第1章阳光特性-2课件

§1.4.3地面太阳辐射

--大气质量大气质量(AirMass)被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的路径（即当太阳处在头顶正上方时）规定为“一个标准大气质量”。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被空气和尘埃吸收后的衰减程度。大气质量由下式给出：1

式中θ表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时，大气质量为1。

“大气质量”描绘了太阳光到达地面前所需走过的路程与太阳处在头顶处时的路程的比例，也等于Y/X。

确定大气质量的一个简单的方法就是测量一个垂直杆的影长。2如上图，大气质量等于斜边的长度除以标杆的高度h，然后由勾股定理便得到：标杆高度h影子长度，s§1.4.3地面太阳辐射

--大气质量

上述关于大气质量的计算中假定大气层是一个平面层，但实际上大气层是弯曲的，当太阳接近于地平线时大气质量并不完全等于大气层的路径长度。在日出的时候，太阳的入射光线与垂直位置的夹角为90°，则计算得大气质量为无限大，但显然光线路径并不是无限大的。下面的方程则考虑了地球的曲率：3§1.4.3地面太阳辐射

--大气质量标杆高度h影子长度，s2023/1/144Ө§1.4.3地面太阳辐射

--大气质量ABC实际长度是AB，但不考虑地球曲率时的长度是AC。ODAM=1/cosθ当θ=0.482时，大气质量为AM1.5，是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况，其辐射总量为1kW/m2，常用于太阳能电池和组件效率测试时的标准。2023/1/146标准太阳光谱和太阳辐射

太阳能电池的效率对入射光的能量和光谱含量都非常敏感。为了方便不同时间和不同地点时太阳能电池的数据比较，人们定义了地球大气层外和地球表面的光谱和功率强度的标准值。§1.4.3地面太阳辐射

--大气质量

地球表面的标准光谱称为AM1.5G（G代表总的辐射，包括直接的和分散的辐射）或者AM1.5D（只包含直接的辐射）。AM1.5D的辐射强度近似于减少28%能量后的AM0光谱的光谱强度（18%被吸收，10%被散射）。总的光谱辐射强度要比直射的光谱强度高10%。从上面的计算可得AM1.5G的值近似为970W/m2。然而，由于整数计算比较方便以及入射太阳光存在固有的变化，人们规范了标准的AM1.5G光谱值为1KW/m2。地球大气层外的标准光谱称为AM0，因为光没有穿过任何大气。这个光谱通常被用来预测太空中太阳能电池的表现。

2023/1/147§1.4.3地面太阳辐射

--大气质量即使在天气晴朗的时候，散射辐射中仍然有大约10%的直接辐射含量。因此在天气晴朗的时候垂直入射到地表的太阳光的总辐射量为: 2023/1/148§1.4.3地面太阳辐射

--大气质量式中ID为垂直平面的太阳光线的功率强度，单位KW/m2。AM为大气质量。数值1.353KW/m2为太阳常数，而数字0.7则源于入射到大气层中的辐射大概有70%能到达地球。基于大气质量的强度计算

一天中，太阳光的直射分量强度可由大气质量确定，其方程为：§1.4.4地面太阳辐射

--太阳的运动

“太阳视运动”是由地球绕其轴自转引起的表面现象，它改变着射入地球的光线的直射分量角度。从地面的一个固定位置来看，太阳横跨整个天空运动。太阳的位置决定于地面上的点的坐标、一天中的时间和一年中的日期。如右图所示。2023/1/14UNSW新南威尔士大学9

太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集器件获得的能量。当太阳光垂直入射到吸收平面时，在平面上的功率强度等于入射光的功率强度。然而，当太阳光与吸收平面的角度改变时，其表面的功率强度就会减小。当平面与太阳光平行时，功率强度基本上变为零。对于0度和90度之间的角，它们相对的功率强度为最大值乘于cosθ，其中θ为太阳光与器件平面之间的夹角。2023/1/1410§1.4.4地面太阳辐射

--太阳的运动

地球上某固定点与太阳的夹角决定于其所处的位置（地点所在的经度）、一年中的日期和一天中的时间。另外，太阳升起和落下的时刻决定于位置所在的经度。因此，刻画地球上某固定地点的太阳高度角需要纬度、经度、一年中的日期和一天中的时间2023/1/1411§1.4.4地面太阳辐射

--太阳的运动§1.4.5地面太阳辐射

--太阳的偏向角

偏向角，用符号δ表示，由于地球绕其轴的自转和绕太阳的公转而存在季节性的变化。如果地球没有相对转轴倾斜，那么偏向角将一直为0°。然而地球相对于公转平面是倾斜了23.45°的，偏向角的大小就在±23.45°之间变化。只有在春分日和秋分日的时候偏向角才会等于0°。下面的动画描述了地球绕太阳公转以及偏向角的改变：12

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右边视频显示了倾斜角在北半球的夏至日（或南半球的冬至）和北半球的冬至日（南半球的夏至）之间是如何变化的。

尽管事实上是地球绕着太阳转的，但是如果把它想象成是太阳绕着地球转的，将会变得更容易理解一些。这需要一定的坐标转换，在这个代替的坐标系统里，太阳是绕着地球转的。§1.4.5地面太阳辐射

--太阳的偏向角

太阳偏向角就是指赤道平面与地球中心点--太阳中心点的连线的夹角。太阳偏向角的季节性变化如下所示:

式中d为观测偏向角时所在的一年中的天数。在二分日（3月22日春分日和9月22日秋分日）时偏向角为0°，在北半球夏天时角度为正，北半球冬天时为负。在6月22日（北半球夏至日）偏向角达到最大值23.45°而在12月22日（北半球冬至日）达到最小值-23.45°。2023/1/14UNSW新南威尔士大学14§1.4.5地面太阳辐射

--太阳的偏向角偏向角的角度可以由下面的方程算出：§1.4.6地面太阳辐射

--仰角与方位角

仰角指的是天空中太阳相对于地平面的高度角。日出的时候高度角为0°，太阳处在头顶时高度角为90°（比如在赤道地区，春分日和秋分日的时候就会出现这种情况）。天顶角与高度角相似，但是相对于地平面的垂直线而不是地平面来说的，因此可以计算天顶角=90°-高度角。2023/1/14UNSW新南威尔士大学15

太阳高度角在一天中不断变化。其大小还决定于观测位置的纬度和所在一年中的天数。天顶角仰角

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在设计光伏系统时，一个重要的参数是最大太阳高度角，即一年中太阳在天空的高度达到最大时的角度。最大高度角出现在正午时分，大小取决于所在的纬度和偏向角。计算正午太阳高度角的公式如下：

α=90°+ф

–δ

式中ф为观测位置所处的纬度，在南半球它的符号是负的而在北半球的时候符号为正。δ为偏向角，大小取决于所在一年中的天数。§1.4.6地面太阳辐射

--仰角与方位角

夏至日，在北回归线处，太阳在头顶正上方，其高度角为90°。夏天，在赤道与北回归线之间观测的正午太阳高度角是大于90°的。这意味着阳光是来自北方的天空而不是南方的天空。相似的，在一年中的某个时期，在赤道和南回归线之间，太阳光是来自南方而不是北方。

最大太阳高度角被应用到非常简单的光伏系统设计中，然而更精确的光伏系统仿真则需要知道高度角在一天中是如何变化的这些知识。2023/1/1417§1.4.6地面太阳辐射

--仰角与方位角

方位角就是罗盘方向（北）与阳光入射方向的夹角。在正午时分，北半球地区的太阳总是从南方射入，南半球地区则从北方射入。如下面的动画所示，一天中方位角是不断变化的。在赤道地区，春秋分日的时候太阳直接从东方升起在西方落下，不管所处的纬度是多少，日出时的方位角都为90°而日落时为270°。尽管如此，总的来说方位角还是随着纬度和一年中日期的改变而改变的。18§1.4.6地面太阳辐射

--仰角与方位角§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位

正午时分的太阳方位角和太阳高度角是摆放太阳能电池板时所使用到的两个重要角度参数。然而，如果想要计算一整天的太阳位置，就必须计算一整天的太阳高度角和方位角。这些角度将使用“太阳时间”来计算。按传统的计时方式，地球被分成不同的时区。然而，在这些时区里，正午时分并不一定就是太阳处在最高处的时候。类似的，日出时段也被描述为时区里的某个地区段的太阳正在升起。2023/1/14192023/1/1420然而，由于一个时区横跨了一定长度的距离，当太阳刚刚照耀这个时区的某个地方的地平线时，此刻的时间有可能与定义的日出时间（或官方承认的日出时间）完全不同。而这种规定也是必要的，否则出现一街之隔的两座房子的时间会相差几秒的现象。从另一方面来说，不同经度的太阳时间是不同的。因此，如果要得到太阳的位置，必须先计算当地的太阳时间然后再计算太阳高度角和方位角。§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位当地太阳时间（LST）和当地时间(LT)LocalSolarTime（LST）中午12时是指太阳升到最高处的时刻。由于地球轨道的偏心率和人类对时区和夏令时的调整，当地时间(LT)一般不等于当地太阳时间。当地标准时间子午线（LSTM）

TheLocalStandardTimeMeridian（LSTM）是特定时区所采用的基准子午线，它类似于格林尼治时间使用的本初子午线。2023/1/1421§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位22LSTM(当地标准时间子午线)被使用在当地时区。这里显示的LSTM跨越了巴西和格陵兰岛的部分地区。格林威治时间所使用的本初子午线（经度=0°）

通过下列方程可计算LSTM:LSTM=15°×ΔTGMT

式中ΔTGMT表示当地时间与格林威治时间的差（以小时为单位）。§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位360°/24

时间方程（EoT）时间方程（以分为单位）是纠正了地球公转的偏心率和地球的轴向倾斜之后的经验方程。

EoT=9.87sin(2B)–7.53cos(B)–1.5sin(B)其中B=360（d-81）/365，单位为degree。d为从一年的第一天开始数起的天数。下图描绘了时间纠正方程。

2023/1/1423§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位

时间纠正因子（TC）

时间纠正因子（以分为单位）解释了在一个给定的时区内，当地太阳时间因时区内经度的变化而变化的现象，其方程也同时包含时间方程。

TimeCorrection=4（LSTM-经度）+EoT

方程里的4分钟源自地球自转一度的时间是4分钟的事实。

当地太阳时间当地太阳时间（LST）可以通过使用前两个矫正因子来调整当地时间（LT）得到。LST=LT+TC

2023/1/1424§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位

时角HourAngle（HRA）时角把当地太阳时间（LST）转换成太阳在天空运动的度数的数值。按照定义，正午时分的时角为0°。因为地球每转15°的时间为一个小时，所以，与正午时分间隔一个小时就相当于太阳在太空转过了15°角。在上午时角的符号是负的，下午是正的。

HRA=15°（LST-12）倾斜角（

Declination）

在前面已经给出了倾斜角的公式：

2023/1/1425其中d为从一年第一天开始数起的天数。§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位

高度角高度角可由下面的方程得到：高度角=sin-1[sin(δ)sin(ф)+cos(δ)cos(ф)cos（HRA）]

天顶角为太阳与垂直线之间的夹角。天顶角=90°-高度角2023/1/1426高度角天顶角§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位即仰角正午太阳高度角的公式如下：

α=90°+ф

–δ

方位角

方位角就像罗盘一样，正北方向为0°，正南方向为180°。也有人使用稍微不同的定义（正南方向为0°）。27

方位角可由上面的参数计算得到§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位

日出和日落

日出与日落的时间可以分别通过下面式子得到：

2023/1/1428

一整天的太阳位置关于一整年中地球上任何位置任何时间的太阳高度角和方位角的计算方法将在下页给出。§1.4.7地面太阳辐射

--太阳的方位§1.4.8

地面太阳辐射

--太阳方位的计算利用前面的公式，太阳在天空的方位可由观察者所在的位置和一天中的时间确定。TimeandDateThetimeisgivenas24hourtimeandtheminutesareenteredseparately.Thusfor5:15

pm,enter17inthehourboxand15intheminutebox.Longitude,LatitudeandTimeZone(GMT)Tofindthelongitude,latitudeandtimezoneoflocationsthroughouttheworld,clickhere.Minutesoflongitudeandlatitudeareenteredasfractions,so17°

30'becomes17.5.Enterlocationswithaneastlongitudeasnegative.Fordaylightsaving(summertime),subtract1hourfromthegivenvalues.Generallyspeaking,locationseastofGreenwich(UK)arepositiveandlocationswestofGreenwicharenegative.§1.4.8

地面太阳辐射

--太阳方位的计算北京东经116.46度，北纬39.92度天津东经117.17度，北纬39.17度上海东经121.40度，北纬31.12度例：

计算上海地区在冬至的日出、日落时角及全天日照时间。解:上海的纬度φ

=31.12o，冬至日的太阳赤纬δ=–23.45o，代入公式得

cosωs=–tanφ×tanδ=–tan31.12×tan(–23.45)=0.2619上海地区在冬至的日出时角为ωsr=–74.82o日落时角为ωss

=74.82o全天日照时间：

入射到光伏组件上的能量不仅取决于太阳光所包含的能量，还受到组件与太阳光的夹角的大小的影响。当吸收表面与太阳光互相垂直时，组件表面的功率强度便等于太阳光的功率强度（换句话说，当光伏组件与太阳光垂直时，其表面的功率强度达到最大值）。然而，由于太阳光与固定组件表面的夹角是不断改变的，固定光伏组件的功率强度也总是小于入射光的强度。入射到倾斜光伏组件的太阳辐射就是入射太阳光中垂直组件表面的辐射成分。下面的图画展示了，当给出地平面上的辐射强度（Shorizon）或垂直太阳光的平面的辐射强度（Sincident）时，如何计算入射到固定组件平面的辐射强度（Smodule）。32§1.4.9

地面太阳辐射

--在倾斜表面上的太阳辐射2023/1/1433组件与入射光的角度发生倾斜会减小光伏组件的电流输出。Sincident、smodule、Shorizontal之间的关系方程如下所示：

式中α为高度角。β为组件平面相对于地平面的倾斜角。高度角的公式已由前面给出：α=90°+Ф-δ

。Φ

和δ分别代表纬度和太阳偏向角，其公式也已在前面写出水平面太阳辐射§1.4.9

地面太阳辐射

--在倾斜表面上的太阳辐射

由上面的方程可得出Smodule与Shorizontal的关系：2023/1/1434

倾斜角度对入射到平面的太阳辐射有重要的影响。对于角度固定的光伏组件平面来说，当倾斜角度等于当地的纬度时，它一整年获得的能量将达到最大。然而，对于漫长的冬天来说，陡峭的倾斜角是更优的选择，相反的，平坦的倾斜角在夏天能获得更多的光线。当组件平面的角度为0°时，组件获得的能量与地平面能量是相等的，因为此时组件是平躺在地面上的。当平面角度达到80°时，组件几乎是垂直放置的。此时组件能量小于入射光能量，除非组件平面垂直于太阳光线，它们的值才相等。组件平面是朝向赤道的，所以在南半球的时候它是面向北方的，而在北半球则面向南方。§1.4.9

地面太阳辐射

--在倾斜表面上的太阳辐射§1.5.1太阳辐射数据

--太阳辐射测量

对于光伏系统设计来说，知道当地在不同时间的可利用辐射量是很有必要的。两个描述太阳辐射特征的常用方法是太阳辐射（或辐射）和日照。太阳辐射是一个瞬时的功率强度，以KW/m2为单位。一天中，太阳辐射的大小从晚上的0KW/m2到最大值约1KW/m2之间不断变化。太阳辐射主要取决于观测的位置和当地的天气。太阳辐射的测量由周期性全天测量的总辐射或直射分量组成。测量工具为日射强度计（测量总辐射量）或太阳热量计（测量直射分量）。在设施比较完善的地区，已经收集了超过20年的这类数据。2023/1/1435另一个测量太阳辐射的方法是使用日照计，此方法精确率较低但是成本也相对较低。这种日照计（也叫坎贝尔斯托克斯日照计）能测量出一天中光线强度超过某一个水平（通常为200mW/cm2）的小时数。通过使测量出来的小时数与基于数学公式和几个纠正因子计算出来的小时数相比较，便可以得出日照度了。尽管太阳辐射是最常被测量的数据，但是在光伏系统设计中更常使用的数据还是日照度。日照度是指特定时间内单位面积区域所接收到得总的太阳辐射量，通常以KWhr/（m2day）为单位。§1.5.1太阳辐射数据

--太阳辐射测量虽然日照度的单位与太阳辐射的单位都是功率强度（因为日照度中的分子小时hr与分母day同是时间单位），但是日照度与太阳辐射还是很大不同的，日照度是在给定时间段里的平均太阳辐射强度。日照度常常使用在简单的光伏系统设计中，而太阳辐射则在更为复杂的需要计算一天中每一时刻的情况的光伏系统中使用。日照度还可以用单位MJ/m2/year来表示。2023/1/1437§1.5.1太阳辐射数据

--太阳辐射测量2023/1/1438

特定位置的太阳辐射强度可以通过以下几种方式表示：

1、某特定地区典型平均年照度

2、平均每天、每月或每年的日照度

3、一个月、一个季度或一整年的全球等辐射线

4、日照时数

5、基于卫星云层覆盖数据的日照度 6、太阳辐射的计算§1.5.1太阳辐射数据

--太阳辐射测量§1.5.2太阳辐射数据

--太阳辐照度的数据分析

最精确的太阳辐射数据是通过高温计测量获得的，高温计固定在一个位置几年，通常大约十年或者更久，每隔几分钟就测量一次直接辐射。然而，对于光伏系统设计来说，用这种技术产生的数据量并不足以提供当地的全部信息。取而代之的，是这些数据可以以其它的几种形式展现。2023/1/1439在概念上最简单的方法就是算出测量期间的数据平均数。这种数据形式叫平均每天、每月或每年辐射量。尽管这种数据对基本的系统设计有用，却损失了太阳辐射的逐日变化。这种逐日变化的损失是非常严重的，因为（例如）每天辐射都是5KWhr/day的系统的设计和性能与那种有几天是8KWhr/day然后接着几天是2KWhr/day的系统是有很大不同的。§1.5.2太阳辐射数据

--太阳辐照度的数据分析§1.5.2太阳辐射数据

--太阳辐照度的数据分析典型气象年与每年的平均的太阳辐射数据的比较。典型气象年平均辐射数据描述太阳辐射最常用的方式是典型气象年（TMY），或者是由美国国家可再生能源实验室（NREL）所使用的TMY2。TMY包含有每天数据的变化。TMY数据将在下页详细介绍。然而，平均太阳辐射数据，特别是一年中每个月的的平均数据在粗略估计太阳能电池板安装数量是也是被广泛使用的。另外一个尽管较少见到但是非常有用的的数据是连续几天出现阴天的概率，它可由全年辐射数据得到的，在这里，阴天被定义为地面实际接收到的光线要少于理论光线接收值的50%的日子。2023/1/1442§1.5.2太阳辐射数据

--太阳辐照度的数据分析例如，某个地区连续4天出现阴天的概率为一年一次，连续5天出现阴天的概率5年一次。这些信息在估算足够的必备条件的储存时是非常有用的。然而，一般来说这些信息是比较少考虑到的，如果需要使用，必须通过原始的数据集得到。描述当地天文气候时最常用的数据就是叫做典型气象年的数据（TMY）。要测定TMY数据，必须获得几年中每隔一小时测量的气象变化结果，然后制成一副当地气候的变化图表。单单每年数据的平均数还不能很好的看清气象的变化，所以人们选择月平均数以最大程度代表当地情况。整个月以及整个测量周期的其它月平均辐射值被测算出来。§1.5.2太阳辐射数据

--太阳辐照度的数据分析§1.5.3太阳辐射数据

--典型气象年数据（TMY）

如果有一年的各月的平均辐射值最接近于整个测量周期的月平均值，那么这一年就被选为典型气象年（TMY），而这一年的每月气象数据也被叫做TMY数据。然后，这个过程在一年中的每个月都重复进行。现实中没有严格标准的TMY数据所以使用者必须适当调整数据以符合应用。处理样本周期时必须相当谨慎。下面将以澳大利亚墨尔本一月一号的原始TMY数据文件为例：2023/1/1444日小时总的辐照度X100mj/h/m2直射辐照度X100mj/h/m2温度x10°C风速x10m/s湿球温度x10°C风向云量月1100130099007112001271098040113001187940401140010939004111500100086001116331061173961411171102601337106140118186311150101151401§1.5.3太阳辐射数据

--典型气象年数据（TMY）日小时总的辐照度X100mj/h/m2直射辐照度X100mj/h/m2温度x10°C风速x10m/s湿球温度x10°C风向云量月1103173512173151140111135635325001670001112381357272141661201113387362293271651201114365359315411641201115324255314431641301116267348314451631301117198336313461621401§1.5.3太阳辐射数据

--典型气象年数据（TMY）日小时总的辐照度X100mj/h/m2直射辐照度X100mj/h/m2温度x10°C风速x10m/s湿球温度x10°C风向云量月1194414730029160150112021229421159150112100274261541501122002533114816011230023336143160112400235361421601§1.5.3太阳辐射数据

--典型气象年数据（TMY）TMY数据在气象应用领域被广泛使用，但是也有大量的数据与光伏应用是不相干的。在给出的参数中，通常只有时间和光照度才被用到。然而，更先进的模型还用到了温度和风速。前面表格中各个参数的意义为：月指的是一年中的月份日为一个月内的第几天。不是所有月份的天数都相等。小时指的是一天24小时的第几小时，所以可以看出上面的表格包含了一整天的数据。数值一般为一个小时内的平均值，这里的一个小时由一个整时的前半小时和后半小时组成。因此上表的第一行的一个小时是指12：30am到1：30am。§1.5.3太阳辐射数据

--典型气象年数据（TMY）总的辐照度是指在一个小时里入射到水平面的能量值。要把上面的单位X100mj/hr/m2转化成光伏用的单位KW/m2，只需除以360。最大的光照度出现在正午，到了晚上大小将降为0。直射辐照度为直接垂直入射到组件平面上的太阳光线的辐照度，它不包括分散光线。跟踪式聚集太阳能电池只面向直射光线的入射方向。温度和风速都是一个小时里的平均值。注意表格里的数值都是x10倍之后得出的。2023/1/1449§1.5.3太阳辐射数据

--典型气象年数据（TMY）湿球温度是指被湿纱布包裹着的温度计所显示的温度。根据干燥程度和潮湿程度的不同，湿球温度有别于干球温度。这个数据通常不在光伏系统中应用。风向表示了风来自哪个方向，北用00表示，东用04表示。同样，这个数据也不应用在光伏系统中。云量是指天空中云层覆盖的比例，一般使用目测。它总共有9个层次，即0代表没有云，8代表覆盖满了云层。但同样，光伏系统中不使用到它。

2023/1/1450§1.5.3太阳辐射数据

--典型气象年数据（TMY）另一个在光伏应用中经常用到的参数就是分散辐射量。入射到地平面上的漫辐射量（Dh）可以通过总的辐射量（Gh）、直接辐射量（It）和高度角（el）之间的方程获得：

Dh=Gh-Itsin（el）漫辐射并不是均匀的遍布天空的。举例说，环绕太阳周围的区域比天空中的其他区域要明亮得多。一个普遍使用的计算模型是佩雷斯模型，模型把天空分成围绕太阳部分、地平圈部分和天空的其它部分。通过调整使得这些区域的大小和这些区域的辐射强度接近于测量得到的辐射模型。§1.5.3太阳辐射数据

--典型气象年数据（TMY）§1.5.4太阳辐射数据

--月平均太阳辐射

尽管典型气象年（TMY）数据被常常用在光伏系统仿真中，然而对于基本的系统分析来说，拥有当地特定月份的每天平均辐射量数据就足够了。这些数据有可能测量自地平面也有可能测量自与太阳光垂直的平面（相当于跟踪式太阳能系统）。无论是哪种情况，都需要加入一个关于组件平面的倾斜角的条件，才能算出光伏组件能够利用的太阳辐射的量。52§1.5.4太阳辐射数据

--月平均太阳辐射先右击图片，然后移动鼠标到地图上的红点处便可以看到不同地区的日平均辐射值。这些值为地平面的辐射值。

峰值太阳时