大气质量

大气质量是指阳光穿过大气层的路径长度，与最短路径长度（即太阳在头顶正上方时）的比值。大气质量量化了光通过大气层时和由于空气及灰尘的吸收所造成的功率损失。大气质量定义为：

$A M = \frac{1}{\cos (θ)}$

其中θ是光线与垂线的夹角（天顶角）。当太阳在头顶正上方时，大气质量为1。

Air mass — 大气质量表示在达到地面之前，光在大气层中必须通过的相对路径长度（相对于垂直入射路径），其值等于Y/X。

PV Lighthouse中的太阳光谱计算器提供了更为详细的模型，显示大气质量对太阳光谱的影响。

一种简单的确定大气质量的方法是利用垂直杆的阴影。

SandH

大气质量是斜边长度除以物体的高度h，根据毕达哥拉斯定理，我们得到：

$A M = \sqrt{1 + {(\frac{s}{h})}^{2}}$

上述对大气质量的计算假设大气层是平坦的水平层面，但是由于大气层的曲率，当太阳接近地平线时，大气质量并不完全等于大气路径长度。日出时，太阳与垂直位置的夹角为90°，大气质量趋近于无穷大，但路径长度显然不是。包含地球曲率的方程式为^[Kasten89]：

$A M = \frac{1}{\cos (θ) + 0.50572 {(96.07995 - θ)}^{- 1.6364}}$

标准化的太阳光谱和太阳辐射

太阳能电池效率对入射光的功率和光谱变化都很敏感。为了便于对在不同时间和地点测量的太阳能电池进行准确的比较，人们定义了地球大气层外部和地球表面太阳辐射的标准光谱和功率密度。

地球表面的标准光谱被称为AM1.5G（G代表全局，包括直接和扩散辐射）或AM1.5D（仅包括直接辐射）。AM1.5D的辐射密度可以通过降低AM0光谱28%（18%由于吸收，10%由于散射）来估算出。全局光谱比直接光谱高10%。通过计算可以得出AM1.5G约为970 W/m2。但是，由于四舍五入的便利性和入射太阳辐射的内在变化，标准的AM1.5G已被定义为1kW/m2。标准光谱如附录页面中所列。

地球大气层外部的标准光谱被称为AM0，因为光线在任何阶段都不会穿过大气层。该光谱通常用于预测电池在太空中的预期性能。

基于大气质量的强度计算

每天阳光强度的直接辐射部分可以根据实验确定的大气质量函数方程式^[Meinel1976]来得出：

$I_{D} = 1.353 \cdot 0 . 7^{A M^{0.678}}$

其中I_D是垂直于太阳光线的平面上的强度，单位是kW/m²，AM是大气质量。数值1.353 kW/m²是太阳常数，数字0.7的产生是由于大气层外部大约70%的入射辐射能够达到地球表面。额外的0.678次幂是对观测数据的经验拟合，并考虑了大气层中的非均匀性。

太阳光强度随海拔的升高而增加。阳光的光谱构成也随之变化，使高山上的天空变得“更蓝”。美国西南部许多地区高于海拔2000米，日照强度也随之更加很多。根据观测数据^[Laue1970]进行简单的经验拟合，对高于海平面几公里的辐射强度精确公式为：

$I_{D} = 1.353 \cdot [(1 - a h) 0 . 7^{A M^{0.678}} + a h]$

其中 a = 0.14，h为海拔高度（以千米为单位）。

即使在晴天，漫射辐射仍然约为直接辐射的10%。所以晴天中垂直于阳光的组件上的太阳总辐射为：

$I_{G} = 1.1 \cdot I_{D}$

References

F. Kasten and A. Young, “Revised optical air mass tables and approximation formula,” Applied Optics, vol. 28, pp. 4735–4738, 1989. https://doi.org/10.1364/AO.28.004735
A.B. Meinel and M.P. Meinel, “Applied Solar Energy,” Addison Wesley Publishing Co., 1976.
E.G. Laue, “The measurement of solar spectral irradiance at different terrestrial elevations,” Solar Energy, vol. 13, pp. 43 - 50, IN1-IN4, 51-57, 1970. https://doi.org/10.1016/0038-092X(70)90006-X