阳光特性-1

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§ 0.3 温室效应
尽管因为其十足的实用性和经济性，太阳能 电池在今天被人们所使用着，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。
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§ 0.3 温室效应
大气中，二氧化碳含量的上升（蓝线）与平 均温度（红线）的上升相聚在一起。
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§ 0.3 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(Blakers et. al., 1991)。
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位于澳大 利亚东海岸的 蒙塔古小岛— —— 一个国家 公园和野生动 物保护区，太 阳能点亮了这 里的房子。
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 究者的设备。
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§ 1.1.1 光的基本原理 —光的特性
右边动画描述的是不同 波长的光的波包。
对光的特性的完整物理 学描述需要用量子力学分 析，因为光是量子力学粒 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，仅仅涉及 到光伏系统方面），根据这里的简单解释，
通过上面的公 式，可求出特定波 长的光子的能量大 小。
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&1.1.3 光的基本原理 --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：
#（光子数量） s m2
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
定太阳能电池产生的电流大小或说明光源的特性。
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序言：太阳能发电的介绍
§ 0.1 太阳能 § 0.2 光伏发电 § 0.3 温室效应
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§ 0.1 太阳能
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 空气和地球转动产生的空气流动。如今，风力涡轮机
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§ 1.1.1 光的基本原理 —光的特性
今天 ，量子力学即解释了光的波动性又解释了
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、质子等）一样，对光子最准确的描述就 是“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替出现。当波包以局 限在一个小空间的形式出现时，它就被看做粒子。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“波粒二象性”。
可见光
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§ 1.1.1 光的基本原理 —光的特性
在电磁波谱里，光被描述成有特定波长的波。光是 一种波的说法首先在18世纪早期被人们接受，当时由杨、 阿拉戈和菲涅耳所做的实验显示出了光的干涉效应，表明 光是由波构成的。到了1860年代，光被认为是电磁波谱中 的一部分。然而，到了18世纪后期，当人们发现实验中测 量的由热体所发出的电磁波的波谱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出来。这个矛 盾被普朗克在1900年和爱因斯坦在1905年的工作化解了。
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§ 0.1 太阳能
把风能转换成电能，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PV）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， 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 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 光伏器件和系统的运行和应用。
其中h是普朗克常数，c表示光速。它们以及其它常用的常数 的数值都显示在常数页。
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），波长越 长。
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§ 1.1.2 光的基本原理 --光子的能量
当描述光子、电子等粒子时，共同使用的能量单位是 “电子 伏特”（eV），而不是“焦耳”（J）。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功，所以
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。
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§ 0.3 温室效应
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下18°C。然而， 自然形成的占大气质量百万分之270（270ppm）的 二氧化碳（CO2 ），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。大气层使地球 平均温度保持在15°C左右，比月球的高33°C。二 氧化碳强烈地吸收波长在13-19微米波段的辐射，而 另外一种大气气体——水蒸气，能强烈吸收波长在 4-7微米波段的辐射。大多数逃逸出地球的辐射的波 长集中在7-13微米波段这个“窗口”。
光伏：器件、系统及应用
by Christiana 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。
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§ 0.2 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，光伏发电还是个后起之秀，直到1950年代 第一个实用的光伏器件才被展示出来。1960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出现的。但是在几 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。
1eV 1.6021019J
要实现电子伏特与焦耳的转换，只需用电荷量q乘于1电 子伏特 的能量。公式如下:
E(J)= q × E(eV)
在表达关于eV和μm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
E（eV）=1.24/λ（μm）
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§ 1.1.2 光的基本原理 --光子的能量
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§ 0.2 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识到，并推 动了陆地光伏产业的发展。
1）入射光的光谱容量； 2）太阳辐射的功率强度； 3）太阳光入射到太阳能电池的角度； 4） 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。
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§ 1.1.2 光的基本原理 --光子的能量
一般用波长（符号为λ）或相对应的能量（符号为E）来 描述一个光子的特性。 子的能量与波长之间存在反比例关系， 方程如下：E=hc/ λ
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§ 1.1.1 光的基本原理 —光的特性
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1918年和 1921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列的“包”或被叫做 光子的能量粒子组成。
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§ 0.2 光伏发电的介绍
小尺寸的可携带的应用（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。而是还作为一种能显著地减少由先进 工业国家造成的环境破坏的影响的方法。
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§ 1.1.1 光的基本原理
—光的特性
光的行为方式可能会违背常识。“常识”指的是我们自己 的观察，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，请参考《费恩曼.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：
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§ 0.3 温室效应
人类活动正在不断地向大气排放“人造气 体”，这些气体能吸收波长在7-13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（CFC’S）。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。现有的证据显示， 到2030年，起效果的CO2水平将是现在的两倍。致 使全球温度升高1到4度。这将引起风的流动模式和 降雨量的变化，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， 当然造成的影响就越严重。
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第一章：光的特性
§ 1.1光的基本原理 § 1.2黑体辐射 § 1.3太阳辐射 § 1.4地表太阳辐射 § 1.5太阳辐射数据
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§ 1.1.1 光的基本原理 —光的特性
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 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 波谱的一个小子集。
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§ 0.2 光伏发电的介绍
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 太阳能发电在适当应用方面的使用。
光子通量没有包含关于入射光子的能量或波长的信
息。因此不能被确定。
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§ 1.1.3 光的基本原理
--光子通量
对于一群能量相同（单色光）且光子能量已经