太阳能透射率的影响因素与测试方法

为了确定透射率的角度变化，可以使用图3.2给出的菲涅尔表达式。该表达式可用于计算通过具有不同反射率介质间的偏振辐射反射率。各种简化的表达式如图3.2所示。

图3.2 辐射通过具有不同折射率介质界面的菲涅尔表达式

如图3.3所示，某采光口盖板系统有1、2和4层浮法玻璃，玻璃对太阳光谱平均折射率为1.526，厚度为4mm。利用Duffie和Beckman在1974年给出的近似方法，可以计算得到该系统透射率随入射角的变化。

图3.3 单采光口玻璃盖板透射率随角度变化的方程

适用于集热器系统的各种玻璃和塑料的光谱透射率可由文献查得（Touloukian和Dewitt，1972；Meinel和Meinel，1976）。虽然可以通过已知数据计算消光系数，但是通常缺乏较好的文献资料。这些材料的制造商一般只提供法向入射的光谱透射率。这一信息仅适于做一般比较，对于详细的比较，必须进行逐时的热性能模拟（盖板材料的透射率随入射角变化）。当仅有法向入射的透射率数据时，可以通过曲线拟合扩展到全部入射角范围，如图3.3所示（Rivero，1958）。这种简单的关系式足以用于典型盖板材料的分析。对于具有污垢层的脏玻璃窗，测出的透射率随角度的变化也遵循入射角余弦函数的形式（Stephenson，1965）。

图3.3显示了利用Duffie和Beckman（1974）、Riviero（1958）、Burek等（1989）、Gueymard（1989）表达式计算的透射率曲线和利用分析方法获得的单层浮法玻璃（4mm厚）透射率曲线。图3.3中使用Riviero（1958）方法计算的曲线凸起部分（即在0°～16°之间）以及大于60°时的结果与理论结果相比存在显著偏差，意味着对于一般的盖板应用，这并不是一种令人满意的近似方法。Duffie和Beckman（1974）的近似方法本质上是对严格的理论方法略微进行了修改，因此非常接近真实曲线，两者没有明显的区别。Burek等（1989）和Gueymard（1989）的近似方法在60°～70°的入射角范围内表现出与理论曲线良好的一致性，但在入射角大于80°时存在很大的差别。然而，这在大多数实际情况下不会成为问题，因为在这么小的入射角下透射辐射的作用很小。Burek等（1989）的方法仅有入射透射因子这一个“系数”，因此更简便，这是该方法优于Guey-mard（1989）方法之处，因为Gueymard（1989）方法涉及多个方程和相关的系数。

在许多太阳能应用中，集热器系统的采光口由透明（或半透明）材料平板制成。每个平板具有两个平行界面（如空气/玻璃和玻璃/空气界面），在每个界面处都会发生反射。然而，每个界面处反射辐射的各偏振分量是不同的。折射率也与波长相关，但是这种变化在太阳辐射波长范围内通常是可忽略的。对于相关材料，一般采用可见光谱内的平均折射率。图3.4显示了在忽略吸收损失的情况下，采光口平面发生多次反射的影响。

图3.4 未考虑吸收损失时多层采光口盖板平面透射率随入射角的变化(www.xing528.com)

图3.5 考虑吸收损失时多层盖板的透射率随入射角的变化

图3.4显示了由1～4层非吸收型玻璃构成的盖板系统的透射率随入射角的变化，玻璃材料对太阳光谱的平均折射率为1.526。然而，在实际情况下，由于入射辐射与介质分子结构相互作用，盖板材料表现出一些吸收特性。吸收的能量转化为热，导致介质的温度升高。如图3.5所示，根据Bouguer定律，吸收的辐射与介质中局部辐射强度及辐射在介质中穿行的距离成正比。

对于适用于太阳能应用的采光口盖板材料，不难获得其折射率和消光系数（Har-per，1975；Rawson，1982）。图3.5显示了厚度分别为3mm、4mm和6mm的单层玻璃盖板透射率随角度的变化。

若采光口盖板由超过一层的吸收性盖板材料组成，在每个平板内、平板与平板之间均存在多重反射。根据每层采光口平板材料光学特性的详细数据，光线跟踪法（Whillier，1953a，b）或分析法（Siegel，1973；Shurcliff，1974；Sharafi和Mukminova，1975）可被推广应用于任意数量的盖板。

ASTM标准E424（Anon，ASTM1985）给出了太阳总辐射透射率的标准测试方法，测试条件为晴朗天气下接近太阳时正午，且被测材料垂直于太阳光线。该方法的修订版本已用于测量透射率随入射角的变化（Edlin，1959；Godbey等，1979；Robbins和Spil-lman，1980；Bhaduri和Nguyen，1983；Fintel和Jakubowski，1985）。标准测试条件规定了一个“晴朗天气”，尽管这意味着散射辐射占比较低，但却不够严格。如图3.3所示，ASHRAE标准中，太阳能集热器热性能的测试程序（Anon，ASHRAE1977a）采用了更简单的表达式来计算直射辐射透射率随入射角的变化。图中还显示了Burek等（1989）修订后的ASHRAE表达式。

图3.6 不同A值下由表达式计算得到的透射率随入射角的变化

透射率随角度的变化可以表示为入射角、法向透射率和入射透射因子A的函数，如图3.6所示。对于各种各样的材料，可以用简单的方法确定常数A的值，但是这些方法不能在入射角较大时使用，因为当θ接近90°时，τ趋向于-∞。文献（Burek等，1989）已给出了许多透明和半透明塑料材料的A值。归一化的透射率等于特定角度的透射率与法向入射的透射率之比。归一化透射率曲线的近似函数如图3.6所示（Guey-mard，1989）。

光致变色和热致变色装置的透射率主要取决于太阳辐照度和环境温度。因此，它们可用于预防太阳能集热器采光口盖板的过热（Resch等，2009）。