第1章阳光特性-2

1、 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量 大气质量大气质量(Air Mass)被定义为光穿过大气的路径长度，长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）规定为度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上方时）规定为“一个一个标准大气质量标准大气质量”。“大气质量大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时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：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 式中式中表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气质量为大

2、气质量为1。 “大气质量大气质量”描绘了太阳光描绘了太阳光到达地面前所需走过的路程与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太阳处在头顶处时的路程的比例，也等于例，也等于Y/X。 确定大气质量的一个确定大气质量的一个简单的方法就是测量一个垂简单的方法就是测量一个垂直杆的影长。直杆的影长。2hs1AM2 如上图，大气质量等于斜边的长度除以标杆的高度如上图，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：然后由勾股定理便得到：标杆高度标杆高度h影子长度，影子长度，s 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量1cos 上述关于大气质量的计算中假定大气层是一个

3、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。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在日出的时候，太阳的入射光线与垂直位置的夹角为为90，则计算得大气质量为无限大，但显然光线，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。下面的方程则路径并不是无限大的。下面的方程则考虑了地球的考虑了地球的曲率曲率：1 363641cos0 50572 96 07995. AM（）3 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -

4、大气质量大气质量标杆高度标杆高度h影子长度，影子长度，s2022-5-84 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量2hs1AMABC 实际长度是实际长度是AB，但不考虑，但不考虑地球曲率时的长度是地球曲率时的长度是AC。OD1 363640 50572 96 071cos599. AM（） AM=1/cos 当当=0.482时，大气质量为时，大气质量为AM 1.5，是指典，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为总量为1kW/m2，常用于太阳能电池和组件效率常用于太阳能电池和组件效率测试时的标准测试时的标准。1 3636

5、40 50572 96 071cos599. AM（）2022-5-86标准太阳光谱和太阳辐射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，人们定义了地球能电池的数据比较，人们定义了地球大气层外大气层外和和地地球表面球表面的光谱和功率强度的标准值。的光谱和功率强度的标准值。 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量 地球表面的标准光谱称为地球表面的标准光谱称为AM1.5G（G代表总的辐射，包代表总的辐射，包括直接的和

6、分散的辐射）或者括直接的和分散的辐射）或者AM1.5D（只包含直接的辐射）。（只包含直接的辐射）。AM1.5D的辐射强度近似于减少的辐射强度近似于减少28%能量后的能量后的AM0光谱的光谱光谱的光谱强度（强度（18%被吸收，被吸收，10%被散射）。总的光谱辐射强度要比直被散射）。总的光谱辐射强度要比直射的光谱强度高射的光谱强度高10%。从上面的计算可得。从上面的计算可得AM1.5G的值近似为的值近似为970W/m2。然而，由于整数计算比较方便以及入射太阳光存。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，人们规范了标准的在固有的变化，人们规范了标准的AM1.5G光谱值为光谱值为1KW

7、/m2。 地球大气层外的标准光谱称为地球大气层外的标准光谱称为AM0，因为光没有穿过任，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。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。 2022-5-87 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量 即使在天气晴朗的时候，散射辐射中仍然有大约即使在天气晴朗的时候，散射辐射中仍然有大约10%的的直接辐射含量。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阳光的总辐射量为: 11GDI.I2022-5-88 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -

8、大气质量大气质量 式中式中ID为垂直平面的太阳光线的功率强度，单位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。数值为大气质量。数值1.353KW/m2为太阳常数，而数字为太阳常数，而数字0.7则则源于入射到大气层中的辐射大概有源于入射到大气层中的辐射大概有70%能到达地球。能到达地球。0.678AMD7 . 0353. 1I基于大气质量的强度计算基于大气质量的强度计算 一天中一天中，太阳光的直射分量强度可由大气质量确定，太阳光的直射分量强度可由大气质量确定，其方程为：其方程为： 1.4.4 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的运动太阳的运动 “太阳视运动太阳视运动”是由是由地

9、球绕其轴自转引起的表地球绕其轴自转引起的表面现象，它改变着射入地面现象，它改变着射入地球的光线的直射分量角度。球的光线的直射分量角度。从地面的一个固定位置来从地面的一个固定位置来看，太阳横跨整个天空运看，太阳横跨整个天空运动。动。太阳的位置决定于太阳的位置决定于地地面上的点的坐标、一天中面上的点的坐标、一天中的时间和一年中的日期。的时间和一年中的日期。如右图所示。如右图所示。2022-5-8UNSW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，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

10、率强度等于入射光的功率强度。然而，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。对于基本上变为零。对于0度和度和90度之间的角，它们相度之间的角，它们相对的功率强度为最大值乘于对的功率强度为最大值乘于cos，其中，其中为太阳光为太阳光与器件平面之间的夹角。与器件平面之间的夹角。2022-5-810 1.4.4 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的运动太阳的运动 地球上某固定点与太阳的夹角决定于其所地球上某固定

11、点与太阳的夹角决定于其所处的位置（地点所在的经度）、一年中的日期处的位置（地点所在的经度）、一年中的日期和一天中的时间。和一天中的时间。另外，太阳升起和落下的时另外，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年中的日期和一天中的时间2022-5-811 1.4.4 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的运动太阳的运动 1.4.5 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的偏向角太阳的偏向角 偏向角，用符号偏向角，用符号表示，由于地球绕其轴的自转和绕

12、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倾斜，那么偏向角将一直为0 0。然而地球相对于公转平面。然而地球相对于公转平面是倾斜了是倾斜了23.4523.45的，偏向角的大小就在的，偏向角的大小就在23.4523.45之间变之间变化。只有在春分日和秋分日的时候偏向角才会等于化。只有在春分日和秋分日的时候偏向角才会等于0 0。下。下面的动画描述了地球绕太阳公转以及偏向角的改变：面的动画描述了地球绕太阳公转以及偏向角的改变：12 13 右边视频显示了倾斜角在北半球的右边视频显示了倾斜角在北

13、半球的夏至日（或南半球的冬至）和北半球的夏至日（或南半球的冬至）和北半球的冬至日（南半球的夏至）之间是如何变冬至日（南半球的夏至）之间是如何变化的。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。地球转的。 1.4.5 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的偏向角太阳的偏向角 太阳偏向角就是指太阳偏向角就是指赤道平面与地球赤道平面与地球

14、中心点中心点-太阳中心点的连线的夹角。太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阳偏向角的季节性变化如下所示: 式中式中d为观测偏向角时所在的一年中的天数。为观测偏向角时所在的一年中的天数。 在二分日（在二分日（3月月22日日春分日春分日和和9月月22日日秋分日秋分日）时偏向角）时偏向角为为0，在北半球夏天时角度为正，北半球冬天时为负。在，在北半球夏天时角度为正，北半球冬天时为负。在6月月22日（北半球夏至日）偏向角达到最大值日（北半球夏至日）偏向角达到最大值23.45而在而在12月月22日（北半球冬至日）达到最小值日（北半球冬至日）达到最小值-23.45。 36023 4528

15、4365.sidn 2022-5-8UNSW新南威尔士大学14 1.4.5 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的偏向角太阳的偏向角偏向角的角度可以由下面的方程算出：偏向角的角度可以由下面的方程算出： 1.4.6 地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角仰角与方位角与方位角 仰角仰角指的是天空中太阳相对于地平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太阳处在头顶时高度角为90（比如在赤（比如在赤道地区，春分日和秋分日的时候就会出现道地区，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，但是这种情况）。天顶角与高度角相似，但是

16、相对于地平面的垂直线而不是地平面来说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的，因此可以计算天顶角=90- -高度角。高度角。2022-5-8UNSW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。位置的纬度和所在一年中的天数。天天顶顶角角仰角仰角 16 在设计光伏系统时在设计光伏系统时，一个重要的参数是，一个重要的参数是最大太阳高度最大太阳高度角角，即一年中太阳在天空的高度达到最大时的角度。最大，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

17、度和偏向角。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：计算正午太阳高度角的公式如下： =90+ 式中式中为观测位置所处的为观测位置所处的纬度纬度，在，在南南半球它的符号是半球它的符号是负负的的而在而在北北半球的时候符号为半球的时候符号为正正。为偏向角为偏向角，大小取决于所在一，大小取决于所在一年中的天数。年中的天数。 1.4.6 地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角仰角与方位角与方位角 36023 45284365.sidn 夏至日，在北回归线处，太阳在头顶正上方，其高度角夏至日，在北回归线处，太阳在头顶正上方，其高度角为为90。夏天，在赤道与北回归线之间观

18、测的正午太阳高度。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角是大于90的。这意味着阳光是来自北方的天空而不是南的。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。线之间，太阳光是来自南方而不是北方。 最大太阳高度角最大太阳高度角被应用到非常被应用到非常简单简单的光伏系统的光伏系统设计设计中，中，然而更精确的光伏系统仿真则需要知道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高度角在一天中是如何变化的这些知识。何变化的这些知识。2022-5-817 1

19、.4.6 地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角仰角与方位角与方位角 方位角方位角就是罗盘方向（北）与阳光入射方向的夹就是罗盘方向（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，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是多少，日出时的方位角都为90而日落时为而日落时为27

20、0。尽管如此，总的来说方位角还是随着纬度和一年中日尽管如此，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。期的改变而改变的。18 1.4.6 地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角与仰角与方位角方位角 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 正午正午时分的太阳时分的太阳方位角方位角和太阳和太阳高度角高度角是是摆放摆放太太阳能电池板时所使用到的两个重要角度阳能电池板时所使用到的两个重要角度参数参数。然而，。然而，如果想要计算一整天的太阳位置，就必须计算一整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。这些角度将使用天的太阳高度角和方位角。这些角度将使

21、用“太阳太阳时间时间”来计算。按传统的计时方式，地球被分成不来计算。按传统的计时方式，地球被分成不同的同的时区时区。然而，在这些时区里，正午时分并不一。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，日出定就是太阳处在最高处的时候。类似的，日出时段时段也被描述为时区里的某个地区段的太阳正在升起。也被描述为时区里的某个地区段的太阳正在升起。2022-5-8192022-5-820 然而，由于一个时区横跨了一定长度的距离，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，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

22、时间（或官方承认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，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现象。从另一方面来说，不同经度的太阳时间是不同的。因此，同的。因此，如果要得到太阳的位置如果要得到太阳的位置，必须先计算必须先计算当地的太阳时间当地的太阳时间然后再计算然后再计算太阳高度角和方位角。太阳高度角和方位角。 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位当地太阳时间（当地太阳时间（LSTLST

23、）和当地时间）和当地时间(LT)(LT) Local Solar Time （LST）中午）中午12时是指太阳升到最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，令时的调整，当地时间当地时间(LT)一般不等于当地太阳时间一般不等于当地太阳时间。当地标准时间子午线（当地标准时间子午线（LSTMLSTM） The Local Standard Time Meridian （LSTM）是特定）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。的本初子午线。2

24、022-5-821 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位22格林威治时间格林威治时间所使用的本初所使用的本初子午线（经度子午线（经度=0） 通过下列方程可计算通过下列方程可计算LSTM: LSTM=15 T TGMTGMT 式中式中T TGMTGMT表示当地时间与格林威治时间的差（以小时为表示当地时间与格林威治时间的差（以小时为单位）。单位）。 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位360/24 时间方程（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轴

25、向倾斜之后的经验方程经验方程。 EoT=9.87sin(2B) 7.53cos(B) 1.5sin(B) 其中其中B=360（d-81）/365 ，单位为，单位为degree。d为从一年的第一天开始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。数起的天数。下图描绘了时间纠正方程。 2022-5-823 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 时间纠正因子（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内，当地太阳时间因时区内经度经度的变化而变化的现象，其方的变化而变化

26、的现象，其方程也同时包含时间方程。程也同时包含时间方程。 TimeCorrection=4（LSTM- -经度）经度）+EoT 方程里的方程里的4分钟分钟源自地球自转一度的时间是源自地球自转一度的时间是4分钟的事实。分钟的事实。 当地太阳时间当地太阳时间 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）可以通过使用前两个矫正因子来调整当地时间（整当地时间（LT）得到。）得到。 LST=LT+TC 2022-5-824 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 时角时角Hour Angle （HRA） 时角把当地太阳时间（时角把当地太阳时间（LST）转换成

27、太阳在天空运动的度）转换成太阳在天空运动的度数的数值。按照定义，正午时分的时角为数的数值。按照定义，正午时分的时角为0。因为地球每转。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当于太阳在太空转过了15角。在上午时角的符号是负的，下角。在上午时角的符号是负的，下午是正的。午是正的。 HRA=15（LST-12） 倾斜角（倾斜角（ Declination） 在前面已经给出了倾斜角的公式：在前面已经给出了倾斜角的公式： d284365360sin45.232022-5-825 其中其中d为从一年第一天开始数

28、起的天数。为从一年第一天开始数起的天数。 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 高度角高度角 高度角可由下面的方程得到：高度角可由下面的方程得到： 高度角高度角=sin-1sin()sin()+cos()cos()cos（HRA） 天顶角为太阳与垂直线之间的夹角。天顶角为太阳与垂直线之间的夹角。 天顶角天顶角=90-高度角高度角2022-5-826高度角高度角天顶角天顶角 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位即仰角即仰角正午太阳高度角的公式如下：正午太阳高度角的公式如下： =90+ 方位角方位角 方位角就像罗盘一样，正北方向为方位角就像罗盘一样，

29、正北方向为0，正南方向为，正南方向为180。也有人使用稍微不同的定义（正南方向为也有人使用稍微不同的定义（正南方向为0）。）。 )cos()cos()sin(coscossincos1高度角方位角HRA27 方位角可由上面的参数计算得到方位角可由上面的参数计算得到 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 日出和日落日出和日落 日出与日落的时间可以分别通过下面式子得到：日出与日落的时间可以分别通过下面式子得到： 1111215601121560sinsinTCcoscoscossinsinTCcoscoscos 日日出出日日落落2022-5-828一整天的太阳位置一整天的太

30、阳位置 关于一整年中地球上任何位置任何时间的太阳高度角和方关于一整年中地球上任何位置任何时间的太阳高度角和方位角的计算方法将在下页给出。位角的计算方法将在下页给出。 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 1.4.8 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳方位的计算太阳方位的计算 利用前面的公式，太阳在天空的方位可由观察者所在的利用前面的公式，太阳在天空的方位可由观察者所在的位置和一天中的时间确定。位置和一天中的时间确定。Time and Date The time is given as 24 hour time and the minutes are entered sep

31、arately. Thus for 5:15 pm, enter 17 in the hour box and 15 in the minute box. Longitude, Latitude and Time Zone (GMT) To find the longitude, latitude and time zone of locations throughout the world, click here. Minutes of longitude and latitude are entered as fractions, so 17 30 becomes 17.5. Enter

32、locations with an east longitude as negative. For daylight saving (summer time), subtract 1 hour from the given values. Generally speaking, locations east of Greenwich (UK) are positive and locations west of Greenwich are negative. 1.4.8 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳方位的计算太阳方位的计算北京东经北京东经116.46度，北纬度，北纬 39.92 度度天津东

33、经天津东经117.17度，北纬度，北纬 39.17 度度上海东经上海东经121.40度，北纬度，北纬 31.12 度度例： 计算上海地区在冬至的日出、日落时角及全天日照时间。hhNoo98. 9/1582.742解: 上海的纬度 = 31.12 o ，冬至日的太阳赤纬= 23.45 o ，代入公式得 coss= tantan = tan31.12tan( 23.45) = 0.2619 上海地区在冬至的日出时角为 sr = 74.82 o 日落时角为 ss = 74.82 o全天日照时间： 入射到光伏组件上的能量不仅取决于太阳光所包含的入射到光伏组件上的能量不仅取决于太阳光所包含的能量，还受到

34、能量，还受到组件与太阳光的夹角组件与太阳光的夹角的大小的影响。当吸收表的大小的影响。当吸收表面与太阳光互相面与太阳光互相垂直垂直时，组件表面的功率强度便等于太阳光时，组件表面的功率强度便等于太阳光的功率强度（换句话说，当光伏组件与太阳光垂直时，其表的功率强度（换句话说，当光伏组件与太阳光垂直时，其表面的功率强度达到面的功率强度达到最大最大值）。然而，由于太阳光与固定组件值）。然而，由于太阳光与固定组件表面的夹角是不断改变的，固定光伏组件的功率强度也总是表面的夹角是不断改变的，固定光伏组件的功率强度也总是小于入射光的强度。小于入射光的强度。 入射到倾斜光伏组件的太阳辐射就是入射太阳光中垂入射到倾

35、斜光伏组件的太阳辐射就是入射太阳光中垂直组件表面的辐射成分。下面的图画展示了，当给出地平面直组件表面的辐射成分。下面的图画展示了，当给出地平面上的辐射强度（上的辐射强度（Shorizon）或垂直太阳光的平面的辐射强度）或垂直太阳光的平面的辐射强度（Sincident）时，如何计算入射到固定组件平面的辐射强度）时，如何计算入射到固定组件平面的辐射强度（Smodule）。）。32 1.4.9 地面太阳辐射地面太阳辐射 -在倾斜表面上的太阳辐射在倾斜表面上的太阳辐射 horizontalincidentmoduleincidentSSsin,SSsin2022-5-833 组件与入射光的角度组件与入

36、射光的角度发生倾斜会减小光伏组件发生倾斜会减小光伏组件的电流输出。的电流输出。Sincident、smodule、S horizontal之间的关系方程如下所示：之间的关系方程如下所示： 式中式中为高度角。为高度角。为组件平面相对于地平面的倾斜角。高度为组件平面相对于地平面的倾斜角。高度角的公式已由前面给出：角的公式已由前面给出：=90=90+ +- - 。 和和分别代表分别代表纬度和太阳偏向角，其公式也已在前面写出纬度和太阳偏向角，其公式也已在前面写出水平面水平面太阳太阳辐射辐射 1.4.9 地面太阳辐射地面太阳辐射 -在倾斜表面上的太阳辐射在倾斜表面上的太阳辐射d284365360sin4

37、5.23 由上面的方程可得出由上面的方程可得出Smodule与与Shorizontal的关系：的关系： sinsinSSlhorizontamodule2022-5-834 倾斜角度对入射到平面的太阳辐射有重要的影响。对于角度固定的光倾斜角度对入射到平面的太阳辐射有重要的影响。对于角度固定的光伏组件平面来说，伏组件平面来说，当倾斜角度等于当地的纬度时当倾斜角度等于当地的纬度时，它一整年获得的能量将，它一整年获得的能量将达到达到最大最大。然而，对于漫长的冬天来说，陡峭的倾斜角是更优的选择，相。然而，对于漫长的冬天来说，陡峭的倾斜角是更优的选择，相反的，平坦的倾斜角在夏天能获得更多的光线。反的，平

38、坦的倾斜角在夏天能获得更多的光线。 当组件平面的角度为当组件平面的角度为0时，组件获得的能量与地平面能量是相等的，时，组件获得的能量与地平面能量是相等的，因为此时组件是平躺在地面上的。当平面角度达到因为此时组件是平躺在地面上的。当平面角度达到80时，组件几乎是垂时，组件几乎是垂直放置的。此时组件能量小于入射光能量，除非组件平面垂直于太阳光线，直放置的。此时组件能量小于入射光能量，除非组件平面垂直于太阳光线，它们的值才相等。组件平面是朝向赤道的，所以在南半球的时候它是面向它们的值才相等。组件平面是朝向赤道的，所以在南半球的时候它是面向北方的，而在北半球则面向南方。北方的，而在北半球则面向南方。

39、1.4.9 地面太阳辐射地面太阳辐射 -在倾斜表面上的太阳辐射在倾斜表面上的太阳辐射 1.5.1 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐射测量太阳辐射测量 对于光伏系统设计来说，知道当地在不同时间的可利对于光伏系统设计来说，知道当地在不同时间的可利用辐射量是很有必要的。用辐射量是很有必要的。两个描述太阳辐射特征的常用方两个描述太阳辐射特征的常用方法是法是太阳辐射太阳辐射（或辐射）和（或辐射）和日照日照。太阳辐射是一个瞬时的。太阳辐射是一个瞬时的功率强度，以功率强度，以KW/m2为单位。一天中，太阳辐射的大小从为单位。一天中，太阳辐射的大小从晚上的晚上的0KW/m2到最大值约到最大值约1KW/m2之

40、间不断变化。太阳辐之间不断变化。太阳辐射主要取决于观测的位置和当地的天气。太阳辐射的测量射主要取决于观测的位置和当地的天气。太阳辐射的测量由周期性全天测量的总辐射或直射分量组成。测量工具为由周期性全天测量的总辐射或直射分量组成。测量工具为日射强度计（测量总辐射量）或太阳热量计（测量直射分日射强度计（测量总辐射量）或太阳热量计（测量直射分量）。在设施比较完善的地区，已经收集了超过量）。在设施比较完善的地区，已经收集了超过20年的这年的这类数据。类数据。2022-5-835 另一个测量太阳辐射的方法是使用另一个测量太阳辐射的方法是使用日照计日照计，此方法，此方法精精确率较低确率较低但是但是成本也成

41、本也相对相对较低较低。这种日照计（也叫坎贝尔斯。这种日照计（也叫坎贝尔斯托克斯日照计）能测量出一天中光线强度超过某一个水平托克斯日照计）能测量出一天中光线强度超过某一个水平（通常为（通常为200mW/cm2）的小时数。通过使测量出来的小时）的小时数。通过使测量出来的小时数与基于数学公式和几个纠正因子计算出来的小时数相比较，数与基于数学公式和几个纠正因子计算出来的小时数相比较，便可以得出日照度了。尽管太阳辐射是最常被测量的数据，便可以得出日照度了。尽管太阳辐射是最常被测量的数据，但是在光伏系统设计中更常使用的数据还是日照度。日照度但是在光伏系统设计中更常使用的数据还是日照度。日照度是指特定时间内

42、单位面积区域所接收到得总的太阳辐射量，是指特定时间内单位面积区域所接收到得总的太阳辐射量，通常以通常以KWhr/（m2 day）为单位。）为单位。 1.5.1 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐射测量太阳辐射测量 虽然日照度的单位与太阳辐射的单位都是功率强度虽然日照度的单位与太阳辐射的单位都是功率强度（因为日照度中的分子小时（因为日照度中的分子小时hr与分母与分母day同是时间单位），同是时间单位），但是日照度与太阳辐射还是很大不同的，日照度是在给但是日照度与太阳辐射还是很大不同的，日照度是在给定时间段里的平均太阳辐射强度。日照度常常使用在简定时间段里的平均太阳辐射强度。日照度常常使用在简单的

43、光伏系统设计中，而太阳辐射则在更为复杂的需要单的光伏系统设计中，而太阳辐射则在更为复杂的需要计算一天中每一时刻的情况的光伏系统中使用。日照度计算一天中每一时刻的情况的光伏系统中使用。日照度还可以用单位还可以用单位MJ/m2 /year 来表示。来表示。2022-5-837 1.5.1 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐射测量太阳辐射测量2022-5-838 特定位置的太阳辐射强度可以通过以下几种方式表示：特定位置的太阳辐射强度可以通过以下几种方式表示：1、某特定地区典型平均年照度、某特定地区典型平均年照度 2、平均每天、每月或每年的日照度、平均每天、每月或每年的日照度 3、一个月、一个季度或一

44、整年的全球等辐射线、一个月、一个季度或一整年的全球等辐射线 4、日照时数、日照时数 5、基于卫星云层覆盖数据的日照度、基于卫星云层覆盖数据的日照度 6、太阳辐射的计算、太阳辐射的计算 1.5.1 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐射测量太阳辐射测量 1.5.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析 最精确的太阳辐射数据是最精确的太阳辐射数据是通过高温计测量获通过高温计测量获得的，高温计固定在一个位置几年，通常大约十得的，高温计固定在一个位置几年，通常大约十年或者更久，每隔几分钟就测量一次直接辐射。年或者更久，每隔几分钟就测量一次直接辐射。然而然而，对于光伏系统设

45、计来说，用这种技术产生，对于光伏系统设计来说，用这种技术产生的数据量并不足以提供当地的全部信息。取而代的数据量并不足以提供当地的全部信息。取而代之的，是这些数据可以以其它的几种形式展现。之的，是这些数据可以以其它的几种形式展现。2022-5-839 在概念上最简单的方法就是算出测量期间的在概念上最简单的方法就是算出测量期间的数据平均数。这种数据形式叫平均每天、每月或数据平均数。这种数据形式叫平均每天、每月或每年辐射量。尽管这种数据对基本的系统设计有每年辐射量。尽管这种数据对基本的系统设计有用，却损失了太阳辐射的逐日变化。这种逐日变用，却损失了太阳辐射的逐日变化。这种逐日变化的损失是非常严重的，

46、因为（例如）每天辐射化的损失是非常严重的，因为（例如）每天辐射都是都是5KWhr/day的系统的设计和性能与那种有几的系统的设计和性能与那种有几天是天是8KWhr/day然后接着几天是然后接着几天是2KWhr/day的系的系统是有很大不同的。统是有很大不同的。 1.5.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析 1.5.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析典型气象年与每年的平均的太阳辐射数据的比较。典型气象年与每年的平均的太阳辐射数据的比较。典型气象年典型气象年平均辐射数据平均辐射数据 描述太阳辐射最常用的方式是典型气象年（描述

47、太阳辐射最常用的方式是典型气象年（TMY），），或者是由美国或者是由美国国家可再生能源实验室（国家可再生能源实验室（NREL）所使用的所使用的TMY2。TMY包含有每天数据的变化。包含有每天数据的变化。TMY数据将在下页详数据将在下页详细介绍。然而，平均太阳辐射数据，特别是一年中每个月的细介绍。然而，平均太阳辐射数据，特别是一年中每个月的的平均数据在粗略估计太阳能电池板安装数量是也是被广泛的平均数据在粗略估计太阳能电池板安装数量是也是被广泛使用的。使用的。 另外一个尽管较少见到但是非常有用的的数据是连续另外一个尽管较少见到但是非常有用的的数据是连续几天出现阴天的概率，它可由全年辐射数据得到的，

48、在这里，几天出现阴天的概率，它可由全年辐射数据得到的，在这里，阴天被定义为地面实际接收到的光线要少于理论光线接收值阴天被定义为地面实际接收到的光线要少于理论光线接收值的的50%的日子。的日子。2022-5-842 1.5.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析 例如，某个地区连续例如，某个地区连续4天出现阴天的概率为一年一天出现阴天的概率为一年一次，连续次，连续5天出现阴天的概率天出现阴天的概率5年一次。这些信息在估算年一次。这些信息在估算足够的必备条件的储存时是非常有用的。然而，一般来足够的必备条件的储存时是非常有用的。然而，一般来说这些信息是比较少考虑到的

49、，如果需要使用，必须通说这些信息是比较少考虑到的，如果需要使用，必须通过原始的数据集得到。描述当地天文气候时最常用的数过原始的数据集得到。描述当地天文气候时最常用的数据就是叫做典型气象年的数据（据就是叫做典型气象年的数据（TMY）。要测定）。要测定TMY数数据，必须获得几年中每隔一小时测量的气象变化结果，据，必须获得几年中每隔一小时测量的气象变化结果，然后制成一副当地气候的变化图表。单单每年数据的平然后制成一副当地气候的变化图表。单单每年数据的平均数还不能很好的看清气象的变化，所以人们选择月平均数还不能很好的看清气象的变化，所以人们选择月平均数以最大程度代表当地情况。整个月以及整个测量周均数以

50、最大程度代表当地情况。整个月以及整个测量周期的其它月平均辐射值被测算出来。期的其它月平均辐射值被测算出来。 1.5.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析 1.5.3 太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY） 如果有一年的各月的平均辐射值最接近于整个测量如果有一年的各月的平均辐射值最接近于整个测量周期的月平均值，那么这一年就被选为典型气象年周期的月平均值，那么这一年就被选为典型气象年（TMY），而这一年的每月气象数据也被叫做，而这一年的每月气象数据也被叫做TMY数据。数据。然后，这个过程在一年中的每个月都重复进行。然后，这个过程在一

51、年中的每个月都重复进行。 现实中没有严格标准的现实中没有严格标准的TMY数据所以使用者必须适数据所以使用者必须适当调整数据以符合应用。处理样本周期时必须相当谨慎。当调整数据以符合应用。处理样本周期时必须相当谨慎。下面将以澳大利亚墨尔本一月一号的原始下面将以澳大利亚墨尔本一月一号的原始TMY数据文件为数据文件为例：例： 2022-5-844日日小时小时总的辐总的辐照度照度X100mj/h/m2直射辐直射辐照度照度X100mj/h/m2温度温度x10C风速风速x10m/s湿球温湿球温度度x10C风向风向云量云量月月110013009900711200127109804011300118794040

52、1140010939004111500100086001116331061173961411171102601337106140118186311150101151401 1.5.3 太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY）日日小时小时总的辐总的辐照度照度X100mj/h/m2直射辐直射辐照度照度X100mj/h/m2温度温度x10C风速风速x10m/s湿球温湿球温度度x10C风向风向云量云量月月11031735121731511401111356353250016700011123813572721416612011133873622932716512011143

53、65359315411641201115324255314431641301116267348314451631301117198336313461621401 1.5.3 太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY）日日小时小时总的辐总的辐照度照度X100mj/h/m2直射辐直射辐照度照度X100mj/h/m2温度温度x10C风速风速x10m/s湿球温湿球温度度x10C风向风向云量云量月月1194414730029160150112021229421159150112100274261541501122002533114816011230023336143160112

54、400235361421601 1.5.3 太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY） TMY数据在气象应用领域被广泛使用，但是也有大量数据在气象应用领域被广泛使用，但是也有大量的数据与光伏应用是不相干的。在给出的参数中，通常只有的数据与光伏应用是不相干的。在给出的参数中，通常只有时间和光照度才被用到。然而，更先进的模型还用到了温度时间和光照度才被用到。然而，更先进的模型还用到了温度和风速。和风速。 前面表格中各个参数的意义为：前面表格中各个参数的意义为： 月指的是一年中的月份月指的是一年中的月份 日为一个月内的第几天。不是所有月份的天数都相等。日为一个月内的第几天。

55、不是所有月份的天数都相等。 小时指的是一天小时指的是一天24小时的第几小时，所以可以看出上面的表小时的第几小时，所以可以看出上面的表格包含了一整天的数据。数值一般为一个小时内的平均值，格包含了一整天的数据。数值一般为一个小时内的平均值，这里的一个小时由一个整时的前半小时和后半小时组成。因这里的一个小时由一个整时的前半小时和后半小时组成。因此上表的第一行的一个小时是指此上表的第一行的一个小时是指12：30am到到1：30am。 1.5.3 太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY） 总的辐照度是指在一个小时里入射到水平面的能量值。要总的辐照度是指在一个小时里入射到水平面

56、的能量值。要把上面的单位把上面的单位X100mj/hr/m2转化成光伏用的单位转化成光伏用的单位KW/m2，只需除以只需除以360。最大的光照度出现在正午，到了晚上大小将。最大的光照度出现在正午，到了晚上大小将降为降为0。 直射辐照度直射辐照度为直接垂直入射到组件平面上的太阳光线的辐为直接垂直入射到组件平面上的太阳光线的辐照度，它不包括分散光线。照度，它不包括分散光线。跟踪式聚集太阳能电池跟踪式聚集太阳能电池只面向只面向直射光线的入射方向。直射光线的入射方向。 温度和风速都是一个小时里的平均值。注意表格里的数值温度和风速都是一个小时里的平均值。注意表格里的数值都是都是x10倍之后得出的。倍之后

57、得出的。2022-5-849 1.5.3 太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY） 湿球温度湿球温度是指被湿纱布包裹着的温度计所显示的温度。是指被湿纱布包裹着的温度计所显示的温度。根据干燥程度和潮湿程度的不同，湿球温度有别于干球根据干燥程度和潮湿程度的不同，湿球温度有别于干球温度。这个数据通温度。这个数据通常不在光伏系统中应用常不在光伏系统中应用。 风向风向表示了风来自哪个方向，北用表示了风来自哪个方向，北用00表示，东用表示，东用04表示。表示。同样，这个数据同样，这个数据也不应用在光伏系统中也不应用在光伏系统中。 云量云量是指天空中云层覆盖的比例，一般使用目测。

58、它总是指天空中云层覆盖的比例，一般使用目测。它总共有共有9个层次，即个层次，即0代表没有云，代表没有云，8代表覆盖满了云层。但代表覆盖满了云层。但同样，同样，光伏系统中不使用光伏系统中不使用到它。到它。 2022-5-850 1.5.3 太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY） 另一个在光伏应用中经常用到的参数就是另一个在光伏应用中经常用到的参数就是分散辐射量分散辐射量。入射到地平面上的漫辐射量（入射到地平面上的漫辐射量（Dh）可以通过总的辐射量）可以通过总的辐射量（Gh）、直接辐射量（）、直接辐射量（It）和高度角（）和高度角（el）之间的方程获得：）之间的方程获

59、得： Dh=Gh-Itsin（el） 漫辐射并不是均匀的遍布天空的。举例说，环绕太阳周漫辐射并不是均匀的遍布天空的。举例说，环绕太阳周围的区域比天空中的其他区域要明亮得多。一个普遍使用的围的区域比天空中的其他区域要明亮得多。一个普遍使用的计算模型是佩雷斯模型，模型把天空分成围绕太阳部分、地计算模型是佩雷斯模型，模型把天空分成围绕太阳部分、地平圈部分和天空的其它部分。通过调整使得这些区域的大小平圈部分和天空的其它部分。通过调整使得这些区域的大小和这些区域的辐射强度接近于测量得到的辐射模型。和这些区域的辐射强度接近于测量得到的辐射模型。 1.5.3 太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型

60、气象年数据（TMY） 1.5.4 太阳辐射数据太阳辐射数据 -月平均太阳辐射月平均太阳辐射 尽管尽管典型气象年（典型气象年（TMY）数据被常常用在）数据被常常用在光伏系统仿真光伏系统仿真中，然而对于基本的系统分析来中，然而对于基本的系统分析来说，拥有当地特定月份的每天平均辐射量数据说，拥有当地特定月份的每天平均辐射量数据就足够了。这些数据有可能测量自地平面也有就足够了。这些数据有可能测量自地平面也有可能测量自与太阳光垂直的平面（相当于跟踪可能测量自与太阳光垂直的平面（相当于跟踪式太阳能系统）。无论是哪种情况，都需要加式太阳能系统）。无论是哪种情况，都需要加入一个关于入一个关于组件平面的倾斜角组