太阳能光伏技术：地面太阳辐射能应用

地球的大气层对到达地面的太阳辐射能有很大的影响。首先这与太阳辐射穿透大气层的距离有关，这又决定于太阳辐射的方向，通常用大气质量表示上述情况，如2．4．2节所述。但是大气层的影响不仅与太阳光的方向有关，而且还与大气中吸收、散射、反射太阳辐射的物质多少有关，这样一来情况就比较复杂，跟当时的天气状况密切相关。当然大气层的总体组成成分是相当稳定的，主要有气体氮、氧、氢、氦等外，还有成分不固定的气体分子如水汽、臭氧、二氧化碳，及悬浮的固态微粒如烟、尘埃、花粉等等，这些微粒也是形成云的核心。太阳辐射通过大气层时，就被这些分子及微粒所吸收、散射或反射，因而太阳辐照度将被削弱。图2．8表示了在晴朗天空对入射光的吸收和散射。

图2．8　晴朗天气AM1光谱对入射太阳光的吸收和散射［9］

大气中对太阳光产生吸收的物质主要是臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）及水汽（H2O）。大气中含有21%的氧，主要吸收波长小于0．2μm的紫外光，在0．155 μm处吸收最强。因此在到达地面的太阳辐射中几乎观察不到波长小于0．2μm的辐射。O3主要存在于20～40km的高层大气中，在20～25km处最多，在底层大气中几乎没有。O3在整个光谱范围内都有吸收，但主要有两个吸收带，一个是短波光0．20～0．32μm间的强吸收带，另一个是在可见光区的0．6μm处，虽然吸收比例不大，但恰好在辐射最强区，所以O3的吸收要占总辐照度的2%左右［10］。大气中的尘埃也会对太阳辐射有一定的吸收作用，上部尘埃层和下部尘埃层各吸收总辐照度的1%左右。空气分子（主要是CO2分子和液态水分子）和水汽是太阳辐射的主要吸收媒质，吸收带在红外及可见光区域，两者的吸收约占总辐照度的8%和6%。(www.xing528.com)

大气成分对太阳光会发生各种散射作用。当太阳辐射穿过大气层时，将被各种气体分子、水分子、尘埃等粒子所散射。散射与吸收不同，不会把辐射能转变为粒子热运动的动能，而仅是改变辐射方向，使直射光变为漫射光，甚至使太阳辐射逸出大气层而不能到达地面。散射对太阳辐照度的影响与散射粒子的尺寸有关，一般可分为分子散射（molecular scattering）和微粒散射（particle scattering）。分子散射，也叫做瑞利散射（rayleigh scattering），散射粒子小于辐射波长，散射强度与波长的四次方成反比。大气对长波光的散射较弱，即透明度较大；而对短波光的散射较强，即透明度较小。天空有时呈现蓝色就是由于短波光散射所致。发生微粒散射的散射粒子大于辐射波长，随着波长的增大，散射强度也增强，而长波与短波间散射的差别也愈小，甚至出现长波散射强于短波散射的情况。空气比较浑浊时，天空呈乳白色，甚至红色，就是这种散射的结果。

大气对太阳光的反射主要是云层反射（clouds reflection），反射强度随着云量、云状与云厚的不同而变化。一般来说云层对太阳光的反射率可达50%甚至更大，因此云层对太阳辐射的影响很大，而且随着气候的变化而变化。此外，地表高大的景物与建筑物也会对太阳光产生反射。