第二章-太陽能

第二章太陽能2.1太陽能資源2.2太陽能量的衰減2.3地表太陽能量的分布2.4日射諸量2.5太陽光頻譜2.6各種太陽電池的分光感度特性2.7太陽電池的應用2.1太陽能資源(1)普遍：太陽光普照大地，沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且勿須開采和運輸。

(2)無害：開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴重的今天，這一點是極其寶貴的。(3)巨大：每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于130萬億噸標煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。(4)長久：根據(jù)目前太陽產生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。

不足：⑴能量密度低、穩(wěn)定性差。雖然到達整個地面太陽能非常巨大，但這種能量非常分散，作為能源，它的密度太低了。因此，太陽能的利用裝置必須具有相當大的面積，才能收集到足夠的功率。但是，面積大，造價就會高。只有當采集能量裝置表面的單位造價相當便宜時，才能經濟合算的使用這太陽能利用器。

⑵太陽能受氣候、晝夜的影響太陽能受氣候、晝夜的影響很大，到達極不恒定。因此必須有貯存裝置，這不僅增加了技術上的困難，也使造價增加。目前雖然已經制成多種貯存系統(tǒng)，但總是不夠理想，具體應用也有一定困難。

根據(jù)各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為五類地區(qū)。一類地區(qū)：

為我國太陽能資源最豐富的地區(qū)，年太陽輻射總量6680～8400MJ/㎡，相當于日輻射量5.1～6.4KWh/㎡。這些地區(qū)包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達2333KWh/㎡（日輻射量6.4KWh/㎡），居世界第二位，僅次于撒哈拉大沙漠。

二類地區(qū)

為我國太陽能資源較豐富地區(qū)，年太陽輻射總量為5850-6680MJ/m2，相當于日輻射量4.5～5.1KWh/㎡。這些地區(qū)包括河北西北部、山西北部、內蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部等地。

三類地區(qū)

為我國太陽能資源中等類型地區(qū)，年太陽輻射總量為5000-5850MJ/m2，相當于日輻射量3.8～4.5KWh/㎡。主要包括山東、河南、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、蘇北、皖北、臺灣西南部等地海南年太陽總輻射量大約是5000-6000MJ/m2。四類地區(qū)

是我國太陽能資源較差地區(qū)，年太陽輻射總量4200～5000MJ/㎡，相當于日輻射量3.2～3.8KWh/㎡。這些地區(qū)包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇北部、安徽南部以及黑龍江、臺灣東北部等地。

五類地區(qū)

主要包括四川、貴州兩省，是我國太陽能資源最少的地區(qū)，年太陽輻射總量3350～4200MJ/㎡，相當于日輻射量只有2.5～3.2KWh/㎡。從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在4kWh/㎡以上，西藏最高達7kWh/㎡。2.2太陽能量的衰減太陽常數(shù)(solarconstant）：

在地球大氣上界，日地平均距離(約為1.496×108km)處，與太陽光垂直的平面上，單位面積的太陽輻射強度稱為太陽常數(shù)。

太陽常數(shù)值并不是恒定不變的，它隨著太陽活動變化而發(fā)生變化：隨太陽黑子(sunspot)數(shù)增加而增大，隨太陽黑子數(shù)減少而減小。但變化很小，其值在1325W·m-2～1457W·m-2之間。我國采用的太陽常數(shù)值為1382W·m-2

。由于太陽輻射通過大氣層到達地面時，能量總是要減弱，所以在地面上測得的太陽輻射強度總是小于太陽常數(shù)。太陽高度角(solaraltitudeangle)：

太陽高度角是太陽光線與地表水平面之間的最小夾角，在0°～90°之間變化。太陽高度角愈小，等量的太陽輻射能光束所散布的面積愈大，地表單位面積上所獲得太陽輻射能就愈少。

大氣質量：是用來定量地表示大氣的厚度的單位，用AM表示。

AM=1/sinh(h

為太陽高度角)

大氣質量實際上是光線通過大氣層的實際路程與最短路程之比。大氣圈外用AM0表示，即當太陽輻射強度為太陽常數(shù)時，ＡＭ0光譜適合于人造衛(wèi)星和宇宙飛船上的情況；垂直的地表面用AM1表示，即太陽高度角h=90°；當h=41.8°時，AM=1.5，是典型晴天太陽光照射到一般地面的情況，輻射總量為1000W/m2，常用于太陽電池和組件效率測試時的標準。測試太陽電池和組件效率時的標準大氣條件：①大氣質量AM=1.5(即太陽高度角h=41.8°)②輻射總量為1000W/m2③太陽電池溫度為25℃例1：如圖所示，太陽光線B偏離天頂方向的太陽光線30°，求此時的大氣質量。30

°BA解：由圖可知，太陽高度角

h=90°-30°=60°

或：例：1、太陽高度角h=30°時，AM=2、太陽高度角h=45°時，AM=3、太陽高度角h=60°時，AM=2.3地表太陽能量的分布太陽輻射在大氣中的減弱

反射作用

參與反射作用的物質大氣中較大的塵粒和云滴、云層。

云的反射作用

其反射能力隨云狀、云量和云厚而不同。云量愈多，云層愈厚，反射愈強。云層平均反射率為50%～55%。

吸收作用

氧、臭氧、水汽和CO2氣體成分強吸收波段弱吸收波段氧<200nm的紫外光690~760nm的可見光臭氧200~320nm的紫外光600nm的可見光水汽930~1500nm的紅外光600~700nm的可見光

主要的吸收成分

各成分的吸收波段

散射作用

當太陽輻射通過大氣時，在傳播過程中遇到大氣中的各種小微粒而使傳播方向改變，并向各個方向散開,其實質是電磁波的衍射。這種現(xiàn)象只有當大氣中的分子或其它微粒的直徑小于或相當于輻射波長時發(fā)生。

大氣的散射現(xiàn)象有以下三種情況：瑞利散射（Rayleighscattering）

米氏散射（Miescattering）

無選擇性散射（Non-selectivescattering）當大氣中粒子的直徑小于波長1/10或更小時發(fā)生的散射，由大氣中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起。

⑴瑞利散射（Rayleighscattering）

特點：散射強度與波長的四次方成反比，即I-4。瑞利散射對可見光的影響較大，對紅外輻射的影響很小，對微波的影響可以不計。當大氣中粒子的直徑大于波長1/10至與輻射的波長相當時發(fā)生的散射，由煙、塵埃、小水滴及氣溶膠等引起。

⑵米氏散射（Miescattering）

特點：米氏散射的散射強度與波長的二次方成反比，即I-2。云霧對紅外線（0.76-15m）的散射主要氏米氏散射。云、霧的粒子大小與紅外線的波長接近，所以云霧對對紅外線的米氏散射不可忽視。當大氣中粒子的直徑大于波長時發(fā)生的散射。這種散射的特點是散射強度與波長無關，任何波長的散射強度相同，因此稱為無選擇性散射。⑶無選擇性散射（Non-selectivescattering）

太陽能的衰減：⑴一般到達地球上得太陽光大約有30%得能量由于反射而損失掉了；⑵剩下的70%的能量中，有67%的能量被大氣、地表面、海面等吸收轉換成熱能；33%以蒸發(fā)、對流、降雨等形式形成流體循環(huán)能量。太陽光的放射能量中只有不到22億分之一的能量到達地球。2、到達地面的太陽輻射強度到達地面的太陽總輻射稱為全天日射，它由直達日射和散亂日射組成。

直達日射定義

單位時間內以平行光形式投射到地表單位水平面積上的太陽輻射能。

散亂日射

陽光被大氣散射后，單位時間內以散射光形式到達地表單位水平面積上的太陽輻射能。

定義太陽總輻射強度及其影響因素

太陽高度角：

太陽總輻射與太陽高度呈正相關關系。大氣透明度：

大氣透明度差，到達地面的太陽直接輻射減少，故太陽總輻射減少。大氣質量：

大氣質量AM愈大，到達地面的太陽總輻射愈少。緯度：緯度愈高，太陽總輻射愈低。海拔：海拔愈高，地面接受的太陽總輻射愈強。

坡度坡向：北半球北回歸線(23.5°N)以北地區(qū)，緯度愈高，愈是表現(xiàn)出南坡向陽、北坡背陰，冬季比夏季顯著。云：一般云愈厚，愈多，太陽直接輻射愈弱，散射輻射的比例增大。2.4日射諸量1、日射強度：一般用單位面積、單位時間的能量密度來表示。單位是mW/cm2、KW/m2、J/(cm2

?min）。2、日射量：由日射強度和時間決定，每日、每月累計得到。單位是Wh或KWh。3、日照時間：在直達日射為0.12KW/m2的日射強度下得累計時間數(shù)稱為日照時間。4、日射變化：日射強度受季節(jié)、時刻、天氣的影響而發(fā)生的變化稱為日射變化。2.5、太陽輻射光譜太陽輻射能隨波長的分布曲線。大氣上界的太陽輻射光譜圖中：實線是大氣上界的太陽輻射光譜；虛線是溫度在6,000K時的黑體輻射光譜。

太陽光具有較連續(xù)的光譜，波長范圍350~2500nm?？梢姽獠ㄩL范圍：400~750nm，約占總能量的44%；紫外光波長范圍：＜400nm，總能量約占8%，具有殺菌功能；紅外光波長范圍：＞750nm，總能量約占48%。

幾個重要波段名稱波段(nm)占總能量的比例（%）效應作用可見光400—75044光效應植物光合作用紅外光>75048熱效應加熱地球、大氣和生物紫外光<4008化學效應殺菌消毒、促進種子萌發(fā)波譜隨h的變化

太陽高度角降低，直接輻射光譜中，波長較長的部分逐漸增加，波長較短的部分逐漸減少。太陽直接輻射波譜隨h的變化輻射波譜（nm）太陽高度角（度）0.551020305090紫外線00.41.02.02.73.24.7可見光31.238.641.042.743.743.945.3其中:

紫光（400～440）00.60.82.63.84.55.4藍光（440～495）02.14.67.17.88.29.0綠光（495～565）1.72.75.98.38.89.29.2黃光（565～595）4.18.010.010.29.89.710.1紅光（595～750）25.425.219.714.513.512.211.5紅外線（＞750）68.861.058.055.353.552.950.0不同太陽高度時太陽直接輻射光譜中各部分的相對強度(總輻射量＝100％)

散射輻射光譜隨太陽高度角、大氣透明系數(shù)和云量而變化。

干潔空氣中，h降低，散射輻射中波長較短的部分逐漸減少，波長較長部分逐漸增多，而波長在400nm-600nm的可見光幾乎不隨h而變化。h（度）<400400～600>60035.953.340.81514.658.227.23020.456.123.54523.254.822.06024.654.221.29025.853.520.7不同太陽高度角時各散射光譜段的相對比率

太陽散射輻射波譜隨h的變化碧空和陰天時散射光譜能量的分布

當天空中有較多粗?；蛉煊性茣r，散射輻射光譜中的長波部分能量增加，其最大輻射能力波長也向長波方向移動。

2.6各種太陽電池的分光感度特性分光感度特性：

太陽電池對應于不同光的波長的響應特性稱為分光感度特性。

多晶硅太陽電池的分光感度特性一般在300~1200nm。

非晶硅太陽電池的分光感度特性一般在300~800nm。

CdS/CdTe太陽電池的分光感度特性一般在500~900nm。二層串聯(lián)非晶硅太陽電池的分光感度特性一般在300~800nm。2.7.太陽能電池的應用

上世紀60年代，科學家們就已經將太陽電池應用于空間技術——通信衛(wèi)星供電。

上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結合已經形成產業(yè)化趨勢。用戶太陽能電源1.小型電源10-100W不