太陽電池原理與光伏技術(shù)

1、太陽電池原理與光伏技術(shù)主要內(nèi)容第一章太陽電池和太陽光參考書目1.太陽電池工作原理、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.第一章太陽電池和太陽光1.1太陽電池發(fā)展概況1839年，法國科學家Becquerel首先報導(dǎo)了太陽電池的光伏效應(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)了第一塊硅太陽電池，標志太陽電池研制工作的重大進展；1958年,太陽電池首次在空間應(yīng)用,裝備美國先鋒1號衛(wèi)星；1959年，第一個多晶硅太陽電池問世,效率達5%;1960年

2、，硅太陽電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行；1975年，非晶硅太陽電池問世；1998年，單晶硅光伏電池效率達24.7%，多晶硅太陽電池產(chǎn)量第一次超過單晶硅太陽電池而成 為世界光伏電池之王；1999年，日本太陽電池總產(chǎn)量第一次超過美國而居世界之首，其中85%用于太陽能光伏建筑 集成。1.2陽光的物理來源1.2.1太陽的結(jié)構(gòu)太陽是距離地球最近的一顆恒星.日地距離為 1.49597892x108Km.太陽直徑為1.392 x106Km，是地球的109倍;體積比地球大130多萬倍.太陽平均密度為1.4g/cm3,即比水的密度大50%,太陽內(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,總計占1.8%.圖1-1太陽結(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陽光的光譜分布1.3太陽與地球間關(guān)系的天文背景天球與天球坐標系天球 :以觀察者為球心，以任意長為半徑，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，地平面無限延展可將天球分割在兩個半球；地平面與天球的交線是一個 大圈，稱為地平圈 天頂慶底:通過觀察者頭頂?shù)你U垂線向兩端無限延展，與天球的交點分別稱做天 頂和天底。周日運動:天球每日旋轉(zhuǎn)一周，稱做周日運動。

4、天極 ：在旋轉(zhuǎn)過程中，天球上有兩個不動點，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天球及天球坐標系天球坐標系的種類(與太陽能利用有關(guān)的坐標系為地平坐標系和時角坐標系)地平坐標系:以地平圈為基本圈，天頂為基本點，南點為原點的坐標系叫做地平坐標系。赤道坐標系：以南點為原點的第一赤道坐標系或稱時角坐標系以春分點為原點的第二赤道坐標系黃道坐標系銀道坐標系(1)地平經(jīng)：在地平坐標系中，過天頂和太陽(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，從原點S沿地平圈順時針方向計量，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。天頂距ZX,Z=90-h：弧zx稱天頂距，自z起計量，用z表示。顯然z=90-h.北點N圖1-5地平坐標系-時角坐標系：以天赤道為基本圈，北天極為基本點，天赤道和子午圈在南點附近的交點為原點的坐標系叫時角坐標系或第一赤道坐標系。:過北天極和太陽（或任一天體）X作一大圈叫做時圈。- 時角：時圈與天赤道交于T點。自原點Q開始順時針方向計量到T，弧QT稱為時角。（以度，分，秒表示，或時，分，秒表示）-赤緯（弧XT）， 從天赤道算起，向上為正，向下為負

6、。；太陽時角和太陽時之間的關(guān)系式：T: = （hh + rnrn 12） X 15060圖1-6時角坐標系天底圖1-7地平坐標系與時角坐標系兩坐標系之間的換算：從一個坐標系向另一個坐標的轉(zhuǎn)換，可借助于球面三角邊角關(guān)系的有 關(guān)定理進行。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太陽常數(shù)：在地球大氣層之外，地球-太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射能基本為一常數(shù)。這個輻射強度稱為太陽常數(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常數(shù)值是1.353kW/m2，這個數(shù)值是由裝在氣球，高空飛機和 宇宙飛船上的儀器的測量值加權(quán)平均而確定的。陽光能量的精確分布對于太陽電池的工作很重要，因為這些電池對于不同波長

8、的光有不同的 反應(yīng)。1.5地球表面的陽光強度： 陽光穿過地球大氣層時，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。這種散射對所有波長的太陽光都有衰減作用，但對短 波長的光衰減最大；（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。光學大氣質(zhì)量：太陽在頭頂正上方時，路程最短，太陽光線的實際路程和此最短路程之比稱 為光學大氣質(zhì)量。太陽在頭頂正上方時，光學大氣質(zhì)量為1，這時的輻射稱為大氣質(zhì)量為1（AM1）輻射。當太陽和頭頂正上方成一個角度。時，大氣質(zhì)量由下式得出：大氣質(zhì)量=1/cos9估算大氣質(zhì)量的簡易方法是測量高度為h的豎直

9、物體投射的陰影長度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，到達地球的能量在所有波段都遭到衰 減。在陽光的光譜分布中，吸收帶附近衰減更為嚴重。與地球大氣層外的情況相反，地面陽光的強度和光譜成分變化都很大。因此為了對不同地點 測得的不同太陽電池的性能進行有意義的比較，就必須確定一個地面標準，然后參照這個標 準進行測量。（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：到達地面的太陽光，除了太陽的直接輻射外，還包括由大氣層散射引起的相當可觀的間接輻 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%。 散射陽光的光譜成分不同于直接輻射的光譜成分，一般散射陽光中含有更豐富的波長較短 的光或“藍”波長的光，這使太陽電池系統(tǒng)接收到的光的光譜成分進一步變化。圍繞太陽的空際是產(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太陽的視運動：地球每天繞虛設(shè)的地軸旋轉(zhuǎn)一周，地軸相對于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面有固定的取向，這個方向與軌道平面的夾角即太陽的赤緯（23。27）。圖1-8太陽相對于一個在北緯35。固定點的觀察者的視運動（圖中給出在兩分點、冬至和夏至的太陽路徑，還示出太陽在這幾天正午的位置，黑圓圈表示正午前后3小時的太陽位置）

11、圖1-8示出太陽相對于一個處于北緯35。的觀察者的視運動。在任意給定的一天，太陽視運 動的軌道平面和觀察者站立的垂直方向所成角度，等于其所在地點的緯度值。在兩分點（3 月21日和9月23日），太陽從正東升起由正西落下，因此在春分和秋分這兩天，太陽在正 午的高度等于90。減去緯度。夏至和冬至（對北半球分別為6月21日和12月22日，而南 半球則相反），正午的太陽高度正好比兩分點增加或減少一個地球赤緯（有時稱方位角）（23。27）1.8太陽的日照數(shù)據(jù)：在設(shè)計光伏系統(tǒng)時，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記錄。包括直 接輻射和散射輻射數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度，風速和風向。在給定地點，影響有效日照

12、的因素有：緯度，高度，氣候類別，主要植被，當?shù)氐乩硖卣?。最?jīng)常使用的數(shù)據(jù)是水平面上總輻射的日平均值。實際使用的測量儀表有：（1）輻照度計，用來測定瞬時輻照度值，是利用光電或光熱效應(yīng)制成的一種比較靈敏的 探測儀器。（2）日時計或總輻射計，是測量一天中輻照量的儀器，利用光電或光熱效應(yīng)的累計作用 制成。這種儀器一般探測到的不僅是直接太陽輻射，而且還包括漫射的太陽能，即測得的輻 射量是太陽的總輻射量。1.9太陽能的特點（1）優(yōu)點：a）結(jié)構(gòu)簡單，體積小且輕b）易安裝運行，建設(shè)周期短；c）容易起動，維護簡單，使用方便；d）清潔，安全，無噪聲；e）可靠性高，壽命長；f）應(yīng)用范圍光；g）降價速度快，能量償還時間將縮短。通常定義能量回收時間tb以下式表示：tb=pc/pw, PC為制造太陽能電池所消耗