1.1　太阳辐照

太阳是一个不断进行氢核聚变的巨大球体，其能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应，每秒有6.57×1011kg的氢聚变成6.53×1011kg的氦，连续产生3.90×1023kW能量。这些能量以电磁波的形式、以3×105km/s的速度穿越太空，射向四面八方[1]。这种电磁波所包含的能量就是太阳辐照能。太阳的氢核聚变基本上是一个稳定的过程，其辐射到太空的总辐照量也基本上保持不变，根据日地距离即可以计算出地球每秒接收到的太阳辐照量。虽然地球每秒大概只接收到太阳总辐照量的二十二亿分之一，但这却是地球表层能量的主要来源。

1.1.1　太阳光谱

太阳辐照是由不同频率和波长的电磁波组成的，一般可根据电磁波的波长范围进行划分，如表1-1所示。

其中，可被人眼感知的太阳光称为可见光，它的波长范围只占整个太阳辐射出的电磁波中的一小部分，如表1-2所示。由于大气条件、海拔和人眼感知能力的不同，可见光的波长范围略有差异。

太阳辐照能量随波长的分布图称为太阳光谱。它包括了波长在10－3cm以下的宇宙射线和波长为105～1013μm的无线电波谱的绝大部分。虽然太阳光谱的范围很宽，但是其能量主要集中在紫外线、可见光和红外线这几个波段。图1-1所示为达到地球表面AM1.5下的太阳光谱在紫外线、可见光和远/近红外线中的能量密度分布，从图中可以看出，不同波段的能量密度不同。其中，能量密度在波长为0.475μm左右时出现峰值，且从峰值点向左（波长减小的方向），光波的能量急剧下降，而从峰值点往右（波长增加方向），光波的能量下降缓慢。

太阳电池在太阳辐照下通过光生伏特效应产生电流。对于太阳电池而言，不同波长的辐照光转换成电的能力不同，这种特性称为太阳电池的光谱特性。太阳电池并不能将每一种波长的光都转换成电流，能使主要商业化晶体硅太阳电池响应而产生电流的波长范围为320～1100nm[2]。

1.1.2　直射与散射

太阳辐照穿过地球大气层到达地面的过程中，其中以平行光的形式到达地面的太阳辐照称为太阳直接辐照（简称直射），受大气层中的分子和颗粒作用而产生反射和折射的太阳辐照称为太阳散射辐照（简称散射）。太阳直接辐照和散射辐照之和称为太阳总辐照[3]。与直接辐照不同，散射辐照在到达地面时并无特定方向，一般假定散射光是各向同性的。由于不同地区大气层中的分子和颗粒存在较大差异，在不同纬度、不同海拔和不同气候的地区，其总辐照及散射辐照所占的比例也存在较大差异。

1.1.3　影响地面接收太阳辐照的因素

自太阳表面辐射出的能量，穿过厚厚的大气层才到达地球表面[4]。这期间辐照光所受到的影响因素很多，主要包括日地距离、太阳赤纬角、大气成分、大气质量和大气透明度。

1.日地距离

地球绕太阳公转的轨道是椭圆形的，太阳位于椭圆两个焦点中的一个焦点上。从太阳表面辐射至地球表面的辐照能与日地距离的平方成反比。日地距离是时刻变化的，当地球处在远日点时，日地距离约为15 210万千米；当地球处在近日点时，日地距离约为14 710万千米。日地之间的平均距离约为149 597 870 km，在天文学上将其定义为1个天文单位（AU），并从1984年开始启用。日地距离时刻变化，到达地球大气层表面的辐照能也时刻变化。为了方便计算，在工程应用上定义了太阳常数。太阳常数是指在地球大气层外，太阳在单位时间内投射到距离太阳平均日地距离处，并且垂直于射线方向的单位面积上的全部辐照度。太阳常数是一个相对稳定的常数。但是由于受太阳黑子活动的影响，太阳常数会产生一定的变化，一年当中的变化幅度在1%以内。目前，太阳常数的大小被定为

注：此标准在1981年由世界气象组织（WMO）定义。

2.太阳赤纬角

地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面，地球的自转轴称为地轴。地轴与黄道面不垂直相交而是呈66.5°夹角，并且这个角度在公转中始终维持不变；正是由于地轴与黄道面有一个夹角，造成一天中时刻变化的太阳直射角度。通常将太阳直射到地球上的光线与地球赤道面的交角称为太阳赤纬角（）。在一年当中，太阳赤纬角每天都在变化，但不超过±23°27'的范围，夏季最大变化为夏至日的+23°27'，冬季最小变化为冬至日的-23°27'[5]。太阳赤纬角仅与一年中的某一天有关，而与地点无关。也就是说，同一天内地球上任何位置的太阳赤纬角都是一样的，其大小可按照库珀（Cooper）方程进行计算，即

式中，n——从1月1日开始计算的天数，例如在春分日n=81，则。

式（1-2）为近似计算公式，更精确的结果可以用以下公式来计算：

式中，d——自春分日起的第d天。

表1-3示出了各月每隔4日的太阳赤纬角，这些数值被广泛应用于相关计算中。

3.大气成分与大气质量

1）大气成分

在太阳辐照穿过地球大气层的过程中，一部分能量被反射回宇宙，另一部分被大气层吸收并转换为热量，还有一部分则被散射。表1-4示出了地球大气成分对太阳辐照的削弱作用。

在通过大气层之后，太阳总辐照不论在辐照量上还是在太阳光谱上，都发生了不同程度的削弱和变化。太阳辐照通过大气层后被减弱的程度主要取决于太阳辐照经过大气层的路程和大气层的透明程度。图1-2示出了大气层与太阳辐照的关系。

2）大气质量

大气对地球表面接收太阳光的影响程度被定义为大气质量，用AM表示。在标准状态下（气压为P=760mmHg，气温为0℃）下，选取太阳光垂直投射到地面单位截面积的空气柱的质量为1个大气质量数（m）[6]。因此，大气上界的大气质量数值为0；在标准状态下的海平面上大气质量数值为1。一般在其他位置，大气质量数值均大于1。在地面光伏应用中，统一规定大气质量数值为1.5，通常写作AM1.5。大气质量数值越大，说明光线经过大气的路径越长，太阳辐照在途中衰减得越多，到达地面的能量就越少。

大气质量数m与太阳高度角成反比，随着太阳高度角的增大而减小，特别是当太阳高度角较小的时候，m值的变化幅度较大，如图1-3所示。

不同太阳高度角对应的大气质量数如表1-5所示。

当太阳高度角为30°～90°时，地面上某一点的大气质量数可用下式计算：

式中，——太阳天顶角，；

P——当地大气压；

P0——海平面大气压。

式（1-4）是从三角函数关系推导出来的，忽略了折射和地面曲率等因素的影响，当＜30°时会产生较大误差。因此，在具体的光伏系统工程计算中，可采用下式计算：

4.大气透明度

大气透明度是一个表示大气对太阳光线透过程度的参数，用透过光强与总入射光的比值来表示[7]。影响大气透明度大小的因素有水汽、微尘、云雾和海拔等。根据布格尔-兰伯特（Bouguer-Lambert）定律，到达地面的太阳辐照量I为

式中，m——大气质量数；

——大气透明度；

——到达地球大气层外表面的太阳总辐照量。

由于大气透明度小于等于1，而大气质量数一般大于1，因此到达地面的太阳辐照度随着大气透明度的增加而增大，随着大气质量数的增大而减小。