1.1　太陽能概況

1.1.1　太陽能概況

21世紀人類文明急速發展，人口的增加、經濟的發展必然會導致能源需求的增加。而目前主要的能源供應形式為化石能源。這必然會帶來諸多嚴重的問題。大量地使用化石能源，將致使其短缺，同時導致嚴重的環境污染、生態破壞。

根據BP石油公司《2017年世界能源統計報告》的數據（表1.1），我國化石能源在2016年年底的儲量及產量在全球儲量及產量中所占比例較少。同時，表1.1中通過儲產比（儲采比）數據給出了化石能源在我國及全球的可開采年數。我國煤炭的儲采比為72年，遠低于世界平均水平（153年）。對于石油和天然氣的可開采年數，我國分別為17.5年和38.8年，均分別低于世界平均水平（50.6年和52.5年）。由此可見，我國化石能源短缺，控制化石能源的消耗不僅是保護環境和減少碳排放的需要，而且從資源稟賦的角度來看也是十分必要的。

儲采比是指上年的某種化石能源的剩余可采儲量與上年的采出量之比，可以大致反映某種化石能源按照當前開采速度還能夠再用多少年。由表1.1的結果可見，全球范圍內，在今后的幾十年到一百年左右的時間內這些傳統能源將會枯竭。因此，在人口增加、能源需求量大、環境污染、傳統能源枯竭等問題的壓力下，解決辦法之一是減少使用傳統能源，并尋找替代能源，如大力推廣太陽能等清潔、可再生能源的應用。

可再生能源的種類很多，其中太陽能是主體。此外，可再生能源還包括風能、生物質能、水能、地熱能、氫能和核能等。隨著時間的推移，這些具有各種資源形式的新興能源將逐漸成為主要能源，將會對人類生產、生活的文明發展帶來重大影響。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的能源。其完全不同于石油、煤炭等傳統能源。首先，太陽能的利用不會導致“溫室效應”，也不含有害物質，不會污染環境，因此為清潔能源。其次，處處都有太陽輻射，沒有地域和資源的限制，就地可用，無需運輸或輸送，使用方便且安全。這對于山區、沙漠、海島等偏僻邊遠地區更顯示出它的優越性，因此太陽能具有廣泛性。隨著社會的發展和人類文明的進步，太陽能將會扮演更加重要的角色，其應用也已受到世界各國的重視，并逐漸成為一種非常理想的清潔能源。

太陽位于銀河系的對稱平面附近，距離銀河系的中心約33000光年（銀河系邊緣距中心約40000光年），是銀河系中15000億顆恒星中的一員。太陽是一個處于高溫、高壓下的巨大火球，其直徑約1.39×106 km，比地球直徑大109倍；其質量為2.2×1017 t，比地球質量大33倍；體積比地球大130萬倍；平均密度為地球的1/4；表面溫度約為6000K，中心溫度約達1.4×107 K；壓力約為1.96×1013kPa，太陽的物理數據見表1.2。在這樣的溫度和壓力下，太陽內部持續不斷地進行著由氫聚變成氦的核聚變反應，同時其不斷地以光線的形式向廣闊宇宙空間輻射出巨大的能量，即太陽能。在該反應過程中，太陽內部產生數百萬攝氏度的高溫，表面溫度達5762K，這正是太陽向空間輻射出巨大能量的源泉。地球所接收到的太陽能相當于全球所需能量的3萬～4萬倍，其總量是現今世界上可以開發利用的最大能源量，可見來自太陽的能量多么巨大。人們推測太陽的壽命至少還有幾十億年，因此對人類來說，太陽能是一種無限的能源。如果合理利用太陽能，將會為人類提供充足的能源。因此，太陽能的研究和應用是今后人類能源發展的主要方向之一。

1.1.2　太陽輻射

太陽光穿過大氣照射到地球時，其輻射能量中只有不到二十二億分之一到達地球。到達地球表面的太陽輻射能總量具有不確定性，主要有以下原因：

首先，由于太陽能具有分散性。雖然到達地球表面的太陽輻射能總量很大，但是能流密度卻很低，每單位面積上的入射功率很小。

其次，太陽能具有間歇性。由于太陽高度角在一年內不斷變化，因此即使在同一個地區，一天24h內的太陽輻照度變化也較大。再加上受到季節以及晴、陰、雨、云等氣象變化因素的影響，到達同一地面的太陽輻照度既是間斷的又是極不穩定的。

再次，太陽能具有地域性。輻射到地球表面的太陽能，隨地點不同而有所變化。它不僅與各地的地理緯度、海拔有關，還與各地的大氣透明度（污染、混濁等）和氣象變化等諸多因素有關。因此，在地面上測得的太陽光頻譜往往由于受大氣層吸收和擾亂的影響，以及受大氣質量、氣候、大氣狀態等因素的影響會發生很大的變化。

太陽能的可用量是不穩定的，隨機性較大。總的來說，利用太陽能既有前述的各種優點，也有嚴重的缺點。因此在考慮太陽能利用時，不僅應從技術方面考慮，還應從經濟、環境、生態、居民福利，特別是國家建設的整體方針等方面來全面考慮研究。

太陽輻射到地面有兩種形式：一種是從光球表面發射出的光輻射，由可見光和不可見光組成；另一種是微粒輻射，由帶正電荷的質子和大致等量的帶負電荷的電子以及其他粒子組成的粒子流。微粒輻射平時較弱，能量也不穩定。在太陽活動劇烈時，其對人類和地球高層大氣有一定的影響，但從能量角度而言，對地球的影響微乎其微。因此，通常所說的太陽輻射指的是光輻射。這部分光照射到地球時，其中有一部分被反射或散射，一部分被吸收，只有剩下的部分才以直射光或散射光的形式到達地球表面。到達地球表面的太陽光又有一部分被物體表面所吸收，另一部分被發射回大氣層。太陽光入射地面示意圖如圖1.1所示。

在地面上的任何地方都不可能排除大氣吸收對太陽輻射的影響。實際測量的太陽輻射不僅和測試的時間、地點有關，也和當時的氣象條件有關。為了描述大氣吸收對太陽輻射的能量及其光譜分布的影響，引入大氣質量（air mass，AM）概念，即由于大氣導致太陽光減少的比例與大氣的厚度有關，定量地表示大氣厚度的單位稱為大氣圈通過空氣量（即上述所指大氣質量）。大氣質量為0的狀態（AM0），是指在地球外空間接收太陽光的情況，適用于人造衛星和宇宙飛船等應用場合；大氣質量為1的狀態（AM1），是指太陽光直接垂直照射到地球表面的情況，相當于晴朗夏日在海面上所接收的太陽光。這兩者的區別在于大氣對太陽光的衰減，主要包括臭氧層對紫外線的吸收、水蒸氣對紅外線的吸收以及由大氣中塵埃和懸浮物導致的散射等。大氣質量為1.5的狀態（AM1.5），是指在典型的晴天時，太陽光照射到一般地面的情況，常用于地面太陽電池和組件效率測試。

太陽輻射的波長包含0.15～4μm的波段范圍。實際入射的太陽能應當是太陽光所包含的各種波長的光能之和。大氣吸收不僅影響到達地面的太陽輻射通量而且影響太陽光譜的分布情況。依據國際電工委員會所給出的標準太陽光譜輻照度分布數據，可以獲得有大氣吸收的到達地面（AM1.5）的太陽光譜曲線以及無大氣吸收的（AM0）大氣上界的太陽輻射曲線，太陽光譜分布曲線如圖1.2所示。在波長0.3～1.5μm波段內的太陽輻射能量約占總輻射能量的90%，在無大氣吸收情況下，光譜峰值約在0.5μm附近。

如果把太陽在天頂時垂直于海平面的太陽輻射穿過大氣的高度作為一個大氣質量，則太陽在任意位置時的大氣質量定義為從海平面看太陽通過大氣的距離與太陽在天頂時通過大氣的距離之比。平常所說大氣質量是指相當于“一個大氣質量”的若干倍，大氣質量是一個無量綱的量。大氣質量示意圖如圖1.3所示。其中，A為地球海平面上一點，當太陽在天頂位置S時，太陽輻射穿過大氣層到達A點的路徑為OA，而太陽位于任一點S'時，太陽輻射穿過大氣層的路徑為O'A。則大氣質量定義為

式中　θ——直射入地球的太陽光線與地球水平面之間的夾角，稱為太陽高度角。

不同地域大氣壓力的差異，反映陽光通過大氣距離的不同，也反映單位面積上大氣柱中所含空氣質量的不同，如果A點不是處于海平面，則大氣質量需做修正，即

式中　P——當地的大氣壓力；

P0——標準大氣壓力，P0＝101.3kPa。

如上所述，太陽在天頂時海平面處的大氣質量為1即為AM1條件；外層空間不通過大氣時大氣質量為0即AM0條件。太陽常數I0為AM0條件下的太陽輻射通量。隨著太陽高度的降低，通過大氣的光路徑變長，大氣質量大于1，大氣吸收的增加使得到達地面的光輻照度下降。由于地面上AM1條件與人類生活地域的實際情況有較大差異，因此通常選擇更接近人類生活現實的AM1.5條件作為評估地面用太陽電池及組件的標準。此時太陽高度角約為41.8°，光輻照度約為963W/m2。目前，國際標準化組織將AM1.5的輻照度定為1000W/m2。

太陽輻射在通過大氣層到達地球表面的過程中，不僅受到大氣層中的空氣分子、水汽及灰塵的散射，而且受到大氣中氧、臭氧、水和二氧化碳的吸收，因此到達地面上的太陽輻射發生了顯著的衰減，且其光譜分布也發生了一定的變化。具體來說，根據研究人員測得的平均數據，太陽輻射中約有43%因反射和散射而折回宇宙空間，另有14%被大氣所吸收，只有43%能夠到達地面。但某一地點某一時刻的輻照情況，與當時當地的氣象條件影響有關。從理論上較嚴格、具體地分析太陽輻射經大氣層后的衰減情況，其相關因素主要有：

（1）大氣的吸收。

（2）大氣的散射。太陽輻射作為電磁波入射到大氣層中時，與大氣中物質（氣、液、固）內的電子發生相互作用，電磁波的電場使物質中的電子受到加速，這些加速的電子沿不同方向輻射出電磁波。因此，沿原來入射波方向的輻射將有所減弱，所減弱的能量分布到其他方向上去。電磁波的散射是自然界中重要而普遍的現象之一，有著十分廣泛的應用。

（3）大氣渾濁度、天氣等隨機因素所帶來的影響。

（4）由于地球除沿橢圓軌道繞日公轉外，還繞地軸自轉，因此從地面的觀察者的角度看來，太陽在天空中的位置不斷變化，這種變化直接影響著到達地面的太陽輻照度，從而決定著地面上可以利用的太陽能。

1.1.3　輻照度與太陽常數

輻照度，即單位面積上與單位時間內接受各種波長輻射能量的數值。由于歷史原因，其單位有cal/（cm2·min）、W/m2、Btu/（ft2·h）等。國際單位制中采用W/m2。

人們常把地球大氣層上界與太陽光線垂直的單位面積上、單位時間內接受的太陽輻射能，在日地平均距離時的數值稱為太陽常數，用符號Isc表示。據中外專家測定，該常數為

太陽常數Isc＝1353W/m2是地球上所接受的太陽輻照度最大極限值，實際上地球表面上任一處的傾斜或水平的接受面，所截獲的太陽輻照度都比太陽常數小。經分析，地球表面上任一處采光面上所截獲的太陽輻照度大小取決于太陽與地球距離，太陽相對地球某處、某時刻的相對位置；太陽輻射透過大氣層的衰減情況；太陽能利用裝置的采光面方位和傾角等。

1981年10月在墨西哥召開的世界氣象組織儀器和觀測方法委員會第八次會議通過了太陽常數為（1367±7）W/m2的方案。這個數值在太陽活動的極大期和極小期變化都很小，僅為2%左右。

由定義可知，Isc是平均日地距離時的太陽輻照度。若設大氣層上界某一任意時刻的太陽輻照度為I0，則

式中　n——距離1月1日的天數；

r——日地間距引起的修正值。

1.1.4　太陽與地球的相對位置及其相關計算

1.地球繞太陽的運行規律

貫穿地球中心與南北兩極相連的這條線被稱為地軸。地球每天都是繞著這個“地軸”自西向東地自轉一周。每轉一周（360°）為一天，即24h，因此其每小時自轉15°。當太陽光從距離地球極遠處照射過來時，近似成了平行的光線，因此只能照亮地球的一半。向陽的半球為白天，背陽的半球為黑夜。由于地球不停地自轉，使得地球上任意一個地方都會發生晝夜交替現象。

地球除自轉外，還繞著太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道（黃道）運行，即為公轉，周期為一年。地球的自轉軸與公轉運行的軌道面（黃道面）法線傾斜成23°27'的夾角，而且地球公轉時其自轉軸的方向始終不變，總是指向天球（在天文學上，通常假定以觀察者為中心，以任意長為半徑，其上分布著所有天體的球面被稱為天球）的北極。因此，地球處于運行軌道的不同位置時，太陽直射點的位置會在北緯23°27'和南緯23°27'之間來回移動，形成四季交替現象。由于地球繞太陽運行的軌道是橢圓而不是正圓，因而太陽與地球的距離在一年內是變化的。一月初日地距離小，七月初日地距離大，四月初和十月初日地平均距離為1.5×108 km。最遠距離、最近距離與平均距離相差1.7%。

在春、夏、秋、冬各季節中，春分、夏至、秋分、冬至這幾個特征日期的地球與太陽相對位置的變化，即地球繞太陽運行示意圖如圖1.4所示。其中：春分和秋分日時，太陽直射赤道，赤道上中午太陽正好在頭頂上，此時赤道地區出現相對較熱的天氣；夏至日，陽光垂直照射在北緯23°27'地面上，在南極圈中整天看不到太陽，而北極圈中整天都有太陽，北半球的天氣相對較熱，而南半球的天氣相對較冷。夏至過后，直射太陽光線開始南移；冬至日，陽光垂直照射在南緯23°27'的地面上，北極圈內整天沒有太陽光，南極圈內整天都有太陽光，則北半球相對比較冷，南半球相對比較熱。冬至過后，太陽直射光線又開始北移。于是，地球上特別是處于中緯度的區域，呈現出明顯的季節變化，即春、夏、秋、冬及冬季晝短夜長，夏季晝長夜短現象。4個特征日期陽光直射地球的位置如圖1.5所示。

2.相關角度的計算

一年中地球接受太陽光輻射的變化情況以及一日內不同時刻地球表面某一處接受光輻射方向的變動情況可以通過以下幾個參數分別表示。

（1）太陽赤緯角δ。正午時的太陽光與地球赤道平面間的夾角就是太陽的赤緯角。一般取從赤道向北為正方向，向南為負方向，用δ表示。在一年中，太陽赤緯每天都在變化，但不超過±23°27'的范圍。夏天最大變化到夏至日的23°27'；冬天最小變化到冬至日的-23°27'。這導致地球表面上太陽輻射入射角的變化，使白天的長短隨季節有所不同。δ隨季節變化，可按庫珀（Cooper）方程計算為

自春分日起的第d天的δ為

式中　δ——一年中第n天或離春分第d天的赤緯角；

d——由春分日算起第d天；

n——一年中的天數。

其中，春分日，δ＝0°；夏至日，δ＝23°27'；秋分日，δ＝0°；冬至日，δ＝-23°27'。一年中各月份的平均赤緯角見表1.3。

（2）太陽高度角αs、天頂角θz、時角ω。以αs表示太陽高度角，其含義是太陽高出地表水平面的角度。在地球表面一點P，陽光以SP方向射向P點，將光線SP垂直地投落在過P點的水平面上，方向為PF，則SP與PF之間的夾角αs為此刻P點處的太陽高度角。過P點向上做地平面的垂直線PQ，則PQ與SP之間的夾角θz為此刻P點處的天頂角。以ω表示太陽時角，它定義為在正午時ω＝0°，每隔1h增加15°，上午為正，下午為負。例如：上午11時，ω＝15°；上午8時，ω＝15°×（12-8）＝60°；下午1時，ω＝-15°；下午3時，ω＝-15°×3＝-45°。太陽高度角、天頂角和方位角如圖1.6所示。

高度角與天頂角之間的關系為

計算太陽高度角的公式為

式中　Φ——P點處的地理緯度。

正午時，ω＝0，cosω＝1。式（1.7）

可簡化為

又因為

所以

正午時，若太陽在天頂以南，即Φ＞δ，取sinαs＝sin[90°-（Φ-δ）]，從而有

在南北回歸線內，有時正午太陽正對天頂，則有Φ＝δ，從而αs＝90°。

（3）太陽方位角γs。如圖1.6中，地平面上正南方向線PE與太陽光線在地平面上投影線PF之間的夾角γs稱為此刻P點處的太陽方位角。它表示此時太陽光線的水平投影偏離正南方向的角度，其計算式為

或

根據地理緯度、太陽赤緯及觀測時間，利用式（1.10）或式（1.11）可以求出任何地區、任何季節某一時刻的太陽方位角。

（4）日照時間。太陽在地平線的出沒瞬間，其太陽高度角αs＝0。若不考慮地表曲率及大氣折射的影響，根據式（1.7），可得日出日沒時角表達式為

式中　ωθ——日出或日沒時角，（°），正為日沒時角，負為日出時角。

對于北半球，當-1≤-tanΦ·tanδ≤＋1時，解式（1.12）有

因為

所以

求出時角ωθ后，日出日沒時間用t＝ω/15°＋12求出。一天中可能的日照時間為

（5）接收太陽能應考慮的相關角度。由上可知，一年中不同日期或一日內不同時間投射到地面的太陽角度總是在變化。我國大部分地區（北回歸線以北地區），夏至日的中午太陽高度角αs值最大；而冬至這天，太陽高度角是一年中最小的。每天早晨太陽從東方升起，中午太陽在南方，晚上太陽在西方落地，一日內方位角γs隨時間變化。

太陽能接收器安裝角β與其他角度的關系如圖1.7所示，一般使太陽能接收器為平面形狀，盡可能讓陽光垂直照射在平板型的設備上。但是陽光的方向，即αs和γs總是在變化，若想讓陽光時刻都垂直投向接收器的平面，需要將接收器制成能夠全方位跟蹤太陽的形式，即在接收器上設有雙軸跟蹤裝置，以適應變動的αs和γs，但是結構比較復雜。若只設單軸跟蹤裝置，通常是為適應變動著的γs的需要，而不考慮αs的情況，結構簡單一些，同時接收效果也差一些。

如果為了簡化結構和操作，不追求較理想的接收效果，而把太陽能接收器安裝成固定不動的形式，這時安裝傾角β應做如下考慮：要在使用期內獲得較多太陽能，在中午必須盡可能地使接收器采光面垂直陽光。由圖1.7可見，這里的θz＝Φ-δ，而θz＝β，因此β＝Φ-δ。

由于δ值一年中在23°27'～-23°27'之間變化，故推薦太陽能接收器的傾角β采用以下數值。

接收器在全年使用時

接收器在春分到秋分期間（夏季）使用時

接收器在秋分到春分期間（冬季）使用時

由圖1.7可知，正午時太陽高度角、當地緯度、當日的赤緯角及天頂角之間的關系為