You are here

大气效应

大气效应对地球表面的太阳辐射有多种影响。对光伏应用来说,其主要影响是:

  • 由于大气中的吸收、散射和反射所造成的太阳辐射功率降低;

  • 由于对某些波长的强烈吸收所造成的光谱构成变化;

  • 由于漫射或间接成分造成的辐射变化;

  • 大气中的局部变化(例如水蒸气、云层或者污染物)对入射功率、光谱和方向性所造成的额外影响。

这些影响总结如下图所示:

                                                 典型的晴天对入射阳光的吸收和散射 1

大气中的吸收

当太阳辐射穿越大气层时,其中的气体、灰尘和气溶胶都会吸收入射的光子。某些气体,特别是臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)和水蒸气(H2O),对能量接近其键能的光子吸收特别高。这些吸收会在光谱曲线图中造成一个个深槽。例如,很多2µm以上的远红外线会被水蒸气和二氧化碳吸收。同样,大多数低于0.3µm的紫外线会被臭氧吸收(但不足以完全抵御晒伤!)。

尽管大气中特定气体的吸收改变了地面太阳辐射的光谱构成,但它们对总功率的影响相对较小。对太阳辐射功率降低的主要因素其实是空气分子和灰尘所造成的吸收和散射。这个吸收过程不会在光谱曲线图中造成深槽,而是会导致功率降低,具体取决于光线通过大气的路径长度。当太阳在头顶正上方时,由于这些大气元素造起的吸收会导致整个可见光谱范围内相对均匀的减少,因此入射光看起来是白色的。但是,对于较长的路径,较高能量(即较低波长)的光会被更有效地吸收和散射。因此,在早晨和傍晚,太阳显得比白天更红,而且强度更低。

Show Blackbody    Show AM0    Show AM1.5   
Show Visible Wavelengths    Show Notes   

地球大气层外层和到达地表的太阳辐射比较。人眼已经进化到对最强烈的波长感知最为灵敏2

上图给出了标准光谱图,附录中有更多关于典型太阳光谱的具体描述。计算机建模可以针对特定位置和一天中的某个时刻给出更加详细的太阳光谱模型。 The 阳光在大气辐射传递的简易模型,即SMARTS3,被用来产生标准的太阳光谱。 PV lighthouse所给出的太阳光谱计算器所给出的太阳光谱计算器还会根据坐标和一天中的某个时刻,使用相对简易的Bird4算法,勾绘出太阳光谱。

直接辐射和由散射引起的漫射

当光穿过大气层时会被吸收掉一部分,同时也会受到散射影响。大气中光散射的机制之一是瑞利散射,它是由大气中的分子引起的。瑞利散射对短波长光(即蓝光)特别有效,因为它具有λ-4相关性。除瑞利散射外,气溶胶和尘埃颗粒也有参与入射光的散射,被称之为米氏散射。

散射光是无方向性的,因此它看起来像是来自于天空的任何区域。这些光被称为“漫射”光。由于漫射光主要是“蓝”光,所以除了太阳所在的位置,天空中其他的区域呈现出蓝色。如果大气中不存在散射,那天空将呈现黑色,而太阳将看起来像是光盘一样的光源。在晴天的时候,大约有10%的入射太阳辐射是被漫射的。

云层和其他大气中局部变化造成的影响

大气对入射太阳辐射的最终影响是由于大气中的局部变化。根据云层的不同类型,入射功率会大大降低。下图显示了一个厚云层的例子。

                     墨尔本晴天和阴天冬季光伏阵列的相对输出电流,阵列倾斜角为60°5