第1章 阳光特性精选文档.ppt

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1、第1章 阳光特性本讲稿第一页，共六十二页 确确定定大大气气质质量量的的一一个个简简单单的的方方法法就就是是测测量量一一个个垂垂直直杆的影长。杆的影长。2 如上图，大气质量等于斜边的长度除以标杆的高度如上图，大气质量等于斜边的长度除以标杆的高度h，然后由，然后由勾股定理便得到：勾股定理便得到：标杆高度标杆高度h影子长度，影子长度，s 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量本讲稿第二页，共六十二页 上上述述关关于于大大气气质质量量的的计计算算中中假假定定大大气气层层是是一一个个平平面面层层，但但实实际际上上大大气气层层是是弯弯曲曲的的，当当太太阳阳接接近近于于地地平平线线时时大大

2、气气质质量量并并不不完完全全等等于于大大气气层层的的路路径径长长度度。在在日日出出的的时时候候，太太阳阳的的入入射射光光线线与与垂垂直直位位置置的的夹夹角角为为90，则则计计算算得得大大气气质质量量为为无无限限大大，但但显显然然光光线线路路径径并并不不是是无无限限大大的的。下下面面的的方方程程则则考考虑虑了了地地球球的的曲率曲率：3 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量本讲稿第三页，共六十二页标杆高度标杆高度h影子长度，影子长度，s2023/4/94 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量ABC 实实际际长长度度是是AB，但但不不考考虑虑地地球曲率时的长度

3、是球曲率时的长度是AC。OD本讲稿第四页，共六十二页 AM=1/cos 当当=0.482时时，大大气气质质量量为为AM 1.5，是是指指典典型型晴晴天天时时太太阳阳光光照照射射到到一一般般地地面面的的情情况况，其其辐辐射射总总量量为为1kW/m2，常常用用于于太太阳阳能能电电池池和和组组件件效效率率测测试试时时的的标标准准。标准？标准？本讲稿第五页，共六十二页2023/4/96标准太阳光谱和太阳辐射标准太阳光谱和太阳辐射 太太阳阳能能电电池池的的效效率率对对入入射射光光的的能能量量和和光光谱谱含含量量都都非非常常敏敏感感。为为了了方方便便不不同同时时间间和和不不同同地地点点时时太太阳阳能能电电

4、池池的的数数据据比比较较，人人们们定定义义了了地地球球大大气气层层外外和和地地球球表表面面的的光谱和功率强度的标准值。光谱和功率强度的标准值。1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量本讲稿第六页，共六十二页 地地球球表表面面的的标标准准光光谱谱称称为为AM1.5G（G代代表表总总的的辐辐射射，包包括括直直接接的的和和分分散散的的辐辐射射）或或者者AM1.5D（只只包包含含直直接接的的辐辐射射）。AM1.5D的的辐辐射射强强度度近近似似于于减减少少28%能能量量后后的的AM0光光谱谱的的光光谱谱强强度度（18%被被吸吸收收，10%被被散散射射）。总总的的光光谱谱辐辐射射强强度度要

5、要比比直直射射的的光光谱谱强强度度高高10%。从从上上面面的的计计算算可可得得AM1.5G的的值值近近似似为为970W/m2。然然而而，由由于于整整数数计计算算比比较较方方便便以以及及入入射射太太阳阳光光存存在在固固有有的的变变化化，人人们们规范了标准的规范了标准的AM1.5G光谱值为光谱值为1KW/m2。地地球球大大气气层层外外的的标标准准光光谱谱称称为为AM0，因因为为光光没没有有穿穿过过任任何何大大气气。这这个光谱通常被用来预测太空中太阳能电池的表现。个光谱通常被用来预测太空中太阳能电池的表现。2023/4/97 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量本讲稿第七页，共六

6、十二页 即即使使在在天天气气晴晴朗朗的的时时候候，散散射射辐辐射射中中仍仍然然有有大大约约10%的的直直接接辐辐射射含含量量。因因此此在在天天气气晴晴朗朗的的时时候候垂垂直直入入射射到到地地表表的的太太阳阳光光的的总总辐射量为辐射量为:2023/4/98 1.4.3 地面太阳辐射地面太阳辐射 -大气质量大气质量 式式中中ID为为垂垂直直平平面面的的太太阳阳光光线线的的功功率率强强度度，单单位位KW/m2。AM为为大大气气质质量量。数数值值1.353KW/m2为为太太阳阳常常数数，而而数数字字0.7则则源源于于入入射射到到大气层中的辐射大概有大气层中的辐射大概有70%能到达地球。能到达地球。基于

7、大气质量的强度计算基于大气质量的强度计算 一一天天中中，太太阳阳光光的的直直射射分分量量强强度度可可由由大大气气质质量量确确定定，其其方程为：方程为：本讲稿第八页，共六十二页 1.4.4 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的运动太阳的运动 “太太阳阳视视运运动动”是是由由地地球球绕绕其其轴轴自自转转引引起起的的表表面面现现象象，它它改改变变着着射射入入地地球球的的光光线线的的直直射射分分量量角角度度。从从地地面面的的一一个个固固定定位位置置来来看看，太太阳阳横横跨跨整整个个天天空空运运动动。太太阳阳的的位位置置决决定定于于地地面面上上的的点点的的坐坐标标、一一天天中中的的时时间间和和一一年年中中

8、的日期。如右图所示。的日期。如右图所示。2023/4/9UNSW新南威尔士大学9本讲稿第九页，共六十二页 太太阳阳视视运运动动在在很很大大程程度度上上影影响响着着太太阳阳能能收收集集器器件件获获得得的的能能量量。当当太太阳阳光光垂垂直直入入射射到到吸吸收收平平面面时时，在在平平面面上上的的功功率率强强度度等等于于入入射射光光的的功功率率强强度度。然然而而，当当太太阳阳光光与与吸吸收收平平面面的的角角度度改改变变时时，其其表表面面的的功功率率强强度度就就会会减减小小。当当平平面面与与太太阳阳光光平平行行时时，功功率率强强度度基基本本上上变变为为零零。对对于于0度度和和90度度之之间间的的角角，它

9、它们们相相对对的的功功率率强强度度为为最最大大值值乘乘于于cos，其其中中为太阳光与器件平面之间的夹角。为太阳光与器件平面之间的夹角。2023/4/9UNSW新南威尔士大学10 1.4.4 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的运动太阳的运动本讲稿第十页，共六十二页 地地球球上上某某固固定定点点与与太太阳阳的的夹夹角角决决定定于于其其所所处处的的位位置置（地地点点所所在在的的经经度度）、一一年年中中的的日日期期和和一一天天中中的的时时间间。另另外外，太太阳阳升升起起和和落落下下的的时时刻刻决决定定于于位位置置所所在在的的经经度度。因因此此，刻刻画画地地球球上上某某固固定定地地点点的的太太阳阳高高度

10、度角角需需要要纬纬度度、经经度、一年中的日期和一天中的时间。这些内容将在下面讨论。度、一年中的日期和一天中的时间。这些内容将在下面讨论。2023/4/9UNSW新南威尔士大学11 1.4.4 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的运动太阳的运动 点击右边的动画，观点击右边的动画，观测吸收平面与入射光的夹测吸收平面与入射光的夹角的改变所产生的影响。角的改变所产生的影响。本讲稿第十一页，共六十二页 1.4.5 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的偏向角太阳的偏向角 偏偏向向角角，用用符符号号表表示示，由由于于地地球球绕绕其其轴轴的的自自转转和和绕绕太太阳阳的的公公转转而而存存在在季季节节性性的的变变化化

11、。如如果果地地球球没没有有相相对对转转轴轴倾倾斜斜，那那么么偏偏向向角角将将一一直直为为00。然然而而地地球球相相对对于于公公转转平平面面是是倾倾斜斜了了23.4523.45的的，偏偏向向角角的的大大小小就就在在23.4523.45之之间间变变化化。只只有有在在春春分分日日和和秋秋分分日日的的时时候候偏偏向向角角才才会会等等于于00。下下面面的的动动画画描描述述了了地地球球绕绕太太阳阳公公转转以以及及偏偏向向角的改变：角的改变：12本讲稿第十二页，共六十二页 13 右右边边视视频频显显示示了了倾倾斜斜角角在在北北半半球球的的夏夏至至日日（或或南南半半球球的的冬冬至至）和和北北半半球球的的冬冬至

12、至日日（南南半半球的夏至）之间是如何变化的。球的夏至）之间是如何变化的。尽尽管管事事实实上上是是地地球球绕绕着着太太阳阳转转的的，但但是是如如果果把把它它想想象象成成是是太太阳阳绕绕着着地地球球转转的的，将将会会变变得得更更容容易易理理解解一一些些。这这需需要要一一定定的的坐坐标标转转换，在这个代替的坐标系统里，太阳是绕着地球转的。换，在这个代替的坐标系统里，太阳是绕着地球转的。1.4.5 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的偏向角太阳的偏向角 太太阳阳偏偏向向角角就就是是指指赤赤道道平平面面与与地地球球中中心心点点-太太阳阳中中心心点点的的连连线线的的夹夹角角。太太阳阳偏偏向向角角的的季节性变

13、化如下所示季节性变化如下所示:本讲稿第十三页，共六十二页 式中式中d为观测偏向角时所在的一年中的天数。为观测偏向角时所在的一年中的天数。在在二二分分日日（3月月22日日春春分分日日和和9月月22日日秋秋分分日日）时时偏偏向向角角为为0，在在北北半半球球夏夏天天时时角角度度为为正正，北北半半球球冬冬天天时时为为负负。在在6月月22日日（北北半半球球夏夏至至日日）偏偏向向角角达达到到最最大大值值23.45而而在在12月月22日日（北北半半球球冬冬至至日日）达达到最小值到最小值-23.45。2023/4/9UNSW新南威尔士大学14 1.4.5 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的偏向角太阳的偏向角偏

14、向角的角度可以由下面的方程算出：偏向角的角度可以由下面的方程算出：本讲稿第十四页，共六十二页 1.4.6 地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角仰角与方位角与方位角 仰仰角角指指的的是是天天空空中中太太阳阳相相对对于于地地平平面面的的高高度度角角。日日出出的的时时候候高高度度角角为为0，太太阳阳处处在在头头顶顶时时高高度度角角为为90（比比如如在在赤赤道道地地区区，春春分分日日和和秋秋分分日日的的时时候候就就会会出出现现这这种种情情况况）。天天顶顶角角与与高高度度角角相相似似，但但是是相相对对于于地地平平面面的的垂垂直直线线而而不不是是地地平平面面来来说说的的，因因此此可可以以计计算算天天顶顶角角=

15、90-高高度度角。角。2023/4/9UNSW新南威尔士大学15 太阳高度角在一天中不断变化。其大小还决定于观测位置的太阳高度角在一天中不断变化。其大小还决定于观测位置的纬度和所在一年中的天数。纬度和所在一年中的天数。天天顶顶角角仰角仰角本讲稿第十五页，共六十二页 16 在设计光伏系统时在设计光伏系统时，一个重要的，一个重要的参数是参数是最大太阳高度角最大太阳高度角，即一年中太，即一年中太阳在天空的高度达到最大时的角度。最阳在天空的高度达到最大时的角度。最大高度角出现在正午时分，大小取决于大高度角出现在正午时分，大小取决于所在的纬度和偏向角。计算正午太阳高所在的纬度和偏向角。计算正午太阳高度角

16、的公式如下：度角的公式如下：=90+式式中中为为观观测测位位置置所所处处的的纬纬度度，在在南南半半球球它它的的符符号号是是负负的的而而在在北北半球的时候符号为半球的时候符号为正正。为偏向角为偏向角，大小取决于所在一年中的天数。，大小取决于所在一年中的天数。1.4.6 地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角仰角与方位角与方位角本讲稿第十六页，共六十二页 夏夏至至日日，在在北北回回归归线线处处，太太阳阳在在头头顶顶正正上上方方，其其高高度度角角为为90。夏夏天天，在在赤赤道道与与北北回回归归线线之之间间观观测测的的正正午午太太阳阳高高度度角角是是大大于于90的的。这这意意味味着着阳阳光光是是来来自自北北

17、方方的的天天空空而而不不是是南南方方的的天天空空。相相似似的的，在在一一年年中中的的某某个个时期，在赤道和南回归线之间，太阳光是来自南方而不是北方。时期，在赤道和南回归线之间，太阳光是来自南方而不是北方。最最大大太太阳阳高高度度角角被被应应用用到到非非常常简简单单的的光光伏伏系系统统设设计计中中，然然而而更更精精确确的的光光伏伏系系统统仿仿真真则则需需要要知知道道高高度度角角在在一一天天中中是是如如何何变变化化的的这这些些知知识识。关关于于这这方方面面的方程和公式将在下面几页中介绍。的方程和公式将在下面几页中介绍。2023/4/9UNSW新南威尔士大学17 1.4.6 地面太阳辐射地面太阳辐射

18、 -仰角仰角与方位角与方位角本讲稿第十七页，共六十二页 方方位位角角就就是是罗罗盘盘方方向向（北北）与与阳阳光光入入射射方方向向的的夹夹角角。在在正正午午时时分分，北北半半球球地地区区的的太太阳阳总总是是从从南南方方射射入入，南南半半球球地地区区则则从从北北方方射射入入。如如下下面面的的动动画画所所示示，一一天天中中方方位位角角是是不不断断变变化化的的。在在赤赤道道地地区区，春春秋秋分分日日的的时时候候太太阳阳直直接接从从东东方方升升起起在在西西方方落落下下，不不管管所所处处的的纬纬度度是是多多少少，日日出出时时的的方方位位角角都都为为90而而日日落落时时为为270。尽尽管管如如此此，总总的的

19、来来说说方方位位角角还还是是随随着着纬纬度度和和一一年年中中日日期期的的改改变变而改变的。而改变的。18 1.4.6 地面太阳辐射地面太阳辐射 -仰角与仰角与方位角方位角计计算算一一天天里里太太阳阳位位置置的的完完整整方程将在下一节给出。方程将在下一节给出。本讲稿第十八页，共六十二页 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位 正正午午时时分分的的太太阳阳方方位位角角和和太太阳阳高高度度角角是是摆摆放放太太阳阳能能电电池池板板时时所所使使用用到到的的两两个个重重要要角角度度参参数数。然然而而，如如果果想想要要计计算算一一整整天天的的太太阳阳位位置置，就就必必须须计计算算一一整

20、整天天的的太太阳阳高高度度角角和和方方位位角角。这这些些角角度度将将使使用用“太太阳阳时时间间”来来计计算算。按按传传统统的的计计时时方方式式，地地球球被被分分成成不不同同的的时时区区。然然而而，在在这这些些时时区区里里，正正午午时时分分并并不不一一定定就就是是太太阳阳处处在在最最高高处处的的时时候候。类类似似的的，日日出出时时段段也也被被描描述述为为时时区区里里的的某某个个地地区区段段的的太阳正在升起。太阳正在升起。2023/4/9UNSW新南威尔士大学19本讲稿第十九页，共六十二页2023/4/9UNSW新南威尔士大学20 然然而而，由由于于一一个个时时区区横横跨跨了了一一定定长长度度的的

21、距距离离，当当太太阳阳刚刚刚刚照照耀耀这这个个时时区区的的某某个个地地方方的的地地平平线线时时，此此刻刻的的时时间间有有可可能能与与定定义义的的日日出出时时间间（或或官官方方承承认认的的日日出出时时间间）完完全全不不同同。而而这这种种规规定定也也是是必必要要的的，否否则则出出现现一一街街之之隔隔的的两两座座房房子子的的时时间间会会相相差差几几秒秒的的现现象象。从从另另一一方方面面来来说说，不不同同经经度度的的太太阳阳时时间间是是不不同同的的。因因此此，如如果果要要得得到到太太阳阳的的位位置置，必必须须先先计计算算当当地地的的太太阳阳时时间间然然后后再再计计算算太太阳阳高高度度角和方位角。角和方

22、位角。1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位本讲稿第二十页，共六十二页当地太阳时间（当地太阳时间（LSTLST）和当地时间）和当地时间(LT)(LT)Local Solar Time（LST）中中午午12时时是是指指太太阳阳升升到到最最高高处处的的时时刻刻。由由于于地地球球轨轨道道的的偏偏心心率率和和人人类类对对时时区区和和夏夏令令时时的的调调整整，当地时间当地时间(LT)一般不等于当地太阳时间一般不等于当地太阳时间。当地标准时间子午线（当地标准时间子午线（LSTMLSTM）The Local Standard Time Meridian（LSTM）是是特特定定时时区区所

23、所采采用的基准子午线，它类似于格林尼治时间使用的本初子午线。用的基准子午线，它类似于格林尼治时间使用的本初子午线。2023/4/9UNSW新南威尔士大学21 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位本讲稿第二十一页，共六十二页22LSTM(LSTM(当当当当地地地地标标标标准准准准时时时时间间间间子子子子午午午午线线线线)被被被被使使使使用用用用在在在在当当当当地地地地时时时时区区区区。这这这这里里里里显显显显示示示示的的的的LSTMLSTM跨跨跨跨越了巴西和格陵兰岛的部分地区。越了巴西和格陵兰岛的部分地区。越了巴西和格陵兰岛的部分地区。越了巴西和格陵兰岛的部分地区。格林威

24、治时间所使格林威治时间所使用的本初子午线用的本初子午线（经度（经度=0）通过下列方程可计算通过下列方程可计算LSTM:LSTM=15 T TGMTGMT 式中式中T TGMTGMT表示当地时间与格林威治时间的差（以小时为单位）。表示当地时间与格林威治时间的差（以小时为单位）。1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位360/24本讲稿第二十二页，共六十二页 时间方程（时间方程（EoT）时间方程（以分为单位）是纠正了地球公转的偏心率和地球的轴向时间方程（以分为单位）是纠正了地球公转的偏心率和地球的轴向倾斜之后的倾斜之后的经验方程经验方程。EoT=9.87sin(2B)7.53c

25、os(B)1.5sin(B)其中其中B=360（d-81）/365，单位为，单位为degree。d为从一年的第一天开始数起的天数。为从一年的第一天开始数起的天数。下图描绘了时间纠正方程。下图描绘了时间纠正方程。2023/4/9UNSW新南威尔士大学23 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位是否考虑了是否考虑了经纬度？经纬度？本讲稿第二十三页，共六十二页 时间纠正因子（时间纠正因子（TC）时间纠正因子（以分为单位）解释了在一个给定的时区内，时间纠正因子（以分为单位）解释了在一个给定的时区内，当地太阳时间因时区内当地太阳时间因时区内经度经度的变化而变化的现象，其方程也同时的

26、变化而变化的现象，其方程也同时包含时间方程。包含时间方程。TimeCorrection=4（LSTM-经度）经度）+EoT 方程里的方程里的4分钟分钟源自地球自转一度的时间是源自地球自转一度的时间是4分钟的事实。分钟的事实。当地太阳时间当地太阳时间 当地太阳时间（当地太阳时间（LST）可以通过使用前两个矫正因子来调整）可以通过使用前两个矫正因子来调整当地时间（当地时间（LT）得到。）得到。LST=LT+TC 2023/4/9UNSW新南威尔士大学24 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位本讲稿第二十四页，共六十二页 时角时角Hour Angle（HRA）时角把当地太阳时

27、间（时角把当地太阳时间（LST）转换成太阳在天空运动的度数的数）转换成太阳在天空运动的度数的数值。按照定义，正午时分的时角为值。按照定义，正午时分的时角为0。因为地球每转。因为地球每转15的时间为一的时间为一个小时，所以，与正午时分间隔一个小时就相当于太阳在太空转过了个小时，所以，与正午时分间隔一个小时就相当于太阳在太空转过了15角。在上午时角的符号是负的，下午是正的。角。在上午时角的符号是负的，下午是正的。HRA=15（LST-12）倾斜角（倾斜角（Declination）在前面已经给出了倾斜角的公式：在前面已经给出了倾斜角的公式：2023/4/9UNSW新南威尔士大学25 其中其中d为从一

28、年第一天开始数起的天数。为从一年第一天开始数起的天数。1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位本讲稿第二十五页，共六十二页 高度角高度角 高度角可由下面的方程得到：高度角可由下面的方程得到：高度角高度角=sin-1sin()sin()+cos()cos()cos（HRA）天顶角为太阳与垂直线之间的夹角。天顶角为太阳与垂直线之间的夹角。天顶角天顶角=90-高度角高度角2023/4/9UNSW新南威尔士大学26高度角高度角天顶角天顶角 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位即仰角即仰角正午太阳高度角的公式如下：正午太阳高度角的公式如下：=90+本讲稿第二十

29、六页，共六十二页 方位角方位角 方位角就像罗盘一样，正北方向为方位角就像罗盘一样，正北方向为0，正南方向为，正南方向为180。也有人。也有人使用稍微不同的定义（正南方向为使用稍微不同的定义（正南方向为0）。）。27 方位角可由上面的参数计算得到方位角可由上面的参数计算得到 1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位本讲稿第二十七页，共六十二页 日出和日落日出和日落 日出与日落的时间可以分别通过下面式子得到：日出与日落的时间可以分别通过下面式子得到：2023/4/9UNSW新南威尔士大学28 一整天的太阳位置一整天的太阳位置 关于一整年中地球上任何位置任何时间的太阳高度角和方位

30、角的计算方关于一整年中地球上任何位置任何时间的太阳高度角和方位角的计算方法将在下页给出。法将在下页给出。1.4.7 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳的方位太阳的方位本讲稿第二十八页，共六十二页 1.4.8 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳方位的计算太阳方位的计算 利用前面的公式，太阳在天空的方位可由观察者所在的位置和一利用前面的公式，太阳在天空的方位可由观察者所在的位置和一天中的时间确定。天中的时间确定。在蓝色框中输入观察者所在的位置和一天中的在蓝色框中输入观察者所在的位置和一天中的时间。（时间。（see CDROM HTM）Time and Date Thetimeisgivenas24ho

31、urtimeandtheminutesareenteredseparately.Thusfor5:15pm,enter17inthehourboxand15intheminutebox.Longitude,Latitude and Time Zone(GMT)To find the longitude,latitude and time zone of locations throughout the world,click here.Minutes of longitude and latitude are entered as fractions,so 1730 becomes 17.5.

32、Enter locations with an east longitude as negative.For daylight saving(summer time),subtract 1 hour from the given values.Generally speaking,locations east of Greenwich(UK)are positive and locations west of Greenwich are negative.本讲稿第二十九页，共六十二页 1.4.8 地面太阳辐射地面太阳辐射 -太阳方位的计算太阳方位的计算北京东经北京东经116.46度，北纬度，北

33、纬 39.92 度度天津东经天津东经117.17度，北纬度，北纬 39.17 度度本讲稿第三十页，共六十二页 入入射射到到光光伏伏组组件件上上的的能能量量不不仅仅取取决决于于太太阳阳光光所所包包含含的的能能量量，还还受受到到组组件件与与太太阳阳光光的的夹夹角角的的大大小小的的影影响响。当当吸吸收收表表面面与与太太阳阳光光互互相相垂垂直直时时，组组件件表表面面的的功功率率强强度度便便等等于于太太阳阳光光的的功功率率强强度度（换换句句话话说说，当当光光伏伏组组件件与与太太阳阳光光垂垂直直时时，其其表表面面的的功功率率强强度度达达到到最最大大值值）。然然而而，由由于于太太阳阳光光与与固固定定组组件件

34、表表面面的的夹夹角角是是不不断断改改变变的的，固固定定光光伏组件的功率强度也总是小于入射光的强度。伏组件的功率强度也总是小于入射光的强度。入入射射到到倾倾斜斜光光伏伏组组件件的的太太阳阳辐辐射射就就是是入入射射太太阳阳光光中中垂垂直直组组件件表表面面的的辐辐射射成成分分。下下面面的的图图画画展展示示了了，当当给给出出地地平平面面上上的的辐辐射射强强度度（Shorizon）或或垂垂直直太太阳阳光光的的平平面面的的辐辐射射强强度度（Sincident）时时，如如何何计计算入射到固定组件平面的辐射强度（算入射到固定组件平面的辐射强度（Smodule）。）。31 1.4.9 地面太阳辐射地面太阳辐射

35、-在倾斜表面上的太阳辐射在倾斜表面上的太阳辐射本讲稿第三十一页，共六十二页2023/4/9UNSW新南威尔士大学32 组件与入射光的角度发生组件与入射光的角度发生倾斜会减小光伏组件的电流输倾斜会减小光伏组件的电流输出。出。Sincident、smodule、S horizontal之间的关系方程如下所示：之间的关系方程如下所示：式中式中为高度角。为高度角。为组件平面相对于地平面的倾斜角。高度角的公为组件平面相对于地平面的倾斜角。高度角的公式已由前面给出：式已由前面给出：=90+=90+-。和和分别代表纬度和太阳偏向分别代表纬度和太阳偏向角，其公式也已在前面写出角，其公式也已在前面写出水平面水平

36、面太阳太阳辐射辐射 1.4.9 地面太阳辐射地面太阳辐射 -在倾斜表面上的太阳辐射在倾斜表面上的太阳辐射本讲稿第三十二页，共六十二页 由上面的方程可得出由上面的方程可得出Smodule与与Shorizontal的关系：的关系：2023/4/9UNSW新南威尔士大学33 倾倾斜斜角角度度对对入入射射到到平平面面的的太太阳阳辐辐射射有有重重要要的的影影响响。对对于于角角度度固固定定的的光光伏伏组组件件平平面面来来说说，当当倾倾斜斜角角度度等等于于当当地地的的纬纬度度时时，它它一一整整年年获获得得的的能能量量将将达达到到最最大大。然然而而，对对于于漫漫长长的的冬冬天天来来说说，陡陡峭峭的的倾倾斜斜角

37、角是是更更优优的的选选择择，相相反反的的，平平坦坦的的倾倾斜斜角角在在夏夏天天能能获得更多的光线。获得更多的光线。当当组组件件平平面面的的角角度度为为0时时，组组件件获获得得的的能能量量与与地地平平面面能能量量是是相相等等的的，因因为为此此时时组组件件是是平平躺躺在在地地面面上上的的。当当平平面面角角度度达达到到80时时，组组件件几几乎乎是是垂垂直直放放置置的的。此此时时组组件件能能量量小小于于入入射射光光能能量量，除除非非组组件件平平面面垂垂直直于于太太阳阳光光线线，它它们们的的值值才才相相等等。组组件件平平面面是是朝朝向向赤赤道道的，所以在南半球的时候它是面向北方的，而在北半球则面向南方。

38、的，所以在南半球的时候它是面向北方的，而在北半球则面向南方。1.4.9 地面太阳辐射地面太阳辐射 -在倾斜表面上的太阳辐射在倾斜表面上的太阳辐射本讲稿第三十三页，共六十二页 1.5.1 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐射测量太阳辐射测量 对对于于光光伏伏系系统统设设计计来来说说，知知道道当当地地在在不不同同时时间间的的可可利利用用辐辐射射量量是是很很有有必必要要的的。两两个个描描述述太太阳阳辐辐射射特特征征的的常常用用方方法法是是太太阳阳辐辐射射（或或辐辐射射）和和日日照照。太太阳阳辐辐射射是是一一个个瞬瞬时时的的功功率率强强度度，以以KW/m2为为单单位位。一一天天中中，太太阳阳辐辐射射的

39、的大大小小从从晚晚上上的的0KW/m2到到最最大大值值约约1KW/m2之之间间不不断断变变化化。太太阳阳辐辐射射主主要要取取决决于于观观测测的的位位置置和和当当地地的的天天气气。太太阳阳辐辐射射的的测测量量由由周周期期性性全全天天测测量量的的总总辐辐射射或或直直射射分分量量组组成成。测测量量工工具具为为日日射射强强度度计计（测测量量总总辐辐射射量量）或或太太阳阳热热量量计计（测测量量直直射射分分量量）。在设施比较完善的地区，已经收集了超过。在设施比较完善的地区，已经收集了超过20年的这类数据。年的这类数据。2023/4/9UNSW新南威尔士大学34本讲稿第三十四页，共六十二页 另另一一个个测测

40、量量太太阳阳辐辐射射的的方方法法是是使使用用日日照照计计，此此方方法法精精确确率率较较低低但但是是成成本本也也相相对对较较低低。这这种种日日照照计计（也也叫叫坎坎贝贝尔尔斯斯托托克克斯斯日日照照计计）能能测测量量出出一一天天中中光光线线强强度度超超过过某某一一个个水水平平（通通常常为为200mW/cm2）的的小小时时数数。通通过过使使测测量量出出来来的的小小时时数数与与基基于于数数学学公公式式和和几几个个纠纠正正因因子子计计算算出出来来的的小小时时数数相相比比较较，便便可可以以得得出出日日照照度度了了。尽尽管管太太阳阳辐辐射射是是最最常常被被测测量量的的数数据据，但但是是在在光光伏伏系系统统设

41、设计计中中更更常常使使用用的的数数据据还还是是日日照照度度。日日照照度度是是指指特特定定时时间间内内单单位位面面积积区区域域所所接接收收到到得得总总的的太太阳阳辐辐射射量量，通通常常以以KWhr/（m2 day）为单位。）为单位。1.5.1 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐射测量太阳辐射测量本讲稿第三十五页，共六十二页 虽然日照度的单位与太阳辐射的单位都是功率强度（因为日照虽然日照度的单位与太阳辐射的单位都是功率强度（因为日照度中的分子小时度中的分子小时hr与分母与分母day同是时间单位），但是日照度与同是时间单位），但是日照度与太阳辐射还是很大不同的，日照度是在给定时间段里的平均太阳辐射还

42、是很大不同的，日照度是在给定时间段里的平均太阳辐射强度。日照度常常使用在简单的光伏系统设计中，太阳辐射强度。日照度常常使用在简单的光伏系统设计中，而太阳辐射则在更为复杂的需要计算一天中每一时刻的情况而太阳辐射则在更为复杂的需要计算一天中每一时刻的情况的光伏系统中使用。日照度还可以用单位的光伏系统中使用。日照度还可以用单位MJ/m2/year 来表来表示。示。2023/4/9UNSW新南威尔士大学36 1.5.1 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐射测量太阳辐射测量本讲稿第三十六页，共六十二页2023/4/9UNSW新南威尔士大学37特定位置的太阳辐射强度可以通过以下几种方式表示：特定位置的太阳

43、辐射强度可以通过以下几种方式表示：1、某特定地区典型平均年照度、某特定地区典型平均年照度 2、平均每天、每月或每年的日照度、平均每天、每月或每年的日照度 3、一个月、一个季度或一整年的全球等辐射线、一个月、一个季度或一整年的全球等辐射线 4、日照时数、日照时数 5、基于卫星云层覆盖数据的日照度、基于卫星云层覆盖数据的日照度 6、太阳辐射的计算、太阳辐射的计算 1.5.1 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐射测量太阳辐射测量本讲稿第三十七页，共六十二页 1.5.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析 最最精精确确的的太太阳阳辐辐射射数数据据是是通通过过高高温温计

44、计测测量量获获得得的的，高高温温计计固固定定在在一一个个位位置置几几年年，通通常常大大约约十十年年或或者者更更久久，每每隔隔几几分分钟钟就就测测量量一一次次直直接接辐辐射射。然然而而，对对于于光光伏伏系系统统设设计计来来说说，用用这这种种技技术术产产生生的的数数据据量量并并不不足足以以提提供供当当地地的的全全部部信信息息。取取而而代代之之的的，是是这这些些数数据据可可以以其它的几种形式展现。以以其它的几种形式展现。2023/4/9UNSW新南威尔士大学38本讲稿第三十八页，共六十二页 在在概概念念上上最最简简单单的的方方法法就就是是算算出出测测量量期期间间的的数数据据平平均均数数。这这种种数数

45、据据形形式式叫叫平平均均每每天天、每每月月或或每每年年辐辐射射量量。尽尽管管这这种种数数据据对对基基本本的的系系统统设设计计有有用用，却却损损失失了了太太阳阳辐辐射射的的逐逐日日变变化化。这这种种逐逐日日变变化化的的损损失失是是非非常常严严重重的的，因因为为（例例如如）每每天天辐辐射射都都是是5KWhr/day的的系系统统的的设设计计和和性性能能与与那那种种有有几几天天是是8KWhr/day然然后后接着几天是接着几天是2KWhr/day的系统是有很大不同的。的系统是有很大不同的。1.5.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析本讲稿第三十九页，共六十二页 1.5

46、.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析典型气象年与每年的平均的太阳辐射数据的比较。典型气象年与每年的平均的太阳辐射数据的比较。典型气象年典型气象年平均辐射数据平均辐射数据本讲稿第四十页，共六十二页 描描述述太太阳阳辐辐射射最最常常用用的的方方式式是是典典型型气气象象年年（TMY），或或者者是是由由美美国国国国家家可可再再生生能能源源实实验验室室（NREL）所所使使用用的的TMY2。TMY包包含含有有每每天天数数据据的的变变化化。TMY数数据据将将在在下下页页详详细细介介绍绍。然然而而，平平均均太太阳阳辐辐射射数数据据，特特别别是是一一年年中中每每个个月月的的

47、的的平平均均数数据据在在粗粗略略估估计计太太阳阳能能电池板安装数量是也是被广泛使用的。电池板安装数量是也是被广泛使用的。另另外外一一个个尽尽管管较较少少见见到到但但是是非非常常有有用用的的的的数数据据是是连连续续几几天天出出现现阴阴天天的的概概率率，它它可可由由全全年年辐辐射射数数据据得得到到的的，在在这这里里，阴阴天天被被定定义义为为地地面面实实际际接接收收到到的的光光线线要要少少于于理理论论光光线线接接收收值值的的50%的日子。的日子。2023/4/9UNSW新南威尔士大学41 1.5.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析本讲稿第四十一页，共六十二页 例

48、例如如，某某个个地地区区连连续续4天天出出现现阴阴天天的的概概率率为为一一年年一一次次，连连续续5天天出出现现阴阴天天的的概概率率5年年一一次次。这这些些信信息息在在估估算算足足够够的的必必备备条条件件的的储储存存时时是是非非常常有有用用的的。然然而而，一一般般来来说说这这些些信信息息是是比比较较少少考考虑虑到到的的，如如果果需需要要使使用用，必必须须通通过过原原始始的的数数据据集集得得到到。描描述述当当地地天天文文气气候候时时最最常常用用的的数数据据就就是是叫叫做做典典型型气气象象年年的的数数据据（TMY）。要要测测定定TMY数数据据，必必须须获获得得几几年年中中每每隔隔一一小小时时测测量量

49、的的气气象象变变化化结结果果，然然后后制制成成一一副副当当地地气气候候的的变变化化图图表表。单单单单每每年年数数据据的的平平均均数数还还不不能能很很好好的的看看清清气气象象的的变变化化，所所以以人人们们选选择择月月平平均均数数以以最最大大程程度度代代表表当当地地情情况况。整整个个月月以以及及整整个个测测量量周周期期的的其其它它月月平平均均辐射值被测算出来。辐射值被测算出来。1.5.2 太阳辐射数据太阳辐射数据 -太阳辐照度的数据分析太阳辐照度的数据分析本讲稿第四十二页，共六十二页 1.5.3 太阳辐射数据太阳辐射数据 -典型气象年数据（典型气象年数据（TMY）如如果果有有一一年年的的各各月月的

50、的平平均均辐辐射射值值最最接接近近于于整整个个测测量量周周期期的的月月平平均均值值，那那么么这这一一年年就就被被选选为为典典型型气气象象年年（TMY），而而这这一一年年的的每每月月气气象象数数据据也也被被叫叫做做TMY数数据据。然然后后，这这个个过过程程在在一一年年中中的每个月都重复进行。的每个月都重复进行。现现实实中中没没有有严严格格标标准准的的TMY数数据据所所以以使使用用者者必必须须适适当当调调整整数数据据以以符符合合应应用用。处处理理样样本本周周期期时时必必须须相相当当谨谨慎慎。下下面面将将以以澳澳大大利亚墨尔本一月一号的原始利亚墨尔本一月一号的原始TMY数据文件为例：数据文件为例：2