太阳电池原理与光伏技术剖析.docx

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太阳电池原理与光伏技术剖析

太阳电池原理与光伏技术

主要内容

•第一章　太阳电池和太阳光

参考书目

•1.太阳电池工作原理、工艺和系统的应用

•[澳］马丁．格林著，李秀文，谢鸿礼　赵海滨等译　　刘熙　校　TM914.4/8

•2.太阳电池及其应用

•赵富鑫　魏彦章　主编

•3.

•4.

•5.

第一章　太阳电池和太阳光

1.1太阳电池发展概况

1839年,法国科学家Becquerel首先报导了太阳电池的光伏效应;

1876年,在硒的全固态系统中也观察到了光伏效应现象;

1954年,出现了第一块硅太阳电池,标志太阳电池研制工作的重大进展;

1958年,太阳电池首次在空间应用,装备美国先锋1号卫星;

1959年,第一个多晶硅太阳电池问世,效率达5%;

1960年,硅太阳电池首次实现并网运行;

1975年,非晶硅太阳电池问世;

1998年,单晶硅光伏电池效率达24.7%,多晶硅太阳电池产量第一次超过单晶硅太阳电池而成为世界光伏电池之王;

1999年,日本太阳电池总产量第一次超过美国而居世界之首,其中85%用于太阳能光伏建筑集成。

1.2阳光的物理来源

1.2.1太阳的结构

•太阳是距离地球最近的一颗恒星.

•日地距离为1.49597892x108Km.

•太阳直径为1.392x106Km,是地球的109倍;体积比地球大130多万倍.

•太阳平均密度为1.4g/cm3,即比水的密度大50%,太阳内部密度约160g/cm3,因此日心引力比地心引力大29倍左右.

太阳的物质组成:

就质量而言,H78.4%;He19.8%;金属和其他元素,总计占1.8%.

图1-1太阳结构示意图

图1-2不同黑体温度的Plank黑体辐射分布

图1-3阳光的光谱分布

1.3太阳与地球间关系的天文背景

•天球与天球坐标系

•天球:

以观察者为球心,以任意长为半径,其上分布着所有天体的球面叫做天球.

•地平圈:

在图中，通过观察者的眼睛，即天球的中心零与铅垂线相垂直的平面为地平面，地平面无限延展可将天球分割在两个半球；地平面与天球的交线是一个大圈，称为地平圈

•天顶/天底:

通过观察者头顶的铅垂线向两端无限延展，与天球的交点分别称做天顶和天底。

•周日运动:

天球每日旋转一周，称做周日运动。

•天极:

在旋转过程中，天球上有两个不动点，叫天极

•天轴:

连接两天极的直线叫天轴

•天球赤道面:

通过观察者眼睛与天轴相垂直的平面叫天球赤道面

•天赤道:

天球赤道面与天球的交线称天赤道

•子午圈：

通过天顶和天极的大圈称为子午圈

图1-4天球及天球坐标系

天球坐标系的种类（与太阳能利用有关的坐标系为地平坐标系和时角坐标系）

（1）地平坐标系：

以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系叫做地平坐标系。

（2）赤道坐标系：

（3）以南点为原点的第一赤道坐标系或称时角坐标系

（4）以春分点为原点的第二赤道坐标系

（5）黄道坐标系

（6）银道坐标系

（1）地平经圈：

在地平坐标系中，过天顶和太阳（或任一天体）X做一大圈，叫做地平经圈

（2）地平经度SM：

地平经圈交地平圈于M点，从原点S沿地平圈顺时针方向计量，弧SM为地平经度，或方位角A.

（3）地平纬度XM（高度角h）：

弧XM为地平纬度，或高度角h，向上为正，向下为负。

（4）天顶距ZX,Z=90-h：

弧ZX称天顶距，自Z起计量，用Z表示。

显然Z=90-h.

图1-5地平坐标系

•时角坐标系：

以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标系叫时角坐标系或第一赤道坐标系。

•时圈：

过北天极和太阳（或任一天体）X作一大圈叫做时圈。

•时角：

时圈与天赤道交于T点。

自原点Q开始顺时针方向计量到T，弧QT称为时角。

（以度，分，秒表示，或时，分，秒表示）

•赤纬（弧XT），从天赤道算起，向上为正，向下为负。

;

太阳时角和太阳时之间的关系式：

:

图1-6时角坐标系

图1-7地平坐标系与时角坐标系

两坐标系之间的换算：

从一个坐标系向另一个坐标的转换，可借助于球面三角边角关系的有关定理进行。

已知：

，求z,A,

顺序应用余弦定理，正弦定理和五元素关系，可以得到如下关系式：

已知：

，求z,A,

1.4太阳常数：

在地球大气层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射能基本为一常数。

这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气质量为零（AM0）的辐射。

目前，光伏工作中采用的太阳常数值是1.353kW/m2，这个数值是由装在气球，高空飞机和宇宙飞船上的仪器的测量值加权平均而确定的。

阳光能量的精确分布对于太阳电池的工作很重要，因为这些电池对于不同波长的光有不同的反应。

1.5地球表面的阳光强度：

阳光穿过地球大气层时，至少衰减了30%。

造成衰减的原因是：

（1）瑞利散射或大气中的分子散射。

这种散射对所有波长的太阳光都有衰减作用，但对短波长的光衰减最大；

（2）悬浮微粒和灰尘引起的散射；

（3）大气，特别是其组成气体——氧气、臭氧、水蒸气和二氧化碳的吸收。

光学大气质量：

太阳在头顶正上方时，路程最短，太阳光线的实际路程和此最短路程之比称为光学大气质量。

太阳在头顶正上方时，光学大气质量为1，这时的辐射称为大气质量为1（AM1）辐射。

当太阳和头顶正上方成一个角度时，大气质量由下式得出：

大气质量=1/cos

估算大气质量的简易方法是测量高度为h的竖直物体投射的阴影长度s，于是有

在其他大气变量不变的情况下，随着大气质量的增加，到达地球的能量在所有波段都遭到衰减。

在阳光的光谱分布中，吸收带附近衰减更为严重。

与地球大气层外的情况相反，地面阳光的强度和光谱成分变化都很大。

因此为了对不同地点测得的不同太阳电池的性能进行有意义的比较，就必须确定一个地面标准，然后参照这个标准进行测量。

（一般采用AM1.5的分布，即总功率密度为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直接辐射和散射辐射：

到达地面的太阳光，除了太阳的直接辐射外，还包括由大气层散射引起的相当可观的间接辐射或散射辐射，所以成分更复杂。

甚至在晴天，白天散射辐射占总辐射量的10-20%。

散射阳光的光谱成分不同于直接辐射的光谱成分，一般散射阳光中含有更丰富的波长较短的光或“蓝”波长的光，这使太阳电池系统接收到的光的光谱成分进一步变化。

围绕太阳的空际是产生散射辐射的最主要原因，通常仍假定散射光是各向同性的。

1.7太阳的视运动：

地球每天绕虚设的地轴旋转一周，地轴相对于地球绕太阳公转的轨道平面有固定的取向，这个方向与轨道平面的夹角即太阳的赤纬（2327）。

图1-8太阳相对于一个在北纬35固定点的观察者的视运动

（图中给出在两分点、冬至和夏至的太阳路径，还示出太阳在这几天正午的位置，黑圆圈表示正午前后3小时的太阳位置）

图1-8示出太阳相对于一个处于北纬35的观察者的视运动。

在任意给定的一天，太阳视运动的轨道平面和观察者站立的垂直方向所成角度，等于其所在地点的纬度值。

在两分点（3月21日和9月23日），太阳从正东升起由正西落下，因此在春分和秋分这两天，太阳在正午的高度等于90减去纬度。

夏至和冬至（对北半球分别为6月21日和12月22日，而南半球则相反），正午的太阳高度正好比两分点增加或减少一个地球赤纬（有时称方位角）（2327）

1.8太阳的日照数据：

在设计光伏系统时，最理想的情况是掌握有该系统安装地的日照情况的详细记录。

包括直接辐射和散射辐射数据，环境温度，风速和风向。

在给定地点，影响有效日照的因素有：

纬度，高度，气候类别，主要植被，当地地理特征。

最经常使用的数据是水平面上总辐射的日平均值。

实际使用的测量仪表有：

（1）辐照度计，用来测定瞬时辐照度值，是利用光电或光热效应制成的一种比较灵敏的探测仪器。

（2）日时计或总辐射计，是测量一天中辐照量的仪器，利用光电或光热效应的累计作用制成。

这种仪器一般探测到的不仅是直接太阳辐射，而且还包括漫射的太阳能，即测得的辐射量是太阳的总辐射量。

1.9太阳能的特点

（1）优点：

a）结构简单，体积小且轻

b）易安装运行，建设周期短；

c）容易起动，维护简单，使用方便；

d）清洁，安全，无噪声；

e）可靠性高，寿命长；

f）应用范围光；

g）降价速度快，能量偿还时间将缩短。

通常定义能量回收时间TB以下式表示：

TB=PC/PW,PC为制造太阳能电池所消耗的能量，PM为太阳电池每年的发电量。

（2）主要缺点：

h）能量分散，占地面积大；

i）间歇性大；

j）区域性强。

1.10世界和中国太阳能资源分布情况：

世界范围：

美国西南部，非洲，澳大利亚等地总辐射量或日照时数都最大，在这些地区很多属于第三世界发展中国家，在这些地方利用太阳能发电具有很多优越性。

中国：

西藏，青海，新疆，甘肃，宁夏也属于高日照地区，我国东部、南部及东北一般是中等日照区。