3.1　太阳辐射的来源

太阳的太阳辐射穿过地球大气层到达地球。这种辐射是由一系列波长组成，光伏电池只能将特定波长转化为电能。

随着太阳能辐射穿过地球大气层，其受3个主要因素影响。

（1）空气中的气体，吸收不同的波长，影响了太阳辐射光谱（3.1.1节）。

（2）反射和散射（反照），产生了散射辐射和直接辐射的不同测量（3.1.2节）。

（3）太阳辐射穿过的大气的量，被称为空气质量，影响了上述效果（3.1.3节）。

定义

反射是反射光通过大气中的气体散射回太空。

散射辐射是仍到达地球表面的分散辐射。

直接辐射是直接穿过大气层到地球表面的辐射。

3.1.1　太阳辐射光谱

来自太阳的能量以约1.367kW/m2的峰值到达地球大气层顶部，该值被称为太阳常数（GSC）。该辐射以一系列不同波长从太阳发出，大部分落入紫外线（UV）、可见光和红外波段（以能量和波长递减的顺序排列）。光伏应用主要使用可见光系列。

随着太阳辐射光谱穿过大气层，能量被大气中的气体吸收或反射，留在地球表面的是已变辐射光谱（图3.1）。尤其是大气中的臭氧（O3）、氧（O2）、水（H2O）蒸气和二氧化碳（CO2）几乎完全吸收一些波长。

知识点

臭氧是大气中吸收紫外线，保护地球上的生命免受其有害影响的气体。

图3.1中，吸收某些光谱的气体被标记其中（图3.1中加粗）。注意，海平面辐射随着这些气体的吸收而明显减少。

3.1.2　反射效应、散射辐射和直接辐射

和太阳辐射穿过大气层时改变太阳辐射光谱一样，光通过气体反射和散射减少了到达地球表面的太阳辐射的量（图3.2）。这可以用3个术语，即反射效应、散射辐射和直接辐射来描述：

（1）反射效应。从地球大气层反射的一部分入射太阳辐射的散射。举个例子，有大量冰雪的地区具有较高的反射率。反射的能量被称为大气反射率。

（2）散射辐射。进入大气层的太阳辐射中，有些在到达地球表面之前就在大气层内分散了（或吸收和重发）。这种分散辐射被称为散射辐射，通常不如直接辐射强烈。阳光明媚时，只能提供约10%的可见光。

（3）直接辐射。太阳辐射的其余部分，占进入大气层直接到达地球表面的总量的很大比例，被称为直接辐射。这种辐射比散射辐射更强烈。

3.1.3　空气质量

空气质量（AM）是太阳辐射在接触地球表面之前必须穿过的大气的量。上午和下午，太阳角度较低，因此太阳的光线比太阳当头时（正午）穿过的大气要多。因此，上午和下午的空气质量大于正午的空气质量。

定义

空气质量是太阳辐射在接触地球表面之前必须穿过的大气的量。

空气质量大导致到达地球表面的太阳辐射较少，因为大气吸收、反射和散射了太阳辐射。

空气质量定义为

计算空气质量实例如图3.3所示。

其中，θ为太阳与头顶某点连线之间的角度。地球大气之外，空气质量被称为空气质量零（AM 0）。AM 1相当于太阳正当头。

3.1.4　到达地球表面的太阳辐射

太阳常数，是地球大气层顶部太阳辐射的量，约为1.367kW/m2。考虑到吸收、反射和散射的影响，晴天在AM 1（即太阳正当头）时海平面太阳辐射量约为1kW/m2，该值被称为海平面峰值。

根据现场条件，1kW/m2的峰值可能不是一个可实现的数值。污染和云层等因素会影响到达某个场地的太阳辐射的等级。对于“平均”太阳辐射计算而言，0.8kW/m2可能是一个更为实际的估计值；该值被称为标称值。这些值的汇总见表3.1。