太陽(yáng)能建筑一體化原理與應(yīng)用第一章緒論一、可再生能源與太陽(yáng)能

可再生能源是指在自然界中可以不斷再生、永續(xù)利用的能源?？稍偕茉粗饕L(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿确腔茉础?/p>

太陽(yáng)能(solarenergy)，一般是指太陽(yáng)光的輻射能量，太陽(yáng)能是一種可再生能源，廣義上的太陽(yáng)能是地球上許多能量的來(lái)源，如風(fēng)能、生物質(zhì)能、潮汐能、水的勢(shì)能等。二、太陽(yáng)能利用方式的分類太陽(yáng)能利用的方式可分為光-熱利用、光-電利用、光-化學(xué)利用、光-生物利用四類。其中：1、光-熱利用是指將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，然后加以利用，如供應(yīng)熱水、采暖、驅(qū)動(dòng)制冷循環(huán)、強(qiáng)化自然通風(fēng)等。2、光-電利用是指通過(guò)太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)化為電能加以利用的過(guò)程。3、光-化學(xué)利用則包括植物的光合作用、太陽(yáng)能光解水制氫、熱解水制氫以及天然氣重整等轉(zhuǎn)換過(guò)程。4、光-生物利用是指通過(guò)植物的光合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成為生物質(zhì)的過(guò)程。三、我國(guó)建筑運(yùn)行能耗用能分類建筑面積（億m2)用電量(億kWh)燃料用量(億tce)商品能耗(億tce)一次能耗強(qiáng)度北方城鎮(zhèn)供暖1627701.892.1213.1kgce/m2城鎮(zhèn)住宅(不含北方城鎮(zhèn)供暖)30560510.962.78769kgce/戶公共建筑(不含北方城鎮(zhèn)供暖)147117170.333.8626.3kgce/m2農(nóng)村住宅22637541.192.321220kgce/戶合計(jì)678222924.3711.1

2022年我國(guó)四類建筑運(yùn)行能耗三、我國(guó)建筑運(yùn)行能耗將四部分建筑能耗的規(guī)模、強(qiáng)度和總量表示在圖所示的四個(gè)方塊中，橫向表示建筑面積，縱向表示單位面積建筑能耗強(qiáng)度，四個(gè)方塊的面積即是建筑能耗的總量。四、我國(guó)建筑運(yùn)行碳排放將四類建筑碳排放的規(guī)模、強(qiáng)度和總量表示在圖所示的方塊圖中，橫向表示建筑面積，縱向表示單位面積碳排放強(qiáng)度，四個(gè)方塊的面積即是碳排放總量。五、太陽(yáng)能建筑一體化的含義太陽(yáng)能與建筑的有機(jī)結(jié)合就是太陽(yáng)能與建筑一體化，也就是實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)的功能和建筑功能的一體化。一體化應(yīng)該包含兩方面的要求：一是外觀和形式上，太陽(yáng)能集熱、光伏發(fā)電等設(shè)備應(yīng)與建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，不影響建筑的美觀，甚至具有增加建筑美學(xué)效果，這是對(duì)一體化的“外在”要求，也是基本要求；二是內(nèi)容和功能上，既要使太陽(yáng)能集熱、光伏發(fā)電提供的能源能夠在建筑中得到有效使用和輸配，同時(shí)還要滿足建筑采光、保溫、隔熱、防水等功能，這是對(duì)一體化的“內(nèi)在”要求，也是高級(jí)要求。太陽(yáng)能建筑原理與應(yīng)用第二章太陽(yáng)輻射2.1太陽(yáng)的基本特征與能量來(lái)源2.1.1太陽(yáng)的物理特征太陽(yáng)直徑約139萬(wàn)公里，質(zhì)量為地球的33萬(wàn)倍，主要由氫和氦組成。其內(nèi)部核聚變反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為氦，每秒虧損400萬(wàn)噸質(zhì)量，釋放出巨大能量。太陽(yáng)能量傳播太陽(yáng)輻射以電磁波形式傳播，到達(dá)地球大氣層上界的能量約占總輻射的20億分之一，但仍高達(dá)180×1012千瓦，是地球能量的重要來(lái)源。2.1.2地球公轉(zhuǎn)與赤緯角圖2-2地球繞太陽(yáng)運(yùn)行示意圖2.1.2地球公轉(zhuǎn)與赤緯角圖2-2地球繞太陽(yáng)運(yùn)行示意圖2.1.2地球公轉(zhuǎn)與赤緯角太陽(yáng)中心與地球中心的連線（即午時(shí)太陽(yáng)光線）與地球赤道平面的夾角稱為太陽(yáng)赤緯角（或稱太陽(yáng)赤緯）。太陽(yáng)赤緯角是一個(gè)以一年為周期變化的量，它的變化范圍為±23

o

27'。北半球夏至(6月22日)即南半球冬至，太陽(yáng)光線正射北回歸線δ=23o27’；北半球冬至(12月22日)即南半球夏至，太陽(yáng)光線正射南回歸線，δ=?23

o

27'；春分及秋分太陽(yáng)正射赤道，赤緯角都為零，地球南、北半球日夜相等。式中

n——一年中的日期序號(hào)

2.1.3地球的自轉(zhuǎn)與太陽(yáng)時(shí)地球在公轉(zhuǎn)時(shí)，始終繞著地軸由西向東在自轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)一周（360°）為一晝夜（24小時(shí)）。時(shí)間可以用角度來(lái)表示，每小時(shí)相當(dāng)于地球自轉(zhuǎn)15°。正午時(shí)為零，上午為負(fù)，下午為正，數(shù)值等于離正午的時(shí)間（小時(shí)）乘以15。2.太陽(yáng)時(shí)時(shí)差E：真太陽(yáng)時(shí)和平太陽(yáng)時(shí)之差1.時(shí)角2.1太陽(yáng)的基本特征與能量來(lái)源時(shí)差E也可以從此圖查出2.2大氣層外太陽(yáng)輻射的計(jì)算2.2.1太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)輻照度（Irradiance）（W/m2），符號(hào)G，表示照射到單位面積表面上的太陽(yáng)輻射能通量。太陽(yáng)輻照量（Irradiation）（J/m2）——照射到單位面積表面上的太陽(yáng)輻射能量。Gon是一年中第n天在垂直于光線的平面上的大氣層外的輻照度（即大氣層外法向輻照度）。大氣層外太陽(yáng)輻照度的變化計(jì)算方程：2.太陽(yáng)輻射光譜（solarradiationspectrum）大氣層外太陽(yáng)輻射的光譜分布2.2.2太陽(yáng)角（1）緯度φ：赤道以北或以南的角度位置，北半球?yàn)檎?，南半球?yàn)樨?fù)，赤道為0。?90°≤φ≤90°（2）采光面傾角β：采光表面與水平面之間的角度。0°≤β≤180°（β>90°表示該表面向下）。（3）采光面方位角γ:采光表面法線在水平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的偏差，正南為零，東為負(fù)，西為正。?180°≤γ≤180°。（4）太陽(yáng)入射角θ：太陽(yáng)光線與采光表面法線之間的夾角θ，稱為太陽(yáng)光線的入射角。太陽(yáng)光線可分為兩個(gè)分量，一個(gè)垂直于表面，一個(gè)平行于表面，只有垂直分量的輻射能被采光面所截取。1.太陽(yáng)入射角的計(jì)算2.2.2太陽(yáng)角圖2-7采光面的傾角、方位角和太陽(yáng)入射角2.太陽(yáng)高度角與方位角天頂角θz

—太陽(yáng)光線和地平面法線之間的夾角。高度角αs—太陽(yáng)光線和它在地平面上投影線之間的夾角。方位角γs—太陽(yáng)光線在地平面上投影與地平面上正南方向線之間的夾角。2.太陽(yáng)高度角與方位角2.2.2地球大氣層外水平面上的太陽(yáng)輻射

2.3大氣層內(nèi)太陽(yáng)輻射的估算2.3.1大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減作用太陽(yáng)輻射在通過(guò)大氣層到達(dá)地球表面之前，在大氣層中將遇到各種成分并與之相互作用，使其一部分能量被反射回宇宙、一部分被吸收、一部分被散射。1.大氣的吸收作用大氣的主要吸收物質(zhì)是氧氣（O2）、臭氧（O3）、水汽（H2O）及二氧化碳（CO2）。氧吸收波長(zhǎng)小于0.2μm的紫外線。波長(zhǎng)低于0.29μm的短波幾乎被臭氧全部吸收，當(dāng)波長(zhǎng)超過(guò)0.29μm后，臭氧的吸收減少，直到0.35μm，之后就沒(méi)有吸收了。1.大氣的吸收作用圖2-9太陽(yáng)在大氣中的入射路徑2.太陽(yáng)高度角與方位角如果忽略地球表面的曲率和大氣折射的影響，則根據(jù)圖2-9可以直接導(dǎo)出大氣質(zhì)量m的以下近似計(jì)算式式中，θz為天頂角；αs為太陽(yáng)高度角。當(dāng)αs=30°時(shí)，計(jì)算得的大氣質(zhì)量值與觀測(cè)值非常近，其誤差在0.01；而當(dāng)αs<30°時(shí)，由于地面曲率和折射影響增大，計(jì)算結(jié)果誤差較大。當(dāng)θz

=0°時(shí)，太陽(yáng)在天頂，m=1；當(dāng)θz

=60°時(shí)，m=2。太陽(yáng)高度角αs越小，m越大，地面受到的太陽(yáng)輻射越少。在太陽(yáng)輻射計(jì)算中，經(jīng)常取m=1.5時(shí)的太陽(yáng)輻射光譜作為典型工況。2.大氣散射作用大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射過(guò)程是由于太陽(yáng)輻射作為電磁波射入大氣層中時(shí)，與大氣中的空氣分子、水汽和塵粒發(fā)生相互作用假設(shè)散射粒子的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)，根據(jù)瑞利散射（T.B.Rayleigh，1871）定律，有：式中：I0為入射光的輻照度，W/m2；Iθ為在（r，θ）處散射光的輻照度，W/m2；λ為波長(zhǎng)，μm；r為觀測(cè)點(diǎn)到散射中心的距離，m；θ為散射角，即入射光線與散射光線之間的夾角，°；α為粒子極化率，m32.大氣散射作用散射與吸收不同，它不會(huì)把輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ｗ訜徇\(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，而僅僅改變輻射的方向使直射光變?yōu)槁涔猓踔潦固?yáng)輻射逸出大氣層而不能到達(dá)地面。散射對(duì)輻射的影響隨散射粒子的線度而變，一般可分為兩種。（1）分子散射，散射粒子小于輻射波長(zhǎng)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比。大氣對(duì)長(zhǎng)波光的散射較弱，即透明度較大，而對(duì)短波光的散射較強(qiáng)，即透明度較小。（2）微粒散射，散射粒子大于輻射波長(zhǎng)，隨著波長(zhǎng)的增大，散射強(qiáng)度也增強(qiáng)，而長(zhǎng)波與短波間散射的差別也愈小，甚至出現(xiàn)長(zhǎng)波散射強(qiáng)于短波散射的情況。2.大氣散射作用圖2-10瑞利散射和大氣吸收對(duì)光束輻照度光譜分布影響的示例

2.3.2標(biāo)準(zhǔn)晴天水平面上太陽(yáng)輻射的計(jì)算對(duì)于直射輻射的大氣透明度τb的定義為，式中，Gon大氣層外垂直于光線的平面上的輻照度，可由式（2-5）計(jì)算；下標(biāo)T表示某傾斜平面；直射輻射的大氣透明度可由下式計(jì)算，即式中a0，a1和k是針對(duì)具有23km能見度的標(biāo)準(zhǔn)晴空大氣的常數(shù)。當(dāng)海拔高度小于2.5km時(shí)，可首先算出相應(yīng)的a0*，a1*和k*，再通過(guò)考慮氣候類型的修正系數(shù)r0=a0/a0?，r1=a1/a1?和rk=k0/k0?，最后求出a0，a1和k0，a0*，a1*和k*的計(jì)算公式為：2.3.2標(biāo)準(zhǔn)晴天水平面上太陽(yáng)輻射的計(jì)算式中A為海拔高度，單位是km。修正系數(shù)由表2-4給出。表2-4考慮氣候類型的修正系數(shù)氣候類型r0r1rk亞熱帶0.950.981.02中等緯度，夏天0.970.991.02高緯度，夏天0.990.991.01中等緯度，冬天1.031.011.002.3.2標(biāo)準(zhǔn)晴天水平面上太陽(yáng)輻射的計(jì)算對(duì)于散射輻射，相應(yīng)的大氣透明度為τd=Gd/Go=0.2710?0.293τb（2-25）G0：大氣層外水平面上的太陽(yáng)輻射，可由式（2-15）計(jì)算。利用標(biāo)準(zhǔn)晴空大氣透明度的計(jì)算模型（下標(biāo)c表示晴空，clear-sky）﹐可以求出晴天時(shí)法向平面上的輻照度，Gcnb=Gonτb

（2-26）式中τb--晴天，直射輻射的大氣透明度，可用式（2-20）～式（2-23）計(jì)算；Gon--大氣層外，垂直于輻射方向上的太陽(yáng)輻照度，W/m2，可由式（2-5）計(jì)算；Gcnb--晴天，垂直于輻射方向上的直射輻照度，W/㎡。2.3.3晴空指數(shù)與水平面直射輻射、散射輻射的分解表征天氣晴朗程度的另一個(gè)指標(biāo)是晴空指數(shù)，該指數(shù)在太陽(yáng)輻射的估算中經(jīng)常用到，經(jīng)常借助該指數(shù)把總輻射中的直射輻射與散射輻射分量估算出來(lái)。月平均的晴空指數(shù)KT是水平面上月平均日輻射與大氣層外月平均日輻射之比KT=H/H0（2-30）相應(yīng)地能定義一天的晴空指數(shù)KT，它是某天的日輻照量與同一天大氣層外日輻照量之比。KT=H/H0（2-31）2.3.3晴空指數(shù)與水平面直射輻射、散射輻射的分解一小時(shí)的晴空指數(shù)kT和kT,c，則分別為kT=I/I0（2-32）kT,c=I/Ic（2-33）晴空指數(shù)中的H，H和I是用總輻射儀在水平面上實(shí)測(cè)的輻照量；H0，H0和I0可用式（2-15）~（2-17）計(jì)算﹐Ic可用例2-6中提供的方法計(jì)算，這里把Ic也看做計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。把水平面上的總輻射分解成直射輻射和散射輻射的兩個(gè)分量，在太陽(yáng)能應(yīng)用中具有實(shí)際意義。比如，將水平面上的輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到傾斜平面時(shí)，要求對(duì)直射輻射和散射輻射作分別處理。2.3.3晴空指數(shù)與水平面直射輻射、散射輻射的分解（2-34）（2-35）分解方法的實(shí)質(zhì)，是在大量統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立散射輻射的百分率與晴空指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系式。下面介紹與四種晴空指數(shù)相對(duì)應(yīng)的四種關(guān)系式。（1）kT=I/I0與Id/I的關(guān)系式2.3.3晴空指數(shù)與水平面直射輻射、散射輻射的分解（2-36）（2-37）2.3.4已知日總輻射，估算小時(shí)輻射量（2-39）（2-38）2.3.4已知日總輻射，估算小時(shí)輻射量小時(shí)散射輻射與全天散射輻射之比rd，用下式計(jì)算（2-40）2.3.5傾斜表面上的輻射量（1）.傾斜面輻射量的計(jì)算圖2-11散射輻射組成示意圖2.3.5傾斜表面上的輻射量（2-41）散射輻射由三部分組成。（1）天空散射輻射，來(lái)自整個(gè)天穹。（2）環(huán)日散射輻射，由太陽(yáng)輻射的向前傳播時(shí)的散射引起，集中在太陽(yáng)光束周圍。（3）地平線增亮散射輻射，集中在地平線附近，在空曠地帶（沙漠、戈壁、草原等）晴天時(shí)最為明顯。入射太陽(yáng)輻射包括直射輻射、來(lái)自天空的散射輻射以及從傾斜表面“看到”的各個(gè)表面反射的輻射。該傾斜表面上的總?cè)肷漭椛淇蓪憺椋浩渲邢聵?biāo)iso、cs、hz和refl分別指天空、環(huán)日、地平線和反射輻射。2.3.5傾斜表面上的輻射量（2-42）對(duì)于面積為Ac的表面（采光面），總?cè)肷漭椛淇梢杂盟奖砻嫔系闹鄙浜蜕⑸漭椛湟约胺瓷涞絻A斜表面的表面上的總輻射來(lái)表示。方程2-41中的項(xiàng)變?yōu)榈谝豁?xiàng)是直射部分。第二項(xiàng)是天空散射輻射項(xiàng)，包括天空面積As（未知面積）和從天空到斜面的角系數(shù)Fs?c的乘積。第三項(xiàng)是環(huán)日散射，它被視為來(lái)自與直射相同的方向。第四項(xiàng)是來(lái)自具有另一個(gè)未定義區(qū)域Ahz的地平線散射。第五項(xiàng)是來(lái)自傾斜表面所能“看到”的建筑物等的反射輻射流的集合。i指的是每個(gè)反射流：Ii是入射到第i個(gè)表面的太陽(yáng)輻射，ρi是該表面的反射比，F(xiàn)i?c是從第i個(gè)表面到傾斜表面的角系數(shù)。2.3.5傾斜表面上的輻射量（2-43）（2-44）式（2-42）可以通過(guò)交換面積和角系數(shù)寫成更實(shí)用的形式。這消除了未知面積As和Ahz。由于面積Ac出現(xiàn)在方程的每一項(xiàng)中，Ac可以消去，得到如下公式當(dāng)IT確定后，就可以確定傾斜表面上的總輻射與水平面上的總輻射之比。根據(jù)定義，2.水平面與傾斜面上輻照量的比例因子（2-45）圖2-12水平面和傾斜面上的直射圖2-12上分別表示出直射輻射在水平面和傾斜面上的入射角，水平面上的入射角為θz，傾斜面上為θ。傾斜面和水平面上接受到的直射輻照量之比，稱為比例因子Rb，可用下式計(jì)算2.水平面與傾斜面上輻照量的比例因子2.4建筑表面所得太陽(yáng)輻射的估算建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面，包括墻面、窗戶和屋頂，直接或者間接接收到太陽(yáng)輻射，這些建筑表面所得太陽(yáng)輻照量的計(jì)算是太陽(yáng)能利用和建筑能耗分析的重要內(nèi)容。在本節(jié)通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，來(lái)說(shuō)明建筑表面所得太陽(yáng)輻射的估算方法。如圖2-13所示，建筑墻面與水平面之間的傾角β為90°，屋頂為坡屋頂，傾角為60°，建筑表面和水平面到的直射輻照量之比為修正因子由式（2-45）計(jì)算得到。假設(shè)散射輻射各向同性，當(dāng)建筑表面為垂直平面（豎直墻面或者窗戶）時(shí)，計(jì)算太陽(yáng)散射時(shí)平面對(duì)天空的角系數(shù)Rd=（1＋cosβ）/2，則可得Rd=0.5；對(duì)地面反射的角系數(shù)Rρ=（1-cosβ）/2，則可得到角系數(shù)Rd=0.52.4建筑表面所得太陽(yáng)輻射的估算圖2-13建筑的外表面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)2.5太陽(yáng)輻射的測(cè)量太陽(yáng)輻射測(cè)量的基本原理是，將入射到測(cè)量?jī)x器特制受光面上的太陽(yáng)輻射能全部吸收，使之轉(zhuǎn)換為其他某種形式的能量并進(jìn)行檢測(cè)。鑒于太陽(yáng)輻射有總輻射、直射輻射和散射輻射之分，所以測(cè)量太陽(yáng)輻射的儀器也各不相同，有總?cè)丈浔?、直接日射表等幾?1.直接日射表直接日射表是用于測(cè)量太陽(yáng)直射輻射的儀器。帶有準(zhǔn)直管準(zhǔn)直管的作用有兩個(gè)：一是為瞄準(zhǔn)太陽(yáng)，二是為限定視角。直射表測(cè)得的太陽(yáng)輻射包括了日面周圍的散射輻射，即環(huán)日散射輻射，而日面本身的視場(chǎng)角僅為0.5o。2.5太陽(yáng)輻射的測(cè)量直接日射表可分為絕對(duì)和相對(duì)兩類。絕對(duì)直接日射表無(wú)需參考源或輻射器，就能將太陽(yáng)直射輻照度確定出來(lái)；絕對(duì)直接日射表均使用腔體作為輻射接收器。相對(duì)直接日射表，需要通過(guò)與絕對(duì)儀器相對(duì)照，才能求出具體的靈敏度（換算系數(shù)）。相對(duì)直接日射表均使用熱電堆作為感應(yīng)元件。2.5太陽(yáng)輻射的測(cè)量（a）直接日射表2.總?cè)丈浔砜側(cè)丈浔硎怯糜跍y(cè)量太陽(yáng)總輻射的儀器，它是用途最廣泛的太陽(yáng)輻射測(cè)量?jī)x器。將總?cè)丈浔硭椒胖茫蓽y(cè)量水平面上的太陽(yáng)總輻照度；將總?cè)丈浔韮A斜放置，可測(cè)量?jī)A斜面上的太陽(yáng)總輻照度；將總?cè)丈浔矸D(zhuǎn)過(guò)來(lái)放置，可測(cè)量地面反射輻照度；將總?cè)丈浔碛谜陉?yáng)環(huán)遮去太陽(yáng)直射輻射，可測(cè)量太陽(yáng)散射輻照度，如圖2-14（c）所示。總?cè)丈浔戆雌涓袘?yīng)面的種類，可分為全黑型和黑白型兩類。通常，全黑型總?cè)丈浔淼男阅芤獌?yōu)于黑白型總?cè)丈浔怼?.總?cè)丈浔恚╟）散射輻射表圖2-14常用的太陽(yáng)輻射測(cè)量?jī)x2.6太陽(yáng)能資源分布2.6.1世界各地太陽(yáng)能資源分布根據(jù)國(guó)際太陽(yáng)能熱利用區(qū)域分類，全世界太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度和日照時(shí)間最佳的區(qū)域包括北非、中東地區(qū)、美國(guó)西南部和墨西哥、南歐、澳大利亞、南非、南美洲東、西海岸和中國(guó)西部地區(qū)等。北非地區(qū)是世界太陽(yáng)能輻照最強(qiáng)烈的地區(qū)之一。中東幾乎所有地區(qū)的太陽(yáng)能輻射能量都非常高。南歐的平均太陽(yáng)年輻照總量超過(guò)7

200

MJ/m2。美國(guó)也是世界太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一。澳大利亞的太陽(yáng)能資源也很豐富。全國(guó)一類地區(qū)太陽(yáng)年輻射總量為7621~8672MJ/m22.6.2中國(guó)太陽(yáng)能資源分布圖2-15世界太陽(yáng)能分布圖等級(jí)太陽(yáng)能條件水平面上年太陽(yáng)輻照量/[MJ/（m2·a）]年日照時(shí)數(shù)/h地區(qū)Ⅰ資源豐富區(qū)（資源極富區(qū)）6700-83703200~3300寧夏北、甘肅西、新疆東南、青海西、西藏西Ⅱ資源較富區(qū)（資源豐富區(qū)）5400~67003000~3200冀西北、京、津、晉北、內(nèi)蒙古及寧夏南、甘肅中東、青海東、西藏南、新疆南Ⅲ資源一般區(qū)（資源較富區(qū)）5090~54002200~3000魯、豫、冀東南、晉南、新疆北、吉林、遼寧、云南、陜北、甘肅東南、粵南4200~50001400~2200湘、桂、贛、江、浙、滬、皖、鄂、閩北、粵北、陜南、黑龍江Ⅳ資源欠缺區(qū)（資源一般區(qū)）＜42001000~1400川、黔、渝表2-7中國(guó)太陽(yáng)能資源區(qū)劃帶太陽(yáng)能建筑一體化原理與應(yīng)用第3章太陽(yáng)能的吸收與透射上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院3.1物體的輻射特性1、發(fā)射率的定義

實(shí)際物體表面與在同溫度下黑體表面發(fā)射的輻射能之比稱為發(fā)射率(Emittance)(也稱發(fā)射比或者黑度，即接近黑體的程度)。根據(jù)輻射能與方向和波長(zhǎng)有關(guān)，可引伸出四種不同含義的發(fā)射率。單色定向發(fā)射率：

（3-1）3.1.1實(shí)際物體的發(fā)射率3.1.1實(shí)際物體的發(fā)射率

單色半球發(fā)射率(MonochromaticHemisphericalEmittance)---波長(zhǎng)一定，在整個(gè)半球面上的輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體半球方向的輻射強(qiáng)度之比。

半球發(fā)射率(可簡(jiǎn)稱發(fā)射率)(HemisphericalEmittance)—在整個(gè)半球面上，全波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總輻射強(qiáng)度與同溫度下黑體總輻射強(qiáng)度之比。（3-2）3.1.1實(shí)際物體的發(fā)射率2、灰體與漫發(fā)射表面

假定某物體表面的光譜發(fā)射率不隨波長(zhǎng)發(fā)生變化，則這種物體稱為灰體。

工程實(shí)踐中，如果參與輻射傳熱的溫度低于2000K，此時(shí)實(shí)際物體在紅外波段內(nèi)范圍內(nèi)的可近似視為灰體。

如果物體發(fā)射的定向輻射強(qiáng)度與方向無(wú)關(guān)，則成為漫發(fā)射表面。

如果某表面的輻射特性，除了與方向無(wú)關(guān)，還與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，則稱為“漫灰表面”。3.1.2物體的吸收比1、

吸收比的定義

材料表面的吸收比(SurfaceAbsorption)是入射的輻射能被表面所吸收的比率，基于入射輻射能的特點(diǎn)，可定義四種吸收比。

（3-3）

3.1.2物體的吸收比1、

吸收比的定義

半球吸收比(HemisphericalAbsorption)(簡(jiǎn)稱吸收比)----整個(gè)半球面上、全波長(zhǎng)范圍內(nèi)入射的輻射能被表面吸收的比率。在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)積分可得：（3-4）3.1.2物體的吸收比2、發(fā)射率與吸收比的關(guān)系根據(jù)基爾霍夫定律，物體表面的單色定向發(fā)射率等于同一溫度下的單色定向吸收比，即：表3.1基爾霍夫定律的三個(gè)層次層次數(shù)學(xué)表達(dá)式成立條件光譜、定向無(wú)條件光譜、半球漫射表面全波段、半球與黑體輻射處于熱平衡或漫灰表面3.1.2物體的吸收比3、吸熱材料的吸收比與入射角度的關(guān)系

在多數(shù)情況下，太陽(yáng)能集熱器使用的吸熱表面的太陽(yáng)能吸收比與入射角度的角度是有關(guān)的，但其函數(shù)關(guān)系通常是缺失的。普通黑色表面(如用于太陽(yáng)能集熱器)的太陽(yáng)能吸收比是入射角的函數(shù)。

3.1.2物體的吸收比4、常用材料的太陽(yáng)能吸收比和發(fā)射率材料人的皮膚（某種白種人）0.620.970.64白漆（涂在金屬底板上）0.210.960.22黑漆（涂在金屬底板上）0.970.971灰漆0.750.950.79白紙0.25~0.280.950.26~0.29冰（在薄雪覆上）0.310.96~0.970.32雪（新）0.130.820.16雪，冰球0.330.890.37白細(xì)砂0.450.840.54白石膏0.070.910.08石灰砂漿（白色，粗糙）-0.87-0.82-3.1.2物體的吸收比4、常用材料的太陽(yáng)能吸收比和發(fā)射率材料紅磚0.550.920.60石棉水泥板0.590.960.61磨光大理石0.50~0.600.900.61平板玻璃-0.88-0.94-木材-0.80-0.90-粗混凝土0.600.970.62混凝土0.600.880.68瀝青道路0.93--沙漠表面0.750.900.83干犁翻地0.75-0.800.900.83-0.89一般菜園0.700.900.783.1.3物體表面反射比1、

反射比的定義

一般來(lái)說(shuō)，給定表面在特定方向上的反射強(qiáng)度大小是入射輻射的波長(zhǎng)和空間分布的函數(shù)。反射比的定義如下：（3-6）圖3-2反射函數(shù)的坐標(biāo)系

當(dāng)光束從μi，?i方向入射到表面上，能量通量為Iλ,i，μi，Δωi，分子是μr，?r方向上反射強(qiáng)度，如圖3-2。3.1.3物體表面反射比2、常見的幾種反射表面

物體的反射表面可以有三種不同的類型：鏡面反射表面、漫反射表面、混合型反射表面，如圖3-3所示。圖3-3物體表面的反射示意圖3.1.3物體表面反射比2、常見的幾種反射表面反射輻射存在兩種特殊分布：

一種是鏡面反射，即入射角與反射角相等，入射光束與反射光束沿著反射平面的法向?qū)ΨQ；

另一種是漫反射，反射輻射均勻地分布在所有方向上。

實(shí)際物體表面的反射既不是鏡面反射，也不是漫反射。3.1.3物體表面反射比3、物體的吸收比、反射比、發(fā)射率之間的關(guān)系

對(duì)于不透明表面，對(duì)于特定波長(zhǎng)和方向的入射能量來(lái)說(shuō)，根據(jù)基爾霍夫定律和能量守恒定律，可以得出：(3-7)

因此，已知單色定向反射比就可以計(jì)算得出單色定向發(fā)射率和單色定向吸收比。3.1.3物體表面反射比3、物體的吸收比、反射比、發(fā)射率之間的關(guān)系

對(duì)于一個(gè)不透明的表面，對(duì)于半球方向的輻射能量，單色或是全波段，根據(jù)能量平衡定律，入射輻射，要么被吸收，要么被反射，即(3-8)(3-9)和上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院3.2

透明材料的透射3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比圖3-4自然光示意圖

光是一種電磁波。電磁波是一種橫波，所以光波中光矢量的振動(dòng)方向總是和光的傳播方向垂直。

偏振光是指在垂直于光傳播方向的平面內(nèi)，各方向光振動(dòng)的振幅不相等，甚至在一些方向上為0。

自然光，也就是非偏振光，如圖3-4所示。3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比圖3-5與光傳播方向的光矢量

自然光一般用兩個(gè)互相垂直的光振動(dòng)來(lái)表示，如圖3-5所示。(a)光實(shí)際在各個(gè)方向的分量

(b)

用兩個(gè)互相垂直的光分量來(lái)表示

當(dāng)入射角達(dá)到某一特定值（布儒斯特角），反射光有可能成為完全偏振光。因而，必須對(duì)太陽(yáng)輻射的反射和折射作偏振處理3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比

（3-10）（3-11）（3-12）3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比

圖3-6角度和折射率關(guān)系（3-13）

3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比

太陽(yáng)能利用和建筑中，應(yīng)用最廣泛的透明材料為玻璃。每層玻璃有兩個(gè)界面，從而導(dǎo)致反射損失，造成透射比的降低。在非垂直入射時(shí)，界面上反射的輻射對(duì)于每個(gè)偏振分量都是不同的圖3.7一層玻璃的透射比3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比（3-16）3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比

（3-17）

角標(biāo)r表示，這是只考慮反射損失而沒(méi)有考慮吸收損失的透射比。3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比若透明蓋層由相同性質(zhì)的N層玻璃組成，類似分析可以得到：（3-18）3.2.1直射輻射透射比計(jì)算1、只考慮反射時(shí)的透射比

在平均折射率為1.526在太陽(yáng)光譜中，對(duì)于非吸收性玻璃，用上面的方法計(jì)算所有入射角的太陽(yáng)透過(guò)率，可以繪制出一條變化曲線。圖3-8給出了一到四層玻璃的結(jié)果。

3.2.1直射輻射透射比計(jì)算2、只考慮吸收時(shí)的透射比

太陽(yáng)輻射通過(guò)透明材料時(shí)，除了有反射損失外，還存在吸收損失，即材料吸收部分輻射而使透過(guò)的能量降低，簡(jiǎn)稱由于吸收引起的透射比。

根據(jù)Bouguer定律，被吸收的輻射量與介質(zhì)中當(dāng)?shù)剌椛淞縄和輻射經(jīng)過(guò)介質(zhì)的距離成正比：

K稱為透明材料的消光系數(shù)（ExtinctionCoefficient），在太陽(yáng)光譜內(nèi)假設(shè)為常數(shù)。3.2.1直射輻射透射比計(jì)算2、只考慮吸收時(shí)的透射比

（3-19）

采用相同性質(zhì)的多層玻璃時(shí)，不用考慮中間空氣層的吸收，只要把各層玻璃的厚度總加起來(lái)代入上式即可。3.2.1直射輻射透射比計(jì)算3、同時(shí)考慮反射、吸收時(shí)透射比計(jì)算

（3-20）（3-21）（3-22）3.2.1直射輻射透射比計(jì)算3、同時(shí)考慮反射、吸收時(shí)透射比計(jì)算3.2.1直射輻射透射比計(jì)算3、同時(shí)考慮反射、吸收時(shí)透射比計(jì)算

（3-23）

3.2.1直射輻射透射比計(jì)算3、同時(shí)考慮反射、吸收時(shí)透射比計(jì)算

圖3-9是1-4層玻璃，考慮了吸收和反射共同作用引起的透射比。采用一種玻璃KL為0.0370，圖上橫坐標(biāo)為入射角。曲線由式（3-23）計(jì)算得到，但都經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證。圖3-9三種玻璃1，2，3和4層的透射比（考慮吸收和反射）3.2.2散射輻射透射比計(jì)算1、散射輻射的透射比圖3-10各向同性天空散射輻射和地面反射散射輻射的等效入射角

陰影區(qū)包括各種各樣的玻璃窗。上沿的曲線是沒(méi)有內(nèi)部吸收的單層玻璃，而下面的曲線代表消光長(zhǎng)度KL=0.0524的雙層玻璃。

地面反射的散射輻射等效角，如圖3-10中所示的虛線，由下式給出對(duì)于天空散射輻射的等效角上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院3.3太陽(yáng)能建筑中典型裝置吸收的太陽(yáng)能3.3.1平板集熱器吸收的太陽(yáng)能

平板集熱器是太陽(yáng)能低溫?zé)崂玫幕静考?，平板集熱器已廣泛應(yīng)用于生活用水加熱、建筑物采暖等諸多領(lǐng)域。

平板集熱器主要由吸熱板、透明蓋板、隔熱材料和外殼等幾部分組成，如圖3-11所示。圖3-11平板集熱器結(jié)構(gòu)圖3.3.1平板集熱器吸收的太陽(yáng)能1、透射比與吸收比的乘積圖3-12太陽(yáng)輻射經(jīng)玻璃蓋板到吸熱面的吸收情況

3.3.1平板集熱器吸收的太陽(yáng)能1、透射比與吸收比的乘積（3-28）

3.3.1平板集熱器吸收的太陽(yáng)能1、透射比與吸收比的乘積

層數(shù)KL=0.0125KL=0.0370KL=0.052410.150.150.1520.230.220.2130.280.250.2440.310.270.25

3.3.1平板集熱器吸收的太陽(yáng)能1、透射比與吸收比的乘積（3-29）

3.3.1平板集熱器吸收的太陽(yáng)能2、透射比-吸收比乘積與入射角度的相關(guān)性

3.3.1平板集熱器吸收的太陽(yáng)能3、平板集熱器吸收的太陽(yáng)能

根據(jù)上面分析，吸熱面實(shí)際接受到的太陽(yáng)輻射能S就可以通過(guò)下式計(jì)算，（3-30）3.3.1平板集熱器吸收的太陽(yáng)能

（3-31）3.3.1平板集熱器吸收的太陽(yáng)能

玻璃層數(shù)10.270.210.1320.150.620.120.530.090.4030.140.450.750.080.400.670.060.310.53表3-3公式（3-31）中的常數(shù)3.3.2房間對(duì)窗口入射太陽(yáng)輻射的吸收1、空腔接收器的有效吸收比

一些太陽(yáng)能應(yīng)用中太陽(yáng)輻射被吸收在空腔里而不是在平面上，建筑房間其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)空腔。采光面上沒(méi)有蓋板時(shí)，空腔的有效吸收比，也就是被空腔吸收的入射輻射的比例，是空腔內(nèi)表面吸收比、空腔采光口與空腔內(nèi)表面面積之比的函數(shù)。近似為：（3-32）

3.3.2房間對(duì)窗口入射太陽(yáng)輻射的吸收2、房間對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收

通過(guò)窗戶進(jìn)入的太陽(yáng)輻射對(duì)房間熱環(huán)境有很大的影響。房間吸收的太陽(yáng)輻射份額與采光面玻璃層的透射比需要考慮玻璃透射的影響。同時(shí)，由于相比于開口的空腔，采光口上的玻璃透射比小于1.0，因此通過(guò)采光口透射出去的輻射會(huì)少一些，房間的有效吸收比計(jì)算也要做相應(yīng)修改。方程（3-32）修改為（3-33）

3.3.2房間對(duì)窗口入射太陽(yáng)輻射的吸收2、房間對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收

可見，考慮到房間內(nèi)表面的吸收和反射以后，對(duì)于這種極限窗墻比的情形，最后的吸收比仍然為窗戶透射比的89%；考慮到窗框等不透明部件的影響，即使整面外墻都是窗戶，透明部分所占比例一般最大也就70%，這時(shí)計(jì)算所得房間的吸收比為窗戶透射比的92%。因此，在近似計(jì)算時(shí)，房間的吸收比可直接取窗戶透射比的92%-95%。上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院3.4光譜選擇性吸收涂層3.4.1光譜選擇性涂層的原理

圖3-14描述光譜選擇性的概念示意圖圖3-15理想選擇性表面3.4.2光譜選擇性吸收表面的制作

光譜選擇性吸收涂層有多種制備方法，如：噴涂方法、化學(xué)方法、電化學(xué)方法、真空蒸發(fā)沉積法等。1.電化學(xué)沉積法

電化學(xué)沉積法即常規(guī)電鍍法。將被加工部件置于含有所沉積元素的離子溶液中，溶液極板為正極，所鍍金屬部件為負(fù)極。薄膜的生成速度決定于電鍍?nèi)芤旱慕M成、溶液溫度和電流密度，最后由控制電鍍時(shí)間控制薄膜生成厚度，由控制部件表面電場(chǎng)分布的均勻性控制薄膜生成厚度的均勻度。電鍍法一般只能制作中等吸收-發(fā)射比的涂層。

電鍍法的優(yōu)點(diǎn)是：電鍍材料可以有多種選擇，工藝成熟，生產(chǎn)效率高，成本低廉，可做大工件電鍍層，可進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)

缺點(diǎn)是：無(wú)法在介電質(zhì)材料上沉積涂層，個(gè)別工藝需用劇毒藥品。3.4.2光譜選擇性吸收表面的制作

電鍍黑鎳，具有良好的光譜選擇性能，近年來(lái)發(fā)展很快，已在太陽(yáng)能熱水器上得到大量使用。其吸收比為0.88~0.94，發(fā)射率為0.05~0.07，其耐熱溫度為200-280℃，在310℃的空氣中，其性能變得不穩(wěn)定。所以，電鍍黑鎳一般只用于中低溫太陽(yáng)能熱水器。某電鍍黑鎳光譜反射比曲線如圖3-16所示。圖3-16鍍鎳鋼基底表面上雙層黑鎳的光譜反射比曲線3.4.2光譜選擇性吸收表面的制作2.化學(xué)轉(zhuǎn)換著色法

化學(xué)轉(zhuǎn)換著色法是采用化學(xué)方法，在待加工部件表面生成很薄的光譜選擇性涂層。它們通常是金屬氧化物和硫化物，可以采用浸漬處理或噴涂處理制備?；瘜W(xué)轉(zhuǎn)換著色法只能制作中下等級(jí)的吸收-發(fā)射比涂層。

化學(xué)轉(zhuǎn)換著色法的優(yōu)點(diǎn)是：工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，生產(chǎn)效率高，成本低廉，可做大工件處理，可進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)；

缺點(diǎn)是：涂層厚度有時(shí)不夠均勻，個(gè)別工藝需用劇毒藥品。3.4.2光譜選擇性吸收表面的制作

黑銅是目前在太陽(yáng)能熱水器中使用最多的一種光譜選擇性吸收表面，可以采用很多工藝方法進(jìn)行制作，最常用的是化學(xué)轉(zhuǎn)換著色法。

黑鋅也是常用的選擇性涂層，制作黑鋅涂層的基本工藝流程是，首先在基底材料表面電鍍鋅，然后再用化學(xué)轉(zhuǎn)換著色法或陽(yáng)極氧化處理，得到具有光譜選擇性吸收的黑鋅涂層。圖3-17在鋼基底材料的鍍鋅表面上，用陽(yáng)極氧化處理的黑鋅涂層的光譜選擇性能3.4.2光譜選擇性吸收表面的制作3.涂刷法

涂刷法借助于噴涂設(shè)備，將制成的選擇性涂料均勻涂布在太陽(yáng)輻射接收表面。

涂刷法的優(yōu)點(diǎn)是：工藝極為簡(jiǎn)單，可大面積涂布，易于推廣，成本低廉；

缺點(diǎn)是：涂層與基底材料結(jié)合性差，涂刷難以做到十分均勻。

目前，市場(chǎng)上有一種太陽(yáng)能涂料，其太陽(yáng)輻射吸收比為0.92，紅外發(fā)射率為0.28，制作成平板集熱器吸收涂層，測(cè)試結(jié)果表明性能良好，可在150℃以下長(zhǎng)期使用。3.4.2光譜選擇性吸收表面的制作4.真空蒸發(fā)沉積方法

真空蒸發(fā)沉積法是利用物質(zhì)在真空室中加熱蒸發(fā)的原理，將選定的物質(zhì)沉積到需要制作涂層的表面。物質(zhì)的蒸發(fā)速度決定于加熱溫度和真空室的真空度。

真空蒸發(fā)沉積法的優(yōu)點(diǎn)是：除去易分解物質(zhì)，能將各種材料蒸發(fā)制成涂層，能制備高反射比或高吸收-發(fā)射比的涂層，并能準(zhǔn)確地掌握工藝參數(shù)和涂層厚度；

缺點(diǎn)是：工件尺寸受真空室大小的限制，只能間歇操作，制作成本高。3.4.2光譜選擇性吸收表面的制作5.高頻磁控濺射法

高頻磁控濺射法就是在真空條件下，陰極和陽(yáng)極之間加上正交磁場(chǎng)，從陰極發(fā)射的電子受到磁場(chǎng)的作用，增大行程，撞擊工作氣體氯氣，使其電離。電離后的氯氣正離子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下轟擊靶材，從而濺射出大量的金屬原子，沉積在置于靶材附近的底材表面，形成選擇性吸收涂層。目前市售的專用磁控濺射鍍膜機(jī)，已可方便地用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，工藝成熟，成本低廉。上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院3.5光譜選擇性吸收涂層3.5.1波長(zhǎng)對(duì)玻璃透射比的影響

以上幾節(jié)是按材料的透射與波長(zhǎng)不相關(guān)來(lái)計(jì)算的，實(shí)際上大多數(shù)透明材料對(duì)光線的透射能力與入射輻射的波長(zhǎng)有關(guān)，如圖3-18所示給出了玻璃透射比的光譜分布。圖3-18正常入射時(shí)，含不同氧化鐵含量的6mm玻璃的光譜透過(guò)率3.5.2太陽(yáng)能集熱裝置的選擇性透過(guò)涂層

為了透明蓋層的太陽(yáng)能透射比盡可能高，以便讓更多的太陽(yáng)能透射進(jìn)來(lái)；同時(shí)希望吸熱體發(fā)出的熱輻射盡可能多的被透明蓋板反射回來(lái)，以便減少向環(huán)境散熱。為此光譜選擇性透過(guò)涂層應(yīng)運(yùn)而生。1、太陽(yáng)能集熱裝置的選擇性透過(guò)涂層的工作原理

圖3-19光譜選擇性透過(guò)涂層的概念示意圖2、光譜選擇性透過(guò)涂層的制作1）二氧化錫（SnO2）：其是N型寬帶隙半導(dǎo)體

二氧化錫涂層的光學(xué)性能與其電導(dǎo)率具有密切關(guān)系，通常電導(dǎo)率越高，則其長(zhǎng)波段反射比越大，但是在太陽(yáng)輻射波段透過(guò)率有所下降，如圖3-20所示。二氧化錫可用噴涂、化學(xué)氣相沉積（CVD）以及反應(yīng)性濺射等工藝制備。圖3-20二氧化錫透過(guò)涂層的光譜選擇性能3.5.2太陽(yáng)能集熱裝置的選擇性透過(guò)涂層2、光譜選擇性透過(guò)涂層的制作2）三氧化二銦(In2O3)：其是簡(jiǎn)并本征N型半導(dǎo)體，三氧化二銦可用熱解噴涂方法制備，也可用直流濺射工藝制備，但對(duì)大面積膜來(lái)說(shuō)CVD工藝更為適用。由噴涂熱解制備的摻錫二氧化銦涂層，是很好的透明導(dǎo)體，其太陽(yáng)輻射波段的透射比為0.85~0.90，而其紅外波段的反射比為0.90~0.93。3.5.2太陽(yáng)能集熱裝置的選擇性透過(guò)涂層2、光譜選擇性透過(guò)涂層的制作3)錫酸鎘(Cd2SnO4)：其為N型缺陷半導(dǎo)體，具有良好的透光性能，其表面涂層可以通過(guò)熱解噴涂法和濺射沉積法制備。采用射頻濺射沉積法制備的Cd2SnO4薄膜，太陽(yáng)輻射透射比為0.78，紅外發(fā)射率為0.1。3.5.2太陽(yáng)能集熱裝置的選擇性透過(guò)涂層3.5.3建筑門窗玻璃幕墻用的鍍膜玻璃

為了采光、美觀等方面要求，建筑中大量使用玻璃門窗和幕墻。與太陽(yáng)能集熱裝置主要保證集熱裝置運(yùn)行期間的高效率不同，建筑玻璃門窗和幕墻需要承擔(dān)更多的功能，常用的門窗玻璃幕墻光學(xué)熱工性能指標(biāo)有如下幾個(gè)：1）可見光透射比，采光是建筑的基本功能，采光性能用可見光透射比來(lái)表示。2）太陽(yáng)光總透射比，通過(guò)玻璃、門窗或玻璃幕墻成為室內(nèi)得熱量的太陽(yáng)輻射部分與投射到玻璃、門窗或玻璃幕墻構(gòu)件上的太陽(yáng)輻射照度的比值。3）遮陽(yáng)系數(shù)，其含義為在給定條件下，玻璃、門窗或玻璃幕墻的太陽(yáng)光總透射比。4）傳熱系數(shù)，兩側(cè)環(huán)境溫度差為1K時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積門窗或玻璃幕墻的熱量。3.5.3建筑門窗玻璃幕墻用的鍍膜玻璃

為了實(shí)現(xiàn)這些功能，人們研發(fā)了多種新型節(jié)能玻璃，以滿足采光、隔熱保溫、遮陽(yáng)和美觀等要求。1.低輻射鍍膜玻璃

低輻射玻璃(Low-E玻璃)是在玻璃表面涂以銀等金屬薄膜或SnO2等金屬氧化物、銦錫合金等導(dǎo)電膜，這種極薄厚度的低輻射膜層對(duì)波長(zhǎng)2.5~40μm范圍的遠(yuǎn)紅外線有較高的反射能力。

圖3-21為某在線低輻射鍍膜玻璃的光譜特性曲線。與普通玻璃相比，它大幅度提高了在遠(yuǎn)紅外波段的反射率，可以將80%以上的紅外熱輻射反射回去圖3-21低輻射玻璃對(duì)不同波長(zhǎng)光的透射比和反射比曲線3.5.3建筑門窗玻璃幕墻用的鍍膜玻璃1.低輻射鍍膜玻璃

低輻射膜分為兩種：高透型和遮陽(yáng)型。

高透型Low-E玻璃在可見光譜波段具有高透過(guò)率、低反射率、低吸收率的性能，增強(qiáng)采光效果；在紅外波段具有高反射率、低吸收性。高透型低輻射玻璃適合在北方寒冷地區(qū)使用，冬季太陽(yáng)能可通過(guò)這種玻璃進(jìn)入室內(nèi)，減小室內(nèi)供暖負(fù)荷。

遮陽(yáng)型Low-E玻璃可整體降低太陽(yáng)輻射熱量進(jìn)入室內(nèi)的比例，選擇性透過(guò)可見光，并同樣具有對(duì)遠(yuǎn)紅外波段的高反射特性。遮陽(yáng)型低輻射玻璃適合在我國(guó)南方炎熱地區(qū)使用，在夏季可以遮擋大量的紅外輻射進(jìn)入室內(nèi)，降低空調(diào)負(fù)荷。3.5.3建筑門窗玻璃幕墻用的鍍膜玻璃1.低輻射鍍膜玻璃低輻射玻璃的制作方法1）在線高溫?zé)峤獬练e法(在線Low-E玻璃)

在線高溫?zé)峤獬练e法是一種在線鍍制工藝，在600~650℃高溫狀態(tài)下，直接將不同金屬氧化物所組成的“硬膜”鍍到玻璃上，鍍膜后的玻璃再在軟化點(diǎn)溫度狀態(tài)下進(jìn)行熱處理。2）離線磁控濺射法(離線Low-E玻璃)

離線磁控射法是利用氣體放電將靶材逐層濺射沉積到玻璃表面形成膜層，其膜層一般由三層構(gòu)成：第一層及第三層均為金屬氧化物膜，作為保護(hù)層，中間層需采用純銀的薄膜層，作為功能層?？稍黾宇伾募兌燃肮馔干涠?。3.5.3建筑門窗玻璃幕墻用的鍍膜玻璃2.陽(yáng)光控制鍍膜玻璃（熱反射玻璃）

通常所稱熱反射玻璃就是陽(yáng)光控制鍍膜玻璃，熱反射玻璃是鍍膜玻璃的一種。

太陽(yáng)光譜中的紅外部分含有較多的熱能，使用熱反射玻璃的主要優(yōu)勢(shì)在于其反射太陽(yáng)紅外光的功能，由于紅外光進(jìn)入室內(nèi)量的減少，可以大幅度地減低夏季室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷。

熱反射玻璃宜用于熱帶、亞熱帶或溫帶，因?yàn)樗瑯右步档土硕具M(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)紅外熱能，反而會(huì)加大采暖的負(fù)荷，所以在寒帶使用應(yīng)慎重。3.5.3建筑門窗玻璃幕墻用的鍍膜玻璃3.典型建筑玻璃的光學(xué)熱工參數(shù)玻璃品種遮陽(yáng)系數(shù)SC透明玻璃3mm透明玻璃0.830.871.005.86mm透明玻璃0.770.820.935.712mm透明玻璃0.650.740.845.5熱反射玻璃6mm高透光熱反射玻璃0.560.560.645.76mm中等透光熱反射玻璃0.400.430.495.46mm低透光熱反射玻璃0.150.260.304.6單片Low-E玻璃6mm高透光Low-E玻璃0.610.510.583.66mm中等透光型Low-E玻璃0.550.440.513.5中空玻璃6透明+12空氣+6透明0.710.750.862.86中等透光熱反射+12空氣+6透明0.280.290.342.46低透光熱反射+12空氣+6透明0.160.160.182.36高透光Low-E+12空氣+6透明0.720.470.621.96中透光Low-E+12空氣+6透明0.620.370.501.86低透光Low-E+12空氣+6透明0.350.200.301.86高透光Low-E+12氬氣+6透明0.720.470.621.56中透光Low-E+12氬氣+6透明0.620.370.501.4上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院3.6減反射涂層3.6減反射涂層

在太陽(yáng)能利用中，透明蓋板（玻璃）的透射性能是很重要的，透射性能越好，才會(huì)有更多的太陽(yáng)能透過(guò)透明蓋板。減反射涂層的作用就是減少玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射的反射，從而提高玻璃對(duì)太陽(yáng)輻射的透過(guò)能力。所以減反射涂層也稱為“增透膜”。

減反射涂層是根據(jù)薄膜干涉原理蒸鍍?cè)谔?yáng)輻射接受表面上，從而能夠有效地降低其光反射率。在其上、下兩表面之間多次反射和透射的光，將發(fā)生多次光束干涉，可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)降低表面的反射率。3.6減反射涂層圖3-22侵蝕后和未經(jīng)過(guò)侵蝕玻璃的光譜反射比曲線

一種減反射涂層的制備方法是，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的玻璃浸入特定的溶液中，使溶液對(duì)玻璃表面進(jìn)行侵蝕，在玻璃表面形成減反射膜。由圖3-22可見，侵蝕后玻璃的反射比在整個(gè)太陽(yáng)輻射光譜范圍內(nèi)都有明顯的下降。太陽(yáng)能建筑一體化原理與應(yīng)用第四章太陽(yáng)能光伏發(fā)電4.1半導(dǎo)體與P-N結(jié)基本知識(shí)4.1.1半導(dǎo)體導(dǎo)體是具有大量能夠自由移動(dòng)的帶電粒子，容易傳導(dǎo)電流的物體。一般金屬都是導(dǎo)體。例如，銅的電阻率在10-6Ω?cm左右。絕緣體是極不容易傳導(dǎo)電流的物體，如陶瓷、云母、油脂、橡膠等，例如，石英的電阻率在1016Ω?cm左右。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體兩者之間，其電阻率在10-5~107Ω?cm之間，而且半導(dǎo)體還可以通過(guò)加入少量雜質(zhì)使其電導(dǎo)率在上述范圍內(nèi)變化。足夠純凈的半導(dǎo)體，其電阻率會(huì)隨溫度的上升而急劇下降。晶體結(jié)構(gòu)模型半導(dǎo)體的許多電學(xué)特性可以用一種簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)模型來(lái)解釋：硅的原子序數(shù)是14，所以原子1核外面有14個(gè)電子；其中內(nèi)層的10個(gè)電子被原子核緊密地束縛住；而外層的4個(gè)電子受到原子核的束縛比較小，如果得到足夠的能量，就能使其脫離原子核的束縛而成為自由電子，并同時(shí)在原來(lái)位置留出一個(gè)空穴。電子帶負(fù)電；空穴帶正電。硅原子核外層的這4個(gè)電子又稱為價(jià)電子。硅原子示意圖如圖所示。4.1.2能級(jí)與能帶孤立原子中的電子占據(jù)非常固定的一組分離的能級(jí)但晶體中的情況就不同，當(dāng)孤立原子相互靠近，在規(guī)則整齊排列的晶體中，由于各原子的核外電子相互作用，本來(lái)在孤立原子狀態(tài)是分離的能級(jí)就要擴(kuò)展，相互疊加，變成如圖4-3所示的帶狀，這就是能帶。價(jià)帶未填滿電子的最外殼層中的電子數(shù)，決定這一元素的化學(xué)性質(zhì)，這些電子稱為價(jià)電子。價(jià)電子所處的基態(tài)能級(jí)叫作價(jià)級(jí)。價(jià)電子共有化運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)能帶，使其處于價(jià)級(jí)分裂后的這些能級(jí)上，價(jià)電子這樣的能帶，叫做價(jià)帶。價(jià)帶的寬度約為幾個(gè)電子伏特(eV)。如果價(jià)帶中所有的能級(jí)都按泡里不相容原理填滿了電子，則成為滿帶。禁帶寬度價(jià)電子經(jīng)激發(fā)后，可以躍遷到價(jià)級(jí)以上的空能級(jí)中去，這些空能級(jí)稱作激發(fā)能級(jí)。激發(fā)能級(jí)也同樣分裂成為能帶。一般地講，激發(fā)能帶中沒(méi)有電子，常稱做空帶。但是價(jià)電子有可能經(jīng)激發(fā)后，躍遷到空帶中而參與導(dǎo)電，所以空帶也稱之導(dǎo)帶或自由帶。在兩個(gè)相鄰的能帶之間(一般指價(jià)帶與導(dǎo)帶之間)，可能有一個(gè)不被允許的能量間隔(此間不存在能級(jí))，這個(gè)間隔稱為禁帶，其能量值之差稱為禁帶寬度、帶隙或者能隙。禁帶寬度是非常重要的一個(gè)參數(shù)，對(duì)半導(dǎo)體的電性能有重要影響。導(dǎo)電現(xiàn)象的微觀解釋半導(dǎo)體的禁帶寬度一般比較窄,Eg約為0.1~2eV。絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)相似，不過(guò)絕緣體的禁帶寬度較半導(dǎo)體禁帶寬度寬的多，一般Eg約為3~10eV。在金屬導(dǎo)體中，可能有兩種情況：一種是導(dǎo)帶的下面部分能級(jí)與價(jià)帶的上面部分能級(jí)相互疊合，因而沒(méi)有禁帶；另一種是在單價(jià)金屬中，價(jià)帶中只有一部分能級(jí)占有電子，因此即使價(jià)帶與導(dǎo)帶并不疊合,也能導(dǎo)電。半導(dǎo)體的導(dǎo)電在半導(dǎo)體中，一旦從外部獲得能量，共價(jià)鍵被破壞后，電子將從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留出電子的一個(gè)空位。這種空位可由價(jià)帶中相鄰鍵上的電子來(lái)占據(jù)，而這個(gè)電子移動(dòng)所留下的新的空位又可以由其他電子來(lái)填補(bǔ)，也可看成空位在依次移動(dòng)，等效于在價(jià)帶中帶正電荷的粒子朝著與電子運(yùn)動(dòng)相反的方向移動(dòng)，稱為空穴。在半導(dǎo)體中，空穴和導(dǎo)帶中的自由電子一樣成為導(dǎo)電的帶電粒子（載流子）。電子和空穴在外電場(chǎng)作用下，朝相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于所帶電荷符號(hào)相反，故電流方向相同，對(duì)電導(dǎo)率起疊加作用。4.1.3本征半導(dǎo)體與摻雜半導(dǎo)體晶格完整且不含有雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。非常純的硅是本征半導(dǎo)體。本征導(dǎo)電：具有電子在導(dǎo)帶中和空穴在滿帶中相互并存的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，稱為本征導(dǎo)電；如硅、鍺、碲等都可以是這一類半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體：根據(jù)需要可以在純凈半導(dǎo)體晶體點(diǎn)陣?yán)?，用擴(kuò)散等方法滲入微量的其他元素。所摻入的元素，對(duì)半導(dǎo)體基體而言，稱作雜質(zhì)。有雜質(zhì)的半導(dǎo)體，稱為摻雜半導(dǎo)體。4.1.4N型和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體：一個(gè)摻入5價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)半導(dǎo)體，就成了電子導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體，也稱為N型半導(dǎo)體。例如：如果在純凈的硅晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)磷，由于磷的原子數(shù)目比硅原子少得多，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)基本不變，只是某些位置上的硅原子被磷原子取代。由于磷原子具有5個(gè)價(jià)電子，所以1個(gè)磷原子與相鄰的4個(gè)硅原子結(jié)成共價(jià)鍵后，還多余1個(gè)價(jià)電子，這個(gè)價(jià)電子沒(méi)有被束縛在共價(jià)鍵中，所以它受到的束縛力要小得多，很容易掙脫磷原子核的吸引而變成自由電子，從而使得硅晶體中的電子載流子數(shù)目大大增加4.1.4N型和P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體：摻入3價(jià)雜質(zhì)的4價(jià)半導(dǎo)體，也稱為P型半導(dǎo)體。例如：如果在純凈的硅晶體中摻入能夠俘獲電子的3價(jià)雜質(zhì)，如硼，這些3價(jià)雜質(zhì)原子的最外層只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少1個(gè)價(jià)電子，因而在一個(gè)共價(jià)鍵上要出現(xiàn)一個(gè)空穴，這個(gè)空穴可以接受外來(lái)電子的填補(bǔ)。而附近硅原子的共價(jià)電子在熱激發(fā)下，很容易轉(zhuǎn)移到這個(gè)位置上來(lái)，于是在那個(gè)硅原子的共價(jià)鍵上就出現(xiàn)了一個(gè)空穴，硼原子接受一個(gè)價(jià)電子后也形成帶負(fù)電的硼離子。這樣，每一個(gè)硼原子都能接受一個(gè)價(jià)電子，同時(shí)在附近產(chǎn)生一個(gè)空穴，從而使得硅晶體中的空穴載流子數(shù)目大大增加。4.1.5P-N結(jié)P-N結(jié)：如果將P型和N型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，連成一體，導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過(guò)渡區(qū)域，稱為P-N結(jié)。多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)如果將P型和N型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，連成一體，導(dǎo)電類型相反的兩塊半導(dǎo)體之間的過(guò)渡區(qū)域，稱為P-N結(jié)。在P-N結(jié)兩邊，P區(qū)內(nèi)，空穴很多，電子很少；而在N區(qū)內(nèi)，則電子很多，空穴很少。因此，在P型和N型半導(dǎo)體交界面的兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會(huì)產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。P-N結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)如圖所示。在P-N結(jié)內(nèi)，由于兩邊分別積聚了正電荷和負(fù)電荷，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)指向P區(qū)的反向電場(chǎng)，稱為內(nèi)建電場(chǎng)（或勢(shì)壘電場(chǎng)）。P-N結(jié)2.少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在，就有一個(gè)對(duì)電荷的作用力，電場(chǎng)會(huì)推動(dòng)正電荷順著電場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)，而阻止其逆著電場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，電場(chǎng)會(huì)吸引負(fù)電荷逆著電場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)，而阻止其順著電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)P區(qū)中的空穴企圖繼續(xù)向N區(qū)擴(kuò)散而通過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)方向與內(nèi)建電場(chǎng)相反，因而受到內(nèi)建電場(chǎng)的阻力，甚至被拉回P區(qū)中：同樣N區(qū)中的電子企圖繼續(xù)向P區(qū)擴(kuò)散而通過(guò)空間電荷區(qū)時(shí)，也會(huì)受到內(nèi)建電場(chǎng)的阻力，甚至被拉回N區(qū)中。漂移運(yùn)動(dòng)總之，內(nèi)建電場(chǎng)的存在阻礙了多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。但是對(duì)于P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴，卻可以在內(nèi)建電場(chǎng)的推動(dòng)下向P-N結(jié)的另一邊運(yùn)動(dòng)，這種少數(shù)載流子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反。4.2光伏電池的原理和特性4.2.1光生伏特效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)（原子把電子打出金屬的現(xiàn)象是外光電效應(yīng)）：當(dāng)半導(dǎo)體的表面受到太陽(yáng)光照射時(shí)，如果其中有些光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，就能使電子掙脫原子核的束縛，在半導(dǎo)體中產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)。半導(dǎo)體材料就是依靠?jī)?nèi)光電效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化為電能的，因此實(shí)現(xiàn)內(nèi)光電效應(yīng)的條件是所吸收的光子能量要大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，即4.2光伏電池得原理和特性

4.2光伏電池的原理和特性對(duì)于光伏電池而言，禁帶寬度有著舉足輕重的影響，禁帶寬度越大，可供利用的太陽(yáng)能就越少，每種光伏電池對(duì)所吸收光的波長(zhǎng)都有一定的限制。根據(jù)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，可算出相應(yīng)的本征吸收波長(zhǎng)限。一些常用的光伏材料物理參數(shù)如表。材料晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)nm熱脹系數(shù)10-4/℃禁帶寬度eV能帶D0.59312.331.11間接1.1178D0.56585.750.66間接1.88ZB0.47701.45直接0.8557ZB0.56545.81.43直接0.86774.2光伏電池的原理和特性通過(guò)下圖可以更直觀地看出常用半導(dǎo)體材料可吸收的波長(zhǎng)范圍。4.2光伏電池的原理和特性光生伏特效應(yīng)1.照到光伏電池上的太陽(yáng)光，一部分被光伏電池表面反射掉，另一部分被光伏電池吸收，還有少量透過(guò)光伏電池。2.在被光伏電池吸收的光子中，那些能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，可以使半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子受到激發(fā)，在P區(qū)、空間電荷區(qū)和N區(qū)都會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對(duì)由于熱運(yùn)動(dòng)向各個(gè)方向遷移。3.光生電子-空穴對(duì)在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離，光生電子被推進(jìn)N區(qū)，光生空穴被推進(jìn)P區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度近似為0。光生伏特效應(yīng)4.在N區(qū)，光生電子-空穴產(chǎn)生后，光生空穴便向P-N結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)P-N結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用，在電場(chǎng)力作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，越過(guò)空間電荷區(qū)進(jìn)入P區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在N區(qū)。5.P區(qū)中的光生電子也會(huì)向P-N結(jié)邊界擴(kuò)散，并在到達(dá)P-N結(jié)邊界后，同樣由于受到內(nèi)建電場(chǎng)的作用而在電場(chǎng)力作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入N區(qū)，而光生空穴（多數(shù)載流子）則被留在P區(qū)。6.因此在P-N結(jié)兩側(cè)產(chǎn)生了正、負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)除了一部分抵消內(nèi)建電場(chǎng)以外，還使P型層帶正電，N型層帶負(fù)電，因此產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，這就是“光生伏特效應(yīng)”（簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)）。如圖所示。4.2光伏電池的原理和特性4.2.2晶體硅光伏電池的結(jié)構(gòu)晶體硅太陽(yáng)能電池本質(zhì)上就是一個(gè)大面積的二極管，由pn結(jié)、鈍化膜、金屬電極組成。在n型襯底上摻雜硼源，p型襯底上摻雜磷源，分別形成p+或n+型發(fā)射極，并與硅襯底形成pn結(jié)，該pn結(jié)形成內(nèi)建電場(chǎng)，將光照下產(chǎn)生的光生載流子(電子-空穴對(duì))進(jìn)行分離，分別被正面和背面的金屬電極收集。4.2光伏電池的原理和特性4.2.2晶體硅光伏電池的結(jié)構(gòu)下圖是常規(guī)晶體硅大陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)示意圖，從上到下依次為正面柵線電極、正面減反膜SiNx、pn結(jié)、硅襯底、背表面場(chǎng)(backsurfacefield，BSF)以及背面金屬電極。4.2光伏電池的原理和特性4.2.3光伏電池等效電路如果在受到光照的光伏電池正、負(fù)極兩端接上一個(gè)負(fù)載電阻R，光伏電池就處在工作狀態(tài)，其等效電路如圖所示。它相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流源與一只正向二極管并聯(lián)，流過(guò)二極管的正向電流在光伏電池中稱為暗電流ID。從負(fù)載R兩端可以測(cè)得產(chǎn)生暗電流的正向電壓V，流過(guò)負(fù)載的電流為I，這是理想光伏電池的等效電路。4.2光伏電池的原理和特性實(shí)際使用的光伏電池由于本身還存在電阻，其等效電路如圖所示。Rsh稱為旁路電阻，主要由以下幾種因素形成：1.表面沾污而產(chǎn)生的沿著電池邊緣的表面漏電流；2.沿著位錯(cuò)和晶粒間界的不規(guī)則擴(kuò)散或者在電極金屬化處理之后，沿著微觀裂縫、晶粒間界和晶體缺陷等形成的細(xì)小橋路而產(chǎn)生的漏電流。4.2光伏電池的原理和特性Rs稱為串聯(lián)電阻，由擴(kuò)散頂區(qū)的表面電阻、電池的體電阻和正、背電極與光伏電池之間的歐姆電阻及金屬導(dǎo)體的電阻所構(gòu)成。4.2光伏電池的原理和特性4.2.4光伏電池的主要技術(shù)參數(shù)1.伏安特性曲線當(dāng)負(fù)載R從0變到無(wú)窮大時(shí)，負(fù)載R兩端的電壓V和流過(guò)的電流I之間的關(guān)系曲線即為光伏電池的負(fù)載特性曲線，通常稱為光伏電池的伏-安特性曲線，以前也按習(xí)慣稱為I-V特性曲線。4.2光伏電池的原理和特性2.最大功率點(diǎn)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)的工作電流Im和工作電壓Vm的乘積為最大，即Pm=ImVm=Pmax，則稱M點(diǎn)為該光伏電池的最佳工作點(diǎn)（或最大功率點(diǎn)）Im為最佳工作電流，Vm為最佳負(fù)載電壓，Rm為最佳負(fù)載電阻，Pm為最大輸出功率。4.2光伏電池的原理和特性3.開路電壓在一定的溫度和輻照度條件下，光伏電池在空載（開路）情況下的端電壓，也就是伏安特性曲線與橫坐標(biāo)相交的一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，通常用Voc來(lái)表示。對(duì)于一般的光伏電池可近似認(rèn)為接近于理想的光伏電池，即認(rèn)為光伏電池的串聯(lián)電阻等于零，旁路電阻為無(wú)窮大。當(dāng)開路時(shí)，I=0，電壓V即為開路電壓-Voc，由式可知：4.2光伏電池的原理和特性4.短路電壓在一定的溫度和輻照度條件下，光伏電池在端電壓為零時(shí)的輸出電流，也就是伏-安特性曲線與縱坐標(biāo)相交的一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流通常用Isc來(lái)表示。由式可知，當(dāng)V=0時(shí)，Isc=Iph,光伏電池的短路電流Isc與光伏電池的面積有關(guān)，面積越大，Isc越大。一般的晶硅光伏電池Isc值約為35~38mA。4.2光伏電池的原理和特性5.填充因子（曲線因子）填充因子是表征光伏電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，其定義為光伏電池的最大功率與開路電壓和短路電流的乘積之比，通常用FF（或CF）來(lái)表示：光伏電池的串聯(lián)電阻越小，旁路電阻越大，則填充因子越大，該電池的伏安特性曲線所包圍的面積也越大，這就意味著該光伏電池的最大輸出功率越接近于所能達(dá)到的極限輸出功率，因此性能越好。4.2光伏電池的原理和特性6.光伏電池的轉(zhuǎn)換效率

光伏電池的輸出功率與入射到該光伏電池上的全部輻射功率的百分比稱為光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。其中，Vm和Im分別為輸出功率點(diǎn)的電壓和電流，At為包括柵線面積在內(nèi)的光伏電池總面積（也稱全面積）；Pin為單位面積入射光的功率。4.2光伏電池的原理和特性

4.2光伏電池的原理和特性

4.2光伏電池的原理和特性

4.2.5晶體硅光伏電池效率損失機(jī)制造成太陽(yáng)能電池效率損失的原因主要有：1）能量小于電池吸收層禁帶寬度的光子不能激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。2）能量大于電池吸收層帶寬度的光子被吸收，產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)分別被激發(fā)到導(dǎo)帶和價(jià)帶的高能態(tài)，多余的能量以聲子形式釋放，高能態(tài)的電子-空穴又回落到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂，導(dǎo)致能量的損失。3）光生載流子在P-N結(jié)內(nèi)分離和輸運(yùn)時(shí)，會(huì)發(fā)生復(fù)合損失。4）半導(dǎo)體材料與金屬電極接觸處的非歐姆接觸引起電壓降損失。5）光生載流子輸運(yùn)過(guò)程中由于材料缺陷、界面缺陷等導(dǎo)致的復(fù)合損失。總的來(lái)說(shuō)，可分為兩大類，即光學(xué)損失和電學(xué)損失。4.2光伏電池的原理和特性4.2.5晶體硅光伏電池效率損失機(jī)制單結(jié)晶體硅太陽(yáng)能電池的能量損失圖見圖（①為低能光子損失；②為熱弛豫損失；③、④為接觸電壓損失；⑤為載流子對(duì)的復(fù)合損失）4.2光伏電池的原理和特性造成太陽(yáng)能電池效率損失的原因總的來(lái)說(shuō)，可分為兩大類，即光學(xué)損失和電學(xué)損失。1．光學(xué)損失晶體硅是光學(xué)帶隙（禁帶寬度）為1.12eV的間接帶隙半導(dǎo)體材料。對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池而言，太陽(yáng)光中低于1.12eV能量的長(zhǎng)波段光子能量太低，不足以提供足夠的能量來(lái)產(chǎn)生自由載流子。這部分光子占比大約30%，電池?zé)o法利用。而短波的光子能量高，激發(fā)一個(gè)電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶只需1.12eV的能量，多余的光子能量又無(wú)法利用，在晶格弛豫中以熱量形式散發(fā)出來(lái)。4.2光伏電池的原理和特性如圖所示，只有圖中紅色部分的太陽(yáng)光，才能被晶體硅太陽(yáng)能電池充分利用。在AM1.5G光譜中，權(quán)重最大的是400~800nm的可見光，其次是800~1116nm的近紅外線，權(quán)重最低的是波長(zhǎng)400nm以下的紫外線。4.2光伏電池的原理和特性光學(xué)損失的另一方面還來(lái)自晶體硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)和工藝。首先對(duì)于晶體硅而言，硅折射率在3.8左右，空氣折射率略大于1，兩者差值很大。當(dāng)太陽(yáng)光照射在晶體硅表面時(shí)，由于折射率的差異，會(huì)導(dǎo)致入射光中很大一部分（30%~40%）光被反射出去。其次，晶體硅是間接帶隙半導(dǎo)體材料，光吸收系數(shù)相對(duì)較低。長(zhǎng)波長(zhǎng)的光入射進(jìn)硅片不能被充分吸收，導(dǎo)致部分光從電池背面透出。最后，晶體硅太陽(yáng)能電池的正面金屬柵線會(huì)遮擋入射光。這些都導(dǎo)致了電池的光學(xué)損失。4.2光伏電池的原理和特性2.電學(xué)損失（1）復(fù)合損失半導(dǎo)體內(nèi)的缺陷和雜質(zhì)能夠俘獲載流子，增大載流子的復(fù)合概率。復(fù)合陷阱濃度越高，陷阱能級(jí)越靠近禁帶的中央，陷阱的俘獲截面積就越大，載流子的運(yùn)動(dòng)速度越快，被陷阱俘獲的數(shù)量就會(huì)越多，從而陷阱輔助復(fù)合的速率越大，載流子壽命越短。硅片體內(nèi)由于存在摻雜、雜質(zhì)、缺陷等因素，光生少數(shù)載流子在硅片內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，很容易被復(fù)合掉。4.2光伏電池的原理和特性另外，半導(dǎo)體材料表面高濃度的缺陷，電子和空穴會(huì)通過(guò)表面這些缺陷復(fù)合，稱為表面復(fù)合或者界面復(fù)合。復(fù)合損失主要有輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、SRH復(fù)合（Shockley-Read-Hall，非平衡載流子復(fù)合）和表面復(fù)合，如圖所示。4.2光伏電池的原理和特性3.電阻損失太陽(yáng)能電池實(shí)際工作中，還會(huì)遇到串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh等寄生電阻的問(wèn)題。Rs源于大面積太陽(yáng)能電池電流流向上的電阻和金屬柵線等的接觸電阻；并聯(lián)電阻Rsh是來(lái)自P-N結(jié)結(jié)構(gòu)和制備過(guò)程中的工藝。電阻損失包括串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻兩大部分。4.2光伏電池的原理和特性

4.2光伏電池的原理和特性為了降低太陽(yáng)能電池效率損失，需從降低光學(xué)損失及降低電學(xué)損失兩方面著手，如前表面低折射率的減反射膜、前表面絨面結(jié)構(gòu)、背部高反射等陷光結(jié)構(gòu)及技術(shù)降低光學(xué)損失，同時(shí)優(yōu)先選擇優(yōu)良硅基材料，優(yōu)化發(fā)射極、新型鈍化材料與技術(shù)及金屬接觸技術(shù)等，減少載流子的復(fù)合，從而