太陽能光伏發(fā)電光學(xué)原理課件

1、第二章 太陽能光伏發(fā)電光學(xué)原理2.1 光的反射和折射2.2 光的漫反射、干涉和逆向反射2.3 光的散射2.4 光的輻射2.5 到達(dá)地面的太陽輻射2.6 光電學(xué)說第二章 太陽能光伏發(fā)電光學(xué)原理2.1 光的反射和折射2.1 光的反射和折射光的傳播：A 、光在同一種均勻介質(zhì)中沿直線傳播。B、光到達(dá)兩種介質(zhì)的界面，發(fā)生反射和折射。C、光在不均勻介質(zhì)中傳播時光線發(fā)生彎曲。2.1 光的反射和折射光的傳播：一、光源能夠自行發(fā)光的物體月亮不是光源一、光源能夠自行發(fā)光的物體月亮不是光源光的直線傳播 一、光線用來表示光的傳播方向的直線。 注意理解幾點： 1)畫光線時必須有表示光的傳播方向的箭頭。 2)光線只代表光

2、的傳播方向 ，并不是實際存在的東西，而光是實際存在的。 3)光線可代表很窄、平行光束的傳播路徑。 4)兩條光線可代表一條光束的邊緣。 5)用光線可代表光的會聚、發(fā)散或平行的性質(zhì)。 光的直線傳播 一、光線用來表示光的傳播方向的二、應(yīng)用：1)已知光源可任意畫出從光源發(fā)出的光線。2)已知某光源發(fā)出的兩條光線，根據(jù)光沿直線傳播的性質(zhì)，這兩條光線的交點即是該發(fā)光體的位置。3)眼睛根據(jù)光的直線傳播確定物體的位置。4)若有一不透明物體在空間里，則光線不能直接通過這一物體。二、應(yīng)用：1)已知光源可任意畫出從光源發(fā)出的光線。2 PBSa)影是由發(fā)自光源并與投影物體的表面相切的光線所形成的。b)影子的大小決定于點

3、光源物體和光屏的相對位置。三、實際的光現(xiàn)象1、影點光源發(fā)出的光，照到不透明的物體時，在物體背后形成一個光照不到的黑暗區(qū)域，這就是物體的影。PBSa)影是由發(fā)自光源并與投影物體的表面相切的光線所形成的c)偽半影光源中心部分照不到的區(qū)域。ABCD2、若光源的發(fā)光面較大，發(fā)光面上的每個發(fā)光點，都可以看作一個點光源，它們都在物體背后造成影區(qū)，分別為：a)本影完全不受到光照射的區(qū)域。(影共有的范圍)b)半影本影的周圍還有一個能受到光源發(fā)出的一部分光照射的區(qū)域。c)偽半影光源中心部分照不到的區(qū)域。ABCD2、若光源的月球太陽地球太陽月球地球ABBAA：本影區(qū) 看到日全食 B：半影區(qū) 看到日偏食C：偽半影區(qū)

4、 看到日環(huán)食BBc月球太陽地球太陽月球地球ABBAA：本影區(qū) 看到日全2.1.1 光的反射定律 光從一種均勻物質(zhì)射到另一種均勻物質(zhì)的表面時，光會改變傳播方向，又返回到原先的物質(zhì)中，這種現(xiàn)象叫光的反射。 2.1.1 光的反射定律 光從一種均勻物質(zhì)射到另一種均勻物質(zhì)反射定律“三線同面，法線居中，兩角相等”反射定律“三線同面，法線居中，兩角相等”BOAN）（光的反射反射光線、入射光線和法線在同一平面上反射角等于 入射角反射光線和入射光線分居法線的兩側(cè)BOAN）（光的反射反射光線、入射光線和法線在同一平面上練習(xí)1：（1）（2）（3）（1）中畫出反射光線；（2）中畫出入射光線（3）中畫出鏡面。練習(xí)1：（

5、1）（2）（3）（1）中畫出反射光線；（2）中畫出漫反射漫反射：若反射面凹凸不平，而平行光雖為平行光束，反射光卻四向分散。無論單向反射或漫射，皆遵循光的反射定律。漫反射漫反射：若反射面凹凸不無論單向反射或漫射，皆遵循光的反問題：一束太陽光斜射到平面鏡的表面，平面鏡的另一側(cè)可以看到耀眼的白光；如果太陽光斜射到粗糙的木板表面，則無論從哪個方向觀察，都看不到耀眼的亮光，為什么？平面鏡會發(fā)生全反射現(xiàn)象， 而粗糙的木板的只能發(fā)生漫反射現(xiàn)象。問題：一束太陽光斜射到平面鏡的表面，平面鏡的另一側(cè)可以看到耀雨后天睛的夜晚，為了不踩到地上的積水，有經(jīng)驗的人往往這樣做：（1）迎著月光走，地上發(fā)亮處是積水；（2）背著

6、月光走，地上發(fā)暗處是積水。練習(xí)：光的反射現(xiàn)象。迎著月光走，光水人，光線這樣入眼。 背著月光走，光線沒有射入人眼，路面存在漫反射。所以，發(fā)暗處是水。漫反射：是指一束平行光線射向凹凸不平的面時，每條光線都遵循光的反射定律。鏡面反射：平行光射到光滑的平面，反射光依然平行。水洼，鏡面反射。路面，漫反射 。雨后天睛的夜晚，為了不踩到地上的積水，有經(jīng)驗的人往往這樣做：60 1200相反、有一束光線與鏡面的夾角為25，則反射光線與入射光線的夾角是 。若入射光線與鏡面的夾角從25增大到90，則反射角從 變化 1200相反、有一束光線與鏡面的夾角為25，則反射練習(xí)：如左圖所示，畫出反射

7、光線。練習(xí)：如左圖所示，畫出反射光線。2.1.2 光的折射定律2.1.2 光的折射定律光的折射光由一種介質(zhì)傳入另一種介質(zhì)時（非垂直射入），前進(jìn)方向會改變的現(xiàn)象。原因：光在不同介質(zhì)中，由于速率的不同，使得前進(jìn)方向改變。光的折射定律（1）入射線、折射線與法線在同一平面上。（2）光自光速快的介質(zhì)，傳入光速慢的介質(zhì)時，其折射線偏向法線。即折射角小于入射角。（3）光自光速慢的介質(zhì)，傳入光速快的介質(zhì)時，其折射線偏離法線，及折射角大於入射角。光的折射光由一種介質(zhì)傳入另一種介質(zhì)時（非垂直射入），前進(jìn)方向入射光與反射光及折射光的比較：入射光與反射光的比較：相同：不同：光速、頻率、波長振幅、方向入射光與折射光的比

8、較：相同：不同：頻率光速、波長、振幅、方向入射光與反射光及折射光的比較：入射光與反射光的比較：相同：光面鏡與透鏡面鏡 應(yīng)用光的反射原理透鏡 應(yīng)用光的折射原理 平面鏡 凸面鏡 凹面鏡凸透鏡 凹透鏡面鏡與透鏡面鏡 應(yīng)用光的反射原理透鏡 應(yīng)用光平面鏡的成像成像性質(zhì)：（1）為一正立虛像 （2）物距 = 像距 （3）物長 = 像長 （4）左右向反，上下不顛倒平面鏡的成像成像性質(zhì)：（1）為一正立虛像凸透鏡的成像凸透鏡各部分的名稱及繪圖：（1）主軸 （2）鏡心（3）焦點 （4）焦距（1）平行主軸的光線通過異側(cè)焦點（2）通過鏡心的光線不偏折（3）通過焦點的光線平行主軸凸透鏡的成像凸透鏡各部分的名稱及繪圖：（1

9、）主軸 （2）凸透鏡成像.tw/demolab/index.html物位置無窮遠(yuǎn)2F外2F上2FFF上F內(nèi)像位置異側(cè)F上異側(cè)F2F異側(cè)2F上異側(cè)2F外無窮遠(yuǎn)同側(cè)像性質(zhì)一點實像倒立縮小實像倒立相等實像倒立放大實像不成像正立放大實像凸透鏡成像.t凹透鏡成像凹透鏡各部分名稱及繪圖：（1）主軸 （2）鏡心（3）焦點 （4）焦距（1）平行主軸的光線向外發(fā)散，其延長線通過同側(cè)焦點（2）通過鏡心的光線不偏折（3）通過異側(cè)焦點的光線平行主軸凹透鏡成像凹透鏡各部分名稱及繪圖：（1）主軸 （2）鏡心凹透鏡成像.tw/demolab/index.html物位置無窮遠(yuǎn)2F外2F上2FFF上F內(nèi)像位置同側(cè)焦點與物同側(cè)與

10、物同側(cè)與物同側(cè)與物同側(cè)與物同側(cè)像性質(zhì)一點虛像正立縮小虛像正立縮小虛像正立縮小虛像正立縮小虛像正立縮小虛像凹透鏡成像.t面鏡與透鏡成像性質(zhì)的歸納平面鏡正立虛像、與物等大，左右相反。物靠近面鏡，像靠近面鏡且大小不變。凹面鏡正立放大虛像凸面鏡正立縮小虛像凸透鏡焦點外為倒立實像；物靠近透鏡，像原理透鏡且像逐漸變大。焦點內(nèi)為正立虛像；物靠近透鏡，像靠近透鏡起逐漸變?。ㄈ詾榉糯筇撓瘢┌纪哥R任何位置皆為正立縮小虛像；物靠近透鏡，像靠近透鏡且逐漸變大（仍為縮小虛像）面鏡與透鏡成像性質(zhì)的歸納平面鏡正立虛像、與物等大，左右相反。面鏡與透鏡的應(yīng)用凸面鏡照后鏡、旋轉(zhuǎn)道路旁所架設(shè)的凸面鏡凹面鏡手電筒的燈頭、車前燈平面鏡

11、萬花筒、鏡子等凸透鏡凹透鏡投影機(jī)、放大鏡、相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、遠(yuǎn)視眼鏡、電影放映機(jī)、顯微鏡近視眼鏡面鏡與透鏡的應(yīng)用凸面鏡照后鏡、旋轉(zhuǎn)道路旁所架設(shè)的凸面鏡凹面鏡2.2 光的漫反射、干涉和逆向反射光的漫反射：若反射面凹凸不平，而平行光雖為平行光束，反射光卻四向分散。無論單向反射或漫射，皆遵循光的反射定律。2.2 光的漫反射、干涉和逆向反射光的漫反射：若反射面凹凸不練習(xí)：1、電影銀幕為什么要用粗布做？2、平常，黑板發(fā)生了光的什么反射？ 當(dāng)黑板發(fā)生反光現(xiàn)象時，又發(fā)生了什么反射？黑板本來是會發(fā)生漫反射現(xiàn)象的，這樣坐在任意的角落的學(xué)生都能看得清黑板。但時間用久了。黑板就會很光滑，就產(chǎn)生全反射。坐在兩邊的學(xué)生就只

12、能看見亮光，看不清黑板啦。練習(xí)：1、電影銀幕為什么要用粗布做？2、平常，黑板發(fā)生了光的2.2.2 光的干涉2.2.2 光的干涉光的干涉1光的干涉現(xiàn)象 1）定義：兩列光波相遇時疊加，在某些地方光被加強(qiáng)而 某些地方減弱的現(xiàn)象。 2）干涉條件：相干光束（光源上同一點分出來的兩個光源） 注：不同光源或同一光源上不同部分發(fā)出的光不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 相干條件：頻率相同；振動方向相同；位相差恒定。光的干涉1光的干涉現(xiàn)象 1）定義：兩列光波相遇時疊加，在某單色光屏楊氏雙縫干涉（托馬斯楊）相當(dāng)于兩個完全相同的光源S1S2S1S2S*單色光屏楊氏雙縫干涉（托馬斯楊）相當(dāng)于兩個S1S2S1S2單色激光束擋板屏亮暗相

13、間等距的條紋雙縫干涉示意圖你觀察到了什么？S1S2亮條紋的中心線亮條紋的中心線暗條紋的中心線暗條紋的中心線單色激光束擋板屏亮暗相間等距的條紋雙縫干涉示意圖你觀察到了什S1S2P1SP1S2P1S1= S光程差相當(dāng)于完全相同的波源S1、S2雙縫干涉亮條紋暗條紋單色激光束相干光束S1S2P1SP1S2P1S1= S光程差相當(dāng)于完全相(1)明暗相間的條紋對稱分布于中心O點兩側(cè)。 干涉條紋特點：(2)相鄰明條紋和相鄰暗條紋等間距，與干涉級k無關(guān)。兩相鄰明（或暗）條紋間的距離稱為條紋間距。若用復(fù)色光源，則干涉條紋是彩色的。雙縫間距d，屏到擋板間距離D，光的波長。(1)明暗相間的條紋對稱分布于中心O點兩側(cè)

14、。 干涉條紋特點：各色光在真空中的波長光的顏色波長nm光的顏色波長nm紅770620綠580490橙620600藍(lán)靛490450黃600580紫450400紅光波長最大，紫光波長最小各色光在真空中的波長光的波長光的波長紅770620綠580白光用白光做雙縫干涉實驗，在屏上會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？紅光藍(lán)光亮暗相間彩色條紋白光用白光做雙縫干涉實驗，在屏上會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？紅光藍(lán)光亮楊氏干涉楊氏干涉牛頓環(huán)(Newton rings)牛頓環(huán)(Newton rings)牛頓環(huán)(Newton rings)空氣薄層中，任一厚度e處上下表面反射光的干涉條件：明條紋暗條紋牛頓環(huán)(Newton rings)空氣薄層中，任一

15、厚度e處上略去e2各級明、暗干涉條紋的半徑：隨著牛頓環(huán)半徑的增大，條紋變得越來越密。e=0,兩反射光的光程差 =/2，為暗斑。明條紋暗條紋略去e2各級明、暗干涉條紋的半徑：隨著牛頓環(huán)半徑的增大，條紋牛頓環(huán) (Newton rings) erR 波長為的單色光垂直入射到平凸透鏡與平晶間的空氣層(n=1)上，入射光從透鏡的球面上和平晶的上表面反射出來的光發(fā)生干涉兩束光的光程差:暗環(huán)o分束鏡M顯微鏡.S平凸透鏡平晶牛頓環(huán)裝置簡圖牛頓環(huán) (Newton rings) erR 波長為暗環(huán)條件：明環(huán)條件：第k個明環(huán)半徑：第k個暗環(huán)半徑：條紋特點：1.中心是暗斑；由幾何關(guān)系可知：2.隨著條紋級次k的增大,條

16、紋間距 r 減小e =0, r =0暗環(huán)條件：明環(huán)條件：第k個明環(huán)半徑：第k個暗環(huán)半徑：條紋特點牛頓環(huán)的應(yīng)用 測透鏡球面的半徑R： 已知, 測 m、rk+m、rk，可得R ; 測波長： 已知R，測出m 、 rk+m、rk， 可得。 檢驗透鏡球表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)驗規(guī)待測透鏡暗紋牛頓環(huán)的應(yīng)用 測透鏡球面的半徑R： 測波長： 檢驗透鏡球表2.2.3 光的逆向反射光的逆向反射，又稱再歸反射，和鏡面反射、漫反射不同，能使光線沿原來路徑反射回去。例如：自行車紅色尾燈。 公路兩旁的交通標(biāo)志。2.2.3 光的逆向反射光的逆向反射，又稱再歸反射，和鏡面反謝謝！謝謝！2.3光的散射 當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時，從側(cè)面是

17、難以看到光的。但當(dāng)光束通過不均勻的透明介質(zhì)時，則從各個方向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。 例如，當(dāng)一束太陽光從窗外射進(jìn)室外內(nèi)時，我們從側(cè)面可以看到光線的徑跡，就是因為太陽光被空氣中的灰塵散射的緣故。 光的散射現(xiàn)象2.3光的散射 當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時，從衍射：波在傳播過程中經(jīng)過障礙物邊緣或孔隙時所發(fā)生的傳播方向彎曲現(xiàn)象?？紫对叫?，波長越大，這種現(xiàn)象就越顯著。 小障礙物使波發(fā)生散射，較大物體使波發(fā)生反射，邊緣部分發(fā)生衍射。 按不均勻團(tuán)塊的性質(zhì)、散射可分為兩大類： （1）懸浮質(zhì)點的散射：如膠體、乳濁液、含有煙、霧、灰塵的大氣中的散射必于此類

18、。 （2）分子散射：即使十分純凈的液體或氣體，也能產(chǎn)生比較微弱的散射，這是由于分子熱運(yùn)動造成密度的局部漲落引起的，這種散射，稱為分子散射，物質(zhì)處臨界點時密度張落很大，光線照射在其上，就會發(fā)生強(qiáng)烈的分子散射，這種現(xiàn)象叫做臨界乳光。區(qū)別、區(qū)分散射、反射和衍射衍射：波在傳播過程中經(jīng)過障礙物邊緣或孔隙時所發(fā)生的傳播方向彎大氣對不同色光的散射作用不會“機(jī)會均等”的，波長短的光受到的散射最厲害。波長：紅大于紫色。把線度小于光的波長的微粒對入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleigh scattering）。瑞利散射不改變原入射光的頻率。大氣對不同色光的散射作用不會“機(jī)會均等”的，波長短的光受到的問：天空為

19、什么是藍(lán)的？旭日和夕陽為什么是紅的？云為什么是白的？答：首先，白晝天空之所以是亮的，完全是大氣散射陽光的結(jié)果。如果沒有大氣，即使在白晝，人們仰觀天空，將看到光輝奪目的太陽懸掛在漆黑的背景中。這景象是宇航員司空見慣了的。由于大氣的散射，將陽光從各個方向射向觀察者，我們才看到了光亮的天穹，按瑞利定律，白光中的短波成分（藍(lán)紫色）遭到散射比長波成分（紅黃色）強(qiáng)烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚藍(lán)色。瑞利曾對天空中各種波長的相對光強(qiáng)作過測量，發(fā)現(xiàn)與反比律頗相吻合。大氣的散射一部分來自懸浮的塵埃，大部分是密度漲落引起的分子散射，后者的尺度往往比前者小得多，瑞利反比律的作用更加明顯。所以每當(dāng)大雨澄清了塵埃的

20、時候，天空總是藍(lán)得格外美麗可愛，其道理就在這里.一天天空變化問：天空為什么是藍(lán)的？旭日和夕陽為什么是紅的？云為什么是白的由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余較多的自然是長波成分了。早晚陽光以很大的傾角穿過大氣層，經(jīng)歷大氣層的厚度要比中午時大得多，從而大氣的散射效應(yīng)也要強(qiáng)烈得多，這便是旭日初升時顏色顯得特別殷紅的原因。 白云是大氣中的水滴組成的，因為這些水滴的半徑與可見光的波長相比已不算太小了，瑞利定律不再適用，按米-德拜的理論，這樣大小的物質(zhì)產(chǎn)生的散射與波長的關(guān)系不大，這就是云霧呈白色的緣故。 由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余較多的分子散射 在光學(xué)性質(zhì)完

21、全均勻的物質(zhì)中，由于物質(zhì)分子密度的漲落而引起的散射。 概念 晴朗的天空呈現(xiàn)淺藍(lán)色；清晨日出或傍晚日落時，看到太陽呈現(xiàn)紅色；正午時太陽光，呈現(xiàn)白色。 解釋 分子散射 在光學(xué)性質(zhì)完全均勻的物質(zhì)中，由于物質(zhì)分子密度的漲落物體以輻射的方式傳遞交換的能量。2.4 光的輻射一、輻射及其特性 輻射物體以電磁波或粒子流形式向周圍傳遞或交換能量的方式。 輻射能 基本特性波粒二象性 重要特點相互的物體以輻射的方式傳遞交換的能量。2.4 光的輻射一、輻射及 波動性Vf (3-1) 波動性的反映 電磁波譜 波動性Vf (3-1) 名稱波長范圍紫外線100埃0.4微米可見光0.4微米0.76微米紅外線近紅外0.76微米

22、3.0微米中紅外3.0微米6.0微米遠(yuǎn)紅外6.0微米15微米超遠(yuǎn)紅外15微米1000微米微波毫米波110毫米厘米波110厘米分米波10厘米1米色彩名稱波長范圍紫0.400.43微米藍(lán)0.430.47微米青0.470.50微米綠0.500.56微米黃0.560.59微米橙0.590.62微米紅0.620.76微米不同電磁波的具體波長范圍可見光波長范圍名稱波長范圍紫外線100埃0.4微米可見光0.4微米0. 粒子性能量其中h6.62610-34Js，稱為普朗克常數(shù)。 輻射的度量和單位輻射通量、輻射通量密度 輻射通量及單位：定義：單位時間通過任意面積上的輻射能量。單位：Js-1或W 粒子性能量其中h

23、6.62610-34Js，稱為 輻射通量密度（E）及單位定義：單位面積上的輻射通量。單位： Js-1m-2或Wm-2E=dF/(ds.dt)dFdsdFds輻射通量密度又被稱為輻射強(qiáng)度、輻射能力或放射能力。 輻射通量密度（E）及單位定義：單位面積上的輻射通量。單位：光通量、光通量密度、照度 光通量及單位定義：表征輻射通量而產(chǎn)生光感覺的量。單位：流明（lm） 光通量密度及單位定義：單位面積上的光通量。單位：流明/米2（lmm-2） 照度及單位定義：單位面積上接受的光通量。單位： lx，音譯為勒克斯，1 lx=1 lmm-2光通量、光通量密度、照度 光通量及單位定義：表征輻射通量而產(chǎn) 物體對輻射的

24、吸收、反射和透射 概念吸收率(a) absorb ：a=Qa/Q 反射率(r) Reflex ：r=Qr/Q 折射 Refraction 透射率(d) transmission ：d=Qd/Q 入射反射吸收透射 物體對輻射的吸收、反射和透射 概念吸收率(a) absor a、r、d的變化黑體：對于投射到該物體上所有波長的輻射都能全部吸 收的物體稱為絕對黑體。故有：a，rd。 灰體：透射率d，吸收率a（r），且a不隨波 長而變化的物體。 透熱體：透射率d1，ar=0鏡體（絕對白體）：反射率r1，ad=0影響固體表面的吸收、反射性質(zhì)的，主要是表面狀況和顏色，表面狀況影響更大。 a、r、d的變化黑體：對于投射到該物體上所有波長的輻射都能2.5 到達(dá)地面的太陽輻射到達(dá)地面的太能輻射一部分以平行光的方式直接到達(dá)（直接輻射）。另一部分是太陽光線經(jīng)大氣散射，透射到地面的稱為散射輻射。太陽高度角 （h）：太陽光線與地表水平面之間的夾角。(0h90)太陽方位角 （A）：太陽光線在水平面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角。大氣透明系數(shù)(P) ：透過一個大氣質(zhì)量(m1)后的太陽輻射強(qiáng)度與透過前的太陽輻射強(qiáng)度之比。影響因子：