1.1　太阳能概况

1.1.1　太阳能概况

21世纪人类文明急速发展，人口的增加、经济的发展必然会导致能源需求的增加。而目前主要的能源供应形式为化石能源。这必然会带来诸多严重的问题。大量地使用化石能源，将致使其短缺，同时导致严重的环境污染、生态破坏。

根据BP石油公司《2017年世界能源统计报告》的数据（表1.1），我国化石能源在2016年年底的储量及产量在全球储量及产量中所占比例较少。同时，表1.1中通过储产比（储采比）数据给出了化石能源在我国及全球的可开采年数。我国煤炭的储采比为72年，远低于世界平均水平（153年）。对于石油和天然气的可开采年数，我国分别为17.5年和38.8年，均分别低于世界平均水平（50.6年和52.5年）。由此可见，我国化石能源短缺，控制化石能源的消耗不仅是保护环境和减少碳排放的需要，而且从资源禀赋的角度来看也是十分必要的。

储采比是指上年的某种化石能源的剩余可采储量与上年的采出量之比，可以大致反映某种化石能源按照当前开采速度还能够再用多少年。由表1.1的结果可见，全球范围内，在今后的几十年到一百年左右的时间内这些传统能源将会枯竭。因此，在人口增加、能源需求量大、环境污染、传统能源枯竭等问题的压力下，解决办法之一是减少使用传统能源，并寻找替代能源，如大力推广太阳能等清洁、可再生能源的应用。

可再生能源的种类很多，其中太阳能是主体。此外，可再生能源还包括风能、生物质能、水能、地热能、氢能和核能等。随着时间的推移，这些具有各种资源形式的新兴能源将逐渐成为主要能源，将会对人类生产、生活的文明发展带来重大影响。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的能源。其完全不同于石油、煤炭等传统能源。首先，太阳能的利用不会导致“温室效应”，也不含有害物质，不会污染环境，因此为清洁能源。其次，处处都有太阳辐射，没有地域和资源的限制，就地可用，无需运输或输送，使用方便且安全。这对于山区、沙漠、海岛等偏僻边远地区更显示出它的优越性，因此太阳能具有广泛性。随着社会的发展和人类文明的进步，太阳能将会扮演更加重要的角色，其应用也已受到世界各国的重视，并逐渐成为一种非常理想的清洁能源。

太阳位于银河系的对称平面附近，距离银河系的中心约33000光年（银河系边缘距中心约40000光年），是银河系中15000亿颗恒星中的一员。太阳是一个处于高温、高压下的巨大火球，其直径约1.39×106 km，比地球直径大109倍；其质量为2.2×1017 t，比地球质量大33倍；体积比地球大130万倍；平均密度为地球的1/4；表面温度约为6000K，中心温度约达1.4×107 K；压力约为1.96×1013kPa，太阳的物理数据见表1.2。在这样的温度和压力下，太阳内部持续不断地进行着由氢聚变成氦的核聚变反应，同时其不断地以光线的形式向广阔宇宙空间辐射出巨大的能量，即太阳能。在该反应过程中，太阳内部产生数百万摄氏度的高温，表面温度达5762K，这正是太阳向空间辐射出巨大能量的源泉。地球所接收到的太阳能相当于全球所需能量的3万～4万倍，其总量是现今世界上可以开发利用的最大能源量，可见来自太阳的能量多么巨大。人们推测太阳的寿命至少还有几十亿年，因此对人类来说，太阳能是一种无限的能源。如果合理利用太阳能，将会为人类提供充足的能源。因此，太阳能的研究和应用是今后人类能源发展的主要方向之一。

1.1.2　太阳辐射

太阳光穿过大气照射到地球时，其辐射能量中只有不到二十二亿分之一到达地球。到达地球表面的太阳辐射能总量具有不确定性，主要有以下原因：

首先，由于太阳能具有分散性。虽然到达地球表面的太阳辐射能总量很大，但是能流密度却很低，每单位面积上的入射功率很小。

其次，太阳能具有间歇性。由于太阳高度角在一年内不断变化，因此即使在同一个地区，一天24h内的太阳辐照度变化也较大。再加上受到季节以及晴、阴、雨、云等气象变化因素的影响，到达同一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的。

再次，太阳能具有地域性。辐射到地球表面的太阳能，随地点不同而有所变化。它不仅与各地的地理纬度、海拔有关，还与各地的大气透明度（污染、混浊等）和气象变化等诸多因素有关。因此，在地面上测得的太阳光频谱往往由于受大气层吸收和扰乱的影响，以及受大气质量、气候、大气状态等因素的影响会发生很大的变化。

太阳能的可用量是不稳定的，随机性较大。总的来说，利用太阳能既有前述的各种优点，也有严重的缺点。因此在考虑太阳能利用时，不仅应从技术方面考虑，还应从经济、环境、生态、居民福利，特别是国家建设的整体方针等方面来全面考虑研究。

太阳辐射到地面有两种形式：一种是从光球表面发射出的光辐射，由可见光和不可见光组成；另一种是微粒辐射，由带正电荷的质子和大致等量的带负电荷的电子以及其他粒子组成的粒子流。微粒辐射平时较弱，能量也不稳定。在太阳活动剧烈时，其对人类和地球高层大气有一定的影响，但从能量角度而言，对地球的影响微乎其微。因此，通常所说的太阳辐射指的是光辐射。这部分光照射到地球时，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达地球表面。到达地球表面的太阳光又有一部分被物体表面所吸收，另一部分被发射回大气层。太阳光入射地面示意图如图1.1所示。

在地面上的任何地方都不可能排除大气吸收对太阳辐射的影响。实际测量的太阳辐射不仅和测试的时间、地点有关，也和当时的气象条件有关。为了描述大气吸收对太阳辐射的能量及其光谱分布的影响，引入大气质量（air mass，AM）概念，即由于大气导致太阳光减少的比例与大气的厚度有关，定量地表示大气厚度的单位称为大气圈通过空气量（即上述所指大气质量）。大气质量为0的状态（AM0），是指在地球外空间接收太阳光的情况，适用于人造卫星和宇宙飞船等应用场合；大气质量为1的状态（AM1），是指太阳光直接垂直照射到地球表面的情况，相当于晴朗夏日在海面上所接收的太阳光。这两者的区别在于大气对太阳光的衰减，主要包括臭氧层对紫外线的吸收、水蒸气对红外线的吸收以及由大气中尘埃和悬浮物导致的散射等。大气质量为1.5的状态（AM1.5），是指在典型的晴天时，太阳光照射到一般地面的情况，常用于地面太阳电池和组件效率测试。

太阳辐射的波长包含0.15～4μm的波段范围。实际入射的太阳能应当是太阳光所包含的各种波长的光能之和。大气吸收不仅影响到达地面的太阳辐射通量而且影响太阳光谱的分布情况。依据国际电工委员会所给出的标准太阳光谱辐照度分布数据，可以获得有大气吸收的到达地面（AM1.5）的太阳光谱曲线以及无大气吸收的（AM0）大气上界的太阳辐射曲线，太阳光谱分布曲线如图1.2所示。在波长0.3～1.5μm波段内的太阳辐射能量约占总辐射能量的90%，在无大气吸收情况下，光谱峰值约在0.5μm附近。

如果把太阳在天顶时垂直于海平面的太阳辐射穿过大气的高度作为一个大气质量，则太阳在任意位置时的大气质量定义为从海平面看太阳通过大气的距离与太阳在天顶时通过大气的距离之比。平常所说大气质量是指相当于“一个大气质量”的若干倍，大气质量是一个无量纲的量。大气质量示意图如图1.3所示。其中，A为地球海平面上一点，当太阳在天顶位置S时，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为OA，而太阳位于任一点S'时，太阳辐射穿过大气层的路径为O'A。则大气质量定义为

式中　θ——直射入地球的太阳光线与地球水平面之间的夹角，称为太阳高度角。

不同地域大气压力的差异，反映阳光通过大气距离的不同，也反映单位面积上大气柱中所含空气质量的不同，如果A点不是处于海平面，则大气质量需做修正，即

式中　P——当地的大气压力；

P0——标准大气压力，P0＝101.3kPa。

如上所述，太阳在天顶时海平面处的大气质量为1即为AM1条件；外层空间不通过大气时大气质量为0即AM0条件。太阳常数I0为AM0条件下的太阳辐射通量。随着太阳高度的降低，通过大气的光路径变长，大气质量大于1，大气吸收的增加使得到达地面的光辐照度下降。由于地面上AM1条件与人类生活地域的实际情况有较大差异，因此通常选择更接近人类生活现实的AM1.5条件作为评估地面用太阳电池及组件的标准。此时太阳高度角约为41.8°，光辐照度约为963W/m2。目前，国际标准化组织将AM1.5的辐照度定为1000W/m2。

太阳辐射在通过大气层到达地球表面的过程中，不仅受到大气层中的空气分子、水汽及灰尘的散射，而且受到大气中氧、臭氧、水和二氧化碳的吸收，因此到达地面上的太阳辐射发生了显著的衰减，且其光谱分布也发生了一定的变化。具体来说，根据研究人员测得的平均数据，太阳辐射中约有43%因反射和散射而折回宇宙空间，另有14%被大气所吸收，只有43%能够到达地面。但某一地点某一时刻的辐照情况，与当时当地的气象条件影响有关。从理论上较严格、具体地分析太阳辐射经大气层后的衰减情况，其相关因素主要有：

（1）大气的吸收。

（2）大气的散射。太阳辐射作为电磁波入射到大气层中时，与大气中物质（气、液、固）内的电子发生相互作用，电磁波的电场使物质中的电子受到加速，这些加速的电子沿不同方向辐射出电磁波。因此，沿原来入射波方向的辐射将有所减弱，所减弱的能量分布到其他方向上去。电磁波的散射是自然界中重要而普遍的现象之一，有着十分广泛的应用。

（3）大气浑浊度、天气等随机因素所带来的影响。

（4）由于地球除沿椭圆轨道绕日公转外，还绕地轴自转，因此从地面的观察者的角度看来，太阳在天空中的位置不断变化，这种变化直接影响着到达地面的太阳辐照度，从而决定着地面上可以利用的太阳能。

1.1.3　辐照度与太阳常数

辐照度，即单位面积上与单位时间内接受各种波长辐射能量的数值。由于历史原因，其单位有cal/（cm2·min）、W/m2、Btu/（ft2·h）等。国际单位制中采用W/m2。

人们常把地球大气层上界与太阳光线垂直的单位面积上、单位时间内接受的太阳辐射能，在日地平均距离时的数值称为太阳常数，用符号Isc表示。据中外专家测定，该常数为

太阳常数Isc＝1353W/m2是地球上所接受的太阳辐照度最大极限值，实际上地球表面上任一处的倾斜或水平的接受面，所截获的太阳辐照度都比太阳常数小。经分析，地球表面上任一处采光面上所截获的太阳辐照度大小取决于太阳与地球距离，太阳相对地球某处、某时刻的相对位置；太阳辐射透过大气层的衰减情况；太阳能利用装置的采光面方位和倾角等。

1981年10月在墨西哥召开的世界气象组织仪器和观测方法委员会第八次会议通过了太阳常数为（1367±7）W/m2的方案。这个数值在太阳活动的极大期和极小期变化都很小，仅为2%左右。

由定义可知，Isc是平均日地距离时的太阳辐照度。若设大气层上界某一任意时刻的太阳辐照度为I0，则

式中　n——距离1月1日的天数；

r——日地间距引起的修正值。

1.1.4　太阳与地球的相对位置及其相关计算

1.地球绕太阳的运行规律

贯穿地球中心与南北两极相连的这条线被称为地轴。地球每天都是绕着这个“地轴”自西向东地自转一周。每转一周（360°）为一天，即24h，因此其每小时自转15°。当太阳光从距离地球极远处照射过来时，近似成了平行的光线，因此只能照亮地球的一半。向阳的半球为白天，背阳的半球为黑夜。由于地球不停地自转，使得地球上任意一个地方都会发生昼夜交替现象。

地球除自转外，还绕着太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道（黄道）运行，即为公转，周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）法线倾斜成23°27'的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球（在天文学上，通常假定以观察者为中心，以任意长为半径，其上分布着所有天体的球面被称为天球）的北极。因此，地球处于运行轨道的不同位置时，太阳直射点的位置会在北纬23°27'和南纬23°27'之间来回移动，形成四季交替现象。由于地球绕太阳运行的轨道是椭圆而不是正圆，因而太阳与地球的距离在一年内是变化的。一月初日地距离小，七月初日地距离大，四月初和十月初日地平均距离为1.5×108 km。最远距离、最近距离与平均距离相差1.7%。

在春、夏、秋、冬各季节中，春分、夏至、秋分、冬至这几个特征日期的地球与太阳相对位置的变化，即地球绕太阳运行示意图如图1.4所示。其中：春分和秋分日时，太阳直射赤道，赤道上中午太阳正好在头顶上，此时赤道地区出现相对较热的天气；夏至日，阳光垂直照射在北纬23°27'地面上，在南极圈中整天看不到太阳，而北极圈中整天都有太阳，北半球的天气相对较热，而南半球的天气相对较冷。夏至过后，直射太阳光线开始南移；冬至日，阳光垂直照射在南纬23°27'的地面上，北极圈内整天没有太阳光，南极圈内整天都有太阳光，则北半球相对比较冷，南半球相对比较热。冬至过后，太阳直射光线又开始北移。于是，地球上特别是处于中纬度的区域，呈现出明显的季节变化，即春、夏、秋、冬及冬季昼短夜长，夏季昼长夜短现象。4个特征日期阳光直射地球的位置如图1.5所示。

2.相关角度的计算

一年中地球接受太阳光辐射的变化情况以及一日内不同时刻地球表面某一处接受光辐射方向的变动情况可以通过以下几个参数分别表示。

（1）太阳赤纬角δ。正午时的太阳光与地球赤道平面间的夹角就是太阳的赤纬角。一般取从赤道向北为正方向，向南为负方向，用δ表示。在一年中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过±23°27'的范围。夏天最大变化到夏至日的23°27'；冬天最小变化到冬至日的-23°27'。这导致地球表面上太阳辐射入射角的变化，使白天的长短随季节有所不同。δ随季节变化，可按库珀（Cooper）方程计算为

自春分日起的第d天的δ为

式中　δ——一年中第n天或离春分第d天的赤纬角；

d——由春分日算起第d天；

n——一年中的天数。

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纬角见表1.3。

（2）太阳高度角αs、天顶角θz、时角ω。以αs表示太阳高度角，其含义是太阳高出地表水平面的角度。在地球表面一点P，阳光以SP方向射向P点，将光线SP垂直地投落在过P点的水平面上，方向为PF，则SP与PF之间的夹角αs为此刻P点处的太阳高度角。过P点向上做地平面的垂直线PQ，则PQ与SP之间的夹角θz为此刻P点处的天顶角。以ω表示太阳时角，它定义为在正午时ω＝0°，每隔1h增加15°，上午为正，下午为负。例如：上午11时，ω＝15°；上午8时，ω＝15°×（12-8）＝60°；下午1时，ω＝-15°；下午3时，ω＝-15°×3＝-45°。太阳高度角、天顶角和方位角如图1.6所示。

高度角与天顶角之间的关系为

计算太阳高度角的公式为

式中　Φ——P点处的地理纬度。

正午时，ω＝0，cosω＝1。式（1.7）

可简化为

又因为

所以

正午时，若太阳在天顶以南，即Φ＞δ，取sinαs＝sin[90°-（Φ-δ）]，从而有

在南北回归线内，有时正午太阳正对天顶，则有Φ＝δ，从而αs＝90°。

（3）太阳方位角γs。如图1.6中，地平面上正南方向线PE与太阳光线在地平面上投影线PF之间的夹角γs称为此刻P点处的太阳方位角。它表示此时太阳光线的水平投影偏离正南方向的角度，其计算式为

或

根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间，利用式（1.10）或式（1.11）可以求出任何地区、任何季节某一时刻的太阳方位角。

（4）日照时间。太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角αs＝0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，根据式（1.7），可得日出日没时角表达式为

式中　ωθ——日出或日没时角，（°），正为日没时角，负为日出时角。

对于北半球，当-1≤-tanΦ·tanδ≤＋1时，解式（1.12）有

因为

所以

求出时角ωθ后，日出日没时间用t＝ω/15°＋12求出。一天中可能的日照时间为

（5）接收太阳能应考虑的相关角度。由上可知，一年中不同日期或一日内不同时间投射到地面的太阳角度总是在变化。我国大部分地区（北回归线以北地区），夏至日的中午太阳高度角αs值最大；而冬至这天，太阳高度角是一年中最小的。每天早晨太阳从东方升起，中午太阳在南方，晚上太阳在西方落地，一日内方位角γs随时间变化。

太阳能接收器安装角β与其他角度的关系如图1.7所示，一般使太阳能接收器为平面形状，尽可能让阳光垂直照射在平板型的设备上。但是阳光的方向，即αs和γs总是在变化，若想让阳光时刻都垂直投向接收器的平面，需要将接收器制成能够全方位跟踪太阳的形式，即在接收器上设有双轴跟踪装置，以适应变动的αs和γs，但是结构比较复杂。若只设单轴跟踪装置，通常是为适应变动着的γs的需要，而不考虑αs的情况，结构简单一些，同时接收效果也差一些。

如果为了简化结构和操作，不追求较理想的接收效果，而把太阳能接收器安装成固定不动的形式，这时安装倾角β应做如下考虑：要在使用期内获得较多太阳能，在中午必须尽可能地使接收器采光面垂直阳光。由图1.7可见，这里的θz＝Φ-δ，而θz＝β，因此β＝Φ-δ。

由于δ值一年中在23°27'～-23°27'之间变化，故推荐太阳能接收器的倾角β采用以下数值。

接收器在全年使用时

接收器在春分到秋分期间（夏季）使用时

接收器在秋分到春分期间（冬季）使用时

由图1.7可知，正午时太阳高度角、当地纬度、当日的赤纬角及天顶角之间的关系为