太阳能系统中太阳辐射的测量

国内和国际对于全球变暖的来源和影响以及传统矿物燃料局限性的忧虑正不断推动和促进可再生替代能源系统的开发。自20世纪70年代石油禁运甚至更早，来自太阳光的可再生能源系统就已经进入我们的考虑范围。

太阳能可再生能源系统将太阳能转换为电能或产生热能。这些系统的设计及性能依赖于太阳辐射或日光资源的数量和质量。在这种环境下开发的太阳能转换系统的可靠性及持久性依赖于其原理的展现及破坏性紫外线强度。

两个ASTM技术委员—E44《太阳能、地热能和其他替代能源》和G03《老化和耐用性的研究》正与行业合作制定标准，以确保太阳辐射资源以及照射量质量的测量。采用一些特殊的测量值、仪器以及技术来验证太阳能转换系统的测试性能，评估其耐用性，并且模拟太阳资源以便部署设计系统。由ASTM国际组织所制定的标准化太阳辐射标度测量法为这些应用提供了普遍认可的优秀测量法。

日照的测量法

太阳辐射由日盘透过大气所释放的光子组成，这些光子基本上是平行的，能够投射阴影（所谓的“直接”太阳辐射）。太阳辐射也包含由太阳大气所散射的光子，这些光子形成了整个天穹的漫辐射。

对这些组成部分的数量、亮度以及质量（也就是说，能量在不同波长射线中的分布）的测量是太阳能转换系统设计、性能测试、耐用性、以及部署决定中的一个重要的方面。日射强度计用来测量天空总辐射量（包含直射和漫射），直接日射强度计用来在小的立体角内测定太阳直接辐射量。这些探测器通常是基于不同金属多重连接组成的热电堆，当热流在连接处流动时，产生电信号。

其他传感器是基于光电装置或固体电路装置设计的，固体电路装置可以将光子转化为电子或电流。尽管很多光辐射探测器可以在实验室中测定并校准，但是太阳光的数量以及波长分布测定很难在实验室中实现。因此，由坐落于瑞士达沃斯市世界辐射中心的世界气象组织所维护的一些经特别设计并仔细测定的腔体式绝对直射强度计就成了世界公认的校准这些探测器的参照。该世界标准组织负责解释世界太阳放射性测量参照标准^[1]。仪器制造商、政府以及企业研究实验室尽力使其太阳光测量符合世界放射性测量参照标准的基准标度。

随着政府资助的太阳能替换能源研究的出现，ASTM国际组织技术委员会提出了三个关键性问题。第一个问题是：有多少可用太阳能资源？第二个问题是：太阳能转化系统的性能如何？第三个问题是：太阳能转换系统中使用的材料是否会老化？第一个和第三个问题是由分技术委员会G03.09《辐射线测定》提出来的。第二个问题主要是技术委员会E44，尤其是分技术委E44.09《光电转换》所研究的问题。

太阳能辐射计校准及应用

分技术委员会G03.09已经制定了太阳能辐射计校准标准，该标准可以为用以测量直射光束和累积天空辐射以及总的太阳光谱的各种子项目（如紫外线辐射和可见光辐射）的辐射计提供最新的校准方法。

参照仪器以及现场测量仪器的校准方法在以下文件中做出了解释：ASTM E816《直射日照辐射计与参照直射日照辐射计对比校准测试方法》；G167《通过直射日照强度计校准日射强度计》；以及E824《参照辐射计移至测量现场校准测试方法》。这些方法使得用于评估可用太阳辐射资源、太阳能转换系统的效率及性能或在老化研究中总辐射暴露量的仪器得以校准。辐射计的野外安装和维护在标准G183《日射强度计、直接日射强度计和紫外线辐射计的野外应用惯例》中也得到了说明。

对于室内加速试验和自然紫外线照射试验，ASTM G130《使用分光辐射度计对窄频带及宽频带紫外线辐射计进行校准的测试方法》描述了测量紫外线辐射以及任何光谱带中辐射的仪器的校准，其中包含通过模拟人视觉的仪器所测量的可见光辐射。

由于很多太阳能转换系统及技术对不同频段的太阳光谱的反应具有很大差异，所以测量太阳能（以及一些人造光源）在不同波长中的分布是非常重要的。ASTM G138《使用标准光源校准分光辐射度计的测试方法》描述了校准光谱分布测量设备的正确步骤。太阳光谱分布在很大范围内随大气状况变化而变化的，所以这些测量对于评估不断变化的自然条件如何影响太阳能转换系统效率是非常重要的。

太阳能转换系统标准测试条件

为完善上述测量，需要使用标准参考条件，包括标准参考光谱，以使得各种技术的系统性能符合共同的基线。参考光谱标准自1982年开始应用。然而，到2000年，这些标准对于技术发展水平来说已经过时。技术委员会G03.09于当年根据需要对现有的参考光谱进行了大范围的修订，包括增加了一个计算模块以便用户创建所需的参考光谱表（以及很多其他现实的光谱分布）^[2,3]

这些参考光谱的现行版本在G173《太阳光谱参照表：37º角倾斜表面正常直接辐射以及半球辐射》，以及G173附带的CD-ROM《太阳光线在大气中传播的简易模型（SMARTS2 Version 2.9.2）》中进行了描述。这些参考光谱也会被用来评估用于模拟日照的人造光源的效能。

老化和耐用性

技术委员会G03首要的工作中心集中在材料系统的老化、耐用性以及使用寿命上。由于太阳能转换系统是需要部署在室外的，所以其组件材料长久性能是非常重要的，包含聚合物密封材料、反光镜和涂层。很多的系统组件需要通过实验室内的加速老化试验以及自然照射试验。

辐射量标准测量的一个重要方面是参照光谱的最大紫外线辐射量，G177《太阳紫外线光谱分布参照表：37º角倾斜表面半球辐射》是通过通用太阳光谱参照的同一模型计算得到的。

另一组阐述试验步骤、曝光周期、曝光老化数据分析以及使用寿命预测的标准是由以下几个分技术委员会负责的：G03.02《自然以及环境暴露试验》；G03.03《模拟及控制曝光试验》；G03.08《使用寿命预测》以及G03.93《数据统计》。这些标准很多是附属于技术委员会E44制定的评估光电模型性能的测试标准。

ASTM标准对太阳能行业的影响

随着上述标准的制定，太阳能行业已经开发出许多测试这些系统性能的、令人比较满意的精确测量手段，太阳能企业在提高产品功效及耐用性方面取得很大进展，而且取得了顾客对其产品质量的信任。尤其是辐射量测定标准的确立有利于更好的理解太阳能转换系统的可用资源，在尚没有可用的太阳能数据地区开发并改善太阳能资源地理分布的计算机模型。ASTM标准有助于当前以及未来太阳能转换系统的部署，从地球长远利益来看，这有助于缓解全球变暖现象，摆脱对矿物燃料的依赖以及建立可持续发展的能源经济。//

(王赓 译 李爱仙 校)

参考文献：

1. 见http://www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=ipc10.

2. C. Gueymard, “Parameterized transmittance model for direct beam and circumsolar spectral irradiance.” Solar Energy 71(5), p. 325–346 (2001).

3. C. Gueymard, D. Myers, and K. Emery, “Proposed reference irradiance spectra for solar energy systems testing.” Solar Energy 73(6), p. 443–467 (2002).

DARYL R. MYERS 获得了科罗拉多大学应用数学专业硕士学位，他领导的太阳能辐射线测定和计量工作组，负责协调坐落于科罗拉多州Golden市的美国能源部国家可再生能源实验室的太阳能辐射研究工作，他自1978年就开始从事该项工作。

信息 转载自http://www.astm.org/SNEWS/CHINESE/2008_1/myers_ch0801.html