光伏器件系统及应.ppt

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1、 光伏：光伏：器件、系统及应用器件、系统及应用 by by Christiana Honsberg&Stuart BowdenChristiana Honsberg&Stuart Bowden 一直以来，对专业教育的普遍缺乏被认为是光伏电池得到恰当应用的一个主要障碍。光伏电子课程面向的是学生和拥有基本专业知识的个人，例如，比较熟悉电子电路知识，但现在还没有掌握光伏器件和太阳能系统领域的知识。2/27/20232/27/20231 1UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.1&0.1太阳能太阳能&0.2&0.2光伏发电光伏发电&0.3&0.3温室效应温室效应序言：太阳能发电的介绍序言：

2、太阳能发电的介绍2/27/20232/27/20232 2UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.1&0.1太阳能太阳能 太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有能源太阳能，从某种形式上说，是地球上几乎所有能源的源头。而人类，像所有其它的动物和植物一样，因的源头。而人类，像所有其它的动物和植物一样，因为温暖和食物而依赖于太阳。然而，人类同时还以许为温暖和食物而依赖于太阳。然而，人类同时还以许多不同的方式利用太阳的能量。比如，化石燃料，一多不同的方式利用太阳的能量。比如，化石燃料，一种来自以前地质时代的植物材料，就被用在交通运输种来自以前地质时代的植物材料，就被用在交通运输和发电上。本

3、质上它就是储存了无数年以前的太阳能。和发电上。本质上它就是储存了无数年以前的太阳能。类似的，生物把太阳能转换成可以用来加热、运输和类似的，生物把太阳能转换成可以用来加热、运输和发电的燃料。风能，几百年来被人们用来提供机械能发电的燃料。风能，几百年来被人们用来提供机械能以及用于运输的能源，利用的是被太阳光加热的空气以及用于运输的能源，利用的是被太阳光加热的空气和地球转动产生的空气流动。如今，风力涡轮机把风和地球转动产生的空气流动。如今，风力涡轮机把风2/27/20232/27/20233 3UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.1&0.1太阳能太阳能 能转换成电能，同时也用在传统用途

4、上。甚至水电也是能转换成电能，同时也用在传统用途上。甚至水电也是源之太阳能。水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气，水源之太阳能。水力发电依赖于太阳光蒸发的水蒸气，水蒸气以雨水的形式回到地球并流向水坝。蒸气以雨水的形式回到地球并流向水坝。光伏发电（通常简称为光伏发电（通常简称为PVPV）是一种简易而优美的利）是一种简易而优美的利用太阳能的方式。光伏器件（太阳能电池）是独特的，用太阳能的方式。光伏器件（太阳能电池）是独特的，因为它能把入射光线直接转换成电而不会产生噪音、污因为它能把入射光线直接转换成电而不会产生噪音、污染且不需要移动零部件，这使得它们很牢固、可靠以及染且不需要移动零部件，这使得它们很牢

5、固、可靠以及寿命长久。需要指出的是，太阳能电池跟通讯及电脑革寿命长久。需要指出的是，太阳能电池跟通讯及电脑革命基于同样的原理和材料。而我们这个电子教程包括了命基于同样的原理和材料。而我们这个电子教程包括了光伏器件和系统的运行和应用。光伏器件和系统的运行和应用。2/27/20232/27/20234 4UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学 位于澳大利亚位于澳大利亚东海岸的蒙塔东海岸的蒙塔古小岛古小岛一个国家公园一个国家公园和野生动物保和野生动物保护区，太阳能护区，太阳能点亮了这里房子。图上左边的小太阳能电池板为灯塔提供点亮了这里房子。图上左边的小太阳能电池板为灯塔提供电力，同时右边大块的

6、电池板负责为图片里面露出一部分电力，同时右边大块的电池板负责为图片里面露出一部分的房屋供电。房屋里存放着给国家公园守护者和岛上的研的房屋供电。房屋里存放着给国家公园守护者和岛上的研究者的设备。究者的设备。2/27/20232/27/20235 5UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.2&0.2光伏发电的介绍光伏发电的介绍 光伏发电是指使用太阳能电池把阳光直接转化成电的过光伏发电是指使用太阳能电池把阳光直接转化成电的过程。今天，它正在快速地成长并成为常规化石燃料发电的程。今天，它正在快速地成长并成为常规化石燃料发电的越来越重要的替代品。但是，相比其它的发电技术，光伏越来越重要的替代品

7、。但是，相比其它的发电技术，光伏发电还是个后起之秀，直到发电还是个后起之秀，直到19501950年代第一个实用的光伏年代第一个实用的光伏器件才被展示出来。器件才被展示出来。19601960年代，太空工业里卫星应用对年代，太空工业里卫星应用对有别于电网的电力供应的需求巨大地推动了光伏产业的研有别于电网的电力供应的需求巨大地推动了光伏产业的研究和发展。当时的太阳能电池要比现在的贵上好几千倍，究和发展。当时的太阳能电池要比现在的贵上好几千倍，而且对那种有别于传统的发电方式的需求还是十年以后才而且对那种有别于传统的发电方式的需求还是十年以后才出现的。但是在几个潜在的专业市场上，相对于快速发展出现的。但

8、是在几个潜在的专业市场上，相对于快速发展的晶体管，太阳能电池成为了一个令人感兴趣的科学变化。的晶体管，太阳能电池成为了一个令人感兴趣的科学变化。2/27/20232/27/20236 6UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.2&0.2光伏发电的介绍光伏发电的介绍1970年代发生的石油危机把全世界的眼光都聚焦在了对能为陆地上的人们所用的可替代能源的需求上，而这也反过来推动了光伏作为一种能为陆地上的人们所用的发电方式的研究。尽管石油危机被证明是短暂的以及对太阳能电池发展的经济支持的减少，但此时太阳能电池俨然已经进入了发电技术的竞争者行列。它在偏远的电力供应地区的应用和优势迅速地被人们认

9、识到，并推动了陆地光伏产业的发展。小尺寸的可携带的应用2/27/20232/27/20237 7UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.2&0.2光伏发电的介绍光伏发电的介绍（如计算器和手表）开始被使用，并让偏远地区的电力供应受益匪浅。到了1980年代，对硅太阳能电池的研究获得了回报，电池的发电效率开始提高。1985年硅电池的效率达到了里程碑式的20%。在紧接着的十年，光伏产业经历了每年15%到20%之间的稳定增长。1997年增长率达到了38%。而今天，太阳能电池不再被认为只是一种提供电力和提高那些电网还没到达的偏远地区的人们生活质量的方法。2/27/20232/27/20238 8

10、UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.2&0.2光伏发电的介绍光伏发电的介绍 而是还作为一种能显著地减少由先进工业国家照成的环境而是还作为一种能显著地减少由先进工业国家照成的环境破坏的影响的方法。破坏的影响的方法。不断增长的市场和光伏发电的鲜明个性意味着比以往不断增长的市场和光伏发电的鲜明个性意味着比以往任何时候都多的应用正在以光伏的形式被推动着。这些应任何时候都多的应用正在以光伏的形式被推动着。这些应用的领域从几兆瓦的发电站到无处不在的太阳能计算器。用的领域从几兆瓦的发电站到无处不在的太阳能计算器。此电子教程旨在提供陆地太阳能发电的概况以向非专业人此电子教程旨在提供陆地太阳能发电

11、的概况以向非专业人士提供基本的信息。我们希望，在使用了光伏电子教程后士提供基本的信息。我们希望，在使用了光伏电子教程后您能明白光伏器件和系统运作的基本原理，能够识别相应您能明白光伏器件和系统运作的基本原理，能够识别相应的应用，有能力承担光伏系统的设计。随着熟悉光伏概念的应用，有能力承担光伏系统的设计。随着熟悉光伏概念和应用的人越来越多，我们希望能提高太阳能发电在适当和应用的人越来越多，我们希望能提高太阳能发电在适当应用方面的使用。应用方面的使用。应用方面的使用。应用方面的使用。2/27/20232/27/20239 9UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.3&0.3温室效应温室效应

12、 尽管因为其十足的实用性和经济性，太阳能电池在今天被尽管因为其十足的实用性和经济性，太阳能电池在今天被所人们使用着，但是使用太阳能发电的潜在好处就是，光所人们使用着，但是使用太阳能发电的潜在好处就是，光伏发电是所有发电方式中对环境最友好的一种。发电对环伏发电是所有发电方式中对环境最友好的一种。发电对环境的影响，特别是温室效应，是又一个促使人们研究太阳境的影响，特别是温室效应，是又一个促使人们研究太阳能发电的因素。接下来将给出对温室效应的简短概述。能发电的因素。接下来将给出对温室效应的简短概述。地球的温度是来自太阳的辐射跟从地球射向太空的辐地球的温度是来自太阳的辐射跟从地球射向太空的辐射达到平衡

13、的结果。地球大气层的存在和物质的构成强烈射达到平衡的结果。地球大气层的存在和物质的构成强烈地影响着从地球排放出去的辐射。如果我们地球像月球一地影响着从地球排放出去的辐射。如果我们地球像月球一样没有大气层，那么地球表面的平均温度将下降到大约零样没有大气层，那么地球表面的平均温度将下降到大约零下下18C18C。然而，自然形成的占大气质量百万分之。然而，自然形成的占大气质量百万分之270270（270ppm270ppm）的二氧化碳（）的二氧化碳（CO2 CO2），吸收了飞向太空），吸收了飞向太空的辐射，也因此保存了大气的能量，让地球保暖。大气层的辐射，也因此保存了大气的能量，让地球保暖。大气层使地使

14、地 2/27/20232/27/20231010UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.3&0.3温室效应温室效应 球平均温度保持在球平均温度保持在15C15C左右，比月球的高左右，比月球的高33C33C。二氧化碳。二氧化碳强烈地吸收波长在强烈地吸收波长在13-1913-19微米波段的辐射，而另外一种大气微米波段的辐射，而另外一种大气气体气体水蒸气，能强烈吸收波长在水蒸气，能强烈吸收波长在4-74-7微米波段的辐射。微米波段的辐射。大多数逃逸出地球的辐射的波长集中在大多数逃逸出地球的辐射的波长集中在7-137-13微米波段这个微米波段这个“窗口窗口”。人类活动正在不断地向大气排放人类

15、活动正在不断地向大气排放“人造气体人造气体”，这些气，这些气体能吸收波长在体能吸收波长在7-137-13微米范围内的辐射，特别是二氧化碳、微米范围内的辐射，特别是二氧化碳、甲烷、臭氧、氮氧化物以及含氯氟烃（甲烷、臭氧、氮氧化物以及含氯氟烃（CFCSCFCS）。这些气体）。这些气体阻碍了热能的正常逃逸并有可能使地表温度升高。现有的阻碍了热能的正常逃逸并有可能使地表温度升高。现有的证据显示，到证据显示，到20302030年，起效果的年，起效果的COCO2 2水平将是现在的两倍。水平将是现在的两倍。致使全球温度升高致使全球温度升高1 1到到4 4度。这将引起风的流动模式和降雨度。这将引起风的流动模式

16、和降雨2/27/20232/27/20231111UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.3&0.3温室效应温室效应 量的变化，其结果可能导致大陆内部变得干旱以及地球海量的变化，其结果可能导致大陆内部变得干旱以及地球海平面上升。排放的人造气体增长的越多，当然造成的影响平面上升。排放的人造气体增长的越多，当然造成的影响就越严重。就越严重。大气中，二氧化碳含大气中，二氧化碳含量的上升（蓝线）与量的上升（蓝线）与平均温度（红线）的平均温度（红线）的上升相聚在一起。上升相聚在一起。2/27/20232/27/20231212UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学&0.3&0.3温室效应

17、温室效应 很显然，人类现在活动的规模已经达到了能够影响地球环境和它对人类的吸引力的程度了。它的副作用将是毁灭性的，在未来的几十年，那些对环境影响很小以及不排放温室气体的技术将变得越来越重要。能源领域因为其燃烧化石燃料而成为温室气体的最主要生产者，像光伏发电这种能够代替化石燃料的技术必须得到越来越多的应用。2/27/20232/27/20231313UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学第一章：光的特性第一章：光的特性&1.1&1.1光的基本原理光的基本原理&1.2&1.2黑体辐射黑体辐射&1.3&1.3太阳辐射太阳辐射&1.4&1.4地表太阳辐射地表太阳辐射&1.5&1.5太阳辐射数据太

18、阳辐射数据2/27/20232/27/20231414UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 光的特性光的特性 每秒钟地球接收到的太阳能是人类每年每秒钟地球接收到的太阳能是人类每年能量需求的好几倍。我们每天能看到的能量需求的好几倍。我们每天能看到的光只是从太阳发射然后进入地球的能量光只是从太阳发射然后进入地球的能量的一小部分而已。太阳光是电磁波的其的一小部分而已。太阳光是电磁波的其中一种形式，而我们看到的可见光也只中一种形式，而我们看到的可见光也只是我们右边显示的电磁波普的一个小子是我们右边显示的电磁波普的一个小子集。集。在电磁波普里，光被描述成有特定波在电磁波普

19、里，光被描述成有特定波长的波。光是一种波的说法首先在长的波。光是一种波的说法首先在1818世世纪早期被人们接受，当时由杨、阿拉戈纪早期被人们接受，当时由杨、阿拉戈和菲涅耳所做的实验显示出了光的干涉和菲涅耳所做的实验显示出了光的干涉可见光2/27/20232/27/20231515UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 光的特性光的特性 效应，表明光是由波构成的。到了效应，表明光是由波构成的。到了18601860年代，光被认为年代，光被认为是电磁波普中的一部分。然而，到了是电磁波普中的一部分。然而，到了1818世纪后期，当人们世纪后期，当人们发现实验中测量的由热体所

20、发出的电磁波的波普不能被波发现实验中测量的由热体所发出的电磁波的波普不能被波动方程所解释时，光是波的观点所引发的问题便开始显现动方程所解释时，光是波的观点所引发的问题便开始显现出来。这个矛盾被普朗克在出来。这个矛盾被普朗克在19001900年和爱因斯坦在年和爱因斯坦在19051905年的年的工作化解了。普朗克认为，光的总能量是由不可分的能量工作化解了。普朗克认为，光的总能量是由不可分的能量元素或能量量子所构成。而爱因斯坦在研究光电效应（当元素或能量量子所构成。而爱因斯坦在研究光电效应（当光照射在特定的金属或半导体上时会释放电子）时准确地光照射在特定的金属或半导体上时会释放电子）时准确地得出了这

21、些能量量子的值。鉴于他们在这个领域的成就，得出了这些能量量子的值。鉴于他们在这个领域的成就，普朗克和爱因斯坦分别在普朗克和爱因斯坦分别在19181918年和年和19211921年获得诺贝尔物理年获得诺贝尔物理学奖，同时，基于他们的工作，人们认为光可能是由一系学奖，同时，基于他们的工作，人们认为光可能是由一系列的列的“包包”或被叫做光子的能量粒子组成。或被叫做光子的能量粒子组成。2/27/20232/27/20231616UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 光的特性光的特性 今天今天 ，量子力学即解释了光的波动性又解释了光的粒子，量子力学即解释了光的波动性又解释

22、了光的粒子性。在量子力学中，像所有其它量子力学粒子（如电子、性。在量子力学中，像所有其它量子力学粒子（如电子、质子等）一样，对光子最准确的描述就是质子等）一样，对光子最准确的描述就是“波包波包”。波包。波包被定义为一群平面波的叠合，这些平面波有可能以干涉在被定义为一群平面波的叠合，这些平面波有可能以干涉在一个局限的空间的形式（就像一个方波是由无数的正弦波一个局限的空间的形式（就像一个方波是由无数的正弦波所组成一样）出现，也有可能只是简单地像一个波一样交所组成一样）出现，也有可能只是简单地像一个波一样交替出现。当波包以局限在一个小空间的形式出现时，它就替出现。当波包以局限在一个小空间的形式出现时

23、，它就被看做粒子。因此，视情况的不同，一个光子有可能以波被看做粒子。因此，视情况的不同，一个光子有可能以波的形式或粒子的形式出现，这个概念就就叫的形式或粒子的形式出现，这个概念就就叫“波粒二象性波粒二象性”。2/27/20232/27/20231717UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 光的特性光的特性右边动画描述的是不同波长右边动画描述的是不同波长的光的波包。的光的波包。对光的特性的完整物理学描对光的特性的完整物理学描述需要用量子力学分析，因述需要用量子力学分析，因为光是量子力学粒子为光是量子力学粒子中的一种，所以被叫做光子。对光伏应用来说，较少要求这中的一

24、种，所以被叫做光子。对光伏应用来说，较少要求这么详细的知识，因此，在这里，在光的量子特性方面只给出么详细的知识，因此，在这里，在光的量子特性方面只给出了少量的文字描述。尽管如此，在某些情况下（幸运的是，了少量的文字描述。尽管如此，在某些情况下（幸运的是，仅仅涉及到光伏系统方面），根据这里的简单解释，仅仅涉及到光伏系统方面），根据这里的简单解释，2/27/20232/27/20231818UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 光的特性光的特性 光的行为方式可能会违背常识。光的行为方式可能会违背常识。“常识常识”指的是我们自己的指的是我们自己的观察，观察量子效应不能

25、依靠常识，因为这些效应产生的条观察，观察量子效应不能依靠常识，因为这些效应产生的条件超出了人类的观察范围。如果需要了解更多关于光的知识，件超出了人类的观察范围。如果需要了解更多关于光的知识，请参考费恩曼请参考费恩曼.1985.1985。下面列出几个入射太阳光的重要特性，这些特性在决定入射下面列出几个入射太阳光的重要特性，这些特性在决定入射光与太阳能电池或其他器件如何作用时非常重要。这些重要光与太阳能电池或其他器件如何作用时非常重要。这些重要的特性是：的特性是：入射光的光谱容量入射光的光谱容量 太阳辐射的功率强度太阳辐射的功率强度 太阳光入射到太阳能电池的角度太阳光入射到太阳能电池的角度 一年或

26、一天，太阳光照射到特定表面的总能量一年或一天，太阳光照射到特定表面的总能量 学完这章之后，你应该对以上的四个概念有所掌握学完这章之后，你应该对以上的四个概念有所掌握。2/27/20232/27/20231919UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 -光子的能量光子的能量 一般用波长（符号为一般用波长（符号为）或相对应的能量（符号为）或相对应的能量（符号为E E）来）来描述一个光子的特性。描述一个光子的特性。子的能量与波长之间存在反比例子的能量与波长之间存在反比例关系，方程如下：关系，方程如下：E=hc/E=hc/其中其中h h是普朗克常数，是普朗克常数，c c表

27、示光速。它们以及其它常用的表示光速。它们以及其它常用的常数的数值都显示在常数的数值都显示在常数常数页页.上面的反比例关系表示，由光子组成的光的能量越高上面的反比例关系表示，由光子组成的光的能量越高（比如蓝光），波长就越短。能量越低（如红光），波（比如蓝光），波长就越短。能量越低（如红光），波长越长。长越长。当描述光子、电子等粒子时，共同使用的能量单位是当描述光子、电子等粒子时，共同使用的能量单位是 2/27/20232/27/20232020UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 -光子的能量光子的能量 “电子伏特电子伏特”（eVeV），而不是），而不是“焦耳焦耳

28、”（J J）。一个电子）。一个电子伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的伏特的能量相当于把一个电子的电势提高一伏所需要的功，所以功，所以 要实现电子伏特与焦耳的转换，只需用电荷量要实现电子伏特与焦耳的转换，只需用电荷量q q乘于乘于1 1电电 子伏特的能量。公式如下子伏特的能量。公式如下:E(J)=q E(eV)E(J)=q E(eV)在表达关于在表达关于eVeV和和mm方面的光子能量方程的时候，我们找方面的光子能量方程的时候，我们找到了表示能量与波长之间的关系到了表示能量与波长之间的关系 E E（eVeV）=1.24/=1.24/（mm）2/27/20232/27/20232121

29、UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 -光子的能量光子的能量 通过上面的公式，可求出特定波长的光子的能量大小。2/27/20232/27/20232222UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 -光子通量光子通量 光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量：光子通量被定义为单位时间内通过单位面积的光子数量：光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的光子通量是决定太阳能电池产生的电子数量和电流大小的重要因素。然而，单单光子通量并不足以确定太阳能电池重要因素。然而，单单光子通量并不足以确定太阳能电池产生的电流大小或说明光源

30、的特性。光子通量没有包含关产生的电流大小或说明光源的特性。光子通量没有包含关于入射光子的能量或波长的信息。因此，除非额外提供了于入射光子的能量或波长的信息。因此，除非额外提供了光子能量方面的信息，否则功率强度（或吸收效率）就不光子能量方面的信息，否则功率强度（或吸收效率）就不能被确定。对于一群能量相同（单色光）且光子能量已经能被确定。对于一群能量相同（单色光）且光子能量已经知道的光子来说，总的辐射功率强度（以知道的光子来说，总的辐射功率强度（以W/m2W/m22/27/20232/27/20232323UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 -光子通量光子通量为单

31、位）可以用以下公式计算：为单位）可以用以下公式计算：其中其中 指的是光子通量，指的是光子通量，E E是以是以单单位位eVeV计计算的光子能量。算的光子能量。上面公式的上面公式的应应用之一是，表明用之一是，表明了要了要获获得同得同样样的的辐辐射射强强度，高度，高能量的光子（短波）所需的光能量的光子（短波）所需的光子通量比低能量的光子（子通量比低能量的光子（长长波）波）所需的光子通量小。所需的光子通量小。2/27/20232/27/20232424UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 -光照度光照度 作为光子波长（或能量）的对应量，光照度（记作作为光子波长（或能量）

32、的对应量，光照度（记作F F）是）是描述光源性质最常用的方式。光照度的单位是描述光源性质最常用的方式。光照度的单位是WmWm-2-2mm-1-1.其中其中WmWm-2-2指的是波长指的是波长（mm）的功率强度。则可知，）的功率强度。则可知，m m-2-2指的是光照射的表面积，指的是光照射的表面积，mm-1-1是特定波长。是特定波长。在分析太阳能电池时，通常即需要光子通量也需要光照度。在分析太阳能电池时，通常即需要光子通量也需要光照度。通过把特定波长的光子通量转化成通过把特定波长的光子通量转化成WmWm-2-2的形式（见上一节的形式（见上一节 光子通量），光照度便可以由光子通量确定。然后把转换光

33、子通量），光照度便可以由光子通量确定。然后把转换后的结果除于波长，方程如下所示：后的结果除于波长，方程如下所示：2/27/20232/27/20232525UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 -光照度光照度 式中式中F F为光照度（单位为光照度（单位WmWm-2-2mm-1-1 ），），为为光子通量，光子通量，E E（eVeV）和）和（mm）分）分别别是光子的能量和波是光子的能量和波长长。q q、h h和和c c都是常数。都是常数。波长（波长（nmnm）光光照照度度光光照照度度右图为氙气（绿色）右图为氙气（绿色）、卤素（蓝色）和、卤素（蓝色）和水银（红色）的灯

34、水银（红色）的灯泡（以左边轴为纵泡（以左边轴为纵坐标）发出的光的坐标）发出的光的光照度与太阳光光照度与太阳光的光照度（粉红色，以右边轴的光照度（粉红色，以右边轴为纵坐标）。为纵坐标）。2/27/20232/27/20232626UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 -辐射功率强度辐射功率强度 发射自光源的总的功率强度可以通过所有波长或其对应发射自光源的总的功率强度可以通过所有波长或其对应的能量的光照度的叠加计算获得。然而，计算光源光照的能量的光照度的叠加计算获得。然而，计算光源光照度的近似方程通常并不存在。取而代之的是，被测量出度的近似方程通常并不存在。取而代之

35、的是，被测量出的光照度乘于所处波长范围，然后计算所有的波长的光的光照度乘于所处波长范围，然后计算所有的波长的光照度。下面的方程可以用来计算光源发出总的功率强度照度。下面的方程可以用来计算光源发出总的功率强度:式中式中H H为光源发出的总功率强度，以为光源发出的总功率强度，以WmWm-2-2为单位；为单位；F F（）是以）是以WmWm-2-2mm-1-1为单位的光照度，而为单位的光照度，而d d及及都是都是波长。波长。2/27/20232/27/20232727UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学光的基本原理光的基本原理 -辐射功率强度辐射功率强度 右边的动画展示了由右边的动画展示了由给

36、定的光照度得到功率给定的光照度得到功率强度的过程。强度的过程。2/27/20232/27/20232828UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学黑体辐射 -黑体辐射许多常见的光源如太阳和白炽灯都是相似的黑体模型。一个黑体能许多常见的光源如太阳和白炽灯都是相似的黑体模型。一个黑体能够吸收所有入射到它表面的电磁波，并基于温度的不同辐射出不同够吸收所有入射到它表面的电磁波，并基于温度的不同辐射出不同的电磁波。黑体一词的来源基于这样一个事实，就是如果物体辐射的电磁波。黑体一词的来源基于这样一个事实，就是如果物体辐射出的电磁波不在可见光范围内，而照射到物体的所有电磁波又都被出的电磁波不在可见光范围

37、内，而照射到物体的所有电磁波又都被吸收了，那么它一定是不可见的、黑的。在黑体辐射中，对光伏研吸收了，那么它一定是不可见的、黑的。在黑体辐射中，对光伏研究者来说，可见光部分是大家更关心的地方究者来说，可见光部分是大家更关心的地方。辐射自黑体的光照度辐射自黑体的光照度由普朗克辐射定律给出，其方程如下：由普朗克辐射定律给出，其方程如下：式中式中 是光的波长，是光的波长，T T和和F F分别为黑体的温度和光照度，而分别为黑体的温度和光照度，而h h、c c和和k k都是常数。都是常数。2/27/20232/27/20232929UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学黑体辐射 -黑体辐射黑体辐射出

38、的总功率强度可由所有波长的光照度的积黑体辐射出的总功率强度可由所有波长的光照度的积分得到：分得到：和和T T分别为分别为斯特番斯特番波耳兹曼波耳兹曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)常数常数和黑体温度。另外一个很重要的黑体辐射参数是光照度最和黑体温度。另外一个很重要的黑体辐射参数是光照度最高处的波长高处的波长，换句话说就是此波长辐射出的能量最高。，换句话说就是此波长辐射出的能量最高。对光照度方程进行求导，导数为零处的波长就是上面说的对光照度方程进行求导，导数为零处的波长就是上面说的峰值波长峰值波长。这就是维恩定律，方程由下给出：。这就是维恩定律，方程由下给

39、出：其中其中p p是光照度峰值处的波长，是光照度峰值处的波长，T T为黑体温度。为黑体温度。2/27/20232/27/20233030UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学黑体辐射 -黑体辐射打开下面的动画便可看到黑体辐射的光谱、能量和峰值波长是如何打开下面的动画便可看到黑体辐射的光谱、能量和峰值波长是如何随着黑体温度（随着黑体温度（20002000到到6000k6000k之间）的改变而改变的：之间）的改变而改变的：上面的方程和动画显示，当黑体温度上面的方程和动画显示，当黑体温度升高时，光谱分配和光的能量也随之改升高时，光谱分配和光的能量也随之改变。比如温度接近室温时，黑体（如人变。比

40、如温度接近室温时，黑体（如人类身体或关掉的灯泡）将会辐射出低功类身体或关掉的灯泡）将会辐射出低功率的电磁波，能量主要分布在低于率的电磁波，能量主要分布在低于10m10m的波谱段，超出了人类眼睛的可的波谱段，超出了人类眼睛的可视范围。如果黑体温度被加热到视范围。如果黑体温度被加热到3000k3000k它将会变成红色，因为辐射光能量增强了，并且波谱也转向了可见它将会变成红色，因为辐射光能量增强了，并且波谱也转向了可见光领域。如果灯丝的温度上升到更高的光领域。如果灯丝的温度上升到更高的6000k6000k，辐射出的波长将集，辐射出的波长将集中在红色光和紫色光之间的可见光波段，并呈现白色。下面的图比中

41、在红色光和紫色光之间的可见光波段，并呈现白色。下面的图比较了在三个不同温度时黑体辐射的光照度。在室温下较了在三个不同温度时黑体辐射的光照度。在室温下300k300k的黑体的黑体2/27/20232/27/20233131UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学黑体辐射 -黑体辐射（黑点连成的线）在可见光波段基本上没有能量辐射。红外光波段（黑点连成的线）在可见光波段基本上没有能量辐射。红外光波段附近的辐射如下图显示。由于辐射能量的巨大差异以及能量所在的附近的辐射如下图显示。由于辐射能量的巨大差异以及能量所在的波长范围有很大的不同，下图更加清楚地显示了黑体辐射波谱（温波长范围有很大的不同，下图

42、更加清楚地显示了黑体辐射波谱（温度的函数）的变化。度的函数）的变化。2/27/20232/27/20233232UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学太阳辐射太阳辐射 -太阳太阳 太阳是一个充满气体的热球，其内部因太阳内核发生核聚变反应（氢转化成氦），太阳是一个充满气体的热球，其内部因太阳内核发生核聚变反应（氢转化成氦），温度超过温度超过20000000k20000000k。但因为接近太阳表面的氢原子层的强烈吸收，来自内核的。但因为接近太阳表面的氢原子层的强烈吸收，来自内核的辐射无法被看见。热量通过对流的方式被转移出这一氢原子层。太阳被叫做光球，辐射无法被看见。热量通过对流的方式被转移出

43、这一氢原子层。太阳被叫做光球，其表面温度大概在其表面温度大概在6000K6000K左右或者更精确点左右或者更精确点5762576250K50K，接近于一个黑体。，接近于一个黑体。通过功率强度乘于太阳的表面积可以计算得到太阳辐射的总功率，为通过功率强度乘于太阳的表面积可以计算得到太阳辐射的总功率，为 9.59.510102525w w 太阳辐射的总功率不只是由单一的波长构成的，而是由许多波长组成，因此在人太阳辐射的总功率不只是由单一的波长构成的，而是由许多波长组成，因此在人眼中呈现白色或黄色。使太阳光透过棱镜便可以看到这些不同波长的光了，或者眼中呈现白色或黄色。使太阳光透过棱镜便可以看到这些不同

44、波长的光了，或者透过水雾便可看见彩虹。不同波长的光呈现不同的颜色，但不是所有波长的光都透过水雾便可看见彩虹。不同波长的光呈现不同的颜色，但不是所有波长的光都能被看见因为有一些对人的眼睛来说是不可见的。能被看见因为有一些对人的眼睛来说是不可见的。低能量光子低能量光子高能量光子高能量光子太阳光太阳光玻璃三棱镜玻璃三棱镜2/27/20232/27/20233333UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学太阳辐射 -太空中的太阳辐射在太空中与太阳有一定距离的物体，其吸收的太阳光只占太阳总辐在太空中与太阳有一定距离的物体，其吸收的太阳光只占太阳总辐射的一小部分。太阳光照度（射的一小部分。太阳光照度（

45、H Ho o 单单位位W/m2W/m2）指的是照射到物体的）指的是照射到物体的太阳光的功率太阳光的功率强强度。在太阳的表面，度。在太阳的表面，辐辐射功率射功率强强度相当于度相当于6000k6000k黑黑体的体的辐辐射射强强度，其度，其总总的功率的功率强强度等于度等于这这个个值值乘于太阳表面乘于太阳表面积积。然而，。然而，在在远远离太阳表面的地方，太阳离太阳表面的地方，太阳总总的功率的功率强强度就被度就被扩扩散至大得多的表散至大得多的表面。因此，随着太空中的物体距离太阳越来越遥面。因此，随着太空中的物体距离太阳越来越遥远远，照射到其表面，照射到其表面的太阳光照度也越来越小。距离太阳的太阳光照度也

46、越来越小。距离太阳为为D D的的物体接收到的太阳光照度可以通过总的太阳功率物体接收到的太阳光照度可以通过总的太阳功率强度在物体所在球面的平均划分得到。太阳辐射强度在物体所在球面的平均划分得到。太阳辐射的总功率强度可由的总功率强度可由TT4 4乘于太阳的表面积乘于太阳的表面积（4R4R2 2）给出，其中给出，其中R R为太阳半径。当物体距离太阳为为太阳半径。当物体距离太阳为D D 时，太阳光照射在此处的球面面积为时，太阳光照射在此处的球面面积为 4D 4D2 2.因此，入射到物体的太阳光辐射强度因此，入射到物体的太阳光辐射强度2/27/20232/27/20233434UNSWUNSW新南威尔士

47、大学新南威尔士大学太阳辐射太阳辐射 -太空中的太阳辐射太空中的太阳辐射HoHo（单位（单位W/mW/m2 2），为），为：式中式中H Hsunsun（单位（单位W/mW/m2 2）为太阳表面的功率强度，由斯特番）为太阳表面的功率强度，由斯特番波耳兹波耳兹曼曼(Stefan-Boltzmann)(Stefan-Boltzmann)的黑体方程确定。的黑体方程确定。R R和和D D分别为太阳的半径分别为太阳的半径和与太阳的距离，单位都为和与太阳的距离，单位都为mm，如下图所示：，如下图所示：在距离为在距离为D D处，来自太阳的同样多的能量扩散到面积大得多的区域，处，来自太阳的同样多的能量扩散到面积大

48、得多的区域，太阳光的功率强度也随之减小了许多。太阳光的功率强度也随之减小了许多。2/27/20232/27/20233535UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学太阳辐射太阳辐射 -太空中的太阳辐射太空中的太阳辐射行星行星 距离距离（x10 x109 9mm）太阳光太阳光（W/mW/m2 2）水星水星57578908.08908.0金星金星1081082481.32481.3地球地球1501501286.31286.3火星火星227227561.7561.7木球木球77877847.847.8土星土星1426142614.214.2天王星天王星286828683.53.5海王星海王星44

49、9744971.41.4冥王星冥王星580658060.90.9 右边的表右边的表格给出了格给出了太阳系每太阳系每个行星的个行星的太阳光照太阳光照度的标准度的标准值值2/27/20232/27/20233636UNSWUNSW新南威尔士大学新南威尔士大学太阳辐射太阳辐射 -地球大气层外的太阳辐射地球大气层外的太阳辐射地球大气层外的太阳辐射强度可通过太阳表面的辐射功率强度地球大气层外的太阳辐射强度可通过太阳表面的辐射功率强度（H Hsunsun ，5.961x105.961x107 7 W/mW/m2 2）、太阳半径（）、太阳半径（R Rsunsun）和地球与太阳之）和地球与太阳之间的距离间的距

50、离D D计算得到。其结果大约为计算得到。其结果大约为1.36 KW/m1.36 KW/m2 2.下图显示了计下图显示了计算地球表面太阳光照度时使用的几何常数：算地球表面太阳光照度时使用的几何常数：H H（W/mW/m2 2）是大气层外的辐射功率）是大气层外的辐射功率强度，强度，H Hconstantconstant是太阳光常数值，是太阳光常数值，1.353kw/m21.353kw/m2，n n为一年中的第几天。为一年中的第几天。实际的功率强度会有轻微的变化，因实际的功率强度会有轻微的变化，因为地球以椭圆形轨道围绕太阳公转以及为地球以椭圆形轨道围绕太阳公转以及太阳的辐射功率也是一直在改变着的。太