáng)光中含有更豐富的波長(zhǎng)較短 的光或“藍(lán)”波長(zhǎng)的光，這使太陽(yáng)電池系統(tǒng)接收到的光的光譜成分進(jìn)一步變化。圍繞太陽(yáng)的空際是產(chǎn)生散射輻射的最主要原因，通常仍假定散射光是各向同性的。L7太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)：地球每天繞虛設(shè)的地軸旋轉(zhuǎn)一周，地軸相對(duì)于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道平面有固定的取向，這個(gè)方向與軌道平面的夾角即太陽(yáng)的赤緯（23。27）。圖1-8太陽(yáng)相對(duì)于一個(gè)在北緯35。固定點(diǎn)的觀察者的視運(yùn)動(dòng)（圖中給出在兩分點(diǎn)、冬至和夏至的太陽(yáng)路徑，還示出太陽(yáng)在這幾天正午的位置，黑圓圈表示正午前后3小時(shí)的太陽(yáng)位置）

11、圖1-8示出太陽(yáng)相對(duì)于一個(gè)處于北緯35。的觀察者的視運(yùn)動(dòng)。在任意給定的一天，太陽(yáng)視運(yùn) 動(dòng)的軌道平面和觀察者站立的垂直方向所成角度，等于其所在地點(diǎn)的緯度值。在兩分點(diǎn)（3 月21日和9月23日），太陽(yáng)從正東升起由正西落下，因此在春分和秋分這兩天，太陽(yáng)在正 午的高度等于90。減去緯度。夏至和冬至（對(duì)北半球分別為6月21日和12月22日，而南 半球則相反），正午的太陽(yáng)高度正好比兩分點(diǎn)增加或減少一個(gè)地球赤緯（有時(shí)稱方位角）（23。27）1.8太陽(yáng)的日照數(shù)據(jù)：在設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)時(shí)，最理想的情況是掌握有該系統(tǒng)安裝地的日照情況的詳細(xì)記錄。包括直 接輻射和散射輻射數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度，風(fēng)速和風(fēng)向。在給定地點(diǎn)，影響有效日照

12、的因素有：緯度，高度，氣候類別，主要植被，當(dāng)?shù)氐乩硖卣鳌Ｗ罱?jīng)常使用的數(shù)據(jù)是水平面上總輻射的日平均值。實(shí)際使用的測(cè)量?jī)x表有：（1）輻照度計(jì)，用來(lái)測(cè)定瞬時(shí)輻照度值，是利用光電或光熱效應(yīng)制成的一種比較靈敏的 探測(cè)儀器。（2）日時(shí)計(jì)或總輻射計(jì)，是測(cè)量一天中輻照量的儀器，利用光電或光熱效應(yīng)的累計(jì)作用 制成。這種儀器一般探測(cè)到的不僅是直接太陽(yáng)輻射，而且還包括漫射的太陽(yáng)能，即測(cè)得的輻 射量是太陽(yáng)的總輻射量。1.9太陽(yáng)能的特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)：a）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且輕b）易安裝運(yùn)行，建設(shè)周期短；c）容易起動(dòng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，使用方便；d）清潔，安全，無(wú)噪聲；e）可靠性高，壽命長(zhǎng)；f）應(yīng)用范圍光；g）降價(jià)速度快，能量?jī)斶€時(shí)間將縮短。通常定義能量回收時(shí)間tb以下式表示：tb=pc/pw, PC為制造太陽(yáng)能電池所消耗