光伏太陽能電池電池教程

2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)1

光伏：

器件、系統(tǒng)及應(yīng)用

by

ChristianaHonsberg&StuartBowden

一直以來，對專業(yè)教育的普遍缺乏被認為是光伏電池得到恰當(dāng)應(yīng)用的一個主要障礙。光伏電子課程面向的是學(xué)生和擁有基本專業(yè)知識的個人，例如，比較熟悉電子電路知識，但現(xiàn)在還沒有掌握光伏器件和太陽能系統(tǒng)領(lǐng)域的知識。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)2&0.1太陽能&0.2光伏發(fā)電&0.3溫室效應(yīng)序言：太陽能發(fā)電的介紹

2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)3&0.1太陽能

太陽能，從某種形式上說，是地球上幾乎所有能源的源頭。而人類，像所有其它的動物和植物一樣，因為溫暖和食物而依賴于太陽。然而，人類同時還以許多不同的方式利用太陽的能量。比如，化石燃料，一種來自以前地質(zhì)時代的植物材料，就被用在交通運輸和發(fā)電上。本質(zhì)上它就是儲存了無數(shù)年以前的太陽能。類似的，生物把太陽能轉(zhuǎn)換成可以用來加熱、運輸和發(fā)電的燃料。風(fēng)能，幾百年來被人們用來提供機械能以及用于運輸?shù)哪茉?，利用的是被太陽光加熱的空氣和地球轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的空氣流動。如今，風(fēng)力渦輪機把風(fēng)2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)4&0.1太陽能

能轉(zhuǎn)換成電能，同時也用在傳統(tǒng)用途上。甚至水電也是源之太陽能。水力發(fā)電依賴于太陽光蒸發(fā)的水蒸氣，水蒸氣以雨水的形式回到地球并流向水壩。光伏發(fā)電（通常簡稱為PV）是一種簡易而優(yōu)美的利用太陽能的方式。光伏器件（太陽能電池）是獨特的，因為它能把入射光線直接轉(zhuǎn)換成電而不會產(chǎn)生噪音、污染且不需要移動零部件，這使得它們很牢固、可靠以及壽命長久。需要指出的是，太陽能電池跟通訊及電腦革命基于同樣的原理和材料。而我們這個電子教程包括了光伏器件和系統(tǒng)的運行和應(yīng)用。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)5

位于澳大利亞東海岸的蒙塔古小島———一個國家公園和野生動物保護區(qū)，太陽能點亮了這里房子。圖上左邊的小太陽能電池板為燈塔提供電力，同時右邊大塊的電池板負責(zé)為圖片里面露出一部分的房屋供電。房屋里存放著給國家公園守護者和島上的研究者的設(shè)備。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)6&0.2光伏發(fā)電的介紹

光伏發(fā)電是指使用太陽能電池把陽光直接轉(zhuǎn)化成電的過程。今天，它正在快速地成長并成為常規(guī)化石燃料發(fā)電的越來越重要的替代品。但是，相比其它的發(fā)電技術(shù)，光伏發(fā)電還是個后起之秀，直到1950年代第一個實用的光伏器件才被展示出來。1960年代，太空工業(yè)里衛(wèi)星應(yīng)用對有別于電網(wǎng)的電力供應(yīng)的需求巨大地推動了光伏產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展。當(dāng)時的太陽能電池要比現(xiàn)在的貴上好幾千倍，而且對那種有別于傳統(tǒng)的發(fā)電方式的需求還是十年以后才出現(xiàn)的。但是在幾個潛在的專業(yè)市場上，相對于快速發(fā)展的晶體管，太陽能電池成為了一個令人感興趣的科學(xué)變化。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)7&0.2光伏發(fā)電的介紹1970年代發(fā)生的石油危機把全世界的眼光都聚焦在了對能為陸地上的人們所用的可替代能源的需求上，而這也反過來推動了光伏作為一種能為陸地上的人們所用的發(fā)電方式的研究。盡管石油危機被證明是短暫的以及對太陽能電池發(fā)展的經(jīng)濟支持的減少，但此時太陽能電池儼然已經(jīng)進入了發(fā)電技術(shù)的競爭者行列。它在偏遠的電力供應(yīng)地區(qū)的應(yīng)用和優(yōu)勢迅速地被人們認識到，并推動了陸地光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。小尺寸的可攜帶的應(yīng)用2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)8&0.2光伏發(fā)電的介紹（如計算器和手表）開始被使用，并讓偏遠地區(qū)的電力供應(yīng)受益匪淺。到了1980年代，對硅太陽能電池的研究獲得了回報，電池的發(fā)電效率開始提高。1985年硅電池的效率達到了里程碑式的20%。在緊接著的十年，光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了每年15%到20%之間的穩(wěn)定增長。1997年增長率達到了38%。而今天，太陽能電池不再被認為只是一種提供電力和提高那些電網(wǎng)還沒到達的偏遠地區(qū)的人們生活質(zhì)量的方法。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)9&0.2光伏發(fā)電的介紹

而是還作為一種能顯著地減少由先進工業(yè)國家照成的環(huán)境破壞的影響的方法。不斷增長的市場和光伏發(fā)電的鮮明個性意味著比以往任何時候都多的應(yīng)用正在以光伏的形式被推動著。這些應(yīng)用的領(lǐng)域從幾兆瓦的發(fā)電站到無處不在的太陽能計算器。此電子教程旨在提供陸地太陽能發(fā)電的概況以向非專業(yè)人士提供基本的信息。我們希望，在使用了光伏電子教程后您能明白光伏器件和系統(tǒng)運作的基本原理，能夠識別相應(yīng)的應(yīng)用，有能力承擔(dān)光伏系統(tǒng)的設(shè)計。隨著熟悉光伏概念和應(yīng)用的人越來越多，我們希望能提高太陽能發(fā)電在適當(dāng)應(yīng)用方面的使用。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)10&0.3溫室效應(yīng)

盡管因為其十足的實用性和經(jīng)濟性，太陽能電池在今天被所人們使用著，但是使用太陽能發(fā)電的潛在好處就是，光伏發(fā)電是所有發(fā)電方式中對環(huán)境最友好的一種。發(fā)電對環(huán)境的影響，特別是溫室效應(yīng)，是又一個促使人們研究太陽能發(fā)電的因素。接下來將給出對溫室效應(yīng)的簡短概述。地球的溫度是來自太陽的輻射跟從地球射向太空的輻射達到平衡的結(jié)果。地球大氣層的存在和物質(zhì)的構(gòu)成強烈地影響著從地球排放出去的輻射。如果我們地球像月球一樣沒有大氣層，那么地球表面的平均溫度將下降到大約零下18°C。然而，自然形成的占大氣質(zhì)量百萬分之270（270ppm）的二氧化碳（CO2），吸收了飛向太空的輻射，也因此保存了大氣的能量，讓地球保暖。大氣層使地

2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)11&0.3溫室效應(yīng)

球平均溫度保持在15°C左右，比月球的高33°C。二氧化碳強烈地吸收波長在13-19微米波段的輻射，而另外一種大氣氣體——水蒸氣，能強烈吸收波長在4-7微米波段的輻射。大多數(shù)逃逸出地球的輻射的波長集中在7-13微米波段這個“窗口”。人類活動正在不斷地向大氣排放“人造氣體”，這些氣體能吸收波長在7-13微米范圍內(nèi)的輻射，特別是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化物以及含氯氟烴（CFC’S）。這些氣體阻礙了熱能的正常逃逸并有可能使地表溫度升高?，F(xiàn)有的證據(jù)顯示，到2030年，起效果的CO2水平將是現(xiàn)在的兩倍。致使全球溫度升高1到4度。這將引起風(fēng)的流動模式和降雨2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)12&0.3溫室效應(yīng)

量的變化，其結(jié)果可能導(dǎo)致大陸內(nèi)部變得干旱以及地球海平面上升。排放的人造氣體增長的越多，當(dāng)然造成的影響就越嚴重。

大氣中，二氧化碳含量的上升（藍線）與平均溫度（紅線）的上升相聚在一起。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)13&0.3溫室效應(yīng)

很顯然，人類現(xiàn)在活動的規(guī)模已經(jīng)達到了能夠影響地球環(huán)境和它對人類的吸引力的程度了。它的副作用將是毀滅性的，在未來的幾十年，那些對環(huán)境影響很小以及不排放溫室氣體的技術(shù)將變得越來越重要。能源領(lǐng)域因為其燃燒化石燃料而成為溫室氣體的最主要生產(chǎn)者，像光伏發(fā)電這種能夠代替化石燃料的技術(shù)必須得到越來越多的應(yīng)用。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)14第一章：光的特性&1.1光的基本原理&1.2黑體輻射&1.3太陽輻射&1.4地表太陽輻射&1.5太陽輻射數(shù)據(jù)2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)15&1.1.1光的基本原理

—光的特性

每秒鐘地球接收到的太陽能是人類每年能量需求的好幾倍。我們每天能看到的光只是從太陽發(fā)射然后進入地球的能量的一小部分而已。太陽光是電磁波的其中一種形式，而我們看到的可見光也只是我們右邊顯示的電磁波普的一個小子集。在電磁波普里，光被描述成有特定波長的波。光是一種波的說法首先在18世紀早期被人們接受，當(dāng)時由楊、阿拉戈和菲涅耳所做的實驗顯示出了光的干涉可見光2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)16&1.1.1光的基本原理

—光的特性

效應(yīng)，表明光是由波構(gòu)成的。到了1860年代，光被認為是電磁波普中的一部分。然而，到了18世紀后期，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)實驗中測量的由熱體所發(fā)出的電磁波的波普不能被波動方程所解釋時，光是波的觀點所引發(fā)的問題便開始顯現(xiàn)出來。這個矛盾被普朗克在1900年和愛因斯坦在1905年的工作化解了。普朗克認為，光的總能量是由不可分的能量元素或能量量子所構(gòu)成。而愛因斯坦在研究光電效應(yīng)（當(dāng)光照射在特定的金屬或半導(dǎo)體上時會釋放電子）時準確地得出了這些能量量子的值。鑒于他們在這個領(lǐng)域的成就，普朗克和愛因斯坦分別在1918年和1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，同時，基于他們的工作，人們認為光可能是由一系列的“包”或被叫做光子的能量粒子組成。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)17&1.1.1光的基本原理

—光的特性

今天，量子力學(xué)即解釋了光的波動性又解釋了光的粒子性。在量子力學(xué)中，像所有其它量子力學(xué)粒子（如電子、質(zhì)子等）一樣，對光子最準確的描述就是“波包”。波包被定義為一群平面波的疊合，這些平面波有可能以干涉在一個局限的空間的形式（就像一個方波是由無數(shù)的正弦波所組成一樣）出現(xiàn)，也有可能只是簡單地像一個波一樣交替出現(xiàn)。當(dāng)波包以局限在一個小空間的形式出現(xiàn)時，它就被看做粒子。因此，視情況的不同，一個光子有可能以波的形式或粒子的形式出現(xiàn)，這個概念就就叫“波粒二象性”。

2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)18&1.1.1光的基本原理

—光的特性右邊動畫描述的是不同波長的光的波包。對光的特性的完整物理學(xué)描述需要用量子力學(xué)分析，因為光是量子力學(xué)粒子中的一種，所以被叫做光子。對光伏應(yīng)用來說，較少要求這么詳細的知識，因此，在這里，在光的量子特性方面只給出了少量的文字描述。盡管如此，在某些情況下（幸運的是，僅僅涉及到光伏系統(tǒng)方面），根據(jù)這里的簡單解釋，2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)19&1.1.1光的基本原理

—光的特性

光的行為方式可能會違背常識?！俺ＷR”指的是我們自己的觀察，觀察量子效應(yīng)不能依靠常識，因為這些效應(yīng)產(chǎn)生的條件超出了人類的觀察范圍。如果需要了解更多關(guān)于光的知識，請參考《費恩曼.1985》。下面列出幾個入射太陽光的重要特性，這些特性在決定入射光與太陽能電池或其他器件如何作用時非常重要。這些重要的特性是：入射光的光譜容量太陽輻射的功率強度太陽光入射到太陽能電池的角度一年或一天，太陽光照射到特定表面的總能量學(xué)完這章之后，你應(yīng)該對以上的四個概念有所掌握。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)20&1.1.2光的基本原理

--光子的能量

一般用波長（符號為λ）或相對應(yīng)的能量（符號為E）來描述一個光子的特性。子的能量與波長之間存在反比例關(guān)系，方程如下：

E=hc/λ

其中h是普朗克常數(shù)，c表示光速。它們以及其它常用的常數(shù)的數(shù)值都顯示在常數(shù)頁.

上面的反比例關(guān)系表示，由光子組成的光的能量越高（比如藍光），波長就越短。能量越低（如紅光），波長越長。當(dāng)描述光子、電子等粒子時，共同使用的能量單位是

2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)21&1.1.2光的基本原理

--光子的能量

“電子伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。一個電子伏特的能量相當(dāng)于把一個電子的電勢提高一伏所需要的功，所以

要實現(xiàn)電子伏特與焦耳的轉(zhuǎn)換，只需用電荷量q乘于1電子伏特的能量。公式如下:E(J)=q×E(eV)在表達關(guān)于eV和μm方面的光子能量方程的時候，我們找到了表示能量與波長之間的關(guān)系

E（eV）=1.24/λ（μm）2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)22&1.1.2光的基本原理

--光子的能量

通過上面的公式，可求出特定波長的光子的能量大小。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)23&1.1.3光的基本原理

--光子通量

光子通量被定義為單位時間內(nèi)通過單位面積的光子數(shù)量：

光子通量是決定太陽能電池產(chǎn)生的電子數(shù)量和電流大小的重要因素。然而，單單光子通量并不足以確定太陽能電池產(chǎn)生的電流大小或說明光源的特性。光子通量沒有包含關(guān)于入射光子的能量或波長的信息。因此，除非額外提供了光子能量方面的信息，否則功率強度（或吸收效率）就不能被確定。對于一群能量相同（單色光）且光子能量已經(jīng)知道的光子來說，總的輻射功率強度（以W/m22024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)24&1.1.3光的基本原理

--光子通量為單位）可以用以下公式計算：

其中Φ指的是光子通量，E是以單位eV計算的光子能量。上面公式的應(yīng)用之一是，表明了要獲得同樣的輻射強度，高能量的光子（短波）所需的光子通量比低能量的光子（長波）所需的光子通量小。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)25&1.1.4光的基本原理

--光照度

作為光子波長（或能量）的對應(yīng)量，光照度（記作F）是描述光源性質(zhì)最常用的方式。光照度的單位是Wm-2μm-1.其中Wm-2指的是波長λ（μm）的功率強度。則可知，m-2指的是光照射的表面積，μm-1是特定波長。在分析太陽能電池時，通常即需要光子通量也需要光照度。通過把特定波長的光子通量轉(zhuǎn)化成Wm-2的形式（見上一節(jié)光子通量），光照度便可以由光子通量確定。然后把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果除于波長，方程如下所示：2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)26&1.1.4光的基本原理

--光照度

式中F為光照度（單位Wm-2μm-1

），Φ為光子通量，E（eV）和λ（μm）分別是光子的能量和波長。q、h和c都是常數(shù)。波長（nm）光照度光照度右圖為氙氣（綠色）、鹵素（藍色）和水銀（紅色）的燈泡（以左邊軸為縱坐標）發(fā)出的光的光照度與太陽光的光照度（粉紅色，以右邊軸為縱坐標）。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)27&1.1.5光的基本原理

--輻射功率強度

發(fā)射自光源的總的功率強度可以通過所有波長或其對應(yīng)的能量的光照度的疊加計算獲得。然而，計算光源光照度的近似方程通常并不存在。取而代之的是，被測量出的光照度乘于所處波長范圍，然后計算所有的波長的光照度。下面的方程可以用來計算光源發(fā)出總的功率強度:

式中H為光源發(fā)出的總功率強度，以Wm-2為單位；F（λ）是以Wm-2μm-1為單位的光照度，而dλ及Δλ都是波長。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)28&1.1.5光的基本原理

--輻射功率強度

右邊的動畫展示了由給定的光照度得到功率強度的過程。

2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)29&1.2.1黑體輻射

--黑體輻射許多常見的光源如太陽和白熾燈都是相似的黑體模型。一個黑體能夠吸收所有入射到它表面的電磁波，并基于溫度的不同輻射出不同的電磁波。黑體一詞的來源基于這樣一個事實，就是如果物體輻射出的電磁波不在可見光范圍內(nèi)，而照射到物體的所有電磁波又都被吸收了，那么它一定是不可見的、黑的。在黑體輻射中，對光伏研究者來說，可見光部分是大家更關(guān)心的地方。輻射自黑體的光照度由普朗克輻射定律給出，其方程如下：

式中λ是光的波長，T和F分別為黑體的溫度和光照度，而h、c和k都是常數(shù)。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)30&1.2.1黑體輻射

--黑體輻射黑體輻射出的總功率強度可由所有波長的光照度的積分得到：

σ和T分別為斯特番—波耳茲曼(Stefan-Boltzmann)常數(shù)和黑體溫度。另外一個很重要的黑體輻射參數(shù)是光照度最高處的波長λ，換句話說就是此波長輻射出的能量最高。對光照度方程進行求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)為零處的波長就是上面說的峰值波長λ。這就是維恩定律，方程由下給出：

其中λp是光照度峰值處的波長，T為黑體溫度。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)31&1.2.1黑體輻射

--黑體輻射打開下面的動畫便可看到黑體輻射的光譜、能量和峰值波長是如何隨著黑體溫度（2000到6000k之間）的改變而改變的：

上面的方程和動畫顯示，當(dāng)黑體溫度升高時，光譜分配和光的能量也隨之改變。比如溫度接近室溫時，黑體（如人類身體或關(guān)掉的燈泡）將會輻射出低功率的電磁波，能量主要分布在低于10μm的波譜段，超出了人類眼睛的可視范圍。如果黑體溫度被加熱到3000k它將會變成紅色，因為輻射光能量增強了，并且波譜也轉(zhuǎn)向了可見光領(lǐng)域。如果燈絲的溫度上升到更高的6000k，輻射出的波長將集中在紅色光和紫色光之間的可見光波段，并呈現(xiàn)白色。下面的圖比較了在三個不同溫度時黑體輻射的光照度。在室溫下300k的黑體2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)32&1.2.1黑體輻射

--黑體輻射（黑點連成的線）在可見光波段基本上沒有能量輻射。紅外光波段附近的輻射如下圖顯示。由于輻射能量的巨大差異以及能量所在的波長范圍有很大的不同，下圖更加清楚地顯示了黑體輻射波譜（溫度的函數(shù)）的變化。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)33&1.3.1太陽輻射

--太陽太陽是一個充滿氣體的熱球，其內(nèi)部因太陽內(nèi)核發(fā)生核聚變反應(yīng)（氫轉(zhuǎn)化成氦），溫度超過20000000k。但因為接近太陽表面的氫原子層的強烈吸收，來自內(nèi)核的輻射無法被看見。熱量通過對流的方式被轉(zhuǎn)移出這一氫原子層。太陽被叫做光球，其表面溫度大概在6000K左右或者更精確點5762±50K，接近于一個黑體。通過功率強度乘于太陽的表面積可以計算得到太陽輻射的總功率，為9.5×1025w

太陽輻射的總功率不只是由單一的波長構(gòu)成的，而是由許多波長組成，因此在人眼中呈現(xiàn)白色或黃色。使太陽光透過棱鏡便可以看到這些不同波長的光了，或者透過水霧便可看見彩虹。不同波長的光呈現(xiàn)不同的顏色，但不是所有波長的光都能被看見因為有一些對人的眼睛來說是不可見的。低能量光子高能量光子太陽光玻璃三棱鏡2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)34&1.3.2太陽輻射

--太空中的太陽輻射在太空中與太陽有一定距離的物體，其吸收的太陽光只占太陽總輻射的一小部分。太陽光照度（Ho單位W/m2）指的是照射到物體的太陽光的功率強度。在太陽的表面，輻射功率強度相當(dāng)于6000k黑體的輻射強度，其總的功率強度等于這個值乘于太陽表面積。然而，在遠離太陽表面的地方，太陽總的功率強度就被擴散至大得多的表面。因此，隨著太空中的物體距離太陽越來越遙遠，照射到其表面的太陽光照度也越來越小。距離太陽為D的物體接收到的太陽光照度可以通過總的太陽功率強度在物體所在球面的平均劃分得到。太陽輻射的總功率強度可由σT4乘于太陽的表面積（4πR2）給出，其中R為太陽半徑。當(dāng)物體距離太陽為D時，太陽光照射在此處的球面面積為4πD2.因此，入射到物體的太陽光輻射強度2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)35&1.3.2太陽輻射

--太空中的太陽輻射Ho（單位W/m2），為：式中Hsun（單位W/m2）為太陽表面的功率強度，由斯特番—波耳茲曼(Stefan-Boltzmann)的黑體方程確定。R和D分別為太陽的半徑和與太陽的距離，單位都為m，如下圖所示：在距離為D處，來自太陽的同樣多的能量擴散到面積大得多的區(qū)域，太陽光的功率強度也隨之減小了許多。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)36&1.3.2太陽輻射

--太空中的太陽輻射行星

距離（x109m）太陽光（W/m2）水星578908.0金星1082481.3地球1501286.3火星227561.7木球77847.8土星142614.2天王星28683.5海王星44971.4冥王星58060.9

右邊的表格給出了太陽系每個行星的太陽光照度的標準值2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)37&1.3.3太陽輻射

--地球大氣層外的太陽輻射地球大氣層外的太陽輻射強度可通過太陽表面的輻射功率強度（Hsun

，5.961x107W/m2）、太陽半徑（Rsun）和地球與太陽之間的距離D計算得到。其結(jié)果大約為1.36KW/m2.下圖顯示了計算地球表面太陽光照度時使用的幾何常數(shù)：H（W/m2）是大氣層外的輻射功率強度，Hconstant是太陽光常數(shù)值，1.353kw/m2，n為一年中的第幾天。

實際的功率強度會有輕微的變化，因為地球以橢圓形軌道圍繞太陽公轉(zhuǎn)以及太陽的輻射功率也是一直在改變著的。由橢圓形軌道引起的改變大概在3.4%左右，一月份時太陽光照度達到最大，最小時為七月份。描述這種變化的方程如下2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)38&1.3.3太陽輻射

--地球大氣層外的太陽輻射

一般來說這些變化都是非常小的，對光伏應(yīng)用來說，太陽光照度可看做是一個常數(shù)。這個常數(shù)的值及其光譜已經(jīng)被定為標準值，叫作大氣質(zhì)量零輻射（airmass-zeroradiation）,記作AM0.此時輻射值為1.353KW/m2.（可參考&1.4太陽輻射—大氣質(zhì)量）2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)39&1.4.1地面太陽輻射

--地球表面的太陽輻射

當(dāng)入射到地球大氣層的太陽輻射相對穩(wěn)定時，影響地球表面輻射的主要因素是:大氣效應(yīng)，包括吸收和散射當(dāng)?shù)卮髿赓|(zhì)量的不同，如水蒸氣、云層和污染緯度位置不同一年中季節(jié)的不同和一天里時間的不同上述的效應(yīng)在幾個方面影響了地球表面對太陽輻射的吸收。包括總的吸收能量和光譜含量的變化，以及光射到地球表面的角度的變化。另外，還有關(guān)鍵的一點就是，在不同的地方其太陽輻射的易變性也會有很大差別。易變性即受云層和季節(jié)變化等地方因素影響，又受其它例如不同緯度白天的長短不同等因素影響。沙漠地區(qū)由于當(dāng)?shù)卦茖拥却髿猬F(xiàn)象比較穩(wěn)定而擁有較低的易變性。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)40&1.4.1地面太陽輻射

--地球表面的太陽輻射而在赤道地區(qū)，季節(jié)之間的變化也比較小。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)41&1.4.2地面太陽輻射

--大氣影響

大氣效應(yīng)在幾個方面影響著地球表面的太陽輻射。在光伏應(yīng)用領(lǐng)域其主要影響為：由大氣吸收、散射和反射引起的太陽輻射能量的減少。由于大氣對某些波長的較為強烈地吸收和散射而導(dǎo)致光譜含量的變化。分散的或間接的光譜組合被引入到太陽輻射中。當(dāng)?shù)卮髿鈱拥淖兓鹑肷涔饽芰?、光譜和方向的額外改變。這些影響總結(jié)在下圖中：2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)42&1.4.2地面太陽輻射

--大氣影響

典型的晴空時，大氣對入射太陽光的吸收和散射。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)43&1.4.2地面太陽輻射

--大氣影響大氣層的吸收

當(dāng)太陽光穿過大氣層時，氣體、灰塵和懸浮顆粒都將吸收入射光子。特殊的氣體包括臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）和水蒸氣（H2O）都能強烈地吸收能量與其分子鍵能相近的光子。這樣的吸收將使得輻射光譜曲線深深地往下凹。舉例說，多數(shù)波長大于2μm的遠紅外光會被水蒸氣和二氧化碳吸收。相似的，大多數(shù)波長小于0.3μm的紫外光會被臭氧吸收（但還不足以完全防止曬傷！）。然而，當(dāng)這些大氣中的特殊氣體在改變地表太陽輻射的光譜含量的同時，并沒有相應(yīng)地明顯減少輻射的總能量。取而代之的是空氣分子和塵埃，它們通過對光的吸收和散射成為輻射能量減少的主要因素。這種吸收過程并不會產(chǎn)生光譜曲線的向下深凹，而是引起能量的減少（大小取決于穿過大氣的路徑長度）。當(dāng)太陽2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)44&1.4.2地面太陽輻射

--大氣影響

處在頭頂正上方的時候，大氣分子引起的吸收會導(dǎo)致光譜中可見光領(lǐng)域一整片的減少，所以入射光呈現(xiàn)白色。然而，當(dāng)路徑變得越長，能量更高（波長更?。┑墓庾幽芨行У乇晃蘸蜕⑸洹Ｋ栽谠缟虾桶硖枙兊酶t，強度也比中午低。

藍色和紅色曲線分別為1.5和0大氣質(zhì)量時的輻射強度，綠色曲線代表溫度為6000k黑體的輻射強度，彩色柱子代表可見光的波譜。箭頭所指的位置代表被相應(yīng)氣體吸收的部分，黑色線顯示了能引起人類眼睛感覺的輻射強度。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)45&1.4.2地面太陽輻射

--大氣影響由于入射光的散射導(dǎo)致的徑直的和分散的輻射

當(dāng)光穿過大氣層被吸收的同時也發(fā)生散射。大氣中光的散射機制之一就是人們熟知的瑞利散射，它由大氣中的分子引起。瑞利散射對短波光（如藍光）作用效果顯著，因為瑞利散射的強度與波長四次方成反比。除了瑞利散射之外，氣溶膠和塵埃粒子也會是入射光產(chǎn)生散射。散射光的方向是雜亂無章的，所以它可以來自天空的任何地區(qū)。這種光也叫分散光。由于散射光主要是藍光，所以除了太陽所處的區(qū)域外，來自天空所有區(qū)域的光都呈現(xiàn)藍色。假如大氣中沒有散射的話，天空將變成黑色，而太陽則會變成一個圓盤狀的光源。在天氣晴朗的日子，入射光線中大概有10%會被散射。紅光的波長大于多數(shù)的粒子線度，不會受影響。藍光的波長與大氣中粒子線度相當(dāng)，所以被強烈散射。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)46&1.4.2地面太陽輻射

--大氣影響來自云層和其它大氣層的地方差異的影響大氣對入射太陽光的最終影響來自大氣層的地方差異。取決于覆蓋云層的類型，入射光能量將會有不同程度的減少。下圖是一個濃密云層的例子。右圖分別顯示了，在墨爾本的冬天，晴天和多云天氣時光伏陣列的相對輸出電流，光伏陣列的傾斜角為60°墨爾本，光伏陣列傾斜角度60°相對輸出電流晴朗冬天多云冬天2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)47&1.4.3地面太陽輻射

--大氣質(zhì)量大氣質(zhì)量被定義為光穿過大氣的路徑長度，長度最短時的路徑（即當(dāng)太陽處在頭頂正上方時）規(guī)定為“一個標準大氣質(zhì)量”。“大氣質(zhì)量”量化了太陽輻射穿過大氣層時被空氣和塵埃吸收后的衰減程度。大氣質(zhì)量由下式給出：

式中θ表示太陽光線與垂直線的夾角，當(dāng)太陽處在頭頂時，大氣質(zhì)量為1。

“大氣質(zhì)量”描繪了太陽光到達地面前所需走過的路程與太陽處在頭頂處時的路程的比例，也等于Y/X.2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)48&1.4.3地面太陽輻射

--大氣質(zhì)量

估算大氣質(zhì)量的一個最簡單的方法就是測量一個垂直立著的標桿的投影長度。如上圖，大氣質(zhì)量等于斜邊的長度除于標桿的高度h，然后由勾股定理便得到：標桿高度h影子長度，s2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)49&1.4.3地面太陽輻射

--大氣質(zhì)量上述關(guān)于大氣質(zhì)量的計算是以假定大氣層是一個平面層為前提的，但是由于實際上大氣層是彎曲的，當(dāng)太陽接近于地平線時大氣質(zhì)量并不完全等于大氣層的路徑長度。在日出的時候，太陽的入射光線與垂直位置的夾角為90°，則計算得大氣質(zhì)量為無限大，但顯然光線路徑并不是無限大的。下面的方程則考慮了地球的曲率：標準太陽光譜和太陽輻射太陽能電池的效率對入射光的能量和光譜含量都非常敏感。為了方便不同時間和不同地點時太陽能電池的數(shù)據(jù)比較，人們定義了地球大氣層外和地球表面的光譜和功率強度的標準值。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)50&1.4.3地面太陽輻射

--大氣質(zhì)量

地球表面的標準光譜稱為AM1.5G（G代表總的輻射，包括直接的和分散的輻射）或者AM1.5D（只包含直接的輻射）。AM1.5D的輻射強度近似于減少28%能量后的AM0光譜的光譜強度（18%被吸收，10%被散射）?？偟墓庾V輻射強度要比直射的光譜強度高10%。從上面的計算可得AM1.5G的值近似為970W/m2。然而，由于整數(shù)計算比較方便以及入射太陽光存在固有的變化，人們規(guī)范了標準的AM1.5G光譜值為1KW/m2。地球大氣層外的標準光譜稱為AM0，因為光沒有穿過任何大氣。這個光譜通常被用來預(yù)測太空中太陽能電池的表現(xiàn)。

基于大氣質(zhì)量的強度計算一天中，太陽光的直射分量強度可由大氣質(zhì)量確定，其方程為：

式中ID為垂直平面的太陽光線的功率強度，單位KW/m2。AM為大氣質(zhì)量。數(shù)值1.353KW/m2為太陽常數(shù)，而數(shù)字0.7則源于入射到大氣層中的輻射大概有70%能到達地球。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)51&1.4.3地面太陽輻射

--大氣質(zhì)量

即使在天氣晴朗的時候，散射輻射中仍然有大約10%的直接輻射含量。因此在天氣晴朗的時候垂直入射到地表的太陽光的總輻射量為:

2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)52&1.4.4地面太陽輻射

--太陽的運動

“太陽視運動”是由地球繞其軸自轉(zhuǎn)引起的表面現(xiàn)象，它改變著射入地球的光線的直射分量角度。從地面的一個固定位置來看，太陽橫跨整個天空運動。太陽的位置決定于地面上的點的坐標、一天中的時間和一年中的日期。下圖將展示這種太陽視運動：2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)53&1.4.4地面太陽輻射

--太陽的運動

太陽視運動在很大程度上影響著太陽能收集器件獲得的能量。當(dāng)太陽光垂直入射到吸收平面時，在平面上的功率強度等于入射光的功率強度。然而，當(dāng)太陽光與吸收平面的角度改變時，其表面的功率強度就會減小。當(dāng)平面與太陽光平行時，功率強度基本上變?yōu)榱恪τ?度和90度之間的角，它們相對的功率強度為最大值乘于cos（θ），其中θ為太陽光與器件平面之間的夾角。

點擊右邊的動畫，觀測吸收平面與入射光的夾角的改變所產(chǎn)生的影響。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)54&1.4.4地面太陽輻射

--太陽的運動

地球上某固定點與太陽的夾角決定于其所處的位置（地點所在的經(jīng)度）、一年中的日期和一天中的時間。另外，太陽升起和落下的時刻決定于位置所在的經(jīng)度。因此，刻畫地球上某固定地點的太陽高度角需要緯度、經(jīng)度、一年中的日期和一天中的時間。這些內(nèi)容將在下面討論。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)55&1.4.5地面太陽輻射

--太陽的偏向角

偏向角，用符號δ表示，由于地球繞其軸的自轉(zhuǎn)和繞太陽的公轉(zhuǎn)而存在季節(jié)性的變化。如果地球沒有相對轉(zhuǎn)軸傾斜，那么偏向角將一直為0°。然而地球相對于公轉(zhuǎn)平面是傾斜了23.45°的，偏向角的大小就在±23.45°之間變化。只有在春分日和秋分日的時候偏向角才會等于0°。下面的動畫描述了地球繞太陽公轉(zhuǎn)以及偏向角的改變：

太陽偏向角就是指赤道平面與地球中心點--太陽中心點的連線的夾角。太陽偏向角的季節(jié)性變化如下所示；點擊2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)56&1.4.5地面太陽輻射

--太陽的偏向角

右邊視頻顯示了傾斜角在北半球的夏至日（或南半球的冬至）和北半球的冬至日（南半球的夏至）之間是如何變化的。

盡管事實上是地球繞著太陽轉(zhuǎn)的，但是如果把它想象成是太陽繞著地球轉(zhuǎn)的，將會變得更容易理解一些。這需要一定的坐標轉(zhuǎn)換，在這個代替的坐標系統(tǒng)里，太陽是繞著地球轉(zhuǎn)的。偏向角的角度可以由下面的方程算出：2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)57&1.4.5地面太陽輻射

--太陽的偏向角

式中d為觀測偏向角時所在的一年中的天數(shù)。在二分日（3月22日春分日和9月22日秋分日）時偏向角為0°，在北半球夏天時角度為正，北半球冬天時為負。在夏至日6月22日偏向角達到最大值23.45°（北半球夏至日）而在12月22日達到最小值-23.45°（北半球冬至日）。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)58&1.4.6地面太陽輻射

--仰角與方位角

仰角指的是天空中太陽相對于地平面的高度角。日出的時候高度角為0°，太陽處在頭頂時高度角為90°（比如在赤道地區(qū)，春分日和秋分日的時候就會出現(xiàn)這種情況）。天頂角與高度角相似，但是相對于地平面的垂直線而不是地平面來說的，因此可以計算天頂角=90°-高度角。

太陽高度角在一天中不斷變化。其大小還決定于觀測位置的緯度和所在一年中的天數(shù)。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)59&1.4.6地面太陽輻射

--仰角與方位角

在設(shè)計光伏系統(tǒng)時，一個重要的參數(shù)是最大太陽高度角，即一年中太陽在天空的高度達到最大時的角度。最大高度角出現(xiàn)在正午時分，大小取決于所在的緯度和偏向角。計算正午太陽高度角的公式如下：

α=90°+ф

–δ

式中ф為觀測位置所處的緯度，在南半球它的符號是負的而在北半球的時候符號為正。δ為偏向角，大小取決于所在一年中的天數(shù)。夏至日，在北回歸線處，太陽在頭頂正上方，其高度角為90°。在夏天，在赤道與北回歸線之間觀測的正午太陽高度角是大于90°的。這意味著陽光是來自北方的天空而不是南方的天空。相似的，在一年中的某個時期，在赤道和南回歸線之間，太陽光是來自南方2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)60&1.4.6地面太陽輻射

--仰角與方位角

而不是北方。最大太陽高度角被應(yīng)用到非常簡單的光伏系統(tǒng)設(shè)計中，然而更精確的光伏系統(tǒng)仿真則需要知道高度角在一天中是如何變化的這些知識。關(guān)于這方面的方程和公式將在下面幾頁中介紹。

方位角

方位角就是羅盤方向與陽光入射方向的夾角。在正午時分，北半球地區(qū)的太陽總是從南方射入，南半球地區(qū)則從北方射入。如下面的動畫所示，一天中方位角是不斷變化的。在赤道地區(qū)，春秋分日的時候太陽直接從升起在西方落下，不管所處的緯度是多少，日2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)61&1.4.6地面太陽輻射

--仰角與方位角

出時的方位角都為90°而日落時為270°。盡管如此，總的來說方位角還是隨著緯度和一年中日期的改變而改變的。計算一天里太陽位置的完整方程將在下一頁給出。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)62&1.4.7地面太陽輻射

--太陽的方位

正午時分的太陽方位角和太陽高度角是擺放太陽能電池板時所使用到的兩個重要角度參數(shù)。然而，如果想要計算一整天的太陽位置，就必須計算一整天的太陽高度角和方位角。這些角度將使用“太陽時間”來計算。按傳統(tǒng)的計時方式，地球被分成不同的時區(qū)。然而，在這些時區(qū)里，正午時分并不一定就是太陽處在最高處的時候。類似的，日出時段也被描述為時區(qū)里的某個地區(qū)段的太陽正在升起。然而，由于一個時區(qū)橫跨了一定長度的距離，當(dāng)太陽剛剛照耀這個時區(qū)的某個地方的地平線時，此刻的時間有可能與定義的日出時間（或官方承認的日出時間）完全不同。而這種規(guī)定也是必要的，否則出現(xiàn)一街之隔的兩座房子的時間會相差幾秒的現(xiàn)象。從另一方面來說，不同經(jīng)度的太陽時間是不同的。因此，如果要得到太陽的位置，必須先計算當(dāng)?shù)氐奶枙r間然后再計算太陽高度角和方位角。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)63&1.4.7地面太陽輻射

--太陽的方位

當(dāng)?shù)靥枙r間（LST）和當(dāng)?shù)貢r間(LT)

當(dāng)?shù)靥枙r間（LST）中午12時是指太陽升到最高處的時刻。由于地球軌道的偏心率和人類對時區(qū)和夏令時的調(diào)整，當(dāng)?shù)貢r間(LT)一般不等于當(dāng)?shù)靥枙r間。

當(dāng)?shù)貥藴蕰r間子午線（LSTM）

當(dāng)?shù)貥藴蕰r間子午線（LSTM）是特定時區(qū)所采用的基準子午線，它類似于格林尼治時間使用的本初子午線。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)64&1.4.7地面太陽輻射

--太陽的方位LSTM(當(dāng)?shù)貥藴蕰r間子午線)被使用在當(dāng)?shù)貢r區(qū)。這里顯示的LSTM跨越了巴西和格陵蘭島的部分地區(qū).格林威治時間所使用的本初子午線（經(jīng)度=0°）

通過下列方程可計算LSTM:LSTM=15°×ΔTGMT

式中ΔTGMT表示當(dāng)?shù)貢r間與格林威治時間的差（一小時為單位）。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)65&1.4.7地面太陽輻射

--太陽的方位

時間方程（EOT）時間方程（以分為單位）是糾正了地球公轉(zhuǎn)的偏心率和地球的軸向傾斜之后的經(jīng)驗方程。

EOT=9.87sin(2B)–7.53cos(B)–1.5sin(B)

其中B=360（d-81）/365，單位為°。d為從一年的第一天開始數(shù)起的天數(shù)。下圖描繪了時間糾正方程。

2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)66&1.4.7地面太陽輻射

--太陽的方位

時間糾正因子

時間糾正因子（以分為單位）解釋了在一個給定的時區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)靥枙r間因時區(qū)內(nèi)經(jīng)度的變化而變化的現(xiàn)象，其方程也同時包含時間方程。

TimeCorrection=4（LSTM-經(jīng)度）+EoT

方程里的4分鐘源自地球自轉(zhuǎn)一度的時間是4分鐘的事實。

當(dāng)?shù)靥枙r間當(dāng)?shù)靥枙r間（LST）可以通過使用前兩個矯正因子來調(diào)整當(dāng)?shù)貢r間（LT）得到.LST=LT+TC2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)67&1.4.7地面太陽輻射

--太陽的方位

時角（HRA）時角把當(dāng)?shù)靥枙r間（LST）轉(zhuǎn)換成太陽在天空運動的度數(shù)的數(shù)值。按照定義，正午時分的時角為0°。因為地球每轉(zhuǎn)15°的時間為一個小時，所以，與正午時分間隔一個小時就相當(dāng)于太陽在太空轉(zhuǎn)過了15°角。在上午時角的符號是負的，下午是正的。

HRA=15°（LST-12）傾斜角在前面已經(jīng)給出了傾斜角的公式：

其中d為從一年第一天開始數(shù)起的天數(shù)。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)68&1.4.7地面太陽輻射

--太陽的方位

高度角高度角可由下面的方程得到：高度角=sin-1[sin(δ)sin(ф)+cos(δ)cos(ф)cos（HRA）]

天頂角為太陽與垂直線之間的夾角。天頂角=90°-高度角高度角天頂角2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)69&1.4.7地面太陽輻射

--太陽的方位

方位角

方位角就像羅盤一樣，正北方向為0°，正南方向為180°。也有人使用稍微不同的定義（正南方向為0°）。

方位角可由上面的參數(shù)計算得到2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)70&1.4.7地面太陽輻射

--太陽的方位

日出和日落

日出與日落的時間可以分別通過下面式子得到：

一整天的太陽位置關(guān)于一整年中地球上任何位置的任何時間的太陽高度角和方位角的計算方法將在下頁給出。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)71&1.4.8地面太陽輻射

--在傾斜表面上的太陽輻射

入射到光伏組件上的能量不僅取決于太陽光所包含的能量，還受到組件與太陽光的夾角的大小的影響。當(dāng)吸收表面與太陽光互相垂直時，組件表面的功率強度便等于太陽光的功率強度（換句話說，當(dāng)光伏組件與太陽光垂直時，其表面的功率強度達到最大值）。然而，由于太陽光與固定組件表面的夾角是不斷改變的，固定光伏組件的功率強度也總是小于入射光的強度。入射到傾斜光伏組件的太陽輻射就是入射太陽光中垂直組件表面的輻射成分。下面的圖畫展示了，當(dāng)給出地平面上的輻射強度（Shorizon）或垂直太陽光的平面的輻射強度（Sincident）時，如何計算入射到固定組件平面的輻射強度（Smodule）。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)72&1.4.8地面太陽輻射

--在傾斜表面上的太陽輻射組件與入射光的角度發(fā)生傾斜會減小光伏組件的電流輸出。Sincident、smodule、Shorizontal之間的關(guān)系方程如下所示：

式中α為高度角。β為組件平面相對于地平面的傾斜角。高度角的公式已由前面給出：α=90°+Ф-δ

。Φ

和δ分別代表緯度和太陽偏向角，其公式也已在前面寫出水平面太陽輻射2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)73&1.4.8地面太陽輻射

--在傾斜表面上的太陽輻射

由上面的方程可得出Smodule與Shorizontal的關(guān)系：

傾斜角度對入射到平面的太陽輻射有重要的影響。對于角度固定的光伏組件平面來說，當(dāng)傾斜角度等于當(dāng)?shù)氐木暥葧r，它一整年獲得的能量將達到最大。然而，對于漫長的冬天來說，陡峭的傾斜角是更優(yōu)的選擇，相反的，平坦的傾斜角在夏天能獲得更多的光線。當(dāng)組件平面的角度為0°時，組件獲得的能量與地平面能量是相等的，因為此時組件是平躺在地面上的。當(dāng)平面角度達到80°時，組件幾乎是垂直放置的。此時組件能量小于入射光能量，除非組件平面垂直于太陽光線，它們的值才相等。組件平面是朝向赤道的，所以在南半球的時候它是面向北方的，而在北半球則面向南方。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)74&1.5.1太陽輻射數(shù)據(jù)

--太陽輻射測量

對于光伏系統(tǒng)設(shè)計來說，知道當(dāng)?shù)卦诓煌瑫r間的可利用輻射量是很有必要的。兩個描述太陽輻射特征的常用方法是太陽輻射（或輻射）和日照。太陽輻射是一個瞬時的功率強度，以KW/m2為單位。一天中，太陽輻射的大小從晚上的0KW/m2到最大值約1KW/m2之間不斷變化。太陽輻射主要取決于觀測的位置和當(dāng)?shù)氐奶鞖狻Ｌ栞椛涞臏y量由周期性全天測量的總輻射或直射分量組成。測量工具為日射強度計（測量總輻射量）或太陽熱量計（測量直射分量）。在設(shè)施比較完善的地區(qū)，已經(jīng)收集了超過20年的這類數(shù)據(jù)。另一個測量太陽輻射的方法是使用日照計，此方法精確率較低但是成本也相對較低。這種日照計（也叫坎貝爾斯托克斯日照計）能測量出一天中光線強度超過某一個水平（通常為200mW/cm2）的小時數(shù).通過使測量出來的小時數(shù)與基于數(shù)學(xué)公式和幾個糾正因子計算出來的小時數(shù)相比較，便可以得出日照度了。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)75&1.5.1地面太陽輻射

--太陽輻射測量

盡管太陽輻射是最常被測量的數(shù)據(jù)，但是在光伏系統(tǒng)設(shè)計中更常使用的數(shù)據(jù)還是日照度。日照度是指特定時間內(nèi)單位面積區(qū)域所接收到得總的太陽輻射量，通常以KWhr/（m2day）為單位。雖然日照度的單位與太陽輻射的單位都是功率強度（因為日照度中的分子小時hr與分母day同是時間單位），但是日照度與太陽輻射還是很大不同的，日照度是在給定時間段里的平均太陽輻射強度。日照度常常使用在簡單的光伏系統(tǒng)設(shè)計中，而太陽輻射則在更為復(fù)雜的需要計算一天中每一時刻的情況的光伏系統(tǒng)中使用。日照度還可以用單位MJ/m2year來表示。特定位置的太陽輻射強度可以通過以下幾種方式表示：2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)76&1.5.1地面太陽輻射

--太陽輻射測量平均每天、每月或每年的日照度一個月、一個季節(jié)或一整年的全球等輻射線日照時數(shù)基于衛(wèi)星云層覆蓋數(shù)據(jù)的日照度太陽輻射的計算2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)77&1.5.2太陽輻射數(shù)據(jù)

--太陽輻照度的數(shù)據(jù)分析

最精確的太陽輻射數(shù)據(jù)是通過高溫計測量獲得的，高溫計固定在一個位置幾年，通常大約十年或者更久，每隔幾分鐘就測量一次直接輻射。然而，對于光伏系統(tǒng)設(shè)計來說，用這種技術(shù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量并不足以提供當(dāng)?shù)氐娜啃畔?。取而代之的，是這些數(shù)據(jù)可以以其它的幾種形式展現(xiàn)。在概念上最簡單的方法就是算出測量期間的數(shù)據(jù)平均數(shù)。這種數(shù)據(jù)形式叫平均每天、每月或每年輻射量。盡管這種數(shù)據(jù)對基本的系統(tǒng)設(shè)計有用，卻損失了太陽輻射的逐日變化。這種逐日變化的損失是非常嚴重的，因為（例如）每天輻射都是5KWhr/day的系統(tǒng)的設(shè)計和性能與那種有幾天是8KWhr/day然后接著幾天是2KWhr/day的系統(tǒng)是有很大不同的。

典型氣象年與每年的平均的太陽輻射數(shù)據(jù)的比較。典型氣象年平均輻射數(shù)據(jù)2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)78&1.5.2太陽輻射數(shù)據(jù)

--太陽輻照度的數(shù)據(jù)分析

描述太陽輻射最常用的方式是典型氣象年（TMY），或者是由美國國家可再生能源實驗室所使用的TMY2。TMY包含有每天數(shù)據(jù)的變化。TMY數(shù)據(jù)將在下頁詳細介紹。然而，平均太陽輻射數(shù)據(jù)，特別是一年中每個月的的平均數(shù)據(jù)在粗略估計太陽能電池板安裝數(shù)量是也是被廣泛使用的。另外一個盡管較少見到但是非常有用的的數(shù)據(jù)是連續(xù)幾天出現(xiàn)陰天的概率，它可由全年輻射數(shù)據(jù)得到的，在這里，陰天被定義為地面實際接收到的光線要少于理論光線接收值的50%的日子。例如，某個地區(qū)連續(xù)4天出現(xiàn)陰天的概率為一年一次，連續(xù)5天出現(xiàn)陰天的概率5年一次。這些信息在估算足夠的必備條件的儲存時是非常有用的。然而，一般了來說這些信息是比較少考慮到的，如果需要使用，必須通過原始的數(shù)據(jù)集得到。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)79&1.5.3太陽輻射數(shù)據(jù)

--典型氣象年數(shù)據(jù)（TMY）

描述當(dāng)?shù)靥煳臍夂驎r最常用的數(shù)據(jù)就是叫做典型氣象年的數(shù)據(jù)（TMY）。要測定TMY數(shù)據(jù)，必須獲得幾年中每隔一小時測量的氣象變化結(jié)果，然后制成一副當(dāng)?shù)貧夂虻淖兓瘓D表。單單每年數(shù)據(jù)的平均數(shù)還不能很好的看清氣象的變化，所以人們選擇月平均數(shù)以最大程度代表當(dāng)?shù)厍闆r。整個月以及整個測量周期的其它月平均輻射值被測算出來。如果有一年的各月的平均輻射值最接近于整個測量周期的月平均值，那么這一年就被選為典型氣象年（TMY），而這一年的每月氣象數(shù)據(jù)也被叫做TMY數(shù)據(jù)。然后，這個過程在一年中的每個月都重復(fù)進行。現(xiàn)實中沒有嚴格標準的TMY數(shù)據(jù)所以使用者必須適當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)以符合應(yīng)用。處理樣本周期時必須相當(dāng)謹慎。下面將以澳大利亞墨爾本一月一號的原始TMY數(shù)據(jù)文件為例：2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)80&1.5.3太陽輻射數(shù)據(jù)

--典型氣象年數(shù)據(jù)（TMY）日小時總的輻照度X100mj/h/m2直射輻照度X100mj/h/m2溫度x10°C風(fēng)速x10m/s濕球溫度x10°C風(fēng)向云量月11001300990071120012710980401130011879404011400109390041115001000860011163310611739614111711026013371061401181863111501011514012024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)81&1.5太陽輻射數(shù)據(jù)

--典型氣象年數(shù)據(jù)（TMY）192573421837133140111031735121731511401111356353250016700011123813572721416612011133873622932716512011143653593154116412011153242553144316413011162673483144516313011171983363134616214012024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)82&1.5.3太陽輻射數(shù)據(jù)

--典型氣象年數(shù)據(jù)（TMY）118120127307381621401119441473002916015011202122942115915011210027426154150112200253311481601123002333614316011240023536142160112024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)83&1.5.3太陽輻射數(shù)據(jù)

--典型氣象年數(shù)據(jù)（TMY）TMY數(shù)據(jù)在氣象應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛使用，但是也有大量的數(shù)據(jù)與光伏應(yīng)用是不相干的。在給出的參數(shù)中，通常只有時間和光照度才被用到。然而，更先進的模型還用到了溫度和風(fēng)速。上面表格中各個參數(shù)的意義為：月指的是一年中的月份日為一個月內(nèi)的第幾天。不是所有月份的天數(shù)都相等。小時指的是一天24小時的第幾小時，所以可以看出上面的表格包含了一整天的數(shù)據(jù)。數(shù)值一般為一個小時內(nèi)的平均值，這里的一個小時由一個整時的前半小時和后半小時組成。因此上表的第一行的一個小時是指12：30am到1：30am。總的輻照度是指在一個小時里入射到水平面的能量值。要把上面的單位X100mj/hr/m2轉(zhuǎn)化成光伏用的單位KW/m2，只需除于2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)84&1.5.3太陽輻射數(shù)據(jù)

--典型氣象年數(shù)據(jù)（TMY）360。最大的光照度出現(xiàn)在正午，到了晚上大小將降為o。直射輻照度為直接垂直入射到組件平面上的太陽光線的輻照度，它不包括分散光線。跟蹤式聚集太陽能電池只面向直射光線的入射方向。溫度和風(fēng)速都是一個小時里的平均值。注意表格里的數(shù)值都是x10倍之后得出的。濕球溫度是指被濕紗布包裹著的溫度計所顯示的溫度。根據(jù)干燥程度和潮濕程度的不同，濕球溫度有別于干球溫度。這個數(shù)據(jù)通常不在光伏系統(tǒng)中應(yīng)用。風(fēng)向表示了風(fēng)來自哪個方向，北用00表示，東用04表示。同樣，這個數(shù)據(jù)也不應(yīng)用在光伏系統(tǒng)中。云量是指天空中云層覆蓋的比例，一般使用目測。它總共有92024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)85&1.5.3太陽輻射數(shù)據(jù)

--典型氣象年數(shù)據(jù)（TMY）

個層次，即0代表沒有云，8代表覆蓋滿了云層。但同樣，光伏系統(tǒng)中不使用到它。另一個在光伏應(yīng)用中經(jīng)常用到的參數(shù)就是分散輻射量。入射到地平面上的漫輻射量（Dh）可以通過總的輻射量（Gh）、直接輻射量（It）和高度角（el）之間的方程獲得：

Dh=Gh-Itsin（el）漫輻射并不是均勻的遍布天空的。舉例說，環(huán)繞太陽周圍的區(qū)域比天空中的其他區(qū)域要明亮得多。一個普遍使用的計算模型是佩雷斯模型，模型把天空分成圍繞太陽部分、地平圈部分和天空的其它部分。通過調(diào)整使得這些區(qū)域的大小和這些區(qū)域的輻射強度接近于測量得到的輻射模型。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)86&1.5.4太陽輻射數(shù)據(jù)

--月平均太陽輻射

盡管典型氣象年（TMY）數(shù)據(jù)被常常用在光伏系統(tǒng)仿真中，然而對于基本的系統(tǒng)分析來說，擁有當(dāng)?shù)靥囟ㄔ路莸拿刻炱骄椛淞繑?shù)據(jù)就足夠了。這些數(shù)據(jù)有可能測量自地平面也有可能測量自與太陽光垂直的平面（相當(dāng)于跟蹤式太陽能系統(tǒng)）。無論是那種情況，都需要加入一個關(guān)于組件平面的傾斜角的條件，才能算出光伏組件能夠利用的太陽輻射的量。先右擊圖片，然后移動鼠標到地圖上的紅點處便可以看到不同地區(qū)的日平均輻射值。這些值為地平面的輻射值。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)87&1.5.4太陽輻射數(shù)據(jù)

--月平均太陽輻射

峰值太陽時

日平均日照度（單位為KWhr/m2day）有時也被叫做峰值太陽時。峰值太陽時一詞源于日照度的值相當(dāng)于當(dāng)?shù)靥栆苑逯瞪淙霂仔r所獲得得能量。因為輻射的峰值時1KW/m2，所以峰值太陽時在數(shù)值上等于日平均日照度。例如，某個地區(qū)每天接收的太陽輻射為8KWhr/m2每天，可以看成每天接收了8個小時的1KW/m2太陽輻射。峰值太陽時是非常有用的，因為光伏電池的額定輻射輸入通常為1KW/m2.曲線包圍的面積太陽日照度兩曲線包圍的面積必須相等2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)88&1.5.5太陽輻射數(shù)據(jù)

--等輻照線

全球太陽輻射的測量結(jié)果可以進行統(tǒng)一編繪以描述全世界的日照度。但由于這些圖缺乏更詳細的信息，所以它們對光伏系統(tǒng)設(shè)計并不實用。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)89&1.5.5太陽輻射數(shù)據(jù)

--等輻照線

這四幅圖顯示了一年中每個季節(jié)的日照度的全球等值線，單位為MJ/m2。此輻照度測自地平面。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)90&1.5.6太陽輻射數(shù)據(jù)

--日照小時數(shù)據(jù)

雖然實時測量的太陽輻射結(jié)果提供了最精確的太陽輻射信息，但是要獲得這些測量結(jié)果并不容易。一種更簡單的方法是測量日照時間，它使用卡片系統(tǒng)讓太陽光聚焦在一張記錄卡片上。當(dāng)陽光的功率強度大于200W/m2時卡片上將記錄下一個記號。日照時數(shù)被定為太陽照射的總的小時數(shù)。通過把日照時數(shù)與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件相結(jié)合得到的數(shù)據(jù)可以估算出每月可利用的平均太陽輻射，可根據(jù)下面公式算得：

H=H0（a+bn/N）

a和b都是由緯度位置和當(dāng)?shù)貧夂驐l件所決定的。H0為天氣晴朗時當(dāng)?shù)仄骄吭芦@得的太陽輻射（可以通過計算得到）。N為測量得到的日照小時數(shù)。N代表計算得到得小時數(shù)，計算方法在日照度的計算一節(jié)中有顯示。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)91&1.5.6太陽輻射數(shù)據(jù)

--日照小時數(shù)據(jù)

常數(shù)a的數(shù)值在0.25上下變動，有些地方的數(shù)值低于0.2而有些地方則達到0.4。常數(shù)b的值則在0.4到0.6這個范圍內(nèi)變動。對于澳大利亞，由澳大利亞電信公司研究的結(jié)果表明數(shù)值a=0.24及b=0.48的精確度高于90%。

2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)92&1.5.7太陽輻射數(shù)據(jù)

--云層覆蓋數(shù)據(jù)

另外一個重要的太陽輻射數(shù)據(jù)來源是從衛(wèi)星圖像上測得的太陽輻射。這些圖像提供了特定地區(qū)的云層覆蓋水平的信息。云層覆蓋水平的相關(guān)信息可以用來估算當(dāng)?shù)厝照斩?。盡管這種云層覆蓋數(shù)據(jù)為測算更廣泛的輻射提供了重要信息，但是，目前它在特定地區(qū)的詳細的系統(tǒng)設(shè)計中還沒有被普遍使用。下面的基于云層覆蓋數(shù)據(jù)的等輻照圖是承蒙Solarex公司提供的。地圖上的數(shù)據(jù)單位為KWh/m2/day，表示在最優(yōu)傾斜角時的最小值。如果要變大各大洲的地圖，可以用鼠標在上面點擊。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)93&1.5.7太陽輻射數(shù)據(jù)

--云層覆蓋數(shù)據(jù)2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)94第二章：半導(dǎo)體與PN結(jié)&2.1簡介&2.2基本原理&2.3載流子的產(chǎn)生&2.4載流子的復(fù)合&2.5載流子的運動&2.6

PN結(jié)2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)95&2.1簡介

一直以來，太陽能電池與其它的電子器件都被緊密地聯(lián)系在一起。接下來的幾節(jié)將講述半導(dǎo)體材料的基本問題和物理原理，這些都是光伏器件的核心知識。這些物理原理可以用來解釋PN結(jié)的運作機制。PN結(jié)不僅是太陽能電池的核心基礎(chǔ)，還是絕大多數(shù)其它電子器件如激光和二極管的重要基礎(chǔ)。

右圖是一個硅錠，由一個大的單晶硅組成，這樣一個硅錠可以被切割成薄片然后被制成不同半導(dǎo)體器件，包括太陽能電池和電腦芯片。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)96&2.2.1基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體是由許多單原子組成的，它們以有規(guī)律的周期性的結(jié)構(gòu)鍵合在一起，然后排列成型，借此，每個原子都被8個電子包圍著。一個單原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核則包括了質(zhì)子（帶正電荷的粒子）和中子（電中性的粒子），而電子則圍繞在原子核周圍。電子和質(zhì)子擁有相同的數(shù)量，因此一個原子的整體是顯電中性的?；谠觾?nèi)的電子數(shù)目（元素周期表中的每個元素都是不同的），每個電子都占據(jù)著特定的能級。下圖展示了一種半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu).

硅晶格中的共價鍵示意圖。硅原子共價鍵2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)97&2.2.1基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體材料可以來自元素周期表中的Ⅴ族元素，或者是Ⅲ族元素與Ⅴ族元素相結(jié)合（叫做Ⅲ-Ⅴ型半導(dǎo)體），還可以是Ⅱ族元素與Ⅵ族元素相結(jié)合（叫做Ⅱ-Ⅵ型半導(dǎo)體）。硅是使用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，它是集成電路（IC）芯片的基礎(chǔ)，也是最為成熟的技術(shù)，而大多數(shù)的太陽能電池也是以硅作為基本材料的。硅的相關(guān)材料性能將在硅的材料性質(zhì)一節(jié)給出。

右圖給出了元素周期表的一部分，藍色字幕顯示了更多的半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體可以由單原子構(gòu)成，如Si或Ge，鍵合如GaAs、InP、CdTe，還可以是合金，如SixGe（1-x）或AlxGa（1-x）As。2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)98&2.2.1基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體的價鍵結(jié)構(gòu)決定了半導(dǎo)體材料的性能。其中一個關(guān)鍵影響就是限制了電子能占據(jù)的能級和電子在晶格之間的移動。半導(dǎo)體中，圍繞在每個原子的電子都是共價鍵的一部分。共價鍵就是兩個相鄰的原子都拿出自己的一個電子來與之共用，這樣，每個原子便被8個電子包圍著。共價鍵中的電子被共價鍵的力量束縛著，因此它們總是限制在原子周圍的某個地方。因為它們不能移動或者自行改變能量，所以共價鍵中的電子不能被認為是自由的，也不能夠參與電流的流動、能量的吸收以及其它與太陽能電池相關(guān)的物理過程。然而，只有在絕對零度的時候才會讓全部電子都束縛在價鍵中。在高溫下，電子能夠獲得足夠的能量擺脫共價鍵，而當(dāng)它成功擺脫后，便能自由地在晶格之間運動并參與導(dǎo)電。在室溫下，半導(dǎo)體擁有足夠的自由電子使其導(dǎo)電，然而在到達或接近絕對零度的時候，它就像一個絕緣體。價鍵的存在導(dǎo)致了電子有兩個不同能量狀態(tài)。電子的最低能量2024/4/11UNSW新南威爾士大學(xué)99&2.2.1基本原理

--半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)

態(tài)是其處在價帶的時候。然而，如果電子吸收了足夠的熱能來打破共價鍵，那么它將進入導(dǎo)帶成為自由電子。電子不能處在這兩個能帶之間的能量區(qū)域。它要么束縛在價鍵中除于低能量狀態(tài)，要么獲得足夠能量擺脫共價鍵，但它吸收的能量有個最低限度，這個最低能量值被叫做半導(dǎo)體的“禁帶”。自由電子的數(shù)量和能量是研究電子器件性能的基礎(chǔ)。電子擺脫共價鍵后留下來的空間能讓共價鍵從一個電子移動到另一個電子，也因此出現(xiàn)了正電荷在晶格中運動的現(xiàn)象。這個留下的空位