1.3 太陽能輻射量獲取

1.3.1 太陽能輻射量組成

【任務(wù)說明】

太陽輻射到達地球要經(jīng)過遙遠的旅程，并且還會遇到各種阻攔，受到各種影響。掌握太陽能輻射量的組成是計算和測量太陽能資源的首要條件。

【任務(wù)實施】

1.太陽輻射光譜

太陽輻射中輻射能按波長的分布，稱為太陽輻射光譜，如圖1-6所示。從圖中可看出，大氣上界太陽光譜能量分布曲線，與用普朗克黑體輻射公式計算出的6000K的黑體光譜能量分布曲線非常相似，因此可以把太陽輻射看作黑體輻射。太陽是一個熾熱的氣體球，其表面溫度約為6000K，內(nèi)部溫度更高。根據(jù)維恩位移定律可以計算出太陽輻射峰值的波長λ_max為0.475μm，這個波長在可見光的青光部分。太陽輻射主要集中在可見光部分（0.4～0.76μm），波長大于可見光的紅外線（>0.76μm）和小于可見光的紫外線（<0.4μm）的部分少。在全部輻射能中，波長在0.15～4μm之間的占99%以上，且主要分布在可見光區(qū)和紅外線區(qū)，前者占太陽輻射總能量的約50%，后者占約43%，紫外線區(qū)的太陽輻射能很少，只占總量的約7%。

圖1-6 大氣上界和地面的太陽輻射光譜

2.影響地球表面太陽能輻射度的因素

（1）太陽高度角

太陽高度角是指在地球上的某個點太陽光入射方向和地平面之間的夾角，即某地太陽光線與該地作垂直于地心的地標切線的夾角，簡稱太陽高度角。

由于地球大氣層對太陽輻射有吸收、反射和散射的作用。因此，紅外線、可見光和紫外線在光射線中所占的比例也隨著太陽高度角的變化而變化。

一天中，太陽高度角是不斷變化的；同時，在一年中也是不斷變化的。對于某處地平面來說，太陽高度角較小時，光線穿過大氣層的路程較長，輻射能衰減得就較多。同時，又因為光線以較小的角度投射到該地平面上，所以到達地平面的能量就更少了。反之，則較多。

（2）大氣質(zhì)量

太陽輻射受到衰減作用的大小，與太陽輻射穿過大氣路程的長短有關(guān)。路程越長，能量損失就越多；路程越短，能量損失越少。大氣質(zhì)量就是太陽輻射通過大氣層的無量綱路程，將其定義為太陽光通過大氣層的路徑與太陽光在天頂方向時射向地面的路徑之比。令海平面上太陽光垂直入射路徑為1，即無量綱路程為m=1，大氣質(zhì)量與太陽高度角的關(guān)系如表1-4所示。

表1-4 大氣質(zhì)量與太陽高度角的關(guān)系

（3）大氣透明度

在大氣層上界與光線垂直的平面上，太陽輻射度基本上是一個常數(shù)。但是在地球表面上，太陽輻射度卻是經(jīng)常變化的。這主要是由大氣透明程度不同所引起的。大氣透明度是表征大氣對于太陽光線透過程度的一個參數(shù)。在晴朗無云的天氣，大氣透明度高，到達地面的太陽輻射能就多。天空云霧很多或風(fēng)沙灰塵很大時，大氣透明度很低，到達地面的太陽輻射能就較少。可見，大氣透明度是與天空中云量的多少以及大氣中所含灰塵等雜質(zhì)的多少密切相關(guān)的。表1-5為不同太陽高度角和大氣透明度下的太陽直接輻射度。

表1-5 不同太陽高度角和大氣透明度下的太陽直接輻射度

（4）地球緯度

太陽輻射量是由低緯度向高緯度逐漸減弱的。假定不同緯度地區(qū)的大氣透明度是相同的，在這樣的條件下進行比較，如圖1-7所示，春分中午時刻的太陽垂直照射到地球赤道3點上，假設(shè)同一經(jīng)度上有另外兩點B、D，且B點緯度比D點緯度高。陽光射到B點所需經(jīng)過大氣層的路程AB比陽光射到D點所經(jīng)過大氣層的路程CD長。所以B點的垂直輻射量比D點小。在赤道3點垂直輻射量很大，因為陽光在大氣層中經(jīng)過的路程E3最短。

圖1-7 太陽垂直輻射量與地球緯度的關(guān)系

（5）日照時間

日照時間也是影響地面太陽輻射度的一個重要因素。如果某地區(qū)某日白天有14h，其中陰天時間≥6h，而出太陽的時間≤8h，那么，該地區(qū)這一天的日照時間是8h。日照時間越長，地面所獲得的太陽總輻射量就越多。

（6）海拔高度

海拔越高，大氣透明度越好，太陽的直接輻射量也就越高。我國青藏高原地區(qū)，由于平均海拔高達4000m以上，且大氣潔凈、空氣干燥、緯度又低，因此太陽總輻射量多介于6000～8000MJ/m²，直接輻射比重大。

此外，日地距離、地形、地勢等對太陽輻射度也有一定影響。例如，在同一緯度上，盆地氣溫要比平原高，陽坡氣溫要比陰坡高等。

3.太陽輻射在大氣中的衰減

太陽輻射通過大氣層后到達地球表面。由于大氣對太陽輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的輻射不能完全到達地面。圖1-8所示為太陽輻射通過大氣層被吸收、散射、反射后到達地面的太陽輻射示意圖。

圖1-8 太陽輻射示意圖

4.直散分離原理

大地表面（包括水平面）和太陽能電池方陣面（傾斜面）上接收到的輻射量均符合直散分離原理，即總輻射量等于直接輻射、散射輻射和地面反射輻射之和。只不過大地表面接收到的輻射量沒有地面反射分量，而太陽能電池方陣面上所接收到的輻射量包括地面反射分量。即

Q_T=S_T+D_T+R_T

式中，Q_T為傾斜面接收到的總輻射量；S_T為傾斜面接收到的直接輻射量；D_T為傾斜面接收到的散射輻射量；R_T為傾斜面接收到的地面反射量。

1.3.2 太陽能輻射量測量

【任務(wù)說明】

太陽能的輻射量直接影響光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。用于測量太陽能輻射量的儀表有直接輻射表、總輻射表、地球輻射表等。通過太陽能輻射測量儀表的使用，要求掌握太陽能輻射量測量的方法。

【任務(wù)實施】

1.總輻射表測量

總輻射表是用來測量太陽光的水平輻射量。總輻射表采用的是熱電效應(yīng)原理，感應(yīng)元件為繞線電鍍式多接點熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層。熱接點在感應(yīng)面上，而冷接點則位于機體內(nèi)，冷熱接點產(chǎn)生溫差電勢。在線性范圍內(nèi)，輸出信號與太陽輻射度成正比。為減小溫度的影響配有溫度補償線路；為防止環(huán)境對其性能的影響，用兩層石英玻璃罩，石英玻璃罩是經(jīng)過精密的光學(xué)冷加工磨制而成的。

總輻射表用來測量光譜范圍為0.3～3μm的太陽輻射，還能用來測量入射到斜面上的太陽輻射，如感應(yīng)面向下可測量反射輻射、加遮光環(huán)可測量散射輻射。它廣泛應(yīng)用于太陽能利用、氣象、農(nóng)業(yè)、建筑材料老化及大氣污染等領(lǐng)域。

該表應(yīng)安裝在四周空曠、感應(yīng)面周圍沒有任何障礙物的地方。將輻射表電纜插頭正對北方，調(diào)整好水平后將其牢牢固定，然后將總輻射表輸出電纜與記錄器相連接，即可查看測量值。將電纜牢牢固定在安裝架上，以減少斷裂或在有風(fēng)時發(fā)生間歇中斷現(xiàn)象。圖1-9為RHD-29太陽總輻射表，具體的技術(shù)參數(shù)如表1-6所示。

圖1-9 RHD-29太陽總輻射表

表1-6 RHD-29太陽總輻射表的技術(shù)參數(shù)

注意事項：

1）玻璃罩應(yīng)保持清潔，要經(jīng)常用軟布或毛皮擦拭。

2）玻璃罩不可拆卸和避免松動，以免影響測量精度。

3）應(yīng)定期更換干燥劑，以防玻璃罩內(nèi)凝結(jié)水。

2.利用太陽能觀測系統(tǒng)測量水平面太陽輻射量

太陽能觀測系統(tǒng)包括：總輻射、直接輻射、散射輻射（總表+裝置）、凈全輻射、反射輻射、分光譜輻射（5塊）、輻射表專用電纜、輻射觀測臺架、太陽輻射電流表、輻射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（含軟件）組成。通過太陽能觀測系統(tǒng)實現(xiàn)對太陽輻射的能量動態(tài)檢測以及太陽光譜的分布，各光譜的能量的動態(tài)檢測，認識和了解太陽能各要素相互關(guān)系，如圖1-10所示。

圖1-10 太陽能觀測系統(tǒng)

1.3.3 太陽能輻射量估算

【任務(wù)說明】

光伏電池方陣面所獲取的太陽能資源除了與水平面輻射量相關(guān)外，還與太陽能電池方陣支架的安裝方式、方位角度等因素相關(guān)，計算方法相對較復(fù)雜，所以一般由計算機來完成。在要求不太嚴格的情況下，可以根據(jù)維度關(guān)系采取估算的辦法來計算太陽能輻射量。在實際工程設(shè)計中，可以采用RETScreen仿真軟件來實現(xiàn)對電池板傾斜面的太陽能輻射量的估算。

【任務(wù)實施】

1.RETScreen仿真軟件獲取

（1）RETScreen基本應(yīng)用

RETScreen是清潔能源分析與決策的管理軟件。這個工具的核心是由已標準化和集成化的清潔能源分析軟件構(gòu)成，可以為不同類型的節(jié)能和可再生能源工程的能源產(chǎn)量、周期成本以及溫室氣體的減排量做出評估。每個RETScreen能源工程模型（例如光伏項目等）都可以在Excel的“工作手冊”文件中開發(fā)。“工作手冊”文件是由一系列的工作表組成的，這些工作表有公共的界面且與所有的RETScreen模型都有相匹配的標準方式。

光伏項目模型能方便地評估3個基本光伏應(yīng)用（如并網(wǎng)、離網(wǎng)和排水）的能源產(chǎn)量、周期成本和溫室氣體減排量。對于并網(wǎng)的應(yīng)用，可以評估中樞電網(wǎng)和獨立電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)；對于離網(wǎng)的應(yīng)用，可以評估獨立光伏系統(tǒng)（光伏-蓄電池）和互補光伏系統(tǒng)（光伏-蓄電池-柴油發(fā)電機）；對于排水的應(yīng)用，模型可以用來評估光伏排水系統(tǒng)。

光伏項目模型包括6個工作表（能量模型、太陽能資源和系統(tǒng)負荷計算、成本分析、溫室氣體減排分析、財務(wù)概要和財務(wù)敏感性與風(fēng)險分析）。

使用方法：首先完成能量模型、太陽能資源和系統(tǒng)負荷計算，然后進行成本分析和財務(wù)分析。溫室氣體減排分析、財務(wù)敏感性與風(fēng)險分析是可選項。溫室氣體減排分析可以幫助用戶對所提議項目的溫室氣體減排進行評估。敏感性分析可以幫助用戶評估當(dāng)主要經(jīng)濟、技術(shù)參數(shù)變化時，項目主要經(jīng)濟指標的變化敏感性。一般來講，用戶從上到下使用這些工作表，整個過程可能會重復(fù)多次才能達到能源應(yīng)用與成本合理化的最佳搭配。

（2）基本使用方法

1）水平輻射量獲取。

運行RETScreen，對“項目類型”“電網(wǎng)類型”“分析類型”“熱值參數(shù)”進行參數(shù)設(shè)置。在“氣候數(shù)據(jù)地點”選取項目地點，勾選“顯示數(shù)據(jù)”復(fù)選框，系統(tǒng)會顯示該地點的氣候參數(shù)，其中包括該地區(qū)每個月的水平輻射量，如圖1-11所示。

2）傾斜面輻射量獲取。

在能源模型對話框的“分析類型”選項中單擊“方法2”單選按鈕；在“資源評估”欄中，將“太陽追蹤方式”選擇“固定窗”，“方位角”設(shè)置為0度；在“斜度”選擇上，通過不斷更換斜度值，分析該地區(qū)最佳傾斜角或固定斜度下傾斜面的輻射量，如圖1-12所示是傾斜角（斜度）分別為20°和41°時各月的輻射量值。

2.傾斜面輻射量估算

在沒有計算機仿真軟件的情況下，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥却致源_定固定太陽能電池方陣的傾角。為消除冬夏輻射量的差距，一般緯度越高傾角也越大，如表1-7所示。

圖1-11 水平輻射量獲取

a）模型初始化 b）氣候資源

圖1-12 傾斜面輻射量獲取

a）斜度為20°時各月的輻射量 b）斜度為41°時各月的輻射量

表1-7 光伏電池方陣傾斜角度

傾斜角確定好后，如果沒有計算機仿真軟件，可以由水平面輻射量估算太陽能電池方陣面上的輻射量。一般固定傾角太陽能電池方陣面上的輻射量要比水平面輻射量高5%～15%。直射分量越大、緯度越高，傾斜面比水平面增加的輻射量也越大。