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2022-01-18

一文读懂太阳能领域AM 0、AM 1.5、AM 1.5G的区别

太阳表面的辐照度(单位面积内的辐射能量)为63.2 MW/m2,太阳光穿越太空、地球大气层到达地球表面的过程中,辐照度会不断减小。 

人们为了量化太阳辐射的衰减程度,常采用“大气质量”(Air Mass,简写成AM)来进行标记。大气质量就是指大气对地球表面接收太阳光的影响程度[1]

1.AM 0

大气质量为零(AM 0)的状态,是指地球外空间接收太阳光的情况。其中日地距离大约为1.5亿公里,即太阳光穿越1.5亿公里的太空到达地球大气层上界时,如图1所示,其辐照度衰减到1353 W/m2,这个值可以看作是一个常数,即太阳常数,也被称为是大气质量零辐射的标准值,记作AM 0。

图1. AM 0、AM 1.5示意图和AM 0、AM 1.5G光谱图.jpg

图1. AM 0、AM 1.5示意图和AM 0、AM 1.5G光谱图

2. AM 1.5

太阳光进入大气层的过程中,其辐射能量衰减可达30%以上,由于太阳光的入射角度不同,其穿过大气层的厚度将随之变化,那么太阳光辐射能量的衰减程度也将有所区别。 

设定太阳光入射到地球的天顶角(即太阳光入射光线与地面法线之间的夹角)为θ,则大气质量与θ的关系可表示为:AM=1/cosθ。

 当θ=48.2°时大气质量为AM 1.5,如图1所示,这是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况,更接近人类生活的实际状况,其辐照度为1000 W/m2。 

AM 1.5常被用来作为评估地面太阳能转换装置及器件、组件性能的入射光能量标准。

3. AM 1.5G

AM 1.5G是指地球表面的标准光谱,其中G是Global的缩写。 

AM 1.5G出自于一项与太阳能相关的ASTM(American Society of Testing Materials 美国材料实验协会)标准[2],人们为了便于对在不同时间和地点测量的太阳能转换效率进行比较,将AM 1.5G定义为太阳能转换系统标准测试的参考光谱,并规定标准的AM 1.5G辐照度为1000 W/m2

4.AM 0与AM 1.5G光谱图对比

太阳光在穿过大气层之前,到达大气上界时太阳辐射能量的99%以上分布在150~4000 nm的区间;大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区,即波长400~780 nm;7%在紫外光谱区,波长<400 nm;43%在红外光谱区,波长>780 nm;最大能量出现在波长约500 nm处,即蓝绿光波段。详见图1中AM 0的光谱图。 

太阳光穿过大气层以后到达地表,这个过程中不仅辐照度会衰减,其光谱分布也发生了变化,详见图1中AM 1.5G光谱图。其中波长300 nm的光被大气层中的氧气、臭氧、氮气所吸收,波长为900 nm、1100 nm、1400 nm、1900 nm的光被水蒸气吸收,1800 nm及2600 nm的光被CO2吸收。

在光化学实验中,为了获取AM 1.5G标准太阳光谱,常用氙灯光源搭配AM 1.5G滤光片作为太阳光的模拟光源。