太陽輻射完整

太陽輻射物體以輻射的方式傳遞交換的能量?！?.1輻射的基本知識一、輻射及其特性輻射物體以電磁波或粒子流形式向周圍傳遞或交換能量的方式。輻射能基本特性波粒二象性波動性V＝λ·f波動性的反映電磁波譜名稱波長范圍紫外線100?！?.4微米可見光0.4微米～0.76微米紅外線近紅外0.76微米～3.0微米中紅外3.0微米～6.0微米遠紅外6.0微米～15微米超遠紅外15微米～1000微米微波毫米波1～10毫米厘米波1～10厘米分米波10厘米～1米色彩名稱波長范圍紫0.40～0.43微米藍0.43～0.47微米青0.47～0.50微米綠0.50～0.56微米黃0.56～0.59微米橙0.59～0.62微米紅0.62～0.76微米不同電磁波的具體波長范圍可見光波長范圍粒子性其中h＝6.626×10-34J·s，稱為普朗克常數。輻射的度量和單位輻射通量、輻射通量密度輻射通量及單位：定義：單位時間通過任意面積上的輻射能量。單位：J·s-1或W輻射通量密度（E）及單位定義：單位面積上的輻射通量。單位：J·s-1·m-2或W·m-2E=dF/(ds.dt)dFdsdFds輻射通量密度又被稱為輻射強度、輻射能力或放射能力。

§2.2太陽輻射一、太陽輻射強度和太陽常數太陽輻射強度（太陽輻射通量密度）太陽輻射強度及單位定義：單位時間內投射到單位面積上的太陽輻射能量。單位：W·m-2

變化范圍：1325W·m-2

～1457W·m-2

我國采用的太陽常數值為1382

W·m-2

。太陽光量常數及范圍定義：大氣上界，太陽輻射產生的平均光照強度。范圍：1.35×105～1.4×105lx太陽常數（S0）太陽常數及變化范圍定義：當地球位于日地平均距離時(約為1.496×108km)，在地球大氣上界投射到垂直于太陽光線平面上的太陽輻射強度。二

地面太陽輻射

當入射到地球大氣層的太陽輻射相對穩(wěn)定時，影響地球表面輻射的主要因素是:大氣效應，包括吸收和散射當地大氣質量的不同，如水蒸氣、云層和污染緯度位置不同一年中季節(jié)的不同和一天里時間的不同上述效應影響了地球表面對太陽輻射的吸收,包括總的吸收能量和光譜含量的變化，以及光射到地球表面的角度變化。另外，不同的地方其太陽輻射的易變性也有很大差別。

易變性即受云層和季節(jié)變化等地方因素影響，又受其它例如不同緯度白天的長短不同等因素影響。沙漠地區(qū)由于云層等大氣現象比較穩(wěn)定而擁有較低的易變性。而在赤道地區(qū)，季節(jié)的變化也比較小。1.大氣影響

大氣效應在幾個方面影響著地球表面的太陽輻射。在光伏應用領域其主要影響為：由大氣吸收、散射和反射引起的太陽輻射能量的減少。由于大氣對某些波長的較為強烈地吸收和散射而導致光譜含量的變化。分散的或間接的光譜組合被引入到太陽輻射中。當地大氣層的變化引起入射光能量、光譜和方向的額外改變。

這些影響總結在下圖中：

典型的晴空時，大氣對入射太陽光的吸收和散射。大氣層的吸收

當太陽光穿過大氣層時，氣體、灰塵和懸浮顆粒都將吸收入射光。特殊的氣體包括臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）和水蒸氣（H2O）都能強烈地吸收能量與其分子鍵能相近的光子。這樣的吸收將使得輻射光譜曲線深深地往下凹。氧、臭氧、水汽和CO2氣體成分強吸收波段弱吸收波段氧<200nm的紫外光690~760nm的可見光臭氧200~320nm的紫外光600nm的可見光水汽930~1500nm的紅外光（三個強吸收帶）600~700nm的可見光（三個弱吸收帶）主要的吸收成分各成分的吸收波段大氣層的吸收這些特殊氣體在改變地表太陽輻射的光譜含量的同時，并沒有相應地明顯減少輻射的總能量。而空氣分子和塵埃通過對光的吸收和散射成為輻射能量減少的主要因素。這種吸收過程并不會產生光譜曲線的向下深凹，而是引起能量的減少（大小取決于穿過大氣的路徑長度）。大氣層的吸收當太陽處在頭頂正上方的時候，大氣分子引起的吸收會導致光譜中可見光領域一整片的減少，所以入射光呈現白色。然而，當路徑變得越長，能量更高（波長更?。┑墓庾幽芨行У乇晃蘸蜕⑸?。所以在早上和傍晚太陽會變得更紅，強度也比中午低。

藍色和紅色曲線分別為1.5和0大氣質量時的輻射強度，綠色曲線代表溫度為6000k黑體的輻射強度，彩色柱子代表可見光的波譜。箭頭所指的位置代表被相應氣體吸收的部分，黑色線顯示了能引起人類眼睛感覺的輻射強度。入射光的散射導致的徑直和分散的輻射當光穿過大氣層被吸收的同時也發(fā)生散射。大氣中光的散射機制之一就是人們熟知的瑞利散射，它由大氣中的分子引起。瑞利散射對短波光（如藍光）作用效果顯著。氣溶膠和塵埃粒子也會使入射光產生散射。紅光的波長大于多數的粒子線度，不會受影響。藍光的波長與大氣中粒子線度相當，所以被強烈散射。入射光的散射導致的徑直和分散的輻射

散射光的方向是雜亂無章的，也叫分散光。由于散射光主要是藍光，所以除了太陽所處的區(qū)域外，來自天空所有區(qū)域的光都呈現藍色。在天氣晴朗的日子，入射光線中大概有10%會被散射。紅光的波長大于多數的粒子線度，不會受影響。藍光的波長與大氣中粒子線度相當，所以被強烈散射。來自云層和其它大氣層的地方差異的影響

大氣對入射太陽光的最終影響來自大氣層的地方差異。取決于覆蓋云層的類型，入射光能量將會有不同程度的減少。右圖分別顯示了晴天和多云天氣時光伏陣列的相對輸出電流，光伏陣列的傾斜角為60°墨爾本，光伏陣列傾斜角度60°相對輸出電流晴朗冬天多云冬天2大氣質量大氣質量被定義為光穿過大氣的路徑長度，長度最短時的路徑（即當太陽處在頭頂正上方時）規(guī)定為“一個標準大氣質量”?！按髿赓|量”量化了太陽輻射穿過大氣層時被空氣和塵埃吸收后的衰減程度。大氣質量由下式給出：

式中θ表示太陽光線與垂直線的夾角，當太陽處在頭頂時，大氣質量為1?！按髿赓|量”描繪了太陽光到達地面前所需走過的路程與太陽處在頭頂處時的路程的比例，也等于Y/X.

估算大氣質量的一個最簡單的方法就是測量一個垂直立著的標桿的投影長度。如上圖，大氣質量等于斜邊的長度除于標桿的高度h，然后由勾股定理便得到：標桿高度h影子長度，s3太陽的運動

“太陽視運動”是由地球繞其軸自轉引起的表面現象，它改變著射入地球的光線的直射分量角度。從地面的一個固定位置來看，太陽橫跨整個天空運動。太陽的位置決定于地面上的點的坐標、一天中的時間和一年中的日期。

太陽視運動在很大程度上影響著太陽能收集器件獲得的能量。當太陽光垂直入射到吸收平面時，在平面上的功率強度等于入射光的功率強度。當太陽光與吸收平面的角度改變時，其表面的功率強度減小，相對的功率強度為最大值乘于cos（θ），其中θ為太陽光與器件平面之間的夾角。

地球上某固定點與太陽的夾角決定于其所處的位置（地點所在的經度）、一年中的日期和一天中的時間。另外，太陽升起和落下的時刻決定于位置所在的經度。因此，刻畫地球上某固定地點的太陽高度角需要緯度、經度、一年中的日期和一天中的時間。4太陽的偏向角

偏向角，用符號δ表示，由于地球繞其軸的自轉和繞太陽的公轉而存在季節(jié)性的變化。地球相對于公轉平面是傾斜了23.45°，偏向角的大小就在±23.45°之間變化。只有在春分日和秋分日的時候偏向角才會等于0°。

太陽偏向角就是指赤道平面與地球中心點--太陽中心點的連線的夾角。

在二分日（3月22日春分日和9月22日秋分日）時偏向角為0°，在北半球夏天時角度為正，冬天時為負。在夏至日6月22日偏向角達到最大值23.45°（北半球夏至日）而在12月22日達到最小值-23.45°（北半球冬至日）。5仰角與方位角

仰角指的是天空中太陽相對于地平面的高度角。日出的時候高度角為0°，太陽處在頭頂時高度角為90°（如在赤道地區(qū)，春分和秋分時會出現這種情況）。天頂角與高度角相似，但是相對于地平面的垂直線來說的，因此可以計算天頂角=90°-高度角。

太陽高度角在一天中不斷變化。其大小還決定于觀測位置的緯度和所在一年中的天數。

在設計光伏系統(tǒng)時，一個重要的參數是最大太陽高度角，即一年中太陽在天空的高度達到最大時的角度。最大高度角出現在正午時分，大小取決于所在的緯度和偏向角。計算正午太陽高度角的公式如下：

α=90°+ф

–δ

式中ф為觀測位置所處的緯度，在南半球它的符號是負的而在北半球的時候符號為正。δ為偏向角，大小取決于所在一年中的天數。

夏至日，在北回歸線處，太陽在頭頂正上方，其高度角為90°。夏天，在赤道與北回歸線之間觀測的正午太陽高度角是大于90°的。這意味著陽光是來自北方而不是南方的天空。相似的，在一年中的某個時期，在赤道和南回歸線之間，太陽光是來自南方而不是北方。

最大太陽高度角被應用到非常簡單的光伏系統(tǒng)設計中，然而更精確的光伏系統(tǒng)仿真則需要知道高度角在一天中是如何變化的。

方位角

方位角就是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。它表示太陽光線的水平投影偏離正南方向的角度，取正南方向為起始點，向西（順時針方向）為正，向東為負。6太陽的方位

正午時分的太陽方位角和太陽高度角是擺放太陽能電池板時所使用到的兩個重要角度參數。如果想要計算一整天的太陽位置，就必須計算一整天的太陽高度角和方位角。這些角度將使用“太陽時間”來計算。按傳統(tǒng)的計時方式，地球被分成不同的時區(qū)。然而，在這些時區(qū)里，正午時分并不一定就是太陽處在最高處的時候。由于一個時區(qū)橫跨了一定長度的距離，當太陽剛照耀這個時區(qū)的某個地方的地平線時，此刻的時間有可能與定義的日出時間（或官方承認的日出時間）不同。而這種規(guī)定也是必要的，否則出現一街之隔的兩座房子的時間會相差幾秒的現象。另外，不同經度的太陽時間是不同的。如果要得到太陽的位置，必須先計算當地的太陽時間再計算太陽高度角和方位角。

當地太陽時間（LST）和當地時間(LT)

當地太陽時間（LST）中午12時是指太陽升到最高處的時刻。由于地球軌道的偏心率和人類對時區(qū)和夏令時的調整，當地時間(LT)一般不等于當地太陽時間。

當地標準時間子午線（LSTM）

當地標準時間子午線（LSTM）是特定時區(qū)所采用的基準子午線，它類似于格林尼治時間使用的本初子午線。LSTM(當地標準時間子午線)被使用在當地時區(qū)。這里顯示的LSTM跨越了巴西和格陵蘭島的部分地區(qū).格林威治時間所使用的本初子午線（經度=0°）

通過下列方程可計算LSTM:LSTM=15°×ΔTGMT

式中ΔTGMT表示當地時間與格林威治時間的差（一小時為單位）。

時間方程（EOT）時間方程（以分為單位）是糾正了地球公轉的偏心率和地球的軸向傾斜之后的經驗方程。

EOT=9.87sin(2B)–7.53cos(B)–1.5sin(B)

其中B=360（d-81）/365，單位為°。d為從一年的第一天開始數起的天數。下圖描繪了時間糾正方程。

時間糾正因子時間糾正因子（以分為單位）解釋了在一個給定的時區(qū)內，當地太陽時間因時區(qū)內經度的變化而變化的現象，其方程也同時包含時間方程。

TimeCorrection=4（LSTM-經度）+EoT

方程里的4分鐘源自地球自轉一度的時間是4分鐘的事實。

當地太陽時間

當地太陽時間（LST）可以通過使用前兩個矯正因子來調整當地時間（LT）得到.LST=LT+TC

時角（HRA）

時角把當地太陽時間（LST）轉換成太陽在天空運動的度數的數值。按照定義，正午時分的時角為0°。因為地球每轉15°的時間為一個小時，所以，與正午時分間隔一個小時就相當于太陽在太空轉過了15°角。在上午時角的符號是負的，下午是正的。

HRA=15°（LST-12）傾斜角在前面已經給出了傾斜角的公式：

高度角

高度角可由下面的方程得到：高度角=sin-1[sin(δ)sin(ф)+cos(δ)cos(ф)cos（HRA）]

天頂角為太陽與垂直線之間的夾角。天頂角=90°-高度角高度角天頂角

方位角

方位角就像羅盤一樣，正北方向為0°，正南方向為180°。也有人使用稍微不同的定義（正南方向為0°）。

方位角可由上面的參數計算得到

日出和日落

日出與日落的時間可以分別通過下面式子得到：

三、太陽輻射數據

對于光伏系統(tǒng)設計來說，知道當地在不同時間的可利用輻射量是很有必要的。兩個描述太陽輻射特征的常用方法是太陽輻射（或輻射）和日照。太陽輻射是一個瞬時的功率強度，以KW/m2為單位。一天中，太陽輻射的大小從晚上的0KW/m2到最大值約1KW/m2之間不斷變化。太陽輻射主要取決于觀測的位置和當地的天氣。1太陽輻射測量

盡管太陽輻射是最常被測量的數據，但在光伏系統(tǒng)設計中更常使用是日照度。日照度是指特定時間內單位面積區(qū)域所接收到得總的太陽輻射量，通常以KWhr/（m2day）為單位。雖然日照度的單位與太陽輻射的單位都是功率強度，但是日照度與太陽輻射還是很大不同的，日照度是在給定時間段里的平均太陽輻射強度。平均每天、每月或每年的日照度一個月、一個季節(jié)或一整年的全球等輻射線日照時數基于衛(wèi)星云層覆蓋數據的日照度太陽輻射的計算日照度常使用在簡單的光伏系統(tǒng)設計中，而太陽輻射則在更為復雜的需要計算一天中每一時刻的情況的光伏系統(tǒng)中使用。日照度還可以用單位MJ/m2year來表示。特定位置的太陽輻射強度可以通過以下幾種方式表示：

描述太陽輻射最常用的方式是典型氣象年（TMY），或者是由美國國家可再生能源實驗室所使用的TMY2。TMY包含有每天數據的變化。然而，平均太陽輻射數據，特別是一年中每個月的的平均數據在粗略估計太陽能電池板安裝數量時也是被廣泛使用的。2太陽輻照度的數據分析

另外一個盡管較少見到但是非常有用的的數據是連續(xù)幾天出現陰天的概率，它可由全年輻射數據得到的，在這里，陰天被定義為地面實際接收到的光線要少于理論光線接收值的50%的日子。例如，某個地區(qū)連續(xù)4天出現陰天的概率為一年一次，連續(xù)5天出現陰天的概率5年一次。這些信息在估算足夠的必備條件的儲存時是非常有用的。3典型氣象年數據（TMY）

描述當地天文氣候時最常用的數據叫典型氣象年的數據（TMY）。要測定TMY數據，必須獲得幾年中每隔一小時測量的氣象變化結果，然后制成一副當地氣候的變化圖表。人們選擇月平均數以最大程度代表當地情況。整個月以及整個測量周期的其它月平均輻射值被測算出來。如果有一年的各月的平均輻射值最接近于整個測量周期的月平均值，那么這一年就被選為典型氣象年（TMY），而這一年的每月氣象數據也被叫做TMY數據。4月平均太陽輻射

盡管典型氣象年（TMY）數據被常常用在光伏系統(tǒng)仿真中，然而對于基本的系統(tǒng)分析來說，擁有當地特定月份的每天平均輻射量數據就足夠了。這些數據有可能測量自地平面也有可能測量自與太陽光垂直的平面（相當于跟蹤式太陽能系統(tǒng)）。無論是那種情況，都需要加入一個關于組件平面的傾斜角的條件，才能算出光伏組件能夠利用的太陽輻射的量。

峰值太陽時

日平均日照度（單位為KWhr/m2day）有時也被叫做峰值太陽時。峰值太陽時一詞源于日照度的值相當于當地太陽以峰值射入幾小時所獲得得能量。因為輻射的峰值時1KW/m2，所以峰值太陽時在數值上等于日平均日照度。峰值太陽時是非常有用的，因為光伏電池的額定輻射輸入通常為1