第二讲 太阳光特性

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。
1、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：
第二讲 太阳光的特性
2.1、太阳光
太阳是一个通过其中心的核聚变 反应产生热量的气体球。其内部温度 高2×107k。内部强烈的辐射被靠近 太阳表面的一层氢离子所吸收，能量 以对流的形式穿透通过这层光阻，然 后在太阳的外表面的光球层重新向外 辐射。这个辐射强度接近于温度为 6000K的黑体辐射（一个物体被加 热后，开始发光，发出电池辐射）。
1 AM cos
公式基于对 均匀折射的大气 层的假设。
当θ=0度时，大气光学质量等于1或 称AM1，当θ=60时，则是大气光学质 量是2或AM2的情况。AM1.5（相当于 太阳光和垂线方向成48.2度角）为光伏 业界的标准。 任何地点的大气光学质量可以由下列 公式估算：
s AM 1 h
2.5 太阳的视运动
“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。左图 将展示这种太阳视运动：
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cos（θ），其中θ为太阳光与器件平面 之间的夹角。
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。
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：
I D 1.353 0.7

AM 0.678

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。
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:
I G 1.1 I D
2.4 直接辐射和漫射 太阳光穿过大气层到达地球表面时， 太阳光被减少或消弱了大约30%,其影 响因素如下： （1）由大气吸收absorb（氧气、臭 氧、水蒸气、二氧化碳）、散射 scattered和反射（烟雾、尘埃粒子）引 起的太阳辐射能量的减少。
（2）由于大气对某些波长的较为强烈地 吸收和散射而导致光谱含量的变化。 （3）分散的或间接的光谱组合被引入到 太阳辐射中。 （4）当地大气层的变化引起入射光能量、 光谱和方向的额外改变。
典型的晴空 时，大气对入射 太阳光的吸收和 散射。
红光的波长大于 多数的粒子线度， 不会受影响
蓝光的波长与大气中 粒子线度相当，所以 被强烈散射
衡量太阳辐射能量的大小，科学家 确定了一个度量太阳辐射强度的单位— —辐射强度。 物理意义：在单位时间内，垂直投 射在地球某一单位面积上的太阳辐射能 量，通常用W/m2 表示，在阳光充足的 白天投射到地球上的辐射强度大约为 1000 W/m2 。
当天空晴朗，太阳在头顶直射且阳光在 大气中经过的光程最短时，到达地球表面 的太阳辐射最强。如下图所示，这个光程 可用1/cos θ近似, θ是太阳光和本地垂线 的夹角。 这个光程一般被定义为太阳辐射到达地 球表面必须经过的大长度。 由勾股定理便得到此公 式。
上述关于大气质量的计算是以假定 大气层是一个平面层为前提的，但是由 于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：
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。
1 AM 1..36364 （96.07995 ） cos 0.50572
2.3 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。
核聚变能：
由两个或两个以上氢原 子核（如氢的同位素—氘 和氚）结合成一个较重的 原子核，同时发生质量亏 损释放出巨大能量的反应 叫做核聚变反应，其释放 出的能量称为核聚变能。
核聚变示意图
2.2 太阳辐射
通常指太阳向周围空间发射的电 磁波能量及粒子流 。 虽然太阳的表面辐射水平几乎恒 定，但是当到达地球表面时，太阳光 受地球大气层的吸收和散射作用的影 响强烈，因而成为变量。