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1、学生修读的课程，均应按规定听课，完成作业、实验等全部教学环节。无故不参加者，作旷课处理。该门课程累计旷课总课时1/3及以上，取消考试资格。,光伏：器件、系统及应用 by Christiana Honsberg&Stuart Bowden,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,2,本课程主要就太阳能特点，太阳能电池的原理，设计制备与利用等方面作简单介绍，使大家对这一课题有一个初步了解。,公共邮箱：密码：,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,3,序言：太阳能发电的介绍,0.1 太阳能 0.2 光伏发电 0.3 温室效应,2023/1/20,4,太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有
2、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，风力涡轮机把风能转换成电能，同时也用在传统用途上。,0.1 太阳能,2023/1/20,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。,0.1 太阳
3、能,当能源主要依靠燃烧化石燃料（煤炭、石油、天然气）而获取时，能源消耗越高，越会影响人类社会的可持续发展。,经济的发展人口的增加社会生活水平的提高,促使,世界能源消费水平持续增长,2、由于化石燃料不可再 生，资源终将枯竭。本世纪初关于世界能源储存数据调查显示：,1、因为大量燃烧化石燃料 会带来多种环境问题（尤其是环境污染、生态破坏导致气候变化问题）,在过去的100年中全球平均气温上升0.30.6，海平面平均上升1025CM。（温室效应）预计，若人类不采取减措施，全球气温每10年将升高0.2，到2100年全球平均气温将升高13.5。,石油可采量为40年左右天然气60年左右煤炭230年左右,促使,
4、寻求新能源取而代之（预测，本世纪50年代，直接利用太阳能的比例将发展到世界能源结构中的13-15）,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,7,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。,0.1 太阳能,单晶硅电池组件24V,屋顶光伏发电系统,太阳能草坪灯,高速路太阳能监控器,9,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，太阳能点亮了这里的房子。,图上左
5、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。,南京南站全球最大太阳能屋顶“发电”,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.,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,11,美国贝尔实验室的科学家D.M.Chapin,C.S.Fuller和G.L.Pearson于1954年成功研制出世界上第一个实用型单晶硅PN结太阳电池，这标志着太阳能光伏应用的研究
6、进入了新的历史阶段。随后，光伏发电首先在太空领域得到应用。1958年首颗以太阳电池作为信号系统电源的人造卫星美国先锋号（VanguardI）卫星发射上天，从此开始了太阳电池作为空间电源应用的新纪元。,空间太阳电池发展概况表,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
7、应用（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。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,13,0.2 光伏发电的介绍,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。而是还作为一种能显著地减少由先进工业国家造成的环境破坏的影响的方法。,14,0.2 光伏发电的介绍,不占用城市昂贵的地皮（多建于沙漠）可代替传统的
8、墙面和屋顶材料当地发电当地用，就地取用，无需输电设备若和电网相连，可将剩余电力输给电网在电网供电处于高峰期发电，消减城市用电负荷属于绿色能源，不污染环境,光伏发电的优越性（客观）,光伏发电的优越性（主观）,各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好的基础 众多国家政府都加大对光伏课题的研究，积极培养光伏的专业人才满足市场需求，促进光伏科学技术的发展和产业的发展。为光伏更好的发展提供有力的保障。,1.美国光伏发电的“百万屋顶计划”美国总统克林顿在1997年6月21日宣布了太阳能“百万屋顶计划”，准备在2010年以
9、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。目前，太阳能“百万屋顶计划”已在美国某些地区大力发展开来，由于美国政府在政策上给予了更多的倾斜，使得光伏发电的价格大为下降，在加利福尼亚地区现已降到每瓦不足3美元。,世界太阳能发电发展现状和未来展望,洛杉矶计划2020年实现100%光伏供电,2008年11月，洛杉矶市实施“太阳能屋顶”计划。这项计划分两个阶段实施在第一阶段，洛杉矶市政府将投资27亿美元，为市政府和商业大楼等108万个屋顶安装太阳能发电系统，总发电能力将达400兆瓦。在第二阶段，市政府将在未来8年里筹资15亿至30亿美元，为洛杉矶市其他房屋的屋顶
10、陆续安装太阳能发电系统。洛杉矶市长表示，我们希望到2020年整个洛杉矶城的电力都由太阳能提供。他表示，不光是市政，每个人都应该做到，我们希望在2020年全市的电力供应都来自可再生能源。市长鼓励不仅在公共部门提高对可再生能源的依赖，各个社会阶层也要有所增加。,2.日本“阳光计划”第一阶段是第一次石油危机后，日本通产省于1974年制定了发展太阳能为主的可再生能源代替石油技术研发中长期规划，即有名的“阳光计划”第二阶段1988-1994年，要求售价再降20%，以便广泛应用于通信，路灯等小型电源。第三阶段是1993年制定的“阳光计划”仍把光伏发电作为重点项目。最后把光伏产业作为国策来抓，从长远发展，坚
11、持不懈，通过政府优惠政策加速发展。,3.德国的“10万屋顶发电计划”,2000年德国首先颁布可再生能源法，2003年又公布可再生能源促进法，由此引发了德国光伏发展的新一轮高峰，于当年圆满完成“10万屋顶发电计划”。德国政府在推广光伏发电发面采取了一系列措施，主要是银行贷款和上网电价补贴等，目前德国光伏产业已经成为一个非常活跃的经济产业，2004年德国的光伏安装总量首次超过日本，走在世界前列。,中国必须发展太阳能的理由,与国外相比，我国能源系统更不具备可持续发展特点 能源枯竭的威胁可能来的更早。人口多，人均资源占有量仅及世界的一半，石油和天然气资源仅占世界人均量的17.1和13.2；加之能源利用
12、技术的落后，效率低下，能耗高，枯竭速度可能会比国外更加迅速，能源匮乏的威胁可能来的更早。能源供需缺口将越来越大。2020年全国需求量27亿吨TOE，尚缺4.8亿吨标准煤；2050年一次需求量达到40亿吨标煤，缺口达10亿吨标煤，缺口25%以上。,过度依赖煤炭，环境影响更加严重。煤几乎满足了我国一次能源需求的70%，66%的城市大气颗粒物的含量和22%的城市的二氧化硫含量均超过国家空气质量二级标准，在冬季这些污染物的浓度更大，通常为夏季的2倍，环境专家估计，大气中90%的二氧化硫和70%的烟尘来自于燃烧。煤废料的处理仍是问题。煤炭开发利用过程中产生的大量的腐蚀性水、煤泥、灰渣和飞灰等，已构成对工
13、农业生产和生态环境的危害，成为制约所在地区可持续发展的一个制约因素。,PM2.5：是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝粗细的1/20。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响。,科学家用PM2.5：表示每立方米空气中这种颗粒的含量，这个值越高，就代表空气污染越严重。,PM2.5产生的主要来源：是日常发电、工业生产、汽车尾气排放等过程中经过燃烧而排放的残留物，大多含有重金属等有毒物质。一般而言，粒径2.5微米至10微米的粗颗粒物主要来自道路扬尘等；2.5微米以下的细颗粒物（PM2.5）则主要来自化石燃
14、料的燃烧（如机动车尾气、燃煤）、挥发性有机物等。,PM2.5：,危害：粒径在2.5微米以下的细颗粒物，直径相当于人类头发1/10大小，被吸入人体后会进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心血管病等方面的疾病。这些颗粒还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。,整体环境科学（ScienceofTotalEnvironment）上增刊登过北京大学医学部公共卫生学院教授潘小川及其同事一项新发现：2004年至2006年期间，当北京大学校园观测点的PM2.5日均浓度增加时，在约4公里以外的北京大学第三医院，心血管病急诊患者数量也有所增加
15、。虽然PM10和PM2.5都是心血管病发病的危险因素，但PM2.5的影响显然更大。,城市空气质量日报或周报中的可吸入颗粒物和总悬浮颗粒物是人们较为熟悉的两种大气污染物。可吸入颗粒物又称为PM10，指直径等于或小于10微米，可以进入人的呼吸系统的颗粒物；总悬浮颗粒物也称为PM100，即直径小于和等于100微米的颗粒物。,美国国家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一张全球空气质量地图，专门展示世界各地PM2.5的密度。地图由加拿大达尔豪斯大学的两位研究人员制作。他们根据NASA的两台卫星监测仪的监测结果，绘制了一张显示出2001年至2006年PM2.5平均值的地图。,在这张图上红色（即PM
16、2.5密度最高），出现在北非、东亚和中国。中国华北、华东和华中PM2.5的密度，指数甚至接近每立方米80微克，甚至超过了撒哈拉沙漠。,世界卫生组织（WHO）认为：PM2.5小于10是安全值。,中美双方所采用的空气质量评价标准不同：中国采用的是世界卫生组织第一阶段的评价标准，而美国采用第三阶段评价标准。以标志着“优质”的指数为例：它在中国对应着“PM2.5浓度为35微克/立方米”，而在美国采用的第三阶段标准中，则对应着“PM2.5浓度为15微克/立方米”。,中国太阳能发电发展现状和未来展望,中国光伏发展历史,1958年开始研制1959年具有实用价值的太阳电池开始诞生1971年太阳能电池首先应用于
17、科学实验卫星电源1973年应用于浮标灯供电1979年用半导体工业积压单晶体生产单晶硅电池20世纪80年代后期引进国外关键设备、生产线、生产技术，太阳能电池制造产业初步形成（开封太阳能电池厂、宁波太阳能电池厂）,中科院半导体所,天津电源所,半导体器件厂,我国光伏组件生产逐年增加，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，应用领域包括农村电气化、交通、通信、石油、气象、国防等。特别是光伏电源系统解决了许多农村学校、医疗所、家庭照明、电视等用电，对发展边远贫困地区的社会经济和文化发挥了十分重要的作用。西藏多个无电县城采用光伏电站供电，社会经济效益非常显著。,0.3 温室效应,尽管因为其十足的实用
18、性和经济性，太阳能电池在今天被人们所使用着，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。,30,1、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18C。2、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，也因此保存了能量，让地球保暖。大气层使地球平均温度保持
19、在15C左右，比月球的高33C。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”。,31,0.3 温室效应,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（CFCS）。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量的变化，其结果可能导致大陆内部变得干旱以及地
20、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。,32,0.3 温室效应,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,33,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。,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(Blakers et.al.,1991)。,2023/1/20,UNSW新
21、南威尔士大学,34,0.3 温室效应,第一章：光的特性,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,35,1.1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,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谱的一个小子集。,36,可见光,1.1.1 光的基本原理 光的特性,在电磁波谱里，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效应，
22、表明光是由波构成的。到了1860年代，光被认为是电磁波谱中的一部分。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谱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。,37,1.1.1 光的基本原理 光的特性,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,38,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
23、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被叫做光子的能量粒子组成。“波粒二象性”。,1.1.1 光的基本原理 光的特性,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：1）入射光的光谱含量；2）太阳辐射的功率强度；3）太阳光入射到太阳能电池的角度；4）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。,39,1.1.1 光的基本原理 光的特性,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。光子的能量与波长之间存在
24、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。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。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,40,当描述光子、电子等粒子时，共同使用的能量单位是“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,41,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）,1.1.2
25、 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。,42,1.1.2 光的基本原理-光子的能量,E（eV）=1.24/（m）,&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：,43,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为单位
26、）可以用以下公式计算：,44,其中指的是光子通量，E是以单位 J 计算的光子能量。,1.1.3 光的基本原理-光子通量,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。,1.1.4 光的基本原理-光谱辐照度,作为光子波长（或能量）的对应量，光谱辐照度（记作F）是描述光源性质最常用的方式。由波长处的单位波长间隔内的光辐射产生的辐照度。光谱辐照度的单位是Wm-2m-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谱辐照度。通过把
27、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），光谱辐照度便可以由光子通量确定。,45,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,46,1.1.4 光的基本原理-光谱辐照度,然后把转换后的结果除以波长，方程如下所示：,式中F为光谱辐照度（单位Wm-2m-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。,47,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）发出的光的光谱辐照度与太阳光的光谱辐照度（粉红色，以右边轴为纵坐标）。,1.1.4 光的基本原理-光谱辐照度,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
28、度可以通过对所有波长或其对应的能量的光谱辐照度的叠加计算获得。然而，计算光源光谱辐照度的近似方程通常并不存在。取而代之的是，被测量出的光谱辐照度乘于所处波长范围，然后计算所有的波长的光谱辐照度。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,48,右边的动画展示了由给定的光谱辐照度得到功率强度的过程。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,49,1.1.5 光的基本原理-辐射功率强度,式中：H为光源发出的总功率强度，以Wm-2为单位；F（）是以Wm-2m-1为单位的光谱辐照度，而d及都是波长。,下面的方程可以用来计算光源发出总的功率强度:,1.2.1 黑体辐射-黑体辐射,许多常见的光源如太
29、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。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,50,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,51,1.2.1 黑体辐射-黑体辐射,1、辐射自黑体的光谱辐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谱辐照度，而h、c和k都是常数。,2、黑体辐射出的
30、总功率强度可由所有波长的光谱辐照度的积分得到：,和T分别为斯特番波耳兹曼(Stefan-Boltzmann)常数和黑体温度。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,52,3、另外一个很重要的黑体辐射参数是光谱辐照度最高处的波长，换句话说就是此波长辐射出的能量最高。对光谱辐照度方程进行求导，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是光谱辐照度峰值处的波长，T为黑体温度。,1.2.1 黑体辐射-黑体辐射,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,53,1.2.1 黑体辐射-黑体辐射,3、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
31、色光之间的可见光波段，并呈现白色。,当黑体温度升高时，光谱分配和光的能量也随之改变。1、温度接近室温300K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10m的波谱段，超出了人类眼睛的可视范围。2、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。,不同温度时黑体辐射的光谱辐照度。,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。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,54,1.2.1 黑体辐射-黑体辐射,1.3.1 太阳辐射-太阳,热量通过对
32、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576250K，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 9.51025w,2023/1/20,55,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2107K。来自内核的辐射被接近太阳表面的氢原子层的强烈吸收，无法看见。,2023/1/20,56,1.3.1 太阳辐射-太阳,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
33、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。,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。在太阳的表面，辐射功率强度相当于6000k黑体的辐射强度，所以：太阳辐射的总功率强度等于由T4乘于太阳的表面积（4R2），其中R为太阳半径。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谱辐照度也越来越小。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,57,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,58,式中H
34、sun（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。,1.3.2 太阳辐射-太空中的太阳辐射,当物体距离太阳为D 时，太阳光照射在此处的球面面积为4D2。因此，入射到物体的太阳光辐射强度Ho（单位W/m2），为：,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，5.961x107 W/m2）、太阳半径（Rsun）和地
35、球与太阳之间的距离D计算得到。其结果大约为1.36 KW/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：,59,一般来说这些变化都是非常小的，对光伏应用来说，太阳光谱辐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（air mass-zero radiation）,记作AM0.此时辐射值为1.353KW/m2,60,1.3.3 太阳辐射-地球大气层外的太阳辐射,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
36、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，一月份时太阳光谱辐照度达到最大，最小时为七月份。描述这种变化的方程如下：,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:1）大气效应，包括吸收和散射；2）当地大气质量的不同，如水蒸气、云层和污染；3）纬度位置不同；4）一年中季节的不同和一天里时间的不同。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,61,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。,62,1.4.1 地面太阳辐射-地球
37、表面的太阳辐射,另外，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。而在赤道地区，季节之间的变化也比较小。,1.4.2 地面太阳辐射-大气影响,在光伏应用领域，大气效应主要在以下几个方面影响着地球表面的太阳辐射：1）由大气吸收、散射和反射引起的太阳辐射能量的减少。2）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。3）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。,2023/1/20,UNSW新南威尔士大学,63,一、大气层的吸收
38、 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。1、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。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。,64,1.4.2 地面太阳辐射-大气影响,2、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）。,1.4.2 地面太阳辐射-大气影响,举例说，多数波长大于2m的远红外光会被水
39、蒸气和二氧化碳吸收。相似的，大多数波长小于0.3m的紫外光会被臭氧吸收（但还不足以完全防止晒伤！）。,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。,1.4.2 地面太阳辐射-大气影响,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。,67,太阳辐射是一种电磁辐射，其辐射波是一种电磁波，太阳辐射波既具有波动性也有粒子性。太阳辐射可分为紫外波段、可见波段、红外波段太阳辐射的能量主要集中在波长区间，属于一种短波辐射占总能量的 99。能量分布的最大值所对应的波长在 左右，属蓝色光范围。,二、
40、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。1、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。2、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。,1.4.2 地面太阳辐射-大气影响,1.4.2 地面太阳辐射-大气影响,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。,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。,三、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。覆盖云层类型的不同，入射光能量将会有不同程度的减少。,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,1.4.2 地面太阳辐射-大气影响,
