3.3 捕获太阳辐射量
根据3.2节中的说明，一个地点接收的辐射量（能量）取决于位置（特别是纬度）、天气和一年中的时间。总辐射量以一天内水平面，如地面接收的辐射量测量。但是，一天中大部分时间太阳都不在头顶。因此，通过定位一个平面，例如一个太阳能电池组件，使其直接面向太阳，增加到达该表面的能量。该概念的说明见3.3.1节中。
为了能够使表面直接面向太阳，需了解太阳在全天和全年中位置如何变化。3.3.2节对至日、昼夜平分点、高度和方位概念进行了说明，确定给定纬度下的太阳高度所需计算见3.3.3节，太阳路径图的说明见3.3.4节。
理解了太阳的位置后，可以计算太阳能组件的最佳倾斜角和方向，以最大化接收的辐射量，如3.3.5节所述。
对于涉及罗盘方向的计算，如定向光伏组件，必须了解磁北和真北之间的差异。相关说明见3.3.6节。
3.3.1 几何效应（倾斜角和方向）
由于地球的旋转轨迹，太阳相对于地球上特定位置的全天和全年均会变化。这意味着地球表面接收太阳辐射的角度全天和全年也会变化。表面相对于该角度的方向和倾斜角影响了该表面接收的太阳辐射的量。
设想两块平板太阳能电池组件，组件A和组件B，每块面积为1m2。组件A倾斜角度（β），以使其在太阳不在头顶时直接面向太阳（图3.6）。太阳的光线因此垂直于组件A，并且在本实例中，组件接收了8条太阳光线。而组件B水平放置于地球表面（即角度β=0°），因此光线以一个角度接触组件B，并且在这个例子中，仅捕获6条光线。
图3.6 倾斜角对太阳不在头顶时捕获的太阳辐射量的影响
反之，如果太阳在头顶，则水平组件垂直于太阳光线，因此捕获到的光线比倾斜组件要多（图3.7）。
图3.7 倾斜角对太阳在头顶时捕获的太阳辐射量的影响
从这一点可以看出，垂直于太阳的光伏组件接收的太阳辐射最多。对于直接面向太阳的组件，组件的倾斜角和罗盘方向均需考虑到。
3.3.2 确定太阳的位置
为了能够面向光伏组件，使得其接收最多的太阳辐射，必须确定太阳在全天和全年的位置。
知识点
除非光伏组件全天和全年跟随太阳移动，否则需要以能在一年中接收尽可能多的太阳辐射的方式定位。
白天，太阳在天空中有一个明显的路径；始于东方，且位置低，正午上升到最高点，然后在西方沉落。白天太阳相对于地球的位置的明显变化是由地球的每日旋转（图3.8）引起的。
一天中太阳的位置相对于某个特定位置全年都在改变。这是由于地球倾斜和围绕太阳的轨迹（从而形成了一年四季）所致（图3.9）。
图3.8 根据地球自转太阳东升西落
定义
正午是一天中太阳在日出与日落之间正好一半时的时间，即当太阳处于当日最高点时。
注意
越接近赤道的地区，其夏季和冬季之间的差异就越小。这是因为随着地球环绕太阳运行，赤道相对于太阳的位置几乎没有变化。
图3.9 地球围绕太阳的轨迹
倾斜接近太阳的半球会经历夏季气候，其特点是白天日照时间较长，太阳在天空运行较高。南半球是12月左右，而北半球是6月左右。
倾斜远离太阳的半球将经历冬季气候，其特征是白天日照时间较短，太阳在天空运行较低。南半球大概是6月左右，而北半球是12月左右。
除了围绕太阳转动，加上地球的倾斜，产生了不同的季节，导致太阳看起来在天空中自北向南运动。
1.至点和分点
图3.10 南半球对于回归线以外的地区（夏至时太阳沿着最高路径运动，冬至时沿着最低路径运动）
夏至和冬至分别发生在夏季和冬季的顶点（图3.10），分别为一年中地球每个半球最大限度地倾向于或远离太阳的时间。至点为每年6月21日（夏至）和12月21日（冬至）（日期根据年份而不同，见表3.2）左右。6月21日是南半球的冬至，北半球的夏至，12月21日是南半球的夏至，北半球的冬至。
南半球夏至（即12月或南部至日）时，正午太阳将直射南回归线（23.45°S）（图3.11）。这对应北半球的冬至。北半球夏至（即6月或北部至日）时，正午太阳将直射北回归线（23.45°N）。这对应南半球的冬至（图3.11）。对于回归线以外的地区，夏至是太阳到达天空最高点的时间，得到最长光照日，冬至则是太阳到达天空最低点的时间，得到最短光照日。
分点发生在太阳直射赤道时（图3.11）。一年中有两次分点，约为3月20日和9月23日。在分点时，南、北半球等角度面向太阳。
表3.2 2015—2020年地球上至点和分点的日期（来源：美国海军天文台数据）
图3.11（a）中南部至点是南半球的夏至，此时太阳直射南回归线；图3.11（b）中分点是太阳直射赤道时；一年有两次分点，这是南半球的秋分；图3.11（c）中北部至点是南半球的冬至，此时太阳直射北回归线；图3.11（d）中其他分点，南半球春分是指太阳直射赤道时。
知识点
“Solstice（至点）”一词来源于拉丁文sol（太阳）和sistere（保持直立），因为在至点，太阳在逆向运动之前会停下来（从地球上看）。
“equinox（分点）”来源于拉丁文aequus nox（日夜等分）。
图3.11 在地球围绕太阳运动时会出现至点和分点
知识点
北回归线是地球在夏至期间最接近太阳的纬度。
南回归线是地球在冬至期间最接近太阳的纬度。
回归线是北回归线和南回归线之间的纬度。
北极圈和南极圈是分别靠近北极和南极，且冬季经历24h黑夜和夏季经历24h白昼的纬度。
注意
由于公历（Gregorian Calendar）不完成匹配地球绕太阳路径的时间，至点和分点的日期与时间会随时间变化（表3.2）。
2.高度角和方位角
为了描述太阳相对于某个地区的位置，要用两个角度：高度角和方位角（图3.12）。
（1）高度角（alt）是指太阳和水平面（即地平线或地面）之间的垂直角，且总是在0°和90°之间。事实上是指太阳在天空中的高度，由于地球的自然倾斜，该高度在夏季较高，冬季较低。对于回归线以外的那些南半球地区，除了夏天黎明和黄昏时间，太阳总是在天空北部。在南半球的回归线内，太阳在夏季的部分时间可以全天在天空南部。
图3.12 太阳的高度角和方位角的视觉表征方位
（2）方位角（azm）定义了太阳的方向。太阳辐射的方位角是距正北的顺时针测量：正北为0°，东为90°，南为180°，西为270°。
从图3.12看出，高度角代表太阳的高度，是地平线和太阳的夹角；方位角测量的是随着太阳在一天中自东向西移动的位置距北的水平角。
定义
高度角是太阳距地平线的高度。
方位角是太阳的东西向位置。太阳能行业标准表示了距真北（0°～360°）的顺时针方位角；然而，方位角也可和方向（以东或以西）一同引用，（即0°～180°以东或0°～180°以西）。
知识点
北回归线和南回归线的纬度等于地球的倾斜角（23.45°）。
这就是为什么太阳在夏至（其半球向太阳倾斜）正午时直射每个回归线。
实例
表3.3载有新南威尔士州悉尼冬季（6月）和夏季（12月）全天太阳平均高度角和方位角的变化。根据这些数据，可确定正午发生的时间；即太阳在最高高度（在日出与日落之间）的时间。在澳大利亚，该时间通常在上午11：00和下午13：00之间。
表3.3 悉尼6月和12月的高度角和方位角（使用美国东部时间）
[来源：NASA兰利研究中心的大气科学数据中心由NASA兰利研究中心发电项目支持的表面气象和太阳能（SSE）门户网站]
续表
3.3.3 计算特定纬度下的太阳高度角
计算太阳在特定地点纬度下的高度角对于确定光伏组件的倾斜角和确定避免遮挡的合理安装位置是非常重要的。
某个地区的纬度是识别该地区在地球上的南北位置的角度，无论在赤道以北或以南，均介于0°和90°之间。北回归线和南回归线分别位于南纬23.45°以北和北纬23.45°以南。太阳在各至点之间有效地从直射一个回归线移动到直射另一个回归线。因此，太阳在任何地区在正午时的高度角变化为该角度的两倍，即46.90°。
1.太阳在分点期间的高度角
图3.13 计算太阳在分点的高度角
对于回归线以外的地区，分点是当太阳在赤道上空并在其最高点和最低点之间的时间。对于在赤道上的地区，分点是正午当太阳直接在头顶上的时间。
计算太阳在分点时在指定纬度下的高度角的公式（altEQ）（图3.13）为
2.至点期间太阳高度角
针对回归线以外的指定纬度，计算太阳在至点期间在北回归线或南回归线上方时太阳的高度角的公式（altS）（图3.14）为
图3.14 计算太阳在冬至和夏至的高度角
加减取决于是夏至还是冬至。如是夏至，加上23.45°，冬至则减去23.45°。请记住，南半球夏至约为12月21日和冬至约为6月21日，和北半球相反。该公式给出的高度角是面向赤道，由于太阳在回归线以外在正午时总是朝向赤道（南半球朝北和北半球朝南）。
实例
悉尼的纬度为33.9°S。因此，太阳在分点和至点的高度角如下：
（1）分点
图3.15 悉尼全年太阳高度角
（2）冬至（6月或北部至点）
（3）夏至（12月或南部至点）
由于悉尼是在南半球，不在回归线上，太阳在正午时总是在北部天空中，由N表示。太阳永远不会在头顶上方；夏至最大的太阳高度角是79.55°（图3.15）。
知识点
纬度通常表示为以南或以北的度数。然而，也可以表示为度、分和秒。在该方法中，每度（°）被分为60分（'），每分被分为60秒（″）。有很多网络计算器可在两种格式之间迅速换算。
在南回归线和北回归线上，太阳在分点和它们各自的夏至期间会在头顶上方。对于回归线以内的地区，太阳一年中有两次在正午时会在头顶上方。在南回归线内，太阳在一年中部分时间将穿过北部天空到达南部天空，然后再回穿；同样的情形以相反的顺序发生在北回归线内。南回归线内的地区见表3.4。
表3.4 南回归线内地区太阳在至点期间的高度角以及太阳穿过南部天空的时间
对于回归线内的地区，当太阳与该地区处于同一半球时（例如，某个地区在南部回归线内，太阳在南部天空内），高度角公式会给出一个90°以上的值，因为高度角公式是为了面向赤道。在这些情况下，已知角应减去180°且太阳的罗盘方向应相反。
实例
达尔文的纬度为12.46°S，在南回归线以内。
因此，太阳在分点和至点期间的高度角如下（图3.16）：
图3.16 达尔文在分点和至点的太阳高度角
（1）分点
（2）冬至（6月）
（3）夏至（12月）
可见，12月夏至角（南部至点）为90°以上。这是因为太阳已经进入南部天空。在澳大利亚达尔文，太阳于10月26日左右进入南部天空，并于2月16日左右回到北部天空。要调整位于南部天空的太阳，高度角应减去180°并颠倒方向。
要点
回归线内的地区在一年中某个时间在北部和南部天空都会有自己的正午太阳。在评估遮光源时记住这一点至关重要。
3.3.4 太阳路径图
特定地区的太阳在天空中的路径可绘于太阳路径图内的二维表面上。该图可用于确定太阳在一年中的任何一天的任何时间在天空中的位置。
存在两种不同的投影：圆柱投影和极投影；光伏行业中使用的最常见的形式是极投影，被称为立体投影（图3.17）。
图3.17 澳大利亚首都领地堪培拉（35°S）的太阳路径图实例
图3.17中横向的线是太阳路径线，表示指定日期和时间太阳的路径（与纵向时间线相交之处）。注意，由于该地区在回归线以外，尽管太阳在一天中的其他时间是在南部天空，但在正午时从未在南部天空中。太阳的位置可用日期和时间线的交点来计算。例如，9月23日下午3时，太阳方位角将为300°（或60°W；通过从中心向外绘制一条线得到），纬度约为33°N（匹配同心圆）。
立体投影太阳路径图的组成如下：
（1）方位角。在圆的圆周上表示。有些图被标记为相对于真北0°～360°，而其他的图仅标有罗盘方向。
（2）高度角，用同心圆来表示。
（3）太阳在一年中不同的日期自东向西的路径线。
（4）日界线穿越太阳路径线的时间。
（5）太阳路径图相关的纬度。
太阳路径图可用于计算太阳的位置，从而确定特定地点的遮光量，以及一年中发生该遮光的时间。重要的是要记住，所有纬度的太阳路径图不同。给定纬度带（如10°S～14°S）有特定的太阳路径图。
3.3.5 为获得最高性能定位太阳组件
根据3.3.1节的说明，一个平面（例如太阳能组件）如果直接面向太阳将接收最大的太阳辐射。要将一个组件总是直接面向太阳定位需要一个跟踪框架，以使组件随着太阳移动，跟踪器是一个昂贵的安装方案。以全年在一个固定、静止的位置平均接收最大的太阳辐射的方式定位一个太阳能组件通常更具有成本效益（对于并网光伏发电系统）。
要做到这一点，组件应面向赤道（即南半球正北，北半球正南），这样假定没有意外遮光，它们可全天接收阳光直射（图3.18）。
图3.18 光伏组件面向不同接收阳光不同
光伏组件面向赤道时，全天接收阳光直射。组件面朝东时，只在上午接收阳光直射；朝西时，只在下午接收阳光直射。
定义
4个基本方向（或基本点）是北、东、南、西方向。
组件也应倾斜，以使其在分点（即太阳高度在北部和南部至点之间时）在正午时直接面向太阳。计算组件倾斜角的公式计算为
图3.19 光伏组件接收最多太阳辐射情况
由于最佳组件性能需要获得分点的太阳高度角，因此公式变为
实际上这意味着，如果光伏组件的倾斜角等于该地点的纬度，光伏组件将接收一年中最多的太阳辐射（图3.19）。
根据太阳在分点期间正午时的高度角，太阳能组件的最佳倾斜角等于该地点的纬度，但取相反的基本方向。
实例
霍巴特（纬度42°S）的最佳组件倾斜角是多少？
解答：
对于回归线内的地区，太阳可在天空的北部或南部。然而，太阳主要是在一个半球。因此，组件应面向该方向。对于非常接近赤道的安装，组件如果水平放置可接收最大的太阳辐射。但如第8章中的说明，组件的最小倾斜角应为10°，以使落在其上的任何杂物（例如落叶、泥土等）可通过雨水冲掉。
通过定位组件，使其在分点在正午时直接面向太阳，组件将接收全年平均可接收的最大太阳辐射。夏季接收的太阳辐射会有一些损失，这是因为太阳在天空中的位置较高，但这将由冬季当太阳在天空中位置较低时接收的显著增多的辐射抵消，如图3.20和图3.21所示。
实例
巴布亚新几内亚的首都莫尔兹比港（纬度9.51°S）的最佳组件倾斜角是多少？
解答：
最佳倾斜角为9.51°朝北。然而，考虑到自清洁，组件应倾斜10°（允许自清洁的最小角度）。在莫尔兹比港，太阳从约10月17日至次年2月24日将在南部天空。不过，由于太阳在一年中大部分时间都会在北部天空，因此组件面向北方时的年产量会比朝向南方更多。
图3.20中，最佳倾斜角为30.73°，但在本实例中，最接近的选择是30°。请注意，较平坦的倾斜角导致夏季接收的辐射较多，冬季较少，较大的倾斜角会导致冬季接收的辐射较多，夏季较少。
图3.20 澳大利亚西澳大利亚州福雷斯特（30.73°S）在不同倾斜角下在一个表面上接收的太阳辐射量（全部朝向正北）
（来源：澳大利亚太阳辐射资料手册）
图3.21 澳大利亚西澳大利亚州福雷斯特在一个具有不同倾斜角的平面上接收的年均辐射量（全部面向正北）
（来源：澳大利亚太阳辐射数据手册）
重要的是要记住，可能有充分理由不使用组件最佳倾斜角和/或方位角，如不利的具体地点条件和某些消费者需求。例如，如果某个地点以东的高层建筑上午阻挡了太阳的视野，组件直接面向赤道很可能导致阵列接收的辐射比组件面向西方接收的辐射要少。这一点在第11章有进一步探讨，但选择忽略理论最佳倾斜角和方位角的其他理由包括夏季需要一个更高的输出，以抵消空调负荷，没有足够的朝北的组件安装空间，和因美观或成本原因，希望以与屋顶相同的角度倾斜组件。
太阳辐射数据源，如AUSOLRAD和澳大利亚太阳辐射数据手册，可用于计算不同倾斜角和方位角对组件接收的太阳辐射的量的影响。
参考来源
AUSOLRAD是使用澳大利亚太阳辐射数据手册数据的计算机程序。其为多个澳大利亚城市提供了组件倾斜角和方位角各可能组合的太阳数据，以及选择不同的地面反射率值的太阳数据。
实例
澳大利亚太阳辐射数据手册为澳大利亚一系列地区提供了太阳辐射数据。这些数据包括一年中不同倾斜和方位下的日平均辐射，表3.5中的澳大利亚蓝山。从而能够计算确定以不同于最佳值的倾斜角和/或方位角定位组件产生的发电量的预计减少量。
表3.5 蓝山不同倾斜和方向的倾斜面上的全年平均日总辐射
（来源：澳大利亚太阳辐射资料手册）
续表
请注意，最佳位置为30°～40°倾斜角，面向正北±10°。
问题：
蓝山设计人员需要在将组件以10°倾斜角放置在朝北的屋顶上和将其以30°倾斜角放置在朝东（即北90°）的屋顶上之间作出选择。根据表3.5，什么阵列配置将获得最高年辐射？
解答：
以10°倾斜角放置在朝北的屋顶上：
以30°倾斜角放置在朝东的屋顶上：
因此，屋顶北面的组件接收的太阳辐射更多，即使它们的倾斜角不是最佳。
3.3.6 磁北和正北
对于涉及罗盘方向的任何计算和设计，了解磁北与正北之间的区别以及磁偏角（图3.22）的含义至关重要。
（1）磁北是罗盘在任何给定地点指向的方向，即指向北磁极。磁北随时间缓慢变化。
（2）正北（或地理北）是地球上的一个点沿地球表面到北极的方向。
（3）磁偏角（或磁偏差）是磁北与正北之间的差异。
太阳能组件必须使用正北定位。因此需要考虑罗盘所指的北方与正北之间的偏角（偏差）。否则组件可能无法正确定位以获得最佳发电量。
图3.22 真北、磁北和磁偏角
实例
图3.23 悉尼正北与磁北之间的磁偏角
在新南威尔士州悉尼，磁偏角约为13°以东。这意味着，正北约为磁北偏西13°，如罗盘所示（图3.23）。
知识点
磁偏角可以随时间缓慢变化，且变化速率根据该地点距两极的远近而不同。对于一些远离两极的地区，每50年可能会改变1°，而靠近两极的其他地区，可能会每隔几年改变1°。
磁北与正北之间的磁偏角根据地点而有所不同（图3.24）。因此，确定安装并网光伏系统的地点的磁偏角很重要。
图3.24 澳大利亚和南极的磁偏角（塔斯马尼亚岛的磁偏角约为东14°，珀斯的磁偏角约为西4°）
（来源：美国国家海洋和大气管理局/国家地球物理数据中心与环境科学协作研究所）