人造陽光的標(biāo)準(zhǔn)化

人造陽光的標(biāo)準(zhǔn)化

太陽模擬器旨在通過人工方式模擬陽光。為了使他們能夠可靠且一致地做到這一點(diǎn)，需要定義國際標(biāo)準(zhǔn)。

這是在1975 年和 1977 年由 ERDA 和 NASA 主辦的一系列研討會上完成的，他們發(fā)表了一份標(biāo)準(zhǔn)地面太陽能電池測量程序的報(bào)告，包括標(biāo)準(zhǔn)太陽模擬器的詳細(xì)描述。在這些研討會期間，科學(xué)家們對可觀測的太陽強(qiáng)度以及光譜進(jìn)行了平均，并就基線達(dá)成了一致。

在本報(bào)告中，標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照度選擇為 1000 瓦每平方米 (W/m2)，并選擇 AM1.5 Global 的空氣質(zhì)量作為代表地球上太陽光的光譜成分。

如果您還不知道什么是“氣團(tuán)”，請不要擔(dān)心，我們很快就會介紹。

這兩個標(biāo)準(zhǔn)（強(qiáng)度和光譜成分）均已納入 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)（例如 ASTM E927、ASTM G173-03 和 ASTM E490）以及許多其他國際標(biāo)準(zhǔn)（例如 IEC 60904-9 和 JIC C8912）。這些標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證并限定了太陽模擬器，并定義了圍繞陽光的共同點(diǎn)。

“什么是太陽光”和“我們能得到多少太陽光”的問題的答案是，標(biāo)準(zhǔn)太陽光的輻照度為1000 W/m2，光譜分布符合AM1.5G。

標(biāo)準(zhǔn)AM1.5G頻譜如下：

空氣質(zhì)量與陽光有什么關(guān)系？

空氣質(zhì)量的定義

當(dāng)您第一次閱讀“空氣質(zhì)量”一詞時，您可能想知道空氣質(zhì)量與陽光和太陽光譜有何相關(guān)性。你不是一個人！這個術(shù)語肯定會引起一些混亂，但對于理解不同太陽光譜的定義方式非常重要。這是雙重令人困惑的，因?yàn)闅庀髮W(xué)和太陽能學(xué)科中有類似的定義。

在氣象學(xué)中，空氣質(zhì)量被定義為具有特定溫度和蒸汽含量的空氣體積。因此，兩個相似的氣團(tuán)將具有表現(xiàn)出相似化學(xué)和光譜行為的氣體和顆粒。這不是太陽能學(xué)科中最有用的定義。

在太陽能領(lǐng)域，空氣質(zhì)量更好地稱為“空氣質(zhì)量系數(shù)”，它定義了你和太陽之間有多少大氣層。正如我們之前討論的，大氣吸收和散射光，因此吸收和散射光的量對于了解和量化光譜至關(guān)重要。空氣質(zhì)量系數(shù)告訴您光線到達(dá)您之前必須穿過大氣層的相對距離（或路徑長度）。

雖然這兩個定義有一些相似之處，但重要的是要認(rèn)識到它們是不可互換的。因此，當(dāng)你身處太陽能圈子時，術(shù)語“空氣質(zhì)量”實(shí)際上指的是“空氣質(zhì)量系數(shù)”。我們將在下面介紹一些具體示例。

AM0 頻譜是什么？

之前，我們描述了如何通過 5800 K 黑體來近似太陽的發(fā)射光譜。這種發(fā)射的輻射傳播 1.5 億公里并到達(dá)地球軌道。因?yàn)樗┻^太空的真空，所以沒有粒子吸收或散射光。

這樣一個頻譜的空氣質(zhì)量系數(shù)是多少？要回答這個問題，我們首先必須回答：光穿過了多少大氣層？

在這種情況下，答案是否定的——零。沒有任何大氣傳播。

該光譜就是我們所說的空氣質(zhì)量 0 (AM0)，表明陽光沒有與地球的任何大氣層相互作用。

接下來，我們將討論穿過地球大氣層的光譜示例。

AM1 頻譜是什么？

當(dāng)我們在地球上測量太陽光譜時，由于地球大氣中分子的散射（例如藍(lán)光）和吸收（例如紅光），它與 AM0 的 5800 K 黑體輻射不同。總體而言，頻譜在穿過空氣后會衰減或減少。陽光穿過的大氣層越多，光的衰減就越大。

我們已經(jīng)討論過空氣質(zhì)量（或空氣質(zhì)量系數(shù)）是直射陽光穿過大氣層的路徑長度。現(xiàn)在我們可以介紹一些定義和計(jì)算方法的細(xì)節(jié)。

空氣質(zhì)量系數(shù)將“1”定義為當(dāng)太陽位于海平面正上方時光穿過的路徑長度。光穿過這段大氣路徑后的光譜就是我們所說的空氣質(zhì)量 1 或 AM1。在這種情況下，太陽的直接輻射以盡可能短的路徑垂直穿過大氣層。

特定位置正上方的這一點(diǎn)稱為天頂。表示為相對于海平面位置上方天頂處的太陽（天頂是特定位置正上方的假想點(diǎn)）的比率。在這種情況下，太陽的直接輻射以盡可能短的路徑垂直穿過大氣層。這被稱為氣團(tuán) 1。

AM1 是可以定義其余光譜的基線。空氣質(zhì)量表示為相對于海平面位置上方天頂處的太陽的比率。

如果我們的路徑長度是海邊陽光天頂?shù)膬杀叮敲丛摴庾V稱為 AM2。如果我們有四倍的路徑長度，那就是 AM4，依此類推。

AM0.1、AM0.2 … AM0.9 光譜是什么？

這些光譜是指當(dāng)太陽處于最高點(diǎn)照射在海面上時標(biāo)準(zhǔn)路徑長度的分?jǐn)?shù)。如果您爬上一座山，直到到達(dá)大氣層高度的一半，那么當(dāng)太陽直射頭頂時，光線將穿過一半的路徑長度，您將暴露在 AM0.5 光譜中。如果您駕駛飛機(jī)到達(dá)大氣層高度的 90%，只剩下 10%，那么飛機(jī)將暴露于 AM0.1（即 AM1 路徑長度的 10%）。

因?yàn)槲覀冇械匦危⑶也粫阉袝r間都花在海平面上，所以當(dāng)太陽直接位于頭頂并且我們位于海平面上方時，我們需要光譜定義。這些是從 AM0.1 到 AM0.9 的所有光譜。

AM1.1、AM1.5、AM2、AM5…AM40 光譜是什么？

這些光譜對應(yīng)于陽光的傳播路徑長度比海平面直射陽光長得多（具體為 1.1 倍、1.5 倍、2 倍、5 倍和 40 倍）。

您的下一個問題可能是：光何時穿過該路徑長度？為此，我們需要進(jìn)行一些計(jì)算，但簡短的答案是，當(dāng)太陽改變其在地平線上的角度時，AM 光譜也會發(fā)生變化。

特定 AM 頻譜何時適用？

由于空氣質(zhì)量系數(shù)的計(jì)算方式是太陽實(shí)際路徑長度與太陽天頂處路徑長度的比率，因此我們可以使用一些基本幾何形狀來開始了解 AM1.1、AM1.5 等何時可能真正適用。

當(dāng)空氣質(zhì)量系數(shù)發(fā)生變化時，最根本的變化是天頂角。即太陽當(dāng)前位置與正上方直線之間的角度。天頂角越高，太陽在天空中的位置越低，陽光穿過的大氣層就越多。

要知道特定的 AM 光譜何時適用，實(shí)際上就是要弄清楚該 AM 光譜的太陽天頂角到底是多少。

為什么 AM1.5G 是標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜？

由于世界上大多數(shù)主要人口中心（歐洲、中國、日本、美國、印度北部、南部非洲和澳大利亞）位于中緯度地區(qū)，因此代表中緯度地區(qū)的 AM 數(shù)是最常用來表征性能的太陽能電池。AM1.5大氣厚度表示天頂角z=48.2°。

夏季，中緯度地區(qū)的 AM 值小于 1.5，早晨和晚上的 AM 值更高。因此，AM1.5 是中緯度地區(qū)大氣厚度年平均值的有用表示。20 世紀(jì) 70 年代，基于美國的太陽輻射分析，出于標(biāo)準(zhǔn)化目的，1.5 的空氣質(zhì)量被選為標(biāo)準(zhǔn)光譜。

AM1.5G 中的“G”代表“全局”，是第一個為光譜添加更多信息和特異性的后綴。

AM1.5、AM1.5G、AM1.5D 太陽光譜是什么？

AM 指定的光譜中添加了一些后綴，它們考慮了不同的影響以最大限度地提高光譜的特異性。這種額外的細(xì)節(jié)水平確保考慮和指出陽光行為的各個方面，使世界各地的研究人員更容易將他們的結(jié)果相互比較。

AM1.5D中的“D”代表定向，對應(yīng)于陽光直接照射在地球上的一點(diǎn)（即沒有反射或散射）。

AM1.5G 對應(yīng)于包括漫射光和散射光的全局光譜。它還指定考慮將由 37 度傾斜表面接收的光（當(dāng)考慮到大氣曲率和垂直密度分布時，對應(yīng)于上述 48.2 度的太陽天頂角）。

測試中最常用的光譜是什么？

標(biāo)準(zhǔn)光譜包括AM0、AM1.5G、AM1.5D。這些由 ASTM E490、ASTM G173-03 和其他標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)定義，旨在提供標(biāo)準(zhǔn)測試條件，以便可以比較實(shí)驗(yàn)和結(jié)果，并獲得真實(shí)性能的合理近似值。AM0 和 AM1.5G 是迄今為止最常用的測試光譜。

AM1（距天頂 0°）至 AM1.1（距天頂 25°）太陽光產(chǎn)生的光譜是評估赤道和熱帶地區(qū)太陽能電池性能的有用范圍。

其他 AM 值用于近似中緯度或更高海拔地區(qū)以外的地區(qū)的陽光。例如，AM2 和 3（分別為 z=60° 和 z=70°）可用于確定高緯度地區(qū)（例如北歐的設(shè)備）的某些設(shè)備（例如太陽能電池）的太陽能性能。AM值40通常被認(rèn)為是赤道水平方向（z=90°）的空氣質(zhì)量值。