1.3 太阳能辐射量获取
1.3.1 太阳能辐射量组成
【任务说明】
太阳辐射到达地球要经过遥远的旅程，并且还会遇到各种阻拦，受到各种影响。掌握太阳能辐射量的组成是计算和测量太阳能资源的首要条件。
【任务实施】
1.太阳辐射光谱
太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱，如图1-6所示。从图中可看出，大气上界太阳光谱能量分布曲线，与用普朗克黑体辐射公式计算出的6000K的黑体光谱能量分布曲线非常相似，因此可以把太阳辐射看作黑体辐射。太阳是一个炽热的气体球，其表面温度约为6000K，内部温度更高。根据维恩位移定律可以计算出太阳辐射峰值的波长λmax为0.475μm，这个波长在可见光的青光部分。太阳辐射主要集中在可见光部分（0.4～0.76μm），波长大于可见光的红外线（>0.76μm）和小于可见光的紫外线（<0.4μm）的部分少。在全部辐射能中，波长在0.15～4μm之间的占99%以上，且主要分布在可见光区和红外线区，前者占太阳辐射总能量的约50%，后者占约43%，紫外线区的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。
图1-6 大气上界和地面的太阳辐射光谱
2.影响地球表面太阳能辐射度的因素
（1）太阳高度角
太阳高度角是指在地球上的某个点太阳光入射方向和地平面之间的夹角，即某地太阳光线与该地作垂直于地心的地标切线的夹角，简称太阳高度角。
由于地球大气层对太阳辐射有吸收、反射和散射的作用。因此，红外线、可见光和紫外线在光射线中所占的比例也随着太阳高度角的变化而变化。
一天中，太阳高度角是不断变化的；同时，在一年中也是不断变化的。对于某处地平面来说，太阳高度角较小时，光线穿过大气层的路程较长，辐射能衰减得就较多。同时，又因为光线以较小的角度投射到该地平面上，所以到达地平面的能量就更少了。反之，则较多。
（2）大气质量
太阳辐射受到衰减作用的大小，与太阳辐射穿过大气路程的长短有关。路程越长，能量损失就越多；路程越短，能量损失越少。大气质量就是太阳辐射通过大气层的无量纲路程，将其定义为太阳光通过大气层的路径与太阳光在天顶方向时射向地面的路径之比。令海平面上太阳光垂直入射路径为1，即无量纲路程为m=1，大气质量与太阳高度角的关系如表1-4所示。
表1-4 大气质量与太阳高度角的关系
（3）大气透明度
在大气层上界与光线垂直的平面上，太阳辐射度基本上是一个常数。但是在地球表面上，太阳辐射度却是经常变化的。这主要是由大气透明程度不同所引起的。大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数。在晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射能就多。天空云雾很多或风沙灰尘很大时，大气透明度很低，到达地面的太阳辐射能就较少。可见，大气透明度是与天空中云量的多少以及大气中所含灰尘等杂质的多少密切相关的。表1-5为不同太阳高度角和大气透明度下的太阳直接辐射度。
表1-5 不同太阳高度角和大气透明度下的太阳直接辐射度
（4）地球纬度
太阳辐射量是由低纬度向高纬度逐渐减弱的。假定不同纬度地区的大气透明度是相同的，在这样的条件下进行比较，如图1-7所示，春分中午时刻的太阳垂直照射到地球赤道3点上，假设同一经度上有另外两点B、D，且B点纬度比D点纬度高。阳光射到B点所需经过大气层的路程AB比阳光射到D点所经过大气层的路程CD长。所以B点的垂直辐射量比D点小。在赤道3点垂直辐射量很大，因为阳光在大气层中经过的路程E3最短。
图1-7 太阳垂直辐射量与地球纬度的关系
（5）日照时间
日照时间也是影响地面太阳辐射度的一个重要因素。如果某地区某日白天有14h，其中阴天时间≥6h，而出太阳的时间≤8h，那么，该地区这一天的日照时间是8h。日照时间越长，地面所获得的太阳总辐射量就越多。
（6）海拔高度
海拔越高，大气透明度越好，太阳的直接辐射量也就越高。我国青藏高原地区，由于平均海拔高达4000m以上，且大气洁净、空气干燥、纬度又低，因此太阳总辐射量多介于6000～8000MJ/m2，直接辐射比重大。
此外，日地距离、地形、地势等对太阳辐射度也有一定影响。例如，在同一纬度上，盆地气温要比平原高，阳坡气温要比阴坡高等。
3.太阳辐射在大气中的衰减
太阳辐射通过大气层后到达地球表面。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的辐射不能完全到达地面。图1-8所示为太阳辐射通过大气层被吸收、散射、反射后到达地面的太阳辐射示意图。
图1-8 太阳辐射示意图
4.直散分离原理
大地表面（包括水平面）和太阳能电池方阵面（倾斜面）上接收到的辐射量均符合直散分离原理，即总辐射量等于直接辐射、散射辐射和地面反射辐射之和。只不过大地表面接收到的辐射量没有地面反射分量，而太阳能电池方阵面上所接收到的辐射量包括地面反射分量。即
QT=ST+DT+RT
式中，QT为倾斜面接收到的总辐射量；ST为倾斜面接收到的直接辐射量；DT为倾斜面接收到的散射辐射量；RT为倾斜面接收到的地面反射量。
1.3.2 太阳能辐射量测量
【任务说明】
太阳能的辐射量直接影响光伏发电系统的发电量。用于测量太阳能辐射量的仪表有直接辐射表、总辐射表、地球辐射表等。通过太阳能辐射测量仪表的使用，要求掌握太阳能辐射量测量的方法。
【任务实施】
1.总辐射表测量
总辐射表是用来测量太阳光的水平辐射量。总辐射表采用的是热电效应原理，感应元件为绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面上，而冷接点则位于机体内，冷热接点产生温差电势。在线性范围内，输出信号与太阳辐射度成正比。为减小温度的影响配有温度补偿线路；为防止环境对其性能的影响，用两层石英玻璃罩，石英玻璃罩是经过精密的光学冷加工磨制而成的。
总辐射表用来测量光谱范围为0.3～3μm的太阳辐射，还能用来测量入射到斜面上的太阳辐射，如感应面向下可测量反射辐射、加遮光环可测量散射辐射。它广泛应用于太阳能利用、气象、农业、建筑材料老化及大气污染等领域。
该表应安装在四周空旷、感应面周围没有任何障碍物的地方。将辐射表电缆插头正对北方，调整好水平后将其牢牢固定，然后将总辐射表输出电缆与记录器相连接，即可查看测量值。将电缆牢牢固定在安装架上，以减少断裂或在有风时发生间歇中断现象。图1-9为RHD-29太阳总辐射表，具体的技术参数如表1-6所示。
图1-9 RHD-29太阳总辐射表
表1-6 RHD-29太阳总辐射表的技术参数
注意事项：
1）玻璃罩应保持清洁，要经常用软布或毛皮擦拭。
2）玻璃罩不可拆卸和避免松动，以免影响测量精度。
3）应定期更换干燥剂，以防玻璃罩内凝结水。
2.利用太阳能观测系统测量水平面太阳辐射量
太阳能观测系统包括：总辐射、直接辐射、散射辐射（总表+装置）、净全辐射、反射辐射、分光谱辐射（5块）、辐射表专用电缆、辐射观测台架、太阳辐射电流表、辐射数据采集系统（含软件）组成。通过太阳能观测系统实现对太阳辐射的能量动态检测以及太阳光谱的分布，各光谱的能量的动态检测，认识和了解太阳能各要素相互关系，如图1-10所示。
图1-10 太阳能观测系统
1.3.3 太阳能辐射量估算
【任务说明】
光伏电池方阵面所获取的太阳能资源除了与水平面辐射量相关外，还与太阳能电池方阵支架的安装方式、方位角度等因素相关，计算方法相对较复杂，所以一般由计算机来完成。在要求不太严格的情况下，可以根据维度关系采取估算的办法来计算太阳能辐射量。在实际工程设计中，可以采用RETScreen仿真软件来实现对电池板倾斜面的太阳能辐射量的估算。
【任务实施】
1.RETScreen仿真软件获取
（1）RETScreen基本应用
RETScreen是清洁能源分析与决策的管理软件。这个工具的核心是由已标准化和集成化的清洁能源分析软件构成，可以为不同类型的节能和可再生能源工程的能源产量、周期成本以及温室气体的减排量做出评估。每个RETScreen能源工程模型（例如光伏项目等）都可以在Excel的“工作手册”文件中开发。“工作手册”文件是由一系列的工作表组成的，这些工作表有公共的界面且与所有的RETScreen模型都有相匹配的标准方式。
光伏项目模型能方便地评估3个基本光伏应用（如并网、离网和排水）的能源产量、周期成本和温室气体减排量。对于并网的应用，可以评估中枢电网和独立电网的光伏系统；对于离网的应用，可以评估独立光伏系统（光伏-蓄电池）和互补光伏系统（光伏-蓄电池-柴油发电机）；对于排水的应用，模型可以用来评估光伏排水系统。
光伏项目模型包括6个工作表（能量模型、太阳能资源和系统负荷计算、成本分析、温室气体减排分析、财务概要和财务敏感性与风险分析）。
使用方法：首先完成能量模型、太阳能资源和系统负荷计算，然后进行成本分析和财务分析。温室气体减排分析、财务敏感性与风险分析是可选项。温室气体减排分析可以帮助用户对所提议项目的温室气体减排进行评估。敏感性分析可以帮助用户评估当主要经济、技术参数变化时，项目主要经济指标的变化敏感性。一般来讲，用户从上到下使用这些工作表，整个过程可能会重复多次才能达到能源应用与成本合理化的最佳搭配。
（2）基本使用方法
1）水平辐射量获取。
运行RETScreen，对“项目类型”“电网类型”“分析类型”“热值参数”进行参数设置。在“气候数据地点”选取项目地点，勾选“显示数据”复选框，系统会显示该地点的气候参数，其中包括该地区每个月的水平辐射量，如图1-11所示。
2）倾斜面辐射量获取。
在能源模型对话框的“分析类型”选项中单击“方法2”单选按钮；在“资源评估”栏中，将“太阳追踪方式”选择“固定窗”，“方位角”设置为0度；在“斜度”选择上，通过不断更换斜度值，分析该地区最佳倾斜角或固定斜度下倾斜面的辐射量，如图1-12所示是倾斜角（斜度）分别为20°和41°时各月的辐射量值。
2.倾斜面辐射量估算
在没有计算机仿真软件的情况下，也可以根据当地纬度粗略确定固定太阳能电池方阵的倾角。为消除冬夏辐射量的差距，一般纬度越高倾角也越大，如表1-7所示。
图1-11 水平辐射量获取
a）模型初始化 b）气候资源
图1-12 倾斜面辐射量获取
a）斜度为20°时各月的辐射量 b）斜度为41°时各月的辐射量
表1-7 光伏电池方阵倾斜角度
倾斜角确定好后，如果没有计算机仿真软件，可以由水平面辐射量估算太阳能电池方阵面上的辐射量。一般固定倾角太阳能电池方阵面上的辐射量要比水平面辐射量高5%～15%。直射分量越大、纬度越高，倾斜面比水平面增加的辐射量也越大。