本发明公开了一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，首先通过热气球获得地外光谱辐照度，然后以均质大气模型为依据，推导出大气质量与地面光谱的关系，然后在保持大气质量不变的情况下，定量分析环境参数引起光谱的变化，最后考虑云对光谱的影响的修正因子，得出任意天气任意时间任意地点的太阳光谱，为提高太阳能的利用率提供参考。
1.一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2)在不考虑环境参数的情况下，假设均质大气的衰减系数为C0(λ)，确定大气质量与地面光谱辐照度的关系；
3)考虑各环境参数对光谱分布的影响，定义环境衰减系数C(λ)由瑞利散射、臭氧吸收、大气污染和水汽吸收组成，表示为： 由此得到考虑环境参数的大气质量与地面光谱辐照度关系；其中，C1(λ)为瑞利散射衰减系数，C2(λ)为臭氧吸收衰减系数，C3(λ)为大气污染衰减系数，C4(λ)为水汽吸收衰减系数；
4)引入有云存在时对光谱产生影响的修正因子J：其中，kt是清晰度指数，即水平面上太阳总辐照度与大气层外太阳辐照度之比，a和b为未知参数；
选取两组kt和J的数据，带入式(10)求解，即可得到a和b，两组数据选择如下：
一组为：选取当地一个晴天，用太阳辐射记录仪测量水平太阳总辐照度，根据清晰度指数的定义计算出清晰度指数kt，然后测量该地面光谱辐照度与 的计算结果作商得到一个J的值；
5)得到考虑云存在和环境参数对太阳光谱影响的地面光谱辐照度：其中，I(λ，l)为地面光谱辐照度，H是大气层高度，h是地面海拔高度，p是当地气压，p0是海平面气压，AM为大气质量。
2.根据权利要求1所述的一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，其特征在于，所述步骤2)中，大气质量与地面光谱辐照度的关系为：其中，I(λ，l)为地面光谱辐照度，H是大气层高度，h是地面海拔高度，p是当地气压，p0是海平面气压，AM为大气质量。
3.根据权利要求1所述的一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，其特征在于，所述步骤3)中，瑞利散射衰减系数为：
C1(λ)＝8.9×10-3λ-4 (6)臭氧吸收衰减系数为：
C3(λ)＝β/λα (8)其中，β是污染系数，α是波长指数；
其中，k(λ)为与波长有关的系数，通过拟合得到，其中，ρ是液态水的密度，g是重力加速度，T0为273K，T是当地气温，HR是相对湿度。
4.根据权利要求3所述的一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，其特征在于，所述y(λ)的拟合结果为：y(λ)＝﹣6×107λ6+108λ5﹣8×107λ4+3×107λ3﹣5×106λ2+368805λ+0.38。
5.根据权利要求3所述的一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，其特征在于，所述β和α的取值为：轻度污染：β＝0.04，α＝1.3，中度污染：β＝0.085，α＝0.66，重度污染：β＝0.17，α＝
其中，轻度污染是指PM2.5<50且PM10<35，中度污染是指50≤PM2.5<150，35≤PM10<75，重度污染是指PM2.5>150且PM10>75。
6.根据权利要求3所述的一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，其特征在于，所述k(λ)的拟合结果为：k(λ)＝0.0974λ6-1.2703λ5+6.4391λ4-16.052λ3+20.457λ2-12.344λ+2.7997。
一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，属于太阳光谱分析技术领域。
背景技术
[0002] 太阳光谱在各个领域都有着广泛应用，太阳能光伏发电也不例外。到达地面的太阳辐射光谱分布是地外太阳光谱和大气成分的函数，曹婷婷等(CAO Ting-ting，LUO Shi-rong，ZHAO Xiao-yan，et al.Acta Physica Sinica，2007,56(9)：5554)测量和分析了大气上界和地表的直射太阳光谱和天空光谱。杨希峰等(YANG Xi-feng，LIU Tao，ZHAO You-bo，et al.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Nankaiensis，2002,37(4)：69)在天津分析了一天中不同时刻的太阳光谱变化，比较了太阳光谱和相应的天空光谱的关系。Condit等(喻柏林，荆其诚.光源的色温和CIE标准光源[J].JOSA，1963,53(5)：626-629.)选取不同时区不同地区，测量了622例太阳光和天空光光谱分布。现有研究着重通过实验测得太阳光谱分布，再分析光谱分布的差异及影响因素，并未对其与地外光谱之间提出一个简单的数学模型，也未在不同天气下对模型的验证。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，得到准确地面光谱，精确研究光伏组件的性能。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
[0005] 一种基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，包括以下步骤：
[0006] 1)通过热气球获得地外光谱辐照度I(λ，0)；
[0007] 2)在不考虑环境参数的情况下，假设均质大气的衰减系数为C0(λ)，确定大气质量与地面光谱辐照度的关系；
[0008] 3)考虑各环境参数对光谱分布的影响，定义环境衰减系数C(λ)由瑞利散射、臭氧吸收、大气污染和水汽吸收组成，表示为： 由此得到考虑环境参数的大气质量与地面光谱辐照度关系；其中，C1(λ)为瑞利散射衰减系数，C2(λ)为臭氧吸收衰减系数，C3(λ)为大气污染衰减系数，C4(λ)为水汽吸收衰减系数；
[0009] 4)引入有云存在时对光谱产生影响的修正因子J；
[0010] 5)得到考虑云存在和环境参数对太阳光谱影响的地面光谱辐照度。
[0011] 前述的步骤2)中，大气质量与地面光谱辐照度的关系为：
[0012]
[0013] 其中，I(λ，l)为地面光谱辐照度，H是大气层高度，h是地面海拔高度，p是当地气压，p0是海平面气压，AM为大气质量。
[0014] 前述的步骤3)中，
[0015] 瑞利散射衰减系数为：
[0016] C1(λ)＝8.9×10-3λ-4 (6)[0017] 臭氧吸收衰减系数为：
[0018]
[0019] 其中，y(λ)通过拟合得到；
[0020] 大气污染衰减系数表示为：
[0021] C3(λ)＝β/λα (8)[0022] 其中，β是污染系数，α是波长指数；
[0023] 水汽吸收衰减系数表示为：
[0024]
[0025] 其中，k(λ)为与波长有关的系数，通过拟合得到，
[0026]
[0027] 其中，ρ是液态水的密度，g是重力加速度，T0为273K，T是当地气温，HR是相对湿度。
[0028] 前述的y(λ)的拟合结果为：
[0029] y(λ)＝﹣6×107λ6+108λ5﹣8×107λ4+3×107λ3﹣5×106λ2+368805λ+0.38。
[0030] 前述的β和α的取值为：
[0031] 轻度污染：β＝0.04，α＝1.3，中度污染：β＝0.085，α＝0.66，重度污染：β＝0.17，α＝1.3；
[0032] 其中，轻度污染是指PM2.5<50且PM10<35，中度污染是指50≤PM2.5<150，35≤PM10<75，重度污染是指PM2.5>150且PM10>75。
[0033] 前述的k(λ)的拟合结果为：
[0034] k(λ)＝0.0974λ6-1.2703λ5+6.4391λ4-16.052λ3+20.457λ2-12.344λ+2.7997。
[0035] 前述的步骤4)中，修正因子J为：
[0036]
[0037] 其中，kt是清晰度指数，即水平面上太阳总辐照度与大气层外太阳辐照度之比，a和b为未知的参数。
[0038] 前述的未知参数的求解如下：
[0039] 选取两组kt和J的数据，带入式(10)求解，即可得到a和b，
[0040] 两组数据选择如下：
[0041] 一组为：kt＝1，J＝1；
[0042] 一组为：选取当地一个晴天，用太阳辐射记录仪测量水平太阳总辐照度，根据清晰度指数的定义计算出清晰度指数kt，然后测量该地面光谱辐照度与的计算结果作商得到一个J的值。
[0043] 前述的步骤5)中，地面光谱辐照度为：
[0044]
[0045] 其中，I(λ，l)为地面光谱辐照度，H是大气层高度，h是地面海拔高度，p是当地气压，p0是海平面气压，AM为大气质量。
[0046] 本发明所达到的有益效果为：
[0047] 在任何时间地点，只要知道当地的气象参数，就可以通过该光谱模型得出当地的光谱分布，为精确研究光伏组件的性能提供便利。
附图说明
[0048] 图1为太阳光射入地表示意图；
[0049] 图2为C2随波长的变化图；
[0050] 图3为系数k随波长的变化图。
具体实施方式
[0051] 下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0052] 本发明的基于大气质量与环境参数的太阳光谱计算方法，包括以下步骤：
[0053] 1)通过热气球获得地外光谱辐照度I(λ，0)；
[0054] 2)推导大气质量与地面光谱的关系，包括以下步骤：
[0055] 2-1)如图1所示，天顶角为θz的太阳光自大气层外的D点射入地表的B点，取距离D点x处的光线微元dx为研究对象，引入暂不考虑环境参数的均质大气的衰减系数C0(λ)，它仅是波长的单值函数，则该光线微元dx的光谱辐照度可表示为：
[0056] dI(λ，x)＝-C0(λ)I(λ，x)dx (1)[0057] 其中，I(λ，x)是距D点x处的光谱辐照度。
[0058] 图1中，A点为过B点的垂线与地平面的交点，C点为过B点的垂线与大气层的交点。
[0059] 2-2)将式(1)变形，在0到l上积分可得：
[0060]
[0061] 其中，I(λ，l)、I(λ，0)分别为地面和地外光谱辐照度。
[0062] 2-3)由几何关系有：
[0063]
[0064] 其中，H是大气层高度，h是海拔高度。
[0065] 2-4)不考虑大气曲率和折射因素，大气质量：
[0066] 其中，p是当地气压，p0是海平面气压。
[0067] 2-5)联立式(2)(3)(4)，有：
[0068]
[0069] 3)考虑各环境参数对光谱分布的影响，定义为环境衰减系数C(λ)，主要由瑞利散射、臭氧吸收、大气污染和水汽吸收四部分组成，即
[0070] 3-1)瑞利散射衰减系数只由波长决定，表达式为：
[0071] C1(λ)＝8.9×10-3λ-4 (6)[0072] 3-2)臭氧在波长0.18到0.34微米紫外范围强吸收，在0.44到0.74微米可见光范围弱吸收，则臭氧吸收衰减系数可表达为：
[0073]
[0074] 其中，根据图2通过曲线拟合y(λ)＝﹣6×107λ6+108λ5﹣8×107λ4+3×107λ3﹣5×106λ2+368805λ+0.38。
[0075] 该图源自李申生.(1996).太阳能物理学.北京：首都师范大学出版社。
[0076] 3-3)大气污染衰减系数和大气中的污染物相关，主要考虑PM2.5和PM10的含量(单3
位为μg/m)，将污染程度划分为：轻度(PM2.5<50，PM10<35)、中度(50≤PM2.5<150，35≤PM10<75)和重度(PM2.5>150，PM10>75)，则大气污染衰减系数可简单表示：
[0077] C3(λ)＝β/λα (8)[0078] 其中，β是污染系数，α是波长指数，轻度(β＝0.04，α＝1.3)，中度(β＝0.085，α＝0.66)，重度(β＝0.17，α＝1.3)。
[0079] 3-4)水汽吸收衰减系数和大气质量、大气中水蒸气含量、温度、相对湿度和压力等有关，为方便计算，引入理论水蒸气含量W(T，HR，p)，它是温度、相对湿度和压力的多元函数，其函数关系式：
[0080]
[0081] 其中，ρ是液态水的密度，g是重力加速度，p是当地气压，p0是海平面气压，T0是定义值为273K，T是当地气温，HR是相对湿度。
[0082] 另外，考虑波长对水汽吸收衰减系数的影响，C4(λ)可表示为：
[0083]
[0084] 其中，系数k(λ)只和波长有关，根据图3通过曲线拟合可得到k(λ)的表达式：
[0085] k(λ)＝0.0974λ6-1.2703λ5+6.4391λ4-16.052λ3+20.457λ2-12.344λ+2.7997。
[0086] 该图源自李申生.(1996).太阳能物理学.北京：首都师范大学出版社。
[0087] 式(9)推导过程如下：
[0088] 水汽吸收的透射率τ4可用下式计算：
[0089]
[0090] 而透射率τ4和水汽吸收衰减系数C4(λ)具有如下关系：
[0091]
[0092] 联立式(9.1)和式(9.2)可得到式(9)。
[0093] 4)为表达有云存在时对光谱的影响，引入修正因子J：
[0094]
[0095] 其中，kt是清晰度指数，即水平面上太阳总辐照度与大气层外太阳辐照度之比，通过实验数据的拟合可求解出a和b。
[0096] 5)最终修正后的地面光谱辐照度可表达为：
[0097]
[0098] 实施例
[0099] 选择常州地区某一时刻，将该时刻的温度、相对湿度、压力、PM2.5、PM10、大气质量、清晰度指数作为输入参数，就能得到常州地区光谱分布。操作过程中有两个问题要解决：一是式(9)中k(λ)的取值，一是式(10)中未知数a和b的值。k(λ)随波长的变化如图3所示，即可拟合出k(λ)。后者选取不同清晰度指数的晴天和多云天气下，将实测光谱与不加修正因子J的模型光谱比较，可求解a和b。计算方法如下：
[0100] 显然当kt0＝1时，J0＝1；选常州一个晴天为例，用太阳辐射记录仪测量水平辐照度，计算出清晰度指数kt1，并测量该时刻地面光谱辐照度与不含修正因子J的模型光谱(即)作商得到一个定值J1。如此就有两组数据，解一个二元一次方程组即可得到未知数a和b。再多测量几组数据用于拟合与验证a和b的准确性。
[0101] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
