玻璃光學參數計算中的太陽光譜及選用
隨著人們對室內環境要求的提高，人們希望窗戶或幕牆使用的建築玻璃除了可以進行有效的採光，還能在夏季隔離太陽輻射熱和室外高溫，在冬季阻止熱量由室內向室外傳熱，即具有隔熱保溫的能力。目前衡量建築玻璃以上功能的主要方法為分別測量玻璃的可見光透射比、傳熱係數和太陽能總透射比等光熱參數，這也是建築玻璃的關鍵性節能參數。
其中太陽能總透射比的計算中涉及太陽光直接透射比，此參數定義為：波長範圍300nm~2500nm太陽輻射透過被測物體的輻射通量與入射的輻射通量之比。為了科學表徵在太陽光直接輻射透過建築玻璃的能力，採用了玻璃試樣光譜透射比加權太陽光輻射相對光譜分布後求平均值的方法，計算公式如下：
式中：
τe—試樣的太陽光直接透射比；
λ—波長；
τ(λ) —試樣的光譜透射比；
Sλ—太陽光輻射相對光譜分布；
Δλ—波長間隔，按相關標準的規定取值。
太陽光直接反射比和太陽光直接吸收比也採用了相同的計算方法。計算公式中的太陽光輻射相對光譜分布即為太陽光譜，其是一種不同波長條件下太陽輻射的連續光譜。圖1中給出了國際標準ASTM G173-03（2012）中，大氣質量AM1.5條件下「大氣圈外」、「直射+散射」和「直射」三種太陽光譜輻照度分布Sλ曲線。
圖1 AM1.5條件下太陽光譜輻照度分布
地面上太陽能的吸收比、反射比和透射比等光學性能通常是波長的函數，只有先知道太陽輻射通量的光譜分布，才能計算太陽輻射的加權性質。為了比較相互競爭產品的性能，需要有一個太陽光譜輻照度分布的參考標準。在建築玻璃光學檢測技術中，採用的太陽光譜數據需具備北半球包括中國、美國、歐洲在內的大部分國家都處於的中緯度區域光譜特點，也就是AM1.5條件下的標準太陽光譜。根據建築玻璃使用特點，其光熱參數計算應採用AM1.5條件下「直射+散射」太陽光譜數據，包含此類太陽光譜的建築玻璃相關檢測應用標準有ISO 9050、GB/T 2680（修訂）和JGJ/T 151。以上標準中太陽光譜數據均源於ISO9845-1:1992中Table1的第5列數據。
AM（Air Mass）代表大氣質量，是實際觀察者與太陽之間路徑中的大氣質量與假設該觀察者位於海平面上，在標準大氣壓下，太陽正位於頭頂時可能存在的大氣質量之比。對於太陽天頂角θ等於或小於62°而地面氣壓為P的情況來說，當P為標準氣壓時，則AM=P/(P·cosθ)。其中θ為天頂角，θ=0代表太陽光線從頭頂上方直射下來。
圖2大氣質量的計算方法示意圖
一般情況下，大氣質量數值近似使用Air Mass =1/cos θ來計算，示意圖見圖2。AM0為大氣圈外；AM1.0為太陽正位於頭頂；AM1.5為太陽光入射角偏離頭頂48.19°，目前被慣以使用；AM2.0為太陽光入射角偏離頭頂60°。當太陽光照射到地球表面時，單位面積上接收到的太陽光輻射能量中，包含由於大氣層與地表景物的散射與折射的太陽光入射量，這些能量稱為擴散部分（diffusion component）。因此針對地表面上的太陽光能量有AM1.5G(G: global的縮寫)與AM1.5D(D: direct的縮寫)之分，AM1.5G是包括擴散部分的太陽光能量，而AM1.5D則沒有。在國際標準ASTM G173-03（2012）給出的數據中，AM1.5G光譜的總輻照度為1000.4W/m2，AM1.5D光譜的總輻照度為900.1W/m2，為了在測量計算應用上方便，常會將此二值做歸一化(normalize)至1000W/m2。
目前國內外關於太陽光譜數據Sλ的常用標準有：
1）GB/T 17683.1-1999太陽能 在地面不同接收條件下的太陽光譜輻照度標準 第1部分：大氣質量1.5的法向直接日射輻照度和半球向日射輻照度。（等效採用ISO 9845-1:1992（E））
2）ASTM G173-2003(2012) Standard Tables for Reference Solar Spectral Irradiances: Direct Normal and Hemispherical on 37° Tilted Surface；
3）ISO 9845-1-1992 Solar energy-reference solar spectral irradiance at the ground at different receiving conditions, part 1: direct normal and hemispherical solar irradiance for air mass 1.5；
4）IEC 60904-3-2008 Photovoltaic devices-Part 3: Measurement principles for terrestrial photovoltaic (PV) solar devices with reference spectral irradiance data；
引用太陽光譜的建築玻璃光學參數常用計算標準有：
1）GB/T 2680-1994（修訂）建築玻璃 可見光透射比、太陽光直接透射比、太陽能總透射比、紫外線透射比及有關窗玻璃參數的測定；
2）JGJ/T 151-2008 建築門窗玻璃幕牆熱工計算規程；
3）ISO 9050-2003 Glass in building-Determination of light transmittance,solar direct transmittance, total solar energy transmittance,ultraviolet transmittance and related glazing factors；
4）NFRC 300-2017 Test Method for Determining the Solar Optical Properties of Glazing Materials and Systems；
ISO 9050、JGJ/T 151-2008和GB/T 2680（修訂）中的標準太陽光譜數據均引自ISO 9845-1:1992中Table1的第5列數據，標準太陽光譜數據類型為「直射+散射」；NFRC 300-2004中太陽光譜數據引自ISO 9845-1:1992中Table1的第2列數據，標準太陽光譜數據類型為「直射」。採用不同類型的太陽光譜數據計算光熱參數，會產生一定差異。
ISO 9845-1:1992中相對太陽光譜分布模擬數據，基於標準ASTM E891-87和ASTM E892-87的計算條件， 1999年6月美國材料測試協會（ASTM）將ASTM E891和ASTM E892合併為ASTM G159。2003年新標準ASTM G173-03採用了一種新的演算法及更符合現代工業社會的大氣條件，替代了ASTM G159，老標準E891，E892和G159作廢。雖然ISO9845-1並沒有被廢止，但是其計算數據採用了與E891相同的演算法及大氣條件，所以其太陽光譜數據已為過時。後來ASTM G173-03又經歷了G173-03e1、G173-03(2008)和G173-03(2012)的版本更新，目前ASTM G173-03（2012）為現行標準。
IEC 60904-3-2008主要被光伏測試行業引用，在太陽光譜數據表中只給出了AM1.5條件下「直射+散射」的光譜數據，沒有太陽光「直射」數據。ASTM G173-03（2012）包含光譜類型較全面，給出了「大氣圈外」、「半球向」和「直射+環日」太陽光譜，可根據不同行業計算參數特點選擇合適的光譜類型進行計算。G173和IEC60904中太陽光譜都是基於SMARTS Version 2.9.2太陽能輻射模型的計算。
以上各標準之間的關係，見圖3所示。
圖3與太陽光譜有關的國內外標準關係圖
關於何時用AM1.5G或AM1.5D的問題，應該是根據實際情況而定。對於光伏行業太陽能電池的檢測來說，應該用AM1.5G類太陽光譜。因為除了直射的太陽光外，大氣中顆粒及地面的散射也會投射到電池表面。同樣，對於建築玻璃光熱參數的檢測來說，也應採用AM1.5G類太陽光譜。而對於鏡面反射比的測量情況，則應採用AM1.5D類太陽光譜，如：光熱發電用反射鏡的反射比測量。
表1各標準中太陽光譜數據類型比對
綜合以上分析，整理了各現行標準中太陽光譜類型及適用的應用方向，見表1中所示。在制定及修訂相關標準時，給出如下太陽光譜選用建議：
1.建議對於建築玻璃行業光學參數計算，引用GB/T 17683.1-1999表1中第5列數據、ASTM G173-2003(2012)中AM1.5條件下「Global Title」列數據、ISO 9845-1-1992表1中第5列數據和IEC 60904-3-2008表1中光譜數據；
2.建議光熱發電用反射鏡反射比計算，引用GB/T 17683.1-1999表1中第2列數據、ASTM G173-2003(2012)中AM1.5條件下「Direct+Circumsolar」列數據和ISO 9845-1-1992表1中第2列數據；
3.建議光伏行業涉及太陽光譜的計算，引用ASTM G173-2003(2012)中AM1.5條件下「Global Title」列數據和IEC 60904-3-2008表1中光譜數據。
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主編：許海鳳
作者：苑靜
編輯：魏薇
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