8.1太陽和太陽能

8.2太陽能電池及發(fā)電系統(tǒng)8.1太陽和太陽能8.1.1太陽的結構和組成為什么說太陽是地球上一切的源泉,是地球上一切能源的根源,沒有太陽便沒有能源呢?按照經典理論,煤、石油是古代生物演變而來的,而生物的生長是離不開太陽的,因此,煤、石油是來源于太陽的。風能、水能和海洋能,也是來源于太陽。風是因為陽光照射到地球上,在地球上形成溫差,導致空氣的流動而形成的。陽光照耀在海面、湖面、江面、河面和植物表面上,形成水蒸氣,水蒸氣在空中形成云,云遇冷凝聚成水滴(大水分子團),變成雨,落到地面,形成海面、湖面、江面、河面,進而有了水能。海洋波浪能、潮汐能也與太陽有關。沒有風能,也就沒有海洋波浪能;海洋潮汐能與地球、月球、太陽的相對運動相關。原子能、地熱能是地球上的礦物質,在太陽系形成時,就已經與太陽有關了。太陽大氣的結構可分為三個層次:最里層為光球層,中間為色球層,最外面為日冕層,如圖81所示。1.光球層我們平常所見太陽的那個光芒四射、平滑如鏡的圓面,就是光球層。它是太陽大氣中最下面的一層,也就是最靠近太陽內部的那一層,厚度為500km左右,僅約占太陽半徑的萬分之七,非常薄。其溫度在5700K(熱力學溫度)左右,太陽的光輝基本上就是從這里發(fā)出的。它的壓力只有大氣壓力的1%,密度僅為水密度的幾億分之一。2.色球層在發(fā)生日全食時,在太陽的四周可以看見一個美麗的彩環(huán),那就是太陽的色球層。它位于太陽光球層的上面,是稀疏透明的一層太陽大氣,主要由氫、氦、鈣等離子構成。其厚度各處不同,平均厚度為2000km左右。色球層的溫度比光球層要高,從光球層頂部的4600K到色球層頂部,溫度可增加到幾萬開爾文,但它發(fā)出的可見光的總量卻不及光球層。3.日冕層在發(fā)生日全食時,我們可以看到在太陽的周圍有一圈厚度不等的銀白色環(huán),這便是日冕層。日冕層是太陽大氣的最外層,在它的外面,便是廣漠的星際空間。日冕層的形狀很不規(guī)則,并且經常變化,同色球層沒有明顯的界限。它的厚度不均勻,但很大,可以延伸到5×106km~6×106km的范圍。它的組成物質特別稀少,密度只有地球高空大氣密度的幾百分之一。亮度也很小,僅為光球層亮度的百萬分之一?？墒撬臏囟葏s很高,達到100多萬開爾文。根據高度的不同,日冕層可分為兩個部分:高度在1.7×105km以下的范圍叫內冕,呈淡黃色,溫度在106K以上;高度在1.7×105km以上的范圍叫外冕,呈青白色,溫度比內冕略低。利用太陽光譜分析法,已經初步揭露出了太陽的化學組成。目前在地球上存在的化學元素,大多數在太陽上都能找到。地球上的100多種自然元素中,有66種已先后在太陽上發(fā)現。構成太陽的主要成分是氫和氦。氫的體積占整個太陽體積的78.4%,氦的體積占整個太陽體積的19.8%。此外,還有氧、鎂、氮、硅、硫、碳、鈣、鐵、鋁、鈉、鎳、鋅、鉀、錳、鉻、鈷、鈦、銅、釩等60多種元素,但它們所占比重極小。從太陽系形成角度出發(fā),應該說地球上有的東西太陽上都應該有。太陽是距離地球最近的一顆恒星。地球與太陽的平均距離,最新測定的精度數值為149597892km,一般可取為1.5×108km。太陽的直徑為139530km,一般可取為1.39×106km,相當于九大行星直徑總和的3.4倍,比地球的直徑大109.3倍,比月殼的直徑大400倍。太陽的體積為1.412×1018km3,為地球體積的130萬倍。我們肉眼之所以看到太陽和月亮的大小差不多,那是因為月亮同地球的平均距離僅為384400km,不足太陽同地球平均距離的1/400。太陽的質量,據推算,約有1.982×1027t,相當于地球質量的333400倍。標準狀況下,物體的質量同它的體積的比值,稱為物體的密度。太陽的密度,是很不均勻的,外部小,內部大,由表及里逐漸增大。太陽的中心密度為160g/cm2,為黃金密度的8倍,是相當大的,但其外部的密度卻極小。就整個太陽來說,它的平均密度為1.41g/cm3,約等于水的密度(在4℃時為1g/cm3)的1.5倍,比地球物質的平均密度5.5g/cm3

要小得多。8.1.2太陽的能量太陽的內部具有無比的能量,它一刻也不停息地向外發(fā)射著巨大的光和熱。太陽是一顆熊熊燃燒著的大火球,它的溫度極高。眾所周知,水燒到100℃就會沸騰。煉鋼爐里的溫度達到1000℃時,鐵塊就會熔化成熾熱的鐵水,如果再繼續(xù)加熱到2450℃以上,鐵水就會變成氣體。太陽的溫度比煉鋼爐里的溫度高多了。太陽的表面溫度為5570K(或5497℃)?？梢哉f,不論什么東西在那里都將化為氣體。太陽內部的溫度,那就更高了。天體物理學的理論計算告訴我們,太陽的中心溫度高達1.5×107~2.0×107℃,壓力比大氣壓力高3000多億倍,密度高達160g/cm3,這真是一個駭人聽聞的高溫、高壓、高密度的世界。太陽是耀入人們眼簾中的一顆最明亮的恒星,被人們稱為“宇宙的明燈”。驕陽當空,光芒四射,使人不敢正視。對于生活在地球上的人類來說,太陽光是一切自然光源中最明亮的。那么,太陽究竟有多亮呢?據科學家計算,太陽的總亮度大約為2.5×1027燭光。這里還要指出,地球周圍有一層厚達100多千米的大氣,它使太陽光大約減弱了20%,在修正了大氣吸收的影響之后,理論上得到的太陽的真實亮度就更大了,大約為3×1027燭光。太陽的溫度既然如此之高,太陽的亮度既然如此之大,那么它的輻射能量也一定會是很大的了。平均來說,在地球大氣外面正對著太陽1m2

的面積上,每分鐘接收的太陽能大約為1367J。這是一個很重要的數字,叫做太陽常數。這個數字表面上看來似乎不大。但是不能忘記的是,太陽遠在地球1.5×108km之外,它的能量只有22億分之一到達地球之上,整個太陽每秒鐘釋放出來的能量是無比巨大的,高達3.865×1026J,相當于每秒鐘燃燒1.32×1016t標準煤所發(fā)出的能量。太陽的巨大能量是從太陽的核心由熱核反應產生的。太陽核心的結構,可以分為產能核心區(qū)、輻射輸能區(qū)和對流區(qū)三個范圍廣闊的區(qū)帶,如圖82所示。太陽實際上是一座以核能為動力的極其巨大的工廠。氫便是它的燃料。在太陽內部的深處,由于有極高的溫度和上面各層的巨大壓力,使原子核反應得以不斷地進行。這種核反應是氫變?yōu)楹さ臒岷司圩兎磻?個氫原子核,經一系列的核反應,變成1個氦原子核,其損失的質量便轉化成了能量向空間輻射。太陽上不斷進行著的這種核反應,就像氫彈爆炸一樣,會產生巨大的能量。其所產生的能量,相當于1秒鐘內爆炸910億個106tTNT級的氫彈,總輻射功率達3.75×1026W。8.1.3地球上的太陽能1.太陽能量的傳送方式太陽是地球上的光和熱的主要源泉。太陽一刻也不停息地把它巨大的能量源源不斷地傳送到地球上來。它是如何傳送的呢?熱量的傳播有傳導、對流和輻射三種形式。太陽是以輻射的形式向廣闊無垠的宇宙?zhèn)鞑ニ臒崃亢臀⒘５?。這種傳播的過程,就稱做太陽輻射。太陽輻射不僅是地球獲得熱量的根本途徑,而且也是對人類和其他一切生物的生存活動以及地球氣候變化產生最重要影響的因素。太陽上發(fā)射出來的總輻射能量大約為3.75×1026T,是極其巨大的。但是其中約有22億分之一到達地球。到達地球范圍內的太陽總輻射能源大約為1.73×1014kJ。其中,被大氣吸收的太陽輻射能大約為3.97×1013kJ,約占到達地球范圍內的太陽總輻射能量的23%;被大氣分子和塵粒反射回宇宙空間的太陽輻射能大約為5.2×1013kJ,約占30%;穿過大氣層到達地球表面的太陽輻射能大約為8.1×1013kJ,約占47%。在到達地球表面的太陽輻射能中,到達地球陸地表面的輻射能大約為1.7×1013kJ,大約占到達地球范圍內的太陽總輻射能量的10%。到達地球陸地表面的這1.7×1013kJ是個什么數量級呢?形象地說,它相當于整個世界一年內消耗的各種能源所產生的總能量的3000多萬倍。在陸地表面所接收的這部分太陽輻射能中,被植物吸收的僅占0.015%,被人們利用作為燃料和食物的僅占0.002%,已利用的比重微乎其微?？梢?利用太陽能的潛力是相當大的,開發(fā)利用太陽能為人類服務是大有可為的。2.太陽的光譜太陽是以光輻射的方式把能量輸送到地球表面上來的。我們所說的利用太陽能,就是利用太陽光線的能量。那么太陽光的本質是什么,它有哪些特點呢?現代物理學認為,各種光包括太陽光在內,都是物質的一種存在形式。光既有波動性,又具有粒子性,這叫做光的波粒二象性。一方面,任何種類的光都是某種頻率或頻率范圍內的電磁波,在本質上與普通的無線電波沒有什么差別,只不過是它的頻率比較高,波長比較短罷了。比如太陽光中的白光,它的頻率就比厘米波段的無線電波的頻率至少要高一萬多倍。所以,不管何種光,都可以產生反射、折射、繞射以及相干等波動所具有的現象,因此我們平常又把光叫做“光波”。另一方面,任何物質發(fā)出的光,都是由不連續(xù)的、運動著的、具有質量和能量的粒子所組成的粒子流。這些粒子極小極小,就是用現代最高倍的電子顯微鏡也無法看見它們的外貌。這些微觀粒子叫做光量子或光子,它們具有特定的頻率或波長。單個光子的能量是極小的,是能量的最小單元。但是,即使在最微弱的光線中,光子的數目也非常大。這樣,集中起來就可以產生人們能夠感覺得到的能量了?？茖W研究表明,不同頻率或波長的光子或光線,具有不同的能量,光子的頻率越高能量越大。我們眼睛所能看見的太陽光,叫可見光,呈白色。但是科學實踐證明,它不是單色光,而是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色的光所組成的,是一種復色光。每種顏色的光都有自己的頻率范圍。紅色光的波長為0.76~0.63μm;橙色光為0.63~0.60μm;黃色光為0.60~0.57μm;綠色光為0.57~0.50μm;青色光為0.50~0.45μm;藍色光0.45~0.43μm;紫色光為0.43~0.40μm。通常我們把太陽光中的各色光按頻率或波長大小的次序排列而成的光帶圖,叫做太陽的光譜。太陽不僅發(fā)射可見光,同時還發(fā)射許多人眼看不見的光?？梢姽獾牟ㄩL范圍只占整個太陽光譜的一小部分。整個太陽光譜包括紫外區(qū)、可見區(qū)和紅外區(qū)三個部分。但其主要部分,即能量很強的骨干部分,是由0.30~3.00μm的波長的光所組成的。其中,波長小于0.4μm的紫外區(qū)和波長大于0.76μm的紅外區(qū),則是人眼看不見的紫外線和紅外線;波長為0.40~0.76μm的可見區(qū),就是我們所看到的白光。在到達地面的太陽光輻射中,紫外區(qū)的光線占的比例很小,大約為6%;主要是可見區(qū)和紅外區(qū)的光線,分別占50%和43%。太陽光中不同波長的光線具有不同的能量。在地球大氣層的外表面具有最大能量的光線,其波長大約為0.48μm。但是在地面上,由于大氣層的存在,太陽輻射穿過大氣層時,紫外線和紅外線被大氣吸收較多,紫外區(qū)和可見區(qū)被大氣分子和云霧等質點散射較多,所以太陽輻射能隨波長的分布情況就比較復雜了。大體情況是:晴朗的白天,太陽在中午前后四五個小時的這段時間,能量最大的光是綠光和黃光部分;而在早晨和晚間這兩段時間,能量最大的光則是紅光部分?？梢?地面上具有最大能量的光線,其波長比大氣層外表面具有最大能量的光線的波長要長。在太陽光譜中,不同波長的光線對物質產生的作用和穿透物體的本領是不同的。紫外線很活躍,它可以產生強烈的化學作用、生物作用和激發(fā)熒光等;而紅外線則很不活躍,被物體吸收后主要引起熱效應;至于可見光,因為它的頻率范圍較寬,既可起殺菌的生物作用,也可被物體吸收后轉變成為熱量。植物的生長主要依靠吸收可見光部分,大量的波長短于0.30μm的紫外線對植物是有害的,波長超過0.8μm的紅外線僅能提高植物的溫度并加速水分的蒸發(fā),而不能引起光化學反應(光合作用)。太陽光線對人體皮膚的作用主要表現為形成紅斑和灼傷,這主要是由波長短于0.38μm的紫外線所引起的;而波長為0.30~0.45μm的光線則主要使皮膚表層的脂肪光合成為可防止佝僂病的維生素D3并且導致皮膚黝黑。光的傳播速度是非常快的。遠在1.5×108km之外的太陽輻射光,傳播到地面只要短短的8分19秒。迄今實驗得到的最為精確的光速為299792.4562km/s,平常取為3.0×105km/s。3.太陽光譜輻照度及其特點利用太陽能就是利用太陽光輻射所產生的能量。那么,太陽光輻射能量的大小如何度量,它到達地球表面的量值受哪些因素的影響,有哪些特點呢?這是我們了解太陽能、利用太陽能不可不弄清楚的一個基本問題。太陽光譜輻照度,是指太陽以輻射形式發(fā)射出的投射到地球表面單位面積上的功率。太陽光譜輻照度,可根據不同波長范圍的輻射能址及其穩(wěn)定程度,劃分為常定輻射和異常輻射兩類。常定輻射包括可見光部分、近紫外線部分和近紅外線部分三個波段的輻射,是太陽光輻射的主要部分。它的特點是能量大而且穩(wěn)定,它的輻射占太陽總輻射能的90%左右,受太陽活動的影響很小。表示這種輻照度的物理量叫做太陽常數。異常輻射則包括光輻射中的無線電波部分、紫外線部分和微粒子流部分。它的特點是隨著太陽活動的強弱而發(fā)生劇烈的變化,在極大期能量很大,在極小期能量則很微弱。4.影響到達地球表面的太陽輻射能的因素由于大氣層的存在,真正到達地球表面的太陽輻射能的大小受多種因素影響。一般來說,太陽高度、大氣質量、大氣透明度、地理緯度、日照時間及海拔高度是影響的主要因素。(1)太陽高度。太陽高度就是太陽位于地平面以上的高度角。常常用太陽光線和地平線的夾角即入射角θ來表示。入射角大,太陽高,輻照度也大;反之,入射角小,太陽低,輻照度也小。由于地球的大氣層對太陽輻射有吸收、反射和散射作用,所以紅外線、可見光和紫外線在光射線中所占的比例,也隨著太陽高度的變化而變化。當太陽高度為90°時,在太陽光譜中,紅外線占50%,可見光占46%,紫外線占4%;當太陽高度為30°時,紅外線占53%,可見光占44%,紫外線占3%;當太陽高度為5°時,紅外線占72%,可見光占28%,紫外線則接近0。太陽高度在一天中是不斷變化的。早晨日出時最低,θ為0°;以后逐漸增加,到正午時最高,θ為90°;下午,又逐步減小,到日落時,θ又降低到0°。太陽高度在一年中也是不斷變化的。這是由于地球不僅在自轉,而且又在圍繞著太陽公轉的緣故。地球自轉軸與公轉軌道平面不是垂直的,而是始終保持著一定的傾斜度。自轉軸與公轉軌道平面法線之間的夾角為23.5°上半年,太陽高度從低緯度到高緯度逐日升高,直到夏至日正午,達到最高點90°。從此以后,太陽高度則逐日降低,直到冬至日,降低到最低點。這就是一年中夏季炎熱、冬季寒冷和一天中正午比早、晚氣溫高的原因。對于某一地平面來說,太陽高度低時,光線穿過大氣的路程較長,能量衰減的就較多。同時,又由于光線以較小的角度投影到該地平面上,所以到達地平面的能量就較少。反之,則較多。(2)大氣質量。由于大氣的存在,太陽輻射能在到達地面之前將受到很大的衰減。這種衰減作用的大小,與太陽輻射穿過大氣路程的長短有著密切的關系。太陽光線在大氣中經過的路程越長,能量損失得就越多;路程越短,能量損失得越少。通常我們把太陽處于頭頂,即太陽垂直照射地面時光線所穿過的大氣的路程,稱為1個大氣質量。太陽在其他位置時,大氣質量都大于1。例如,在早晨8~9點鐘時,大約有2~3個大氣質量。大氣質量越大,說明太陽光線經過大氣的路程就越長,受到的衰減就越多,到達地面的能量也就越少。(3)大氣透明度。在大氣層上界與光線垂直的平面上,太陽輻照度基本上是一個常數;但是在地球表面上,太陽輻照度卻是經常變化的。這主要是由于大氣透明程度的不同所引起的。大氣透明度是表征大氣對于太陽光線透過程度的一個參數。在晴朗無云的天氣,大氣透明度高,到達地面的太陽輻射能就多些。在天空中云霧很多或風沙灰塵很大時,大氣透明度很低,到達地面的太陽輻射能就較少。可見,大氣透明度是與天空中云量的多少以及大氣中所含灰塵等雜質的多少密切相關的。(4)地理緯度。太陽輻射能量是由低緯度向高緯度逐漸減弱的。這是什么原因呢?我們假定高緯度地區(qū)和低緯度地區(qū)的大氣透明度是相同的,在這樣的條件下進行比較,如圖83所示。地處高緯度的圣彼得堡(北緯60°),每年在1cm2的面積上,只能獲得335kJ的熱量;而在我國首都北京,由于地處中緯度(北緯39°57'),則可得到586kJ的熱量;在低緯度的撒哈拉地區(qū),則可得到高達921kJ的熱量。正是由于這個原因,赤道附近全年氣候炎熱,四季一片蔥綠;而在北極圈附近,則終年嚴寒,銀裝素裹,冰雪覆蓋,儼然兩個不同的世界。(5)日照時間。日照時間也是影響地面太陽輻照度的一個重要因素。如果某地區(qū)某日白天有14h,若其中陰天時間≥6h,而出太陽的時間≤8h,那么,我們就說該地區(qū)那一天的日照時間是8h。日照時間越長,地面所獲得的太陽總輻射量就越多。(6)海拔高度。海拔越高,大氣透明度也越好,太陽的直接輻射量也就越高。此外,日地距離、地形、地勢等,對太陽輻照度也有一定的影響。例如,地球在近日點要比在遠日點的平均氣溫高4℃。又如,在同一緯度上,盆地要比平川氣溫高,陽坡要比陰坡氣溫高?？傊?影響地面太陽輻照度的因素很多,但是某一具體地區(qū)的太陽輻照度的大小,則是由上述這些因素的綜合結果決定的。太陽輻射能作為一種能源,與煤炭、石油、核能等比較,有著獨具的特點。它的優(yōu)點可概括為如下四點:第一,普遍性。陽光普照大地,處處都有太陽能,可以就地利用,不需到處尋找,更不需火車、輪船、汽車等日夜不停地運輸。這對解決偏僻邊遠地區(qū)以及交通不便的鄉(xiāng)村、海島的能源供應,具有很大的優(yōu)越性。第二,無害性。利用太陽能做能源,沒有廢渣、廢料、廢水、廢氣排出,沒有噪聲,不產生對人體有害的物質,因而不會污染環(huán)境,沒有公害。第三,長久性。只要太陽存在,就有太陽輻射能。因此,利用太陽能做能源,可以說是取之不盡、用之不竭的。第四,巨大性。一年內到達地面的太陽輻射能的總量,要比地球上現在每年消耗的各種能源的總量大幾萬倍。但它也有缺點,主要是:第一,分散性。也就是能量密度低。晴朗白晝的正午,在垂直于太陽光方向的1m2地面面積上能接收的太陽能,平均只有1.3kW左右。作為一種能源,這樣的能量密度是很低的。因此,在實際利用時,往往需要利用一套面積相當大的太陽能收集設備。這就使得設備占地面積大、用料多、結構復雜、成本增高,影響了太陽能的推廣應用。第二,隨機性。到達某一地面的太陽直接輻射能,由于受氣候、季節(jié)等因素的影響,是極不穩(wěn)定的。這就給大規(guī)模地利用太陽能增加了不少困難。第三,間歇性。到達地面的太陽直接輻射能,隨晝夜的交替而變化,使大多數太陽能設備在夜間無法工作。為克服夜間沒有太陽直接輻射、散射輻射也很微弱所造成的困難,需要研究和配備儲能設備,以便在晴天時把太陽能收集并儲存起來,供夜晚或陰雨天時使用。8.1.4我國豐富的太陽能資源我國的疆界,南從西沙群島的曾母暗沙,北到北緯52°32'的黑龍江省漠河以北的黑龍江江心,西自東經73°附近的帕米爾高原,東到東經135°10'的黑龍江和烏蘇里江的匯流處,土地遼闊,幅員廣大。我國的國土跨度,從南到北,自西至東,距離都在5000km以上,總面積達1000多萬平方公里,陸地面積占世界陸地總面積的7%,居世界第二位。在我國廣闊富饒

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射

量

為334~8400MJ/(m2·a),中值為5852MJ/(m2·a)。從全國太陽能年總輻射量的分布來看,西藏、青海、新疆、內蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣西南部等廣大地區(qū)的太陽能總輻射量很大。尤其是青藏高原地區(qū)最大,這里平均海拔高度在4000m以上,大氣層薄而清潔,透明度好,緯度低,日照時間長。我國太陽能資源分布的主要特點有:太陽能的高值中心和低值中心都處在北緯22°~35°這一帶,其中青藏高原是高值中心,四川盆地是低值中心;太陽能年總輻射量,西部地區(qū)高于東部地區(qū),而且除西藏和新疆兩個自治區(qū)外,基本上是南部低于北部;由于南方多數地區(qū)云多、雨多,在北緯30°~40°地區(qū),太陽能的分布情況與一般的太陽能隨緯度變化的規(guī)律相反,太陽能不是隨著緯度的增加而減少,而是隨著緯度的增加而增加。我國太陽能輻射量分布圖如圖84所示。為了按照各地不同條件更好地利用太陽能,可根據各地接收太陽能總輻射量的多少,將全國劃分為如下五類地區(qū):一類地區(qū):全年日照時數為3200~3300h,在每平方米面積上一年內接收的太陽能總輻射量為6680~8400MJ,相當于225~285kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括寧夏北部、甘肅北部、新疆南部、青海西部和西藏西部等地,是我國太陽能資源最豐富的地區(qū),與印度和巴基斯坦北部的太陽能資源相當。尤以西藏自治區(qū)的太陽能資源最為豐富,其太陽能總輻射量最高值達8400MJ/m2,僅次于撒哈拉大沙漠,居世界第二位。二類地區(qū):全年日照數為3000~3200h,在每平方米面積上一年內接收的太陽能總輻射量為5852~6680MJ,相當于200~225kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括河北西北部、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,為我國太陽能資源較豐富的地區(qū)。三類地區(qū):全年日照時數為2200~3000h,在每平方米面積上一年內接收的太陽能總輻射量為5016~5852MJ,相當于170~200kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)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、江蘇北部和安徽北部、臺灣西南部等地,為我國太陽能資源的中等類型區(qū)。四類地區(qū):全年日照時數為1400~2200h,在每平方米面積上一年內接收的太陽能總輻射量為4190~5016MJ,相當于140~170kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部以及黑龍江、臺灣東北部等地,是我國太陽能資源較貧乏的地區(qū)。五類地區(qū):全年日照時數為1000~1400h,在每平方米面積上一年內接收的太陽能總輻射量為3344~4190MJ,相當于115~140kg標準煤燃燒所發(fā)出的熱量。這一地區(qū)主要包括四川、貴州兩省。這里是我國太陽能資源最少的地區(qū)。一、二、三類地區(qū),全年日照時數大于2000h,太陽能總輻射量高于5016MJ/(m2·a),是我國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)。這三類地區(qū)面積較大,約占全國總面積的2/3以上,具有利用太陽能的良好條件。四、五類地區(qū),雖然太陽能資源條件較差,但是也有一定的利用價值,其中有的地方是可能開發(fā)利用太陽能的。總之,從全國來看,我國是太陽能資源相當豐富的國家,具有發(fā)展太陽能利用事業(yè)的得天獨厚的優(yōu)越條件,只要我們扎扎實實地努力工作,太陽能利用事業(yè)在我國是有著廣闊的發(fā)展前景的。我國的太陽能資源與同緯度的其他國家相比,除四川盆地和與其毗鄰的地區(qū)外,絕大多數地區(qū)的太陽能資源相當豐富,和美國類似,比日本、歐洲條件優(yōu)越得多,特別是青藏高原中南部的太陽能資源尤為豐富,接近世界最著名的撒哈拉大沙漠。西藏與國內外部分站太陽能年總輻射量的比較如表81所示。西藏高原由于海拔高,天氣潔凈,空氣干燥,緯度又低,所以太陽能總輻射量大。西藏全區(qū)的太陽能年總輻射量多在6000~8000MJ/m2之間,呈自東向西遞增式分布。西藏太陽能年總輻射量分布如圖85所示。在西藏東南邊緣地區(qū)云雨較多,太陽能年總輻射量較少,在5155MJ/m2以下;雅魯藏布江中游河谷地區(qū),雨較少,多夜雨,太陽能年總輻射量達6500~8000MJ/m2。在珠穆朗瑪峰北坡海拔5000m的絨布寺,1954年4月至1960年3月觀測的太陽能年平均總輻射量高達8369.4MJ/m2。即使是太陽能總輻射量較少的昌都,其年總輻射量也大于內地各地區(qū),與內蒙古中部地區(qū)相當。與世界各國太陽能年總輻射量比較,西藏高原也是日照豐富的地區(qū)之一。太陽能總輻射量的年變化曲線呈峰型,月總輻射量一般以5月(昌都、林芝、米林、瓊結出現在6~7月)為最大,月總輻射量均在500MJ/m2以上,雅魯藏布江中上游、羌塘、阿里高原可達700MJ/m2以上,獅泉河為853.4MJ/m2,絨布寺曾達933.7MJ/m2。最低值一般出現在12月(比如米林、索縣、波密、林芝、察隅、改則、普蘭出現在1月),月總輻射量在318.5~510.9MJ/m2之間。西藏太陽能月總輻射量年變化曲線如圖85所示。太陽能總輻射量的季節(jié)變化,以春、夏季最大,秋、冬季最小。雨季(5~9月)的太陽能總輻射量約占全年的46%~49%。西藏各站太陽能總輻射量的季節(jié)變化如表82所示。西藏高原是我國日照時數的高值中心之一,全年平均日照時數在1500~3400h之間。其地區(qū)分布特點是,西部最多,獅泉河的年日照時數為3417h,其次是珠穆朗瑪峰北坡的定日,年日照時數為3327h。年平均日照時數依次向東南地區(qū)減少,波密僅1544h。每天日照時數≥6h的年平均天數的分布規(guī)律與日照時數基本相同。獅泉河最大,達330d,定日為327d,察隅最少,僅為127d。日照時數的年變化規(guī)律,基本分為兩種類型。第一類是雙峰型,西藏大部分地區(qū)屬于這種情況,以雅魯藏布江河谷中上段及其以南地區(qū)最為典型。第二類屬三峰型,主要出現在西藏東南部的多雨地區(qū)。關于西藏太陽能資源的具體評述如下:(1)西藏西部太陽能資源區(qū)。本區(qū)位于西藏西部,主要包括阿里地區(qū)、那曲西部地區(qū)、雅魯藏布江中游西段和上游及江南地區(qū)。區(qū)內全年日照時數為2900~3400h,太陽能年總輻射量高達7000~8400MJ/m2,每天日照時數≥6h的年平均天數在275~330d之間。從各月每天日照時數≥6h的平均天數來看,最低值出現在阿里地區(qū)和聶拉木站的2月,在19~24d之間,其他站點出現在7~8月,一般為17~22d。除浪卡子8月(14.2d)對太陽能的利用稍差外,其他各站全年均可利用太陽能,為西藏太陽能資源I類地區(qū)。(2)喜馬拉雅山南翼—那曲中東部—昌都太陽能資源區(qū)。本區(qū)包括亞東、洛扎和措美兩縣南部地區(qū)、錯那、加查、朗縣西部、工布江達、嘉黎、那曲、安多、聶榮、索縣、巴青、邊壩、丁青、洛隆、類烏齊、八宿、江達、昌都、貢覺、帕里、察雅、芒康等縣。區(qū)內太陽能總輻射量為6250~7000MJ/(m2·a),全年總日時數為2250~2999h,全年每天日照時數≥6h的平均天數在215~275d之間。從太陽能利用時間上看,本區(qū)分布不均,洛隆、安多、那曲、丁青、昌都、加查的全年每天日照時數≥6的月平均天數都在15d以上,均可利用。索縣7月,芒康8月,嘉黎7~8月,錯那7~8月,類烏齊6、7、9月,及亞東、帕里6~9月均在15d以下,其他月份均可利用太陽能,為西藏太陽能資源Ⅱ類地區(qū)。(3)西藏東南太陽能資源區(qū)。本區(qū)主要是指喜馬拉雅山南翼部分地區(qū)、朗縣東部、林芝、比如、波密、易貢到左貢的狹長區(qū)域。太陽能年總輻射量在5850~6250MJ/m2之間,全年日照時數為2000~2250h,全年每天日照時數≥6h的平均天數在150~215d之間。最佳利用時段一般為6月到9月。左貢10月到翌年6月為最佳利用時段;林芝利用時段僅5個月,即10月至次年1月、4月;比如為間斷式分布,4~6月、8月、10月至次年1月為最佳利用時段,其他月份不能利用。這一地區(qū)為西藏太陽能資源Ⅲ類地區(qū)。(4)雅魯藏布江下游太陽能資源區(qū)。本區(qū)主要是指雅魯藏布江下游地區(qū),包括米林、波密南部、墨脫、察隅。區(qū)內全年日照時數不足2000h,波密僅1544h;太陽能年總輻射量在5850MJ/m2以下,波密僅5116MJ/m2;全年每天日照時數≥6h的平均天數在125~150d之間,每天日照時數≥6h的月平均天數除個別月份(米林10~12月、波密12月至次年1月、察隅11月)外,其他月份均在15d以下。該地區(qū)為西藏太陽能資源Ⅳ類地區(qū)。8.2太陽能電池及發(fā)電系統(tǒng)8.2.1太陽能電池及太陽能電池方陣1.太陽能電池及其分類如前所述,太陽能電池是一種利用光生伏打效應把光能轉變?yōu)殡娔艿钠骷?又叫光伏器件。物質吸收光能產生電動勢的現象,稱為光生伏打效應。這種現象在液體和固體物質中都會發(fā)生。但是,只有在固體中,尤其是在半導體中,才有較高的能量轉換效率。所以,人們又常把太陽能電池稱為半導體太陽能電池。半導體的主要特點,不僅僅在于其電阻率在數值上與導體和絕緣體不同,而且還在于它的導電性具有如下兩個顯著的特點:(1)電阻率的變化受雜質含量的影響極大。例如,硅中只要含有一億分之一的硼,電阻率就會下降到原來的1%。如果所含雜質的類型不同,導電類型也不同。(2)電阻率受光和熱等外界條件的影響很大。半導體在溫度升高或受到光的照射時,均可使電阻率迅速下降。一些特殊的半導體,在電場和磁場的作用下,電阻率也會發(fā)生變化。半導體材料的種類很多,按其化學成分,可分為元素半導體和化合物半導體;按其是否含雜質,可分為本征半導體和雜質半導體;按其導電類型,可分為N型半導體和P型半導體;此外,根據其物理持性,還可分為磁性半導體、壓電半導體、鐵電半導體、有機半導體、玻璃半導體、氣敏半導體等。目前獲得廣泛應用的半導體材料有鍺、硅、硒、砷化稼、磷化稼、銻化錮等,其中以鍺、硅材料的半導體生產技術最為成熟,應用也最為廣泛。太陽能電池多用半導體材料制造而成,發(fā)展至今種類繁多,形式各樣。1)按照結構分類太陽能電池按照結構的不同可分為如下三類:(1)同質結太陽能電池。同質結太陽能電池是由同一種半導體材料構成一個或多個PN結的太陽能電池,如硅太陽能電池、砷化鎵太陽能電池等。(2)異質結太陽能電池。異質結太陽能電池是用兩種不同禁帶寬度的半導體材料在相接的界面上構成一個異質PN結的太陽能電池,如氧化錮錫/硅太陽能電池、硫化亞銅/硫化錫太陽能電池等。如果兩種異質材料的晶格結構相近,界面處的晶格匹配較好,則稱其為異質結太陽能電池,如砷化鋁鎵/砷化鎵異質面太陽能電池等。(3)肖特基結太陽能電池。肖特基結太陽能電池是用金屬和半導體接觸組成一個“肖特基勢壘”的太陽能電池,也叫做MS太陽能電池。其原理是基于在一定條件下金屬半導體接觸可產生整流接觸的肖特基效應。目前,這種結構的電池已經發(fā)展成為金屬

氧化物

半導體太陽能電池,即MOS太陽能電池,如鉑/硅肖特基結太陽能電池、鋁/硅肖特基結太陽能電池等。2)按材料分類太陽能電池按照材料的不同可分為如下三類:(1)硅太陽能電池。這種電池是以硅為基體材料的太陽能電池,如單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池等。制作多晶硅太陽能電池的材料,用純度不太高的太陽級硅即可。而太陽級硅由冶金級硅用簡單的工藝就可加工制成。多晶硅材料又有帶狀硅、鑄造硅、薄膜多晶硅等多種。用它們制造的太陽能電池有薄膜和片狀兩種。(2)硫化鎘太陽能電池。這種電池是以硫化鎘單晶或多晶為基體材料的太陽能電池,如硫化亞銅/硫化鎘太陽能電池、碲化鎘/硫化鎘太陽能電池、銅銦硒/硫化鎘太陽能電池等。(3)砷化鎵太陽能電池。這種電池是以砷化鎵為基體材料的太陽能電池,如同質結砷化鎵太陽能電池、異質結砷化鎵太陽能電池等。按照太陽能電池的結構來分類,其物理意義比較明確,因而已被國家采用,作為太陽能電池命名方法的依據。2.太陽能電池的工作原理、特性及制造方法1)太陽能電池的工作原理太陽能是一種輻射能,它必須借助于能量轉換器才能轉換成為電能。這種把光能轉換成電能的能量轉換器,就是太陽能電池。太陽能電池是如何把光能轉換成電能的呢?下面以單晶硅太陽能電池為例作一簡單介紹。太陽能電池工作原理的基礎是半導體PN結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應,簡言之,就是當物體受到光照時,物體內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其他光照射半導體的PN結時,就會在PN結的兩邊出現電壓,叫做光生電壓。這種現象,就是著名的光生伏打效應。該效應使PN結短路,就會產生電流。眾所周知,原子是由原子核和電子組成的。原子核帶正電,電子帶負電。電子就像行星圍繞太陽轉動一樣,按照一定的軌道圍繞著原子核旋轉。單晶硅的原子是按照一定的規(guī)律排列的,硅原子的最外電子殼層中有4個電子,如圖86所示。每個原子的外層電子都有固定的位置,并受原子核的約束。它們在外來能量的激發(fā)下,如受到太陽光輻射時,就會擺脫原子核的束縛而成為自由電子,同時在它原來的地方留出一個空位,即半導體物理學中所謂的“空穴”。由于電子帶負電,空穴就表現為帶正電。電子和空穴就是單晶硅中可以運動的電荷。在純凈的硅晶體中,自由電子和空穴的數目是相等的。如果在硅晶體中摻入能夠俘獲電子的硼、鋁、鎵或銦等雜質元素,那么就構成了空穴型半導體,簡稱P型半導體。如果在硅晶體中摻入能夠釋放電子的磷、砷或銻等雜質元素,那么就構成了電子型的半導體,簡稱N型半導體。若把這兩種半導體結合在一起,由于電子和空穴的擴散,在交界面處便會形成PN結,并在結的兩邊形成內建電場,又稱勢壘電場。由于此處的電阻特別高,所以也成為阻擋層。當太陽光照射PN結時,在半導體內的原子由于獲得了光能而釋放電子,同時相應地便產生了電子

空穴對,并在勢壘電場的作用下,電子被驅向N型區(qū),空穴被驅向P型區(qū),從而使N型區(qū)有過剩的電子,P型區(qū)有過剩的空穴。于是,就在PN結的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場,如圖87所示。光生電場的一部分抵消勢壘電場,其余部分使P型區(qū)帶正電,N型區(qū)帶負電,于是,就使得在N型區(qū)與P型區(qū)之間的薄層產生了電動勢,即光生伏打電動勢,當接通外電路時便有電能輸出。這就是PN結接觸型單晶硅太陽能電池發(fā)電的基本原理。若把幾十個、數百個太陽能電池單體串聯、并聯起來,組成太陽能電池組件,在太陽光的照射下,便可獲得輸出功率相當可觀的電能。為了加深理解,這里對涉及的幾個半導體物理學的術語作一簡介。(1)能帶。能帶是固體量子理論中用來描述晶體中電子狀態(tài)的一個重要的物理概念。在一個孤立的原子中,電子只能在一些特定的軌道上運動,不同軌道上的電子能量不同。所以,原子中的電子只能取一些特定的能量值,其中每個能量值稱為一個能量級。晶體是由大量規(guī)則排列的原子組成的,其中各個原子的相同能量的能級,由于相互作用,在晶體中變成了能量略有差異的能級,看上去像一條帶子,所以稱為能帶。原子的外層電子在晶體中處于較高的能帶,內層電子則處于較低的能帶。能帶中的電子已不是圍繞著各自的原子核做閉合軌道運動,而是為各原子所共有,在整個晶體中運動。(2)載流子。載流子是指運載電流的粒子。無論是導體還是半導體,其導電作用都是通過帶電粒子在電場的作用下做定向運動(形成電流)來實現的,這種帶電粒子,就叫做載流子。導體中的載流子是自由電子。半導體中的載流子有兩種,即帶負電的電子和帶正電的空穴。如果半導體中的電子數目比空穴數目大得多,對導電起重要作用的是電子,則把電子稱為多數載流子,空穴稱為少數載流子。反之,便把空穴稱為多數載流子,電子稱為少數載流子。(3)空穴?？昭ㄊ前雽w中的一種載流子。它與電子的電量相等,但極性相反。晶體中完全被電子占據的能帶叫滿帶或價帶,沒有被電子占滿的能帶叫空帶或導帶。導帶和價帶之間的空隙,稱為能隙或禁帶。如果由于外界作用(例如熱、光等),使電子從能量級較低的價帶跳到能量級較高的導帶中去,就出現了很有趣的效應:這個電子離開后,便在價帶中留下一個空位,根據電中性原理,這個空位應帶正電,其電量與電子相等,當空位附近的電子移動過來填充這個空位時,就相當于空位向反方向移動。其作用類似于帶正電的粒子運動,通常稱它為正空穴,簡稱空穴。所以,在外電場的作用下,半導體中的導電,不僅產生于電子運動,而且也包括空穴運動所做的貢獻。(4)施主。凡摻入純凈半導體中的某種雜質的作用是提供導電電子的,就叫做施主雜質,簡稱施主。對硅來說,若摻入磷、砷、銻等元素,它們所起的作用就是施主的作用。(5)受主。凡摻入純凈半導體中的某種雜質的作用是接受電子的或提供空穴的,就叫做受主雜質,簡稱受主。對硅來說,如摻入硼、鎵、鋁等元素,它們所起的作用就是受主的作用。(6)PN結。在一塊半導體晶片上,通過某些工藝過程,使晶片的一部分呈P型(空穴導電),另一部分呈N型(電子導電),則P型和N型界面附近的區(qū)域,就叫做PN結。PN結具有單向導電性能,是晶體二極管的基本結構,也是許多半導體器件的核心。PN結的種類很多:按材料分,有同質結和異質結;按雜質分,有突變結和緩變結;按工藝分,有成長結、合金結、擴散結、外延結和注入結等。2)太陽能電池的基本電學特性(1)太陽能電池的極性。太陽能電池一般制成P+/N型結構或N+/P型結構,如圖88(a)、(b)所示。其中,第一個符號,即P+

和N+,表示太陽能電池正面光照層半導體材料的導電類型;第二個符號,即N和P,表示太陽能電池背面襯底半導體材料的導電類型。太陽能電池的電性能與制造電池所用的半導體材料的特性有關。在太陽光照射時,太陽能電池輸出電壓的極性,P型一側電極為正,N型一側電極為負。當太陽能電池作為電源與外電路連接時,太陽能電池在正向狀態(tài)下工作。當太陽能電池與其他電源聯合使用時,如果外電源的正極與太陽能電池的P電極連接,負極與太陽能電池的N電極連接,則外電源向太陽能電池提供正向偏壓;如果外電源正極與太陽能電池的N電極連接,負極與太陽能電池的P電極連接,則外電源向太陽能電池提供反向偏壓。太陽能電池的電流

電壓特性。(2)太陽能電池的電路。太陽能電池的電路以及等效電路如圖89(a)、(b)所示。其中,RL為電池的外負載電阻。當RL=0時,所測的電流為電池的短路電流ISC。所謂的短路電流ISC,就是將太陽能電池置于標準光源的照射下,在輸出端短路時,流過太陽能電池兩端的電流。測量短路電流的方法是,用內阻小于1Ω的電流表接在太陽能電池的兩端。ISC值與太陽能電池的面積大小有關,面積越大,ISC值越大。一般來說,1cm2太陽能電池的ISC值約為16~30mA。同一塊太陽能電池,其ISC值與入射光的輻照度成正比;當環(huán)境溫度升高時,ISC值略有上升,一般溫度每升高1℃,ISC值約上升78μA。當RL→∞時,所測得的電壓為電池的開路電壓UOC。把太陽能電池置于100mV/cm2的光源照射下,在兩端開路時,太陽能電池的輸出電壓值叫做太陽能電池的開路電壓。其值,可用高內阻的直流毫伏計測量。太陽能電池的開路電壓與光譜輻照度有關,與電池面積的大小無關。在100mV/cm2的太陽光譜輻照度下,單晶硅太陽能電池的開路電壓為450~600mV,最高可達690mV。當入射光譜輻照度變化時,太陽能電池的開路電壓與入射光譜輻照度的對數成正比。環(huán)境溫度升高時,太陽能電池的開路電壓值將下降,一般溫度每上升1℃,UOC值約下降2~3V。ID(二極管電流)為通過PN結的總擴散電流,其方向與ISC相反。RS為串聯電阻,它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成。RSH

為旁漏電阻,它是由硅片邊緣不清潔或體內的缺陷引起的。一個理想的太陽能電池,RS很小,而RSH很大。由于RS和RSH

是分別串聯與并聯在電路中的,所以在進行理想電路計算時,它們都可以忽略不計。此時,流過負載的電流IL為式中:IO是太陽能電池在無光照時的飽和電流,q為電子電荷,K為玻爾茲曼常數,A為二極管曲線因素。IL=0時,電壓U為UOC可用下式表示:根據以上兩式作圖,就可以得到太陽能電池的電流

電壓的關系曲線。這個曲線,簡稱為I-U曲線或伏

安曲線,如圖810所示。圖中,曲線a是二極管的伏

安特性曲線,即無光照時太陽能電池的I-U曲線;曲線b是電池受光照后的I-U曲線,它可由無光照時的I-U曲線向第Ⅳ象限位移ISC量得到。經過坐標變換,最后即可得到常用的光照I-U曲線,如圖811所示。圖811中,Imp為最佳負載電流,Ump為最佳負載電壓。在此負載條件下,太陽能電池的輸出功率最大。在電流

電壓坐標系中,與這一點相對應的負載,稱為最佳負載。評價太陽能電池的輸出特性,還有一個重要參數,叫做填充因數(FF)。它與開路電壓、短路電流和負載電壓、負載電流的關系式為(3)太陽能電池的光電轉換效率。太陽能電池的光電轉換效率用η表示,它的含義是太陽能電池的最大輸出功率與照射到電池上的入射光的功率之比。太陽能電池的光電轉換效率主要與它的結構、PN結特性、材料性質、電池的工作溫度、放射性粒子輻射損壞和環(huán)境變化等因素有關。計算表明,在大氣質量為一定值的條件下測試,單晶硅太陽能電池的轉換效率可達25.12%。目前實際制出的常規(guī)單晶硅太陽能電池的轉換效率一般為12%~15%,高效單晶硅太陽能電池的轉換效率為18%~20%。(4)太陽能電池的光譜響應。太陽光譜中,不同波長的光具有不同的能量,所含的光子數目也不相同。因此,太陽能電池接受光照射所產生的光子的數目也就不同。為反映太陽能電池的這一特性,引入了光譜響應這一參量。太陽能電池在入射光的一種波長的光能作用下所收集到的光電流,與相對于入射到電池表面的該波長的光子數之比,叫做太陽能電池的光譜響應,又稱為光譜靈敏度。太陽能電池的光譜響應與太陽能電池的結構、材料性能、結深、表面光學特性等因素有關,并且它還隨環(huán)境溫度、電池厚度和輻射損傷而變化。幾種常用的太陽能電池的光譜響應曲線如圖812所示。3)太陽能電池的制造方法與種類太陽能電池的制造發(fā)法與太陽能電池的種類很多,目前應用最多的是單晶硅和多晶硅太陽能電池。這種太陽能電池在技術上成熟,性能穩(wěn)定可靠,轉換效率較高,現已產業(yè)化大規(guī)模生產。單晶硅太陽能電池的結構如圖813所示,實際上,它是一個大面積的半導體PN結。上表面為受光面,蒸鍍有鋁銀材料做成的柵狀電極;背面為鎳錫層做成的底電極。上、下電極均焊接銀絲作為引線。為了減少硅片表面對入射光的反射,在電池表面上蒸鍍一層二氧化硅或其他材料的減反射膜。下面簡要介紹單晶硅太陽能電池的一般制造方法。(1)硅片的選擇。硅片是制造單晶硅太陽能電池的基本材料,它可以由純度很高的單晶硅棒切割而成。選擇硅片時,要考慮硅材料的導電類型、電阻率、晶向、位錯、壽命等。硅片通常加工成方形、長方形、圓形或半圓形,厚度約為0.25~0.40mm。(2)表面準備。切好的硅片,表面臟且不平。因此,在制造太陽能電池之前,要先進行表面準備。表面準備一般分為三步:①

用熱濃硫酸做初步化學清洗;②

在酸性或堿性腐蝕液中腐蝕硅片,每片大約蝕去30~50μm的厚度;③

用王水或其他清洗液再進行化學清洗。在化學清洗腐蝕后,要用高純度的去離子水沖洗硅片。(3)擴散制結。PN結是單晶硅太陽能電池的核心部分。沒有PN結,便不能產生光電流,也就不稱其為太陽能電池了。因此,PN結的制造是最重要的工序。通常采用高溫擴散法制結。以P型硅片擴散磷為例,主要擴散步驟為:①

擴散源的配制。將特純的五氧化二磷溶于適量的乙醇或去離子水中,搖勻,再稀釋即成。②

涂源。從去離子水中取出經表面準備的硅片,在紅外燈下烘干涂源,使其均勻地分散在硅表面,再用紅外燈稍微烘干一下,之后即可把硅片放入石英舟內。③

擴散。將擴散爐預先升溫到擴散溫度,大約在900℃~950℃的溫度下,通氮氣數分鐘。然后,把裝有硅片的石英舟推入爐內的石英管中,在爐口預熱數分鐘,再推入恒溫區(qū),經十余分鐘的擴散,將石英舟拉至爐口,緩慢冷卻數分鐘,取出硅片,制結工序即告完成。(4)除去背結。在高溫擴散過程中,硅片的背面也形成PN結,必須把背結去掉。去背結時,用黑膠涂敷在硅片的正面上,掩蔽好正面的PN結,再把硅片置于腐蝕液中,蝕去背面擴散層,便得到背面平整光亮的硅片,然后,除去黑膠,將硅片洗凈烘干后備用。(5)制作上、下電極。為使電池轉換所獲得的電能能夠輸出,必須在電池上制作正、負兩個電極。電池光照面上的電極,稱做上電極;電池背面的電極,稱做下電極。上電極通常制成柵線狀,這有利于對產生的電流的搜集,并能使電池有較大的受光面積。下電極布滿在電池的背面,以減小電池的串聯電阻。制作電極時,把硅片置于真空鍍膜機的鐘罩內,真空度抽到足夠高時,硅片表面會凝結出一層鋁薄膜,其厚度可控制在30~100μm。然后,再在鋁薄膜上蒸鍍一層銀,厚度約為2~5μm。為了便于電池的組合裝配,電極上還需釬焊一層錫

鋁

銀合金焊料。此外,為得到柵線狀的上電極,在蒸鍍鋁和銀時,硅表面需放置一定形狀的金屬掩膜。上電極柵線密度一般為每平方厘米4條,多的可達每平方厘米10~19條,最多的可達每平方厘米60條。(6)腐蝕周邊。擴散過程中,在硅片的四周表面也有擴散層形成,通常它在腐蝕背結時已去除,所以這道工序可以省略。若釬焊時電池的周邊粘有金屬,則仍需腐蝕,以除去金屬。這道工序對電池的性能影響很大,因為任何微小的局部短路,都會使電池變壞,甚至使之成為廢品。腐蝕周邊的方法比較簡單,只要把硅片的兩面涂上黑膠或用其他方法掩蔽好,再放入腐蝕液中腐蝕30s或1min即可。(7)蒸鍍減反射膜。光能在硅表面的反射損失率約為1/3。為減少硅表面對光的反射,還要用真空鍍膜法在硅表面蒸鍍一層二氧化硅或二氧化鈦或五氧化二鉭的減反射膜。其中蒸鍍二氧化硅膜的工藝是成熟的,而且制作簡便,為目前生產上所常用。減反射膜可提高太陽能電池的光能利用率,增加電池的電量輸出。(8)檢驗測試。經過上述工序制得的電池,在作為成品電池入庫前,均需測試,以檢驗其質量是否合格。在生產中主要測試的是電池的伏

安特性曲線。從這一曲線可以得知電池的短路電流、開路電壓、最大輸出功率以及串聯電阻等參數。(9)單晶硅太陽能電池組件的封裝。在實際使用中,要把單片太陽能電池串聯、并聯起來,并密封在透明的外殼中,組裝成太陽能電池組件。這種密封成的組件,可防止大氣侵蝕,延長電池的使用壽命。把組件再進行串聯、并聯,便組成了具有一定輸出功率的太陽能電池方陣。上面介紹的僅是一種傳統(tǒng)的單晶硅太陽能電池的制造方法。當前,有些工廠根據自己的實際條件也采用了其他一些工藝,但均大同小異。為進一步降低太陽能電池的成本,目前很多工廠已采用不少制作太陽能電池的新工藝、新技術，都可使太陽能電池的工藝成本大大降低,產量大幅度提高。其他如離子注入、激光退火、激光摻雜、分子束外延等新工藝也都已有不同程度的應用。3.太陽能電池方陣1)太陽能電池方陣的設計和安裝(1)太陽能電池方陣的設計。單位太陽能電池不能直接作為電源使用。在實際應用時,是按照電性能的要求,將幾片或幾十片單體太陽能電池串聯、并聯起來,經過封裝,組成一個可以單獨作為電源使用的最小單元,即太陽能電池組件。太陽能電池方陣,則是由若干個太陽能電池組件串聯、并聯而成的陣列。太陽能電池方陣可分為平板式和聚光式兩大類。平板式方陣,只需把一定數量的太陽能電池按照電性能的要求串聯、并聯起來即可,不需要加裝匯聚陽光的裝置,結構簡單,多用于固定安裝的場合。聚光式方陣,加有匯聚陽光的搜集器,通常采用平面反射鏡、拋物面反射鏡或菲涅爾透鏡等裝置來聚光,以提高入射光譜的輻照度。聚光式方陣可比相同輸出功率的平板式方陣少用一些單體太陽能電池,從而使成本下降,但通常需要裝設向日跟蹤裝置,有了轉動部件,就降低了太陽能電池的可靠性。太陽能電池方陣的設計,一般來說,就是按照用戶的要求和負載的用電量及技術條件,計算太陽能電池組件的串聯、并聯數。串聯數由太陽能電池的工作電壓決定,應考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對太陽能電池的影響等因素。在太陽能電池組件串聯數確定之后,即可按照氣象臺提供的太陽能總輻射量或年日照時數的10年平均值計算,確定太陽能電池組件的并聯數。太陽能電池方陣的輸出功率與組件的串聯、并聯是為了獲得所需要的電流。(2)太陽能電池方陣的安裝。可將平板式地面太陽能電池方陣裝在方陣支架上,支架固定在水泥基礎上。對于方陣支架和固定支架的水泥基礎以及與控制器連接的電纜等的加工與施工,均應按照設計規(guī)范進行。對太陽能電池方陣支架的基本要求主要有:①

應遵循用料省、造價低、堅固耐用、安裝方便的原則進行太陽能電池方陣支架的設計和生產制造。②

光伏電站的太陽能電池方陣支架,可根據應用地區(qū)的實際情況和用戶要求,設計成地面安裝型或屋頂安裝型。西藏千瓦級以上的光伏電站,以設計成地面安裝型支架為主。③

太陽能電池方陣支架應選用鋼材或鋁合金材料制造,其強度應可承受10級大風的吹刮。④

太陽能電池方陣支架的金屬表面,應鍍鋅、鍍鋁或涂防銹漆,以防止生銹腐蝕。⑤

在設計太陽能電池方陣支架時,應考慮當地緯度和日照資源等因素。也可設計成能按照季節(jié)變化以手動方式調整太陽能電池方陣的向日傾角和方位角的結構,以更充分地接收太陽能輻射能,增加方陣的發(fā)電量。⑥

太陽能電池方陣支架的連接件,包括組件和支架的連接件、支架與螺栓的連接件以及螺栓與方陣場的連接件,均應用電鍍鋼材或不銹鋼鋼材制造。太陽能電池方陣的發(fā)電量與其接收的太陽輻射能成正比。為使方陣更有效地接收太陽輻射能,方陣的安裝方位和傾角很重要。好的方陣安裝方式是跟蹤太陽,使方陣表面始終與太陽光垂直,入射角為0°。其他入射角都將影響方陣對太陽的接收,造成較多的損失。對于固定安裝方式來說,損耗總計可高達8%。比較好的可供參考的電池板方位角?

為使用地的緯度。一年可調整兩次方位角。一般可取:?春分=使用地的緯度-11°45';?秋分=使用地的緯度+11°45'。這樣,接收損耗就有可能控制在2%以下。方陣斜面取多大角度為好,是一個較復雜的問題。為減小設計誤差,設計時應將從氣象臺獲得的水平面上的太陽輻射能換算成方陣斜面上的相應值。換算方法是將方陣斜面接收的太陽輻射能作為使用地的緯度、傾角和太陽赤緯的函數。簡單的辦法是,把從氣象臺獲得的方陣所在地平均太陽能總輻射量作為計算的?

值。電池板方位角若采用每年調整兩次的方案,則與水平放置方陣相比,太陽能總輻射量增益為6.5%左右。2)太陽能電池方陣的使用和維護可以將太陽能電池方陣的使用、維護方法概括為如下10條:(1)太陽能電池方陣應安裝在周圍沒有高大建筑物、樹木、電桿等遮擋太陽光的處所,以便充分地獲得太陽光。我國地處北半球,方陣的采光面應朝南放置,并與太陽光垂直。(2)在太陽能電池方陣的安裝和使用中,要輕拿輕放組件,嚴禁碰撞、敲擊、劃傷,以免損壞封裝玻璃,影響其性能,縮短它的使用壽命。(3)遇有大風、暴雨、冰雹、大雪等情況,應采取措施保護太陽能電池方陣,以免使它受到損壞。(4)太陽能電池方陣的采光面應經常保持清潔,如采光面上落有灰塵或其他污物,應先用清水沖洗,再用干凈紗布將水跡輕輕擦干,切勿用硬物擦拭或用腐蝕性溶劑沖洗。(5)在連接太陽能電池方陣的輸出端時,要注意正、負極性,切勿接反。(6)對與太陽能電池方陣匹配的蓄電池組,應嚴格按照蓄電池的使用維護方法使用。(7)對帶有向日跟蹤裝置的太陽能電池方陣,應經常檢查維護跟蹤裝置,以保證其正常工作。(8)對可用手動方式調整角度的太陽能電池方陣,應按照季節(jié)的變化調整方陣支架的向日傾角和方位角,以便使它能充分地接收太陽輻射能。(9)太陽能電池方陣的光電參數,在使用中應不定期地按照有關方法進行檢測,發(fā)現問題,要及時解決,以確保方陣不間斷地正常供電。(10)在太陽能電池方陣及其配套設備的周圍應加護欄或圍墻,以免遭動物侵襲或人為損壞。如果發(fā)電設備是安裝在高山上的,則應安裝避雷器,以防雷擊。8.2.2太陽能光伏發(fā)電1.太陽能光伏發(fā)電原理與組成太陽光發(fā)電是指無需通過熱力學過程直接將太陽光能轉變成電能的發(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學發(fā)電、光感應發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽能電池這種半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能,并使之轉變成電能的直接發(fā)電方式,是當今太陽光發(fā)電的主流。時下,人們通常所說太陽光發(fā)電就是指太陽能光伏發(fā)電。由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng),是利用光生伏打效應制成的,是用太陽能電池將太陽能直接轉換成電能的,所以稱為太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流

交流逆變器等部分組成,其系統(tǒng)組成如圖814所示。1)太陽能電池方陣太陽能電池單體是用于光電轉換的最小單元,它的尺寸一般為4cm2~100cm2。太陽能電池單體工作電壓為0.45V~0.50V,工作電流為20mA/cm2~25mA/cm2,一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串、并聯并封裝后,就成為太陽能電池組件,其功率一般為幾瓦至幾十瓦、百余瓦,是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經過串聯、并聯并裝在支架上,就構成了太陽能電池方陣,它可以滿足負載所要求的輸出功率。太陽能電池的單體、組件和方陣如圖815所示。(1)硅太陽能電池。常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。晶體硅太陽能電池由一個晶體硅片組成,在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線,下表面是金屬層。硅片本身是P型硅,表面擴散層是N區(qū),在這兩個區(qū)的連接處就是所謂的PN結。PN結形成一個電場。太陽能電池的頂部被一層減反射膜所覆蓋,以便減少太陽能的反射損失。光是由光子組成的,而光子是含有一定能量的微粒,能量的大小由光的波長決定。光被晶體硅吸收后,在PN結中產生一對對的正、負電荷,由于在PN結區(qū)域的正、負電荷被分離,于是一個外電流場就產生了,電流從晶體硅片

電

池

的

底

端

經

過

負

載

流

至

電

池

的頂端。將一個負載連接在太陽能電池的上、下兩表面間時,將有電流流過負載,于是太陽能電池就產生了電流。太陽能電池吸收的光子越多,產生的電流也就越大。光子的能量由波長決定,低于基能能量的光子不能產生自由電子,1個高于基能能量的光子也僅產生1個自由電子,多余的能量將使電池發(fā)熱,伴隨電能損失的影響將使太陽能電池的效率下降。(2)硅太陽能電池的種類。目前世界共有三種已經商品化的硅太陽能電池,即單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。由于單晶硅太陽能電池所使用的單晶硅材料與半導體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質,所以材料成本比較昂貴。多晶硅太陽能電池晶體方向的無規(guī)則性,意味著正、負電荷對并不能全部被PN結電場所分離。因為電荷對在晶體與晶體之間的邊界上可能因晶體的不規(guī)則性而損失,所以多晶硅太陽能電池的效率一般要比單晶硅太陽能電池稍低。但多晶硅太陽能電池可用鑄造的方法生產,所以它的成本比單晶硅太陽能電池要低。非晶硅太陽能電池屬于薄膜電池,造價低廉,但其光電轉換效率比較低,穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽能電池,目前多用于弱光性電源,如手表、計算器等的電池。(3)太陽能電池組件。①

簡介。一個太陽能電池只能產生大約0.45V的電壓,遠低于實際應用所需要的數值。為了滿足實際應用的需要,須把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一定數量的太陽能電池,這些太陽能電池通過導線連接。一個組件上,太陽能電池的標準數量是36個或40個(10cm×10cm),這意味著一個太陽能電池組件大約能產生16V的電壓,它正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池進行有效的充電。通過導線連接的太陽能電池被密封成的物理單元稱為太陽能電池組件。它具有一定的防腐、防風、防雹、防雨等能力,廣泛應用于各個領域和系統(tǒng)。當應用領域需要較高的電壓和電流而單個太陽能電池組件不能滿足要求時,可用多個組件組成太陽能電池方陣,以獲得所需要的電壓和電流。②

封裝類型。太陽能電池的可靠性在很大程度上取決于其防腐、防風、防雹、防雨等能力,而潛在的質量問題是邊沿的密封效果以及組件背面的接線盒質量。太陽能電池的封裝方式主要有以下兩種:a.雙面玻璃密封。太陽能電池組件的正、反兩面均是玻璃板,太陽能電池被鑲嵌在一層聚合物中。這種密封方式存在的一個主要問題是玻璃板與接線盒之間的連接。這種連接不得不通過玻璃板的邊沿,因為在玻璃板上打孔是很昂貴的。b.玻璃合金層疊密封。這種組件的前面是玻璃板,背面是一層合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太陽能電池也是被鑲嵌在一層聚合物中的。在這種太陽能電池組件中,電池與接線盒之間可直接用導線連接。③

電氣特性。太陽能電池組件的電氣特性主要是指電流

電壓特性,也稱為I-U曲線,如圖816所示。I-U曲線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流Im

與電壓Um

在特定的太陽輻照度下的關系。如果太陽能電池組件電路短路,即U=0,此時的電流稱為短路電流ISC;如果電路開路,即I=0,此時的電壓稱為開路電壓UOC。太陽能電池組件的輸出功率等于流經該組件的電流與電壓的乘積,即P=U×I。當太陽能電池組件的電壓上升時,例如,通過增加負載的電阻值或組件的電壓從0(短路條件下)開始增加時,組件的輸出功率亦從0開始增加,當電壓達到一定值時,功率可達到最大。而當電阻值繼續(xù)增加時,功率將躍過最大點,并逐漸減少至0,即電壓達到開路電壓UOC。組件輸出功率達到最大值的點,稱為最大功率點;該點所對應的電壓,