快速入门：太阳光谱生成器概览

在本快速入门中，我们使用 OghmaNano 的 太阳光谱生成器 来 仿真地表处的太阳光谱辐照度。该工具输出标准 AM1.5G 太阳光谱，并同时给出计算得到的 全球、直射 与 漫射 辐照度分量。这些光谱可以导出并直接应用于 光学或光伏器件仿真。

1. 背景：

该生成器基于 Bird 和 Riordan（1986）的 Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres， 发表在 Journal of Applied Meteorology and Climatology （link）。 该模型广泛用于光伏与大气科学中的 太阳辐照度建模。

光谱的计算考虑了主要大气过程：瑞利散射、 臭氧、气体与水汽吸收，以及气溶胶与颗粒物导致的衰减。 输入参数包括一天中的时间、日期、纬度、海拔与大气条件， 例如气压、气溶胶光学厚度 与水汽含量。

这些控制项使你能够探索 太阳光谱 如何随环境变化。 例如，较低的太阳高度角（清晨/傍晚）会增大空气质量并使光谱红移， 而较高的水汽含量会增强近红外吸收带。更多的气溶胶 或污染会降低直射辐照度并提升漫射分量——像北京这样的污染 城市的光谱与伦敦或洁净的高海拔地点会非常不同。

在不同条件下生成并比较光谱有助于展示大气 与环境因素如何影响器件照明。用于基准测试的标准 AM1.5G 光谱也包含在内，它在 标准测试条件下积分约为 ~1000 W m⁻²。

2. 入门：

首先，在主菜单的 File 功能区中打开 New simulation 窗口。 在本教程中我们将选择一个 Organic solar cell 示例 （见 ??）。 你可以选择任何可用器件——生成的太阳光谱与 器件类型无关——但有机太阳能电池是一个有用的演示案例 （见 ??）。

创建仿真后，进入 Optical 功能区并点击 Optical database 图标 （见 ??）。 这将打开数据库，在其中可以查看、生成并导入太阳光谱。

选中 Optical database 后，数据库窗口将打开 （见 ??）。 在这里你可以看到已有光谱，例如 AM1.5G、AM0、LED 与激光器。要创建新的条目， 点击右侧的 Add Spectra 按钮。这将打开一个对话框 （见 ??）， 你可以在其中为新光谱输入名称。在本示例中我们将其命名为 Example。

确认后，数据库窗口中会出现一个标记为 Example 的新图标。 双击该新条目将打开 Optical Spectrum Editor （见 ??）， 在其中你可以查看、编辑或导入光谱数据。

3. 使用太阳光谱生成器生成光谱

在 Optical Spectrum Editor 中 （??）， 点击 Solar spectrum generator。这会打开生成器，如 ??、 ?? 与 ?? 所示。 该工具实现了 Bird 和 Riordan（1986）描述的模型， Simple Solar Spectral Model for Direct and Diffuse Irradiance on Horizontal and Tilted Planes at the Earth's Surface for Cloudless Atmospheres （link）， 用于在用户定义条件下计算 AM1.5G 以及计算得到的全球、直射与漫射分量。

一天中的时间 — 设置太阳时。随着太阳高度降低（清晨/傍晚），太阳天顶角增大， 穿越大气的路径长度增加（更高空气质量），UV/可见光衰减增强；光谱倾向于 略微红移，且漫射分量占比增加。

日期（年内日序） — 控制季节几何（赤纬）。夏季日期在 给定地点会产生更高的太阳高度，从而增加直射辐照度；冬季日期会降低它。这解释了 ?? 与 ?? 之间看到的差异。

纬度 — 设置观测位置。较低纬度通常具有更高的峰值太阳高度，因此 空气质量更低；高纬度会经历更长的大气穿越路径，增强瑞利与气溶胶效应并降低 直射分量。

气压 — 近似表示海拔/气象。较低气压（高海拔）会降低分子密度并减弱 瑞利散射，从而提高短波透过率；较高气压则相反。

气溶胶光学厚度（AOD） — 表征颗粒物负荷（雾霾/污染）。更大的 AOD 会增强气溶胶 消光，抑制直射光束并将能量转移到漫射分量。将清洁情形与 ?? 中的污染情形进行比较。

水含量 — 设置可降水水汽。增大该值会加深近红外吸收带（例如在 940 nm 附近及更长波段），降低红外辐照度，而可见光的大部分受影响较小。

调整这些控制项以生成特定地点与条件下的光谱，然后导出结果以在 仿真工作流的其他部分使用。

4. 比较 AM1.5G、I_global、I_direct 与 I_diffuse

运行太阳光谱生成器时，结果会与标准 AM1.5G 参考光谱 一起绘制。该参考光谱在光伏领域被广泛用作基准， 用于在“1 sun”条件下测试与比较太阳能电池性能。

生成器还会输出太阳辐照度的三个分量：

• I_global： 到达地表水平面的总辐照度。 它是 I_direct 与 I_diffuse 的总和，并且是在 OghmaNano 中用于最终光伏器件仿真的光谱。
• I_direct： 未散射、准直的光束，直接从太阳盘面到达地表。 在晴空与较高太阳高度角时占主导，但在雾霾、污染或高空气质量（例如清晨/傍晚、高纬度）条件下会显著减弱。
• I_diffuse： 由大气中的分子、气溶胶与颗粒物散射产生的分量。 它充满天空半球，并且在直射光束被衰减时变得更重要——例如在多云、薄雾或污染条件下。

与 AM1.5G 的比较： AM1.5G 光谱本质上是一个固定标准， 表示空气质量 1.5 下的 I_global，并采用典型中纬度的倾角。 相比之下，仿真的 I_global、I_direct 与 I_diffuse 曲线会随 位置、季节、一天中的时间与大气条件动态变化。将它们进行比较可以让你看到 真实条件如何偏离“理想化”的 AM1.5G 情形。