1.1　太陽輻照

太陽是一個不斷進行氫核聚變的巨大球體，其能量主要來源于氫聚變成氦的聚變反應，每秒有6.57×1011kg的氫聚變成6.53×1011kg的氦，連續(xù)產(chǎn)生3.90×1023kW能量。這些能量以電磁波的形式、以3×105km/s的速度穿越太空，射向四面八方[1]。這種電磁波所包含的能量就是太陽輻照能。太陽的氫核聚變基本上是一個穩(wěn)定的過程，其輻射到太空的總輻照量也基本上保持不變，根據(jù)日地距離即可以計算出地球每秒接收到的太陽輻照量。雖然地球每秒大概只接收到太陽總輻照量的二十二億分之一，但這卻是地球表層能量的主要來源。

1.1.1　太陽光譜

太陽輻照是由不同頻率和波長的電磁波組成的，一般可根據(jù)電磁波的波長范圍進行劃分，如表1-1所示。

其中，可被人眼感知的太陽光稱為可見光，它的波長范圍只占整個太陽輻射出的電磁波中的一小部分，如表1-2所示。由于大氣條件、海拔和人眼感知能力的不同，可見光的波長范圍略有差異。

太陽輻照能量隨波長的分布圖稱為太陽光譜。它包括了波長在10－3cm以下的宇宙射線和波長為105～1013μm的無線電波譜的絕大部分。雖然太陽光譜的范圍很寬，但是其能量主要集中在紫外線、可見光和紅外線這幾個波段。圖1-1所示為達到地球表面AM1.5下的太陽光譜在紫外線、可見光和遠/近紅外線中的能量密度分布，從圖中可以看出，不同波段的能量密度不同。其中，能量密度在波長為0.475μm左右時出現(xiàn)峰值，且從峰值點向左（波長減小的方向），光波的能量急劇下降，而從峰值點往右（波長增加方向），光波的能量下降緩慢。

太陽電池在太陽輻照下通過光生伏特效應產(chǎn)生電流。對于太陽電池而言，不同波長的輻照光轉(zhuǎn)換成電的能力不同，這種特性稱為太陽電池的光譜特性。太陽電池并不能將每一種波長的光都轉(zhuǎn)換成電流，能使主要商業(yè)化晶體硅太陽電池響應而產(chǎn)生電流的波長范圍為320～1100nm[2]。

1.1.2　直射與散射

太陽輻照穿過地球大氣層到達地面的過程中，其中以平行光的形式到達地面的太陽輻照稱為太陽直接輻照（簡稱直射），受大氣層中的分子和顆粒作用而產(chǎn)生反射和折射的太陽輻照稱為太陽散射輻照（簡稱散射）。太陽直接輻照和散射輻照之和稱為太陽總輻照[3]。與直接輻照不同，散射輻照在到達地面時并無特定方向，一般假定散射光是各向同性的。由于不同地區(qū)大氣層中的分子和顆粒存在較大差異，在不同緯度、不同海拔和不同氣候的地區(qū)，其總輻照及散射輻照所占的比例也存在較大差異。

1.1.3　影響地面接收太陽輻照的因素

自太陽表面輻射出的能量，穿過厚厚的大氣層才到達地球表面[4]。這期間輻照光所受到的影響因素很多，主要包括日地距離、太陽赤緯角、大氣成分、大氣質(zhì)量和大氣透明度。

1.日地距離

地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓形的，太陽位于橢圓兩個焦點中的一個焦點上。從太陽表面輻射至地球表面的輻照能與日地距離的平方成反比。日地距離是時刻變化的，當?shù)厍蛱幵谶h日點時，日地距離約為15 210萬千米；當?shù)厍蛱幵诮拯c時，日地距離約為14 710萬千米。日地之間的平均距離約為149 597 870 km，在天文學上將其定義為1個天文單位（AU），并從1984年開始啟用。日地距離時刻變化，到達地球大氣層表面的輻照能也時刻變化。為了方便計算，在工程應用上定義了太陽常數(shù)。太陽常數(shù)是指在地球大氣層外，太陽在單位時間內(nèi)投射到距離太陽平均日地距離處，并且垂直于射線方向的單位面積上的全部輻照度。太陽常數(shù)是一個相對穩(wěn)定的常數(shù)。但是由于受太陽黑子活動的影響，太陽常數(shù)會產(chǎn)生一定的變化，一年當中的變化幅度在1%以內(nèi)。目前，太陽常數(shù)的大小被定為

注：此標準在1981年由世界氣象組織（WMO）定義。

2.太陽赤緯角

地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面稱為黃道面，地球的自轉(zhuǎn)軸稱為地軸。地軸與黃道面不垂直相交而是呈66.5°夾角，并且這個角度在公轉(zhuǎn)中始終維持不變；正是由于地軸與黃道面有一個夾角，造成一天中時刻變化的太陽直射角度。通常將太陽直射到地球上的光線與地球赤道面的交角稱為太陽赤緯角（）。在一年當中，太陽赤緯角每天都在變化，但不超過±23°27'的范圍，夏季最大變化為夏至日的+23°27'，冬季最小變化為冬至日的-23°27'[5]。太陽赤緯角僅與一年中的某一天有關(guān)，而與地點無關(guān)。也就是說，同一天內(nèi)地球上任何位置的太陽赤緯角都是一樣的，其大小可按照庫珀（Cooper）方程進行計算，即

式中，n——從1月1日開始計算的天數(shù)，例如在春分日n=81，則。

式（1-2）為近似計算公式，更精確的結(jié)果可以用以下公式來計算：

式中，d——自春分日起的第d天。

表1-3示出了各月每隔4日的太陽赤緯角，這些數(shù)值被廣泛應用于相關(guān)計算中。

3.大氣成分與大氣質(zhì)量

1）大氣成分

在太陽輻照穿過地球大氣層的過程中，一部分能量被反射回宇宙，另一部分被大氣層吸收并轉(zhuǎn)換為熱量，還有一部分則被散射。表1-4示出了地球大氣成分對太陽輻照的削弱作用。

在通過大氣層之后，太陽總輻照不論在輻照量上還是在太陽光譜上，都發(fā)生了不同程度的削弱和變化。太陽輻照通過大氣層后被減弱的程度主要取決于太陽輻照經(jīng)過大氣層的路程和大氣層的透明程度。圖1-2示出了大氣層與太陽輻照的關(guān)系。

2）大氣質(zhì)量

大氣對地球表面接收太陽光的影響程度被定義為大氣質(zhì)量，用AM表示。在標準狀態(tài)下（氣壓為P=760mmHg，氣溫為0℃）下，選取太陽光垂直投射到地面單位截面積的空氣柱的質(zhì)量為1個大氣質(zhì)量數(shù)（m）[6]。因此，大氣上界的大氣質(zhì)量數(shù)值為0；在標準狀態(tài)下的海平面上大氣質(zhì)量數(shù)值為1。一般在其他位置，大氣質(zhì)量數(shù)值均大于1。在地面光伏應用中，統(tǒng)一規(guī)定大氣質(zhì)量數(shù)值為1.5，通常寫作AM1.5。大氣質(zhì)量數(shù)值越大，說明光線經(jīng)過大氣的路徑越長，太陽輻照在途中衰減得越多，到達地面的能量就越少。

大氣質(zhì)量數(shù)m與太陽高度角成反比，隨著太陽高度角的增大而減小，特別是當太陽高度角較小的時候，m值的變化幅度較大，如圖1-3所示。

不同太陽高度角對應的大氣質(zhì)量數(shù)如表1-5所示。

當太陽高度角為30°～90°時，地面上某一點的大氣質(zhì)量數(shù)可用下式計算：

式中，——太陽天頂角，；

P——當?shù)卮髿鈮海?/p>

P0——海平面大氣壓。

式（1-4）是從三角函數(shù)關(guān)系推導出來的，忽略了折射和地面曲率等因素的影響，當＜30°時會產(chǎn)生較大誤差。因此，在具體的光伏系統(tǒng)工程計算中，可采用下式計算：

4.大氣透明度

大氣透明度是一個表示大氣對太陽光線透過程度的參數(shù)，用透過光強與總?cè)肷涔獾谋戎祦肀硎?span id="ldu4i9c" class="superscript">[7]。影響大氣透明度大小的因素有水汽、微塵、云霧和海拔等。根據(jù)布格爾-蘭伯特（Bouguer-Lambert）定律，到達地面的太陽輻照量I為

式中，m——大氣質(zhì)量數(shù)；

——大氣透明度；

——到達地球大氣層外表面的太陽總輻照量。

由于大氣透明度小于等于1，而大氣質(zhì)量數(shù)一般大于1，因此到達地面的太陽輻照度隨著大氣透明度的增加而增大，隨著大氣質(zhì)量數(shù)的增大而減小。