第一二章 太陽輻射

太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)第1章緒論第2章太陽輻射第3章晶體硅太陽能電池的基本原理第4章薄膜太陽電池第5章

聚光太陽電池第6章太陽電池的制造第7章光伏系統(tǒng)部件第8章光伏系統(tǒng)的應(yīng)用第9章光伏系統(tǒng)設(shè)計第10章

光伏系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及維護第11章太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

目錄第7章光伏系統(tǒng)部件第8章

光伏系統(tǒng)設(shè)計第9章

光伏系統(tǒng)的安裝、調(diào)試及維護第10章

光伏系統(tǒng)的應(yīng)用第11章光伏發(fā)電的效益分析

第1章

緒論第2章

太陽輻射開發(fā)太陽能的意義以及太陽能發(fā)電的現(xiàn)在及展望基本概念光伏電池晶體硅電池單晶硅電池多晶硅電池薄膜電池第3章

晶體硅太陽能電池的基本原理第4章薄膜太陽電池第5章

聚光太陽電池第6章

太陽電池的制造多元化合物電池硅基薄膜電池燃料敏化太陽能電池有機半導體太陽能電池碲化鎘銅銦鎵硒太陽電池的工作原理及其特性第1章緒論1.1開發(fā)利用太陽能的重要意義化石燃料：煤炭、石油等可再生能源：水能、風能、太陽能（SolarEnergy）據(jù)已探明的儲存量，各種資源可開采的年數(shù)為： 石油45年；天然氣61年；煤炭230年；鈾71年資源枯竭環(huán)境問題（如氣候變暖、酸雨等）氣候變暖：自然界食物鏈逐漸斷裂內(nèi)陸地區(qū)大面積干旱氣溫升高會給人類生理機能造成影響

……常規(guī)電網(wǎng)的局限性太陽能的熱能和光能利用是兩個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。到達地球的太陽能，在大氣圈外為1.38kW/m2，其中30％向宇宙反射，其余的70％到達地球。太陽的壽命可達幾十億年。太陽能不會產(chǎn)生CO2等有害物質(zhì)，是一種清潔能源。太陽能的缺點是能量密度低、容易受氣象條件的影響，不具備蓄電功能等。此外，雖然太陽能本身對環(huán)境無污染，但也應(yīng)該看到，太陽能電池、電力電子變換裝置的制造和使用過程中仍會產(chǎn)生環(huán)境污染，應(yīng)考慮綜合效益。

1.2

太陽能的特點優(yōu)點：（1）儲量巨大

（2）不會枯竭（3）清潔能源（4）不受地域限制太陽能發(fā)電光-熱-電轉(zhuǎn)換光-電轉(zhuǎn)換太陽能光伏發(fā)電

光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用太陽能電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能太陽能熱發(fā)電（太陽槽式熱發(fā)電、太陽能塔式熱發(fā)電、太陽能蝶式熱發(fā)電）通過聚集太陽輻射獲得熱能，將熱能轉(zhuǎn)化成高溫蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機來發(fā)電的

太陽能發(fā)電類型太陽槽式熱發(fā)電太陽能塔式熱發(fā)電太陽能蝶式熱發(fā)電亞洲首座太陽能熱發(fā)電實驗電站歷經(jīng)6年科研攻關(guān)和施工建設(shè)，我國首個、亞洲最大的塔式太陽能熱發(fā)電電站——八達嶺太陽能熱發(fā)電實驗電站在延慶建成，并于2012年8月成功發(fā)電。這也使我國成為繼美國、西班牙、以色列之后，世界上第四個掌握太陽能熱發(fā)電技術(shù)的國家。太陽能電池，完成將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的任務(wù)。太陽能電池主要由半導體硅制成，在半導體上有光線照射時，吸收光能激發(fā)出電子和空穴，在半導體中產(chǎn)生電壓（流），稱為“光生伏特效應(yīng)”或簡稱“光伏效應(yīng)”（Photovoltaiceffect）。以硅晶體做成的半導體，摻有磷雜質(zhì)的硅晶體中自由電子是多數(shù)載流子，稱為N型半導體；摻有硼雜質(zhì)的硅晶體中空穴是多數(shù)載流子，稱為P型半導體。若將P型半導體與N型半導體結(jié)合，形成PN結(jié)。太陽能電池利用了PN結(jié)的光伏效應(yīng)。當有光照射太陽能電池時，則激發(fā)電子自由運動流向N型半導體，正電荷集結(jié)于P型半導體，從而產(chǎn)生電位勢。若外接負荷，則有電流流動。太陽光N型半導體P型半導體正極負極電流負荷太陽能發(fā)電發(fā)展歷程年代成就1800發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)1876硒的光伏效應(yīng)研究1904Cu、Cu2O對光的敏感性研究1940PN結(jié)理論的研究1954

單晶硅太陽能電池發(fā)明（美國貝爾實驗室）1955CdS太陽能電池發(fā)明1956GaAs太陽能電池發(fā)明1958在先驅(qū)者1號通信衛(wèi)星上應(yīng)用太陽能電池1972美國制訂新能源開發(fā)計劃1974日本制訂太陽能發(fā)電發(fā)展的“陽光計劃”1976非晶硅太陽能電池的發(fā)明1984美國7MW太陽能發(fā)電站建成1985日本1MW太陽能發(fā)電站建成1991制定再生新能源發(fā)電與公共電力網(wǎng)并網(wǎng)法規(guī)（德國）1992制定逆潮流供電與公共網(wǎng)并網(wǎng)法規(guī)（日本）1994住宅用太陽光發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程（日本）2003RPS法（新能源法案）（日本）

1.3今年世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展狀況國際上在光伏領(lǐng)域具有領(lǐng)先地位的國家主要有日本、德國、美國、澳大利亞等。生產(chǎn)廠排名產(chǎn)量（MW）比例（％）Sharp（日本）夏普1（1）324.025.8Kyocera（日本）京瓷2（2）105.08.3BPSolar（英國）3（3）84.96.8MitsubishiElectric（日本）4（6）75.06.0Q-Cells（德國）4（9）75.06.0ShellSolar（荷蘭）殼牌6（4）72.05.7Sanyo（日本）三洋7（8）65.05.4RWESchottSolar（德國）8（5）63.05.0Isofoton（西班牙）9（7）53.04.2臺灣茂迪（中國）10（10）35.02.8無錫尚德（中國）10（16）35.02.8世界十大太陽能電池生產(chǎn)廠2004年排名與產(chǎn)量注：括號內(nèi)為2003年排名2013年全球十大太陽能電池組件企業(yè)產(chǎn)量排名名次制造商產(chǎn)量（MW）1英利(中國)31002天合光能(中國)24713阿特斯(中國)18004晶科能源(中國)17005FirstSolar(美國)16286韓華(韓國)13007晶澳(中國)12188SunPower(美國)11349京瓷(日本)

110010SolarFrontier(日本)920美國——“百萬屋頂計劃”美國在1997年6月宣布了太陽能“百萬屋頂計劃”（MillionSolarRoofs

Initiative），準備在2010年以前，在100萬座建筑物上安裝太陽能系統(tǒng)，主要是

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱利用系統(tǒng)。

美國太陽能光伏發(fā)電與熱利用技術(shù)比較成熟，開始進入大規(guī)模生產(chǎn)階段。兩大太陽能電池公司年生產(chǎn)能力分別達到5MW和10MW，整個美國光伏發(fā)電產(chǎn)品的年銷售量達到100MW以上。美國政府極為重視對太陽能的開發(fā)和利用。投入巨額資金用于該領(lǐng)域的科研開發(fā)，同時在政策上給予傾斜。目前“百萬屋頂計劃”已經(jīng)在美國某些地區(qū)大力發(fā)展起來。在夏威夷，由于自然條件優(yōu)越，太陽能已經(jīng)成為當?shù)啬茉垂┙o的主要形式和經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分。日本——“陽光計劃”日本的光伏發(fā)電發(fā)展階段1.第一次石油危機后，日本通產(chǎn)省于1974年制訂了以發(fā)展太陽能為主的可再生能源代替石油的技術(shù)研究開發(fā)中長期規(guī)劃，即“陽光計劃”。初期，太陽能電池用于家用計算器、燈標和孤島柴油發(fā)電的補充能源。之后成立了新能源生產(chǎn)技術(shù)綜合管理機構(gòu)，加大資金投入，加速了光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐。2.1988－1994年，隨著社會環(huán)保意識的提高，以及電力公司獨立電源示范工程成功的基礎(chǔ)上，太陽能光伏項目擴大到公園、學校、醫(yī)院、展覽館等公共示范工程以及民用示范工程。3.1993年制訂的“陽光計劃”，仍然把光伏發(fā)電作為重點項目，光電技術(shù)已達到普遍應(yīng)用水平。售價過高是影響推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素，降低光電器件成本和高效率材料的開發(fā)是重要發(fā)展方向。從1994年，日本實施住宅光電系統(tǒng)的優(yōu)惠政策，對每戶居民住宅光電系統(tǒng)提供?的政策補貼，極大地促進了住宅用光電項目的推廣。日本光伏產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的主要經(jīng)驗：基本國策，常抓不懈；資金投入，政策優(yōu)惠。德國——“十萬屋頂發(fā)電計劃”德國在2003年完成“10萬屋頂發(fā)電計劃”，2000年頒布可再生能源法，2003年又公布了可再生能源促進法，引發(fā)了德國光伏發(fā)展的新一輪高峰。2004年德國光伏發(fā)電總量達到6×105GW·h，可再生能源發(fā)電占9.3％。德國政府在推廣光伏發(fā)電方面采取了一系列有力的舉措，主要包括銀行貸款和上網(wǎng)電價補貼等。在德國，若在自家屋頂上安裝了一套光伏發(fā)電設(shè)備，相當于一個小型發(fā)電廠，發(fā)出的電能輸送到公共電網(wǎng)，國家最高給予57.4cent/kW·h的補貼，可以獲得較高的經(jīng)濟回報。因此，德國光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為一個非常活躍的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)?，F(xiàn)在，德國的光伏市場已從探索階段發(fā)展為繁榮的專業(yè)市場，其安裝量瑤瑤領(lǐng)先于其他國家。中國——“光明工程計劃”我國在太陽能光熱利用方面處于世界先進行列，是最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國和消費市場。在太陽能光伏發(fā)電研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面奮起直追，取得了較大進展。2004年在該領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)規(guī)模上超過印度，成為亞洲處于前列的光伏電池生產(chǎn)國家。2005年通過《中華人民共和國可再生能源法》，于2006年1月1日起正式實施。我國光伏發(fā)電的發(fā)展歷程：1958年開始研制太陽能電池，1959年第一個有實用價值的太陽能電池誕生。1971年3月，太陽能電池首次應(yīng)用于我國第二顆人造衛(wèi)星。1973年，太陽能電池首次應(yīng)用于天津港的浮標燈上。1979年，用半導體工業(yè)積壓單晶片生產(chǎn)單晶硅電池。20世紀80年代后期，引進國外關(guān)鍵設(shè)備、生產(chǎn)線和技術(shù)，太陽能電池生產(chǎn)能力達到4.5MW，太陽能電池制造產(chǎn)業(yè)初步形成。全球單體最大太陽能建筑并網(wǎng)發(fā)電全球最大的光伏建筑一體化低能耗生態(tài)建筑——尚德光伏研發(fā)中心大樓竣工。這里將成為尚德公司國家級企業(yè)（集團）技術(shù)中心的研發(fā)基地。

尚德光伏研發(fā)中心大樓總投資約2億元，該幢建筑地上7層，幕墻總高度37米，總面積約1.8萬平方米，PV幕墻面積6900平米，是全球最大的光電幕墻。整個工程設(shè)計容量為1兆瓦，預計全年發(fā)電量將達到70萬千瓦時，預計將為整體建筑提供80％耗電。以最低使用壽命25年計算，共可產(chǎn)生電量1737.5萬千瓦時，預計每年可以替代標準煤240噸，減排432噸，25年共替代標煤6000噸。無錫尚德太陽能電力有限公司成立于2001年1月，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售為一體的高新技術(shù)光伏企業(yè)，主要從事晶體硅太陽電池、組件、光伏系統(tǒng)工程、光伏應(yīng)用產(chǎn)品的研究、制造、銷售和售后服務(wù)。經(jīng)過短短幾年跨越式、超常規(guī)的大發(fā)展，尚德公司的產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量水平已完全達到國際光伏行業(yè)先進水平，位列世界光伏企業(yè)前三強，在太陽能組件制造方面已位居世界首位。－－人民網(wǎng)2009年1月8日

第2章太陽輻射

2.1太陽概況太陽從中心到邊緣可以分為：核反應(yīng)區(qū)——太陽熱能產(chǎn)生的基地。輻射區(qū)——太陽能先通過這里傳播出去。對流區(qū)——太陽能經(jīng)過這里向太陽表層傳播，是“輸送帶”。太陽大氣——大致可分為光球、色球、日冕等層次。00.40.81.21.62.02.42.83.20.51.01.52.02.5發(fā)射強度（W/cm2.um）波長λ（um）可見光紫外紅外地面太陽光光譜分布圖太陽輻射光譜中，能量密度最大值是0.475μm，由此向短波方向，光波具有的能量急劇降低，向長波方向各光波具有的能量則緩慢地減弱。在大氣層上界，太陽輻射總能量中約有7%的能量在紫外線以下的波長范圍內(nèi)，

47%的能量在可見光范圍內(nèi)，

46%的能量在紅外線波長波長范圍內(nèi)。

太陽輻射總能量的22億分之一輻射到地球，這部分能量約有19％被大氣層吸收；約有30％的能量被大氣層和塵粒和地面反射會宇宙空間；穿過大氣到達地球表面的太陽輻射功率約占51％。盡管太陽能只有很少的一部分輻射到地面，但數(shù)量仍然巨大。每年輻射到地球表面的太陽能能量約為1.8×1018KW·h，等于1.3×106億噸標準煤，是地球年耗能量的幾萬倍。我國2/3的地區(qū)太陽能輻射總量大于5024MJ/m2，年日照時數(shù)在2000h以上，太陽能資源十分豐富。其中西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古的輻射總量和日照時數(shù)在我國位居前列。除了四川盆地和毗鄰地區(qū)以外，我國絕大部分地區(qū)的太陽能資源超過或相當于國外同緯度地區(qū)，優(yōu)于歐洲和日本。由于南面是海拔7000～8850m的喜馬拉雅山脈，阻擋著印度洋的水蒸氣，因此青藏高原的太陽能年輻射總量達6670～8850MJ/m2，年日照時數(shù)達3200～3300h，是我國太陽能資源最好的地區(qū)。而四川盆地云雨天氣多，是太陽能資源相對較差的地區(qū)。日地運動示意圖

2.2日地運動地球繞“地軸”自西向東自轉(zhuǎn)一周（360°）為一晝夜每小時自轉(zhuǎn)15°。地球自轉(zhuǎn)同時，繞太陽“公轉(zhuǎn)”橢圓形軌道稱為“黃道”公轉(zhuǎn)一周為一年。地軸與黃道面夾角23°27′公轉(zhuǎn)時，自轉(zhuǎn)軸方向始終不變。

2.3天球坐標天球：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。天軸：地軸無限延長便是天軸。天極：天軸與天球表面相交的兩點叫天極。其中與地球北極對應(yīng)的叫天北極（P），另一極為天南極（P′）。天赤道：過天球球心與天軸相垂直的平面與天球相交的大圓。天球坐標系(1)天軸、天極、天赤道：天頂、天底：某地鉛垂線無限延長與天球的交點。在地平之上的為天頂（Z），另一點為天底（z′）。

地平圈：過天球球心與當?shù)劂U垂線相垂直的平面與天球相交的大圓。這個面叫地平面，它把天球分為可見和不可見兩部分。(2)天頂、天底、地平圈：兩圈交點是東點和西點，地平圈上與東、西點相距90°的兩個點為南點和北點。另外，天赤道對于地平圈的兩個遠距點，在地平之上的稱作上點（Q），另一個在地平之下的稱為下點（Q′）.(3)天赤道與地平圈上的點：

2.3.1赤道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用途：用于時間度量赤緯(δ)

太陽赤緯角可由庫伯（Cooper）方程計算計算：春分（3月21日）的赤緯n為一年中的天數(shù)。太陽赤緯角在春分，n=81,則太陽光線垂直照射地球的位置，以當?shù)氐乩砭暥葋肀硎?。赤緯在北半球取正值，在南半球取負值。一年里太陽赤緯?23.45o至－23.45o之間變動。春分日和秋分日，太陽直射赤道，δ=０；夏至日，太陽直射北回歸線，δ=+23.45o；冬至日，太陽直射南回歸線，δ＝-23.45o時角()天體所在的時圈相對于上點Q（午圈）的方向和角距離。規(guī)定正午時角為0，上午時角為負值，下午時角為正值通常以表示，數(shù)值等于離正午的時間乘以15o

2.3.2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，叫做地平坐標系用途：表示天體在天空中的高度和方位太陽高度角（）太陽平行光線與地平面的交角稱為太陽高度角，常簡稱為太陽高度。

=0°時最小，

=90°時最大太陽天頂角（）太陽光線與地平面法線之間的夾角太陽方位角（）太陽光線在地平面上投影和地平面上正南方向線之間的夾角

2.3.3太陽角的計算1太陽高度角的計算當太陽正午時，式中地理緯度太陽赤緯角太陽時角計算太陽高度角的表達式例題：計算夏至日南回歸線上的正午太陽高度角。例題：計算春分日北極圈(φ=66°33′)上的正午太陽高度角。解：δ=23°27′，φ=-23°27′

=90°+（φ-δ）=43°06′解：δ=0°，φ=66°33′=90°-（φ-δ）=23°27′當正午太陽在天頂以南，即時當正午太陽在天頂以北，即時3日出、日落時的時角日出、日落時的太陽高度角00為日出時角；由于為日落時角2方位角的計算5日出、日落時的方位角日出、日落時的太陽高度角004日照時間當?shù)赜扇粘龅饺章渲g的時間間隔。由于地球每小時自傳150

例題：計算北緯34.5度，東經(jīng)110度，5月10日正午時太陽的高度角、方位角及該日的日出、日落時間。解：由題可知n=130可得δ=17.52°正午時ω=0，代入可得

=73°可得方位角

=0代入數(shù)據(jù)，可得ω1=102.53°ω2=-102.53°則日出時間為日落時間

2.4太陽輻射量太陽輻射功率或輻射通量：單位時間內(nèi)，太陽以輻射形式發(fā)射的能量，單位為瓦（W）輻射度或輻照度：太陽投射到單位面積上的輻射功率，單位為瓦/平方米（W/m2）(cal：熱量單位，卡路里)2.4.1大氣層外的太陽輻射1.太陽常數(shù)太陽與地球間的距離不是一個常數(shù)，因此，地球大氣層上界的太陽輻射強度隨日地間距離的不同而不同。實際上，由于日地間距離很大（15000萬公里），其相對變化量很小，由此引起的太陽輻射強度的相對變化不超過3.4%，這就意味著地球大氣層外的太陽輻射強度幾乎是一個常數(shù)。我們使用“大氣常數(shù)”來描述大氣層上界的太陽輻射強度。在日地平均距離時，地球大氣層上界垂直于太陽光線表面的單位面積單位時間內(nèi)所接收到的太陽輻射能。用Isc表示。參考值為2.到達大氣層上界的太陽輻射大氣層上界水平面上的太陽輻射日總量H0為大氣常數(shù)；為日出、日落時角；為太陽赤緯角；為日地距離變化引起大氣層上界的太陽輻射通量的修正值；n為一年中的日期序號。3.大氣質(zhì)量（AM）“大氣質(zhì)量”是一個無量綱量，用AM表示。太陽光線穿過地球大氣的路徑與太陽光線在天頂角方向時穿過大氣路徑之比。地球大氣上界的大氣質(zhì)量為零。假定在1個標準大氣壓和0度時，海平面上太陽光線入射時的路徑為AM=1太陽在其他位置時，大氣質(zhì)量都大于1地面光伏應(yīng)用中統(tǒng)一規(guī)定大氣質(zhì)量為1.5。通常寫成AM1.5為當?shù)卮髿鈮?；為太陽天頂角；地面上大氣質(zhì)量的計算公式為海平面大氣壓。上式忽略了大氣的曲率及折射因素的影響?！?0°時，計算值與觀測值非常接近?！?0°時，采用下式計算2.4.2到達地表的太陽輻照度1.大氣透明度上式積分或者式中，到達地表的法向太陽輻照度大氣層上界的太陽輻照度大氣的消光系數(shù)單色光譜透明度

m大氣質(zhì)量或2.垂直于太陽光線的地表上的直射輻強度大氣透明度p與大氣質(zhì)量m相關(guān)，為了簡化，通常將大氣透明度訂正到某一給定的大氣質(zhì)量，例如，將pm修正到m=2的透明度p2，此時，垂直于太陽光表面上的直接輻射強度3.水平面上的太陽直射