第1章 阳光特性-2

§1.4.3地面太阳辐射--大气质量大气质量(AirMass)被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上方时）规定为“一个标准大气质量”。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。大气质量由下式给出：11/AMcos1式中θ表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气质量为1。“大气质量”描绘了太阳光到达地面前所需走过的路程与太阳处在头顶处时的路程的比例，也等于Y/X。确定大气质量的一个简单的方法就是测量一个垂直杆的影长。2hs1AM2如上图，大气质量等于斜边的长度除以标杆的高度h，然后由勾股定理便得到：标杆高度h影子长度，s§1.4.3地面太阳辐射--大气质量1cos上述关于大气质量的计算中假定大气层是一个平面层，但实际上大气层是弯曲的，当太阳接近于地平线时大气质量并不完全等于大气层的路径长度。在日出的时候，太阳的入射光线与垂直位置的夹角为90°，则计算得大气质量为无限大，但显然光线路径并不是无限大的。下面的方程则考虑了地球的曲率：1363641cosθ0505729607995...AM（）3§1.4.3地面太阳辐射--大气质量标杆高度h影子长度，s2020/3/104Ө§1.4.3地面太阳辐射--大气质量2hs1AMABC实际长度是AB，但不考虑地球曲率时的长度是AC。OD13636405057296071cos5θ99...AM（）AM=1/cosθ当θ=0.482时，大气质量为AM1.5，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为1kW/m2，常用于太阳能电池和组件效率测试时的标准。标准？13636405057296071cos5θ99...AM（）2020/3/106标准太阳光谱和太阳辐射太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了方便不同时间和不同地点时太阳能电池的数据比较，人们定义了地球大气层外和地球表面的光谱和功率强度的标准值。§1.4.3地面太阳辐射--大气质量地球表面的标准光谱称为AM1.5G（G代表总的辐射，包括直接的和分散的辐射）或者AM1.5D（只包含直接的辐射）。AM1.5D的辐射强度近似于减少28%能量后的AM0光谱的光谱强度（18%被吸收，10%被散射）。总的光谱辐射强度要比直射的光谱强度高10%。从上面的计算可得AM1.5G的值近似为970W/m2。然而，由于整数计算比较方便以及入射太阳光存在固有的变化，人们规范了标准的AM1.5G光谱值为1KW/m2。地球大气层外的标准光谱称为AM0，因为光没有穿过任何大气。这个光谱通常被用来预测太空中太阳能电池的表现。2020/3/107§1.4.3地面太阳辐射--大气质量即使在天气晴朗的时候，散射辐射中仍然有大约10%的直接辐射含量。因此在天气晴朗的时候垂直入射到地表的太阳光的总辐射量为:11GDI.I2020/3/108§1.4.3地面太阳辐射--大气质量式中ID为垂直平面的太阳光线的功率强度，单位KW/m2。AM为大气质量。数值1.353KW/m2为太阳常数，而数字0.7则源于入射到大气层中的辐射大概有70%能到达地球。0.678AMD7.0353.1I基于大气质量的强度计算一天中，太阳光的直射分量强度可由大气质量确定，其方程为：§1.4.4地面太阳辐射--太阳的运动“太阳视运动”是由地球绕其轴自转引起的表面现象，它改变着射入地球的光线的直射分量角度。从地面的一个固定位置来看，太阳横跨整个天空运动。太阳的位置决定于地面上的点的坐标、一天中的时间和一年中的日期。如右图所示。2020/3/10UNSW新南威尔士大学9太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集器件获得的能量。当太阳光垂直入射到吸收平面时，在平面上的功率强度等于入射光的功率强度。然而，当太阳光与吸收平面的角度改变时，其表面的功率强度就会减小。当平面与太阳光平行时，功率强度基本上变为零。对于0度和90度之间的角，它们相对的功率强度为最大值乘于cosθ，其中θ为太阳光与器件平面之间的夹角。2020/3/10UNSW新南威尔士大学10§1.4.4地面太阳辐射--太阳的运动地球上某固定点与太阳的夹角决定于其所处的位置（地点所在的经度）、一年中的日期和一天中的时间。另外，太阳升起和落下的时刻决定于位置所在的经度。因此，刻画地球上某固定地点的太阳高度角需要纬度、经度、一年中的日期和一天中的时间。这些内容将在下面讨论。2020/3/10UNSW新南威尔士大学11§1.4.4地面太阳辐射--太阳的运动点击右边的动画，观测吸收平面与入射光的夹角的改变所产生的影响。§1.4.5地面太阳辐射--太阳的偏向角偏向角，用符号δ表示，由于地球绕其轴的自转和绕太阳的公转而存在季节性的变化。如果地球没有相对转轴倾斜，那么偏向角将一直为0°。然而地球相对于公转平面是倾斜了23.45°的，偏向角的大小就在±23.45°之间变化。只有在春分日和秋分日的时候偏向角才会等于0°。下面的动画描述了地球绕太阳公转以及偏向角的改变：1213右边视频显示了倾斜角在北半球的夏至日（或南半球的冬至）和北半球的冬至日（南半球的夏至）之间是如何变化的。尽管事实上是地球绕着太阳转的，但是如果把它想象成是太阳绕着地球转的，将会变得更容易理解一些。这需要一定的坐标转换，在这个代替的坐标系统里，太阳是绕着地球转的。§1.4.5地面太阳辐射--太阳的偏向角太阳偏向角就是指赤道平面与地球中心点--太阳中心点的连线的夹角。太阳偏向角的季节性变化如下所示:式中d为观测偏向角时所在的一年中的天数。在二分日（3月22日春分日和9月22日秋分日）时偏向角为0°，在北半球夏天时角度为正，北半球冬天时为负。在6月22日（北半球夏至日）偏向角达到最大值23.45°而在12月22日（北半球冬至日）达到最小值-23.45°。3602345284365.sidn2020/3/10UNSW新南威尔士大学14§1.4.5地面太阳辐射--太阳的偏向角偏向角的角度可以由下面的方程算出：§1.4.6地面太阳辐射--仰角与方位角仰角指的是天空中太阳相对于地平面的高度角。日出的时候高度角为0°，太阳处在头顶时高度角为90°（比如在赤道地区，春分日和秋分日的时候就会出现这种情况）。天顶角与高度角相似，但是相对于地平面的垂直线而不是地平面来说的，因此可以计算天顶角=90°-高度角。2020/3/10UNSW新南威尔士大学15太阳高度角在一天中不断变化。其大小还决定于观测位置的纬度和所在一年中的天数。天顶角仰角16在设计光伏系统时，一个重要的参数是最大太阳高度角，即一年中太阳在天空的高度达到最大时的角度。最大高度角出现在正午时分，大小取决于所在的纬度和偏向角。计算正午太阳高度角的公式如下：α=90°+ф–δ式中ф为观测位置所处的纬度，在南半球它的符号是负的而在北半球的时候符号为正。δ为偏向角，大小取决于所在一年中的天数。§1.4.6地面太阳辐射--仰角与方位角3602345284365.sidn夏至日，在北回归线处，太阳在头顶正上方，其高度角为90°。夏天，在赤道与北回归线之间观测的正午太阳高度角是大于90°的。这意味着阳光是来自北方的天空而不是南方的天空。相似的，在一年中的某个时期，在赤道和南回归线之间，太阳光是来自南方而不是北方。最大太阳高度角被应用到非常简单的光伏系统设计中，然而更精确的光伏系统仿真则需要知道高度角在一天中是如何变化的这些知识。关于这方面的方程和公式将在下面几页中介绍。2020/3/10UNSW新南威尔士大学17§1.4.6地面太阳辐射--仰角与方位角方位角就是罗盘方向（北）与阳光入射方向的夹角。在正午时分，北半球地区的太阳总是从南方射入，南半球地区则从北方射入。如下面的动画所示，一天中方位角是不断变化的。在赤道地区，春秋分日的时候太阳直接从东方升起在西方落下，不管所处的纬度是多少，日出时的方位角都为90°而日落时为270°。尽管如此，总的来说方位角还是随着纬度和一年中日期的改变而改变的。18§1.4.6地面太阳辐射--仰角与方位角计算一天里太阳位置的完整方程将在下一节给出。§1.4.7地面太阳辐射--太阳的方位正午时分的太阳方位角和太阳高度角是摆放太阳能电池板时所使用到的两个重要角度参数。然而，如果想要计算一整天的太阳位置，就必须计算一整天的太阳高度角和方位角。这些角度将使用“太阳时间”来计算。按传统的计时方式，地球被分成不同的时区。然而，在这些时区里，正午时分并不一定就是太阳处在最高处的时候。类似的，日出时段也被描述为时区里的某个地区段的太阳正在升起。2020/3/10UNSW新南威尔士大学192020/3/10UNSW新南威尔士大学20然而，由于一个时区横跨了一定长度的距离，当太阳刚刚照耀这个时区的某个地方的地平线时，此刻的时间有可能与定义的日出时间（或官方承认的日出时间）完全不同。而这种规定也是必要的，否则出现一街之隔的两座房子的时间会相差几秒的现象。从另一方面来说，不同经度的太阳时间是不同的。因此，如果要得到太阳的位置，必须先计算当地的太阳时间然后再计算太阳高度角和方位角。§1.4.7地面太阳辐射--太阳的方位当地太阳时间（LST）和当地时间(LT)LocalSolarTime（LST）中午12时是指太阳升到最高处的时刻。由于地球轨道的偏心率和人类对时区和夏令时的调整，当地时间(LT)一般不等于当地太阳时间。当地标准时间子午线（LSTM）TheLocalStandardTimeMeridian（LSTM）是特定时区所采用的基准子午线，它类似于格林尼治时间使用的本初子午线。2020/3/10UNSW新南威尔士大学21§1.4.7地面太阳辐射--太阳的方位22LSTM(当地标准时间子午线)被使用在当地时区。这里显示的LSTM跨越了巴西和格陵兰岛的部分地区。格林威治时间所使用的本初子午线（经度=0°）通过下列方程可计算LSTM:LSTM=15°×ΔTGMT式中ΔTGMT表示当地时间与格林威治时间的差（以小时为单位）。§1.4.7地面太阳辐射--太阳的方位360°/24时间方程（EoT）时间方程（以分为单位）是纠正了地球公转的偏心率和地球的轴向倾斜之后的经验方程。EoT=9.87sin(2B)–7.53cos(B)–1.5sin(B)其中B=360（d-81）/365，单位为degree。d为从一年的第一天开始数起的天数。下图描绘了时间纠正方程。2020/3/10UNSW新南威尔士大学23§1.4.7地面太阳辐射--太阳的方位是否考虑了经纬度？时间纠正因子（TC）时间纠正因子（以分为单位）解释了在一个给定的时区内，当地太阳时间因时区内经度的变化而变化的现象，其方程也同时包含时间方程。TimeCorrection=4（LSTM-经度）+EoT方程里的4分钟源自地球自转一度的时间是4分钟的事实。当地太阳时间当地太阳时间（LST）可以通过使用前两个矫正因子来调整当地时间（LT）得到。LST=LT+TC2020/3/10UNSW新南威尔士大学24§1.4.7地面太阳辐射--太阳的方位时角HourAngle（HRA）时角把当地太阳时间（LST）转换成太阳在天空运动的度数的数值。按照定义，正午时分的时角为0°。因为地球每转15°的时间为一个小时，所以，与正午时分间隔一个小时就相当于太阳在太空转过了15°角。在上午时角的符号是负的，下午是正的。HRA=15°（LST-12）倾斜角（Declination）在前面已经给出了倾斜角的公式：d284365360sin45.232020/3/10UNSW新南威尔士大学25其中d为从一年第一天开始数起的天数。§1.4.7地面太阳辐射--太阳的方位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）]天顶