第二章太陽輻射簡(jiǎn)介

第二章太陽輻射一．太陽太陽是離地球最近的一顆恒星。它是一個(gè)巨大而熾熱的等離子體，主要成份為氫和氦元素。太陽幾乎為球形，直徑為1.392×109m，是地球直徑的109倍，體積比地球大130萬倍。日地平均距離為1.5×108km，從太陽發(fā)出的光線到達(dá)地球需要8分鐘。太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)太陽內(nèi)部正經(jīng)歷著劇烈的核反應(yīng)4個(gè)氫原子核1H合成1個(gè)氦原子核4He

在這種核反應(yīng)中，質(zhì)量虧損為：按照愛因斯坦質(zhì)量－能量關(guān)系釋放出的能量為

太陽發(fā)出的能量及壽命在太陽中心區(qū)有0.1R⊙的氫燃燒就能釋放能量，這可以供給太陽輻射（光度L⊙）壽命t達(dá)：t=E/L⊙=1.28×1044J/3.845×1026W=3.32×1017s≈1×1010年太陽的輻射區(qū)輻射區(qū)的范圍約從0.25R⊙到0.8R⊙，密度和溫度都很快向外減小，核反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生的能量經(jīng)此區(qū)以輻射轉(zhuǎn)移的方式向外傳輸，從核反應(yīng)區(qū)出來的是高能γ射線光子，經(jīng)輻射區(qū)物質(zhì)接連地吸收并再輻射出較低能量的光子，自內(nèi)向外依次變?yōu)閄射線、遠(yuǎn)紫外、紫外、可見光光子，最后以可見光光子及其他形式輻射出來。

地球與太陽的相對(duì)大小直徑1.27×107m直徑1.39×109m太陽地球32°1.495×1011m(±1.7%)太陽常數(shù)G=1353W/m2太陽發(fā)出巨大能量向宇宙輻射，到達(dá)地球大氣層上界的太陽能量只占太陽總功率的1/20億，即180×1012kW。到達(dá)地球外表高層的太陽能中，30%被大氣層反射，23%被吸收，47%左右可到達(dá)地面。盡管只有47%到達(dá)地面，其功率已達(dá)85×1012kW。相當(dāng)于全世界發(fā)電量的幾十萬倍。太陽表面的溫度是變化的，在一般的太陽能熱利用中，可將太陽表面溫度看成固定溫度6000K(5700K)。太陽光中有各種波長(zhǎng)的光線，一般取0.3～3μm。已占太陽光的98%以上。二．地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律1．地球的公轉(zhuǎn)與赤緯角貫穿地球中心與南、北兩極相連的線稱為地軸。地球除了繞地軸自轉(zhuǎn)外（自轉(zhuǎn)一周約24小時(shí)），還在橢圓形軌道上圍繞太陽公轉(zhuǎn)，運(yùn)行一周為1年，約365天。地球自轉(zhuǎn)軸與橢圓軌道平面（稱黃道平面）的夾角為66°33′。地軸在空間的方位始終不變，因而赤道平面與黃道平面的夾角為23°27′。這就造成了太陽光線垂直照射在地球表面的位置一年中在±23°27′

緯度之間變化，這就是地球上形成四季的原因。

地球在一年中相對(duì)太陽的位置6月22日夏至12月23日冬至9月23日秋分3月21日春分在北半球春分及秋分時(shí)，太陽光線正射（垂直照射）在赤道上，赤緯角都為零，晝夜時(shí)間相等。夏至（6月22日），太陽光線正射在北回歸線上，δ=23°27′。冬至（12月22日），太陽光線正射在南回歸線上，δ=－23°27′。

一年中某日的赤緯可由下式計(jì)算：

n是所求當(dāng)日在一年中的日子數(shù)（從一月一日算起）。

2．地球的自轉(zhuǎn)與太陽時(shí)

地球自轉(zhuǎn)一周360°，所需時(shí)間24小時(shí)；因此相當(dāng)于每小時(shí)轉(zhuǎn)15°。由于各地所采用的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所以我們生活中的時(shí)間并不是真正太陽升起降落的時(shí)間（稱為太陽時(shí)）。太陽時(shí)的午時(shí)（中午12時(shí)）太陽光線正好通過當(dāng)?shù)氐淖游缇€。（或簡(jiǎn)單地說，正好在南北方向上）太陽時(shí)與各地使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間并不一致，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

太陽時(shí)=標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間+E±4×（L標(biāo)準(zhǔn)－L當(dāng)?shù)兀㎜標(biāo)準(zhǔn)——標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間采用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度，（°）；L當(dāng)?shù)亍?dāng)?shù)氐慕?jīng)度，（°）。E為時(shí)差公式中東半球?yàn)樨?fù)號(hào)，西半球取正號(hào)。我國取東經(jīng)120°為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（即北京時(shí)間），所以

太陽時(shí)=北京時(shí)間+E±4×（120－L當(dāng)?shù)兀?/p>

(單位為分鐘)

E為時(shí)差，以分為單位。n是所求日期在一年中的日子數(shù)（從一月一日算起）。一年中時(shí)差變化曲線太陽時(shí)角用角度表示的太陽時(shí)叫太陽時(shí)角，以ω表示。太陽午時(shí)ω=0°，上午取負(fù)值，下午取正值。每晝夜變化為±180°，每小時(shí)15°。例如上午10點(diǎn)鐘時(shí)

ω=－30°；下午3點(diǎn)鐘時(shí)，ω=45°。三．太陽輻射光譜在平均日地距離處，大氣層外垂直于輻射傳播方向上單位面積上的太陽輻射照度為1353W/m2，稱為太陽常數(shù)，用G表示：即

G=1353W/m2太陽常數(shù)是太陽光中所包含的總能量，但太陽光中各種波長(zhǎng)的輻射都有，描述各種波長(zhǎng)的光在總能量中的比重關(guān)系稱為光譜。太陽輻射光譜各種顏色的光都有相應(yīng)的波長(zhǎng)范圍。紅色光的波長(zhǎng)為700nm，光譜范圍為640～750nm；橙色光的波長(zhǎng)為620nm，光譜范圍為600～640nm；黃色光的波長(zhǎng)為580nm，光譜范圍為550～600nm；綠色光的波長(zhǎng)為510nm，光譜范圍為480～550nm；藍(lán)色光的波長(zhǎng)為470nm，光譜范圍為450～480nm；紫色光的波長(zhǎng)為420nm，光譜范圍為400～450nm。通常人們把太陽光的各色光按頻率或波長(zhǎng)大小的次序排列成的光帶圖，叫做太陽光譜。太陽輻射光譜太陽不僅發(fā)射可見光，同時(shí)還有不可見光。整個(gè)太陽光譜包括紫外區(qū)、可見區(qū)和紅外區(qū)3個(gè)部分。但其主要部分，是由0.3～3.0μm的波長(zhǎng)所組成的。其中，波長(zhǎng)小于0.4μm的紫外區(qū)和波長(zhǎng)大于0.76μm的紅外區(qū)，則是人眼看不見的紫外線和紅外線；波長(zhǎng)為0.4μm～0.76μm的可見區(qū)，就是我們所看到的白光。在到達(dá)地面的太陽光輻射中，紫外區(qū)的光線占的比例很小，大約為8.03%；主要是可見區(qū)和紅外區(qū)的光線，分別占46.43%和45.54%。

太陽光譜曲線衛(wèi)星的測(cè)量表明，太陽光的波長(zhǎng)分布非常寬廣，從0.24～50μm，但大致可分為三個(gè)部分：紫外線，可見光和紅外線。

波長(zhǎng)范圍/μm所占總能量百分率/%相應(yīng)范圍的輻照度/W/m2

紫外線可見光紅外線0～0.387950.38～0.7847.296400.78～∞45.71618四．太陽輻射的測(cè)量太陽輻射可分為：直射輻射、散射輻射。直射輻射——直接來自太陽而沒有改變方向的太陽輻射。散射輻射——太陽光受大氣層散射影響而改變方向的太陽輻射。太陽總輻射——接收到的太陽輻射總和，直射輻射+散射輻射。長(zhǎng)波輻射——任何物體當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，都會(huì)發(fā)出輻射能，溫度不高時(shí)，輻射波長(zhǎng)一般大于3μm。測(cè)量輻射量一般有：直射輻射儀、散射輻射儀、長(zhǎng)波輻射儀、總輻射儀。G——太陽輻照度，W/m2H——一天的輻照量，J/m2·dI———小時(shí)的輻照量，J/m2·h五．集熱表面太陽入射角的計(jì)算太陽集熱器所截取的太陽直射輻射能量，主要取決于太陽入射角θ。而入射角θ與太陽赤緯角δ、地理緯度、集熱器傾角β和方位角γ以及太陽時(shí)角ω有關(guān)。

βθ赤緯角δ——太陽光線垂直照射在地球表面處的地理緯度。太陽時(shí)角ω——用角度表示太陽時(shí)，叫太陽時(shí)角，15°/h，上午取負(fù)，下午取正。太陽入射角θ——太陽光線與集熱器表面法線之間的夾角。實(shí)際使用時(shí)應(yīng)使入射角θ越小越好。（不是光線與集熱器平面的夾角）。集熱器的傾角β——集熱器平面與地平面的夾角。集熱器方位角γ——集熱器表面法線在地平面上的投影與正南方的夾角。太陽高度角α——太陽光線與其在地平面上的投影線組成的夾角。（亦即太陽光線與地平面的夾角）。太陽方位角γs——太陽光線在地上的投影線與正南方向線的夾角。正南方為0°，向西為正，向東為負(fù)。（－180°＜γs＜180°）太陽天頂角θz——太陽光線與地平面法線之間的夾角，與α互為余角，即θz+α=90°太陽光在集熱器表面的入射角由下式計(jì)算：

這是一個(gè)非常重要的公式，但通?？勺鲆恍┖?jiǎn)化。①若集熱器朝正南方，此時(shí)γ=0，則公式變?yōu)椋孩谌舭鸭療崞鲀A角置于與當(dāng)?shù)鼐暥认嗤处?，上式可簡(jiǎn)化為：

③若集熱器水平放置，則β=0°

④太陽高度角的計(jì)算

⑤正午時(shí)刻的太陽高度角，此時(shí)ω=0°⑥春分、秋分日正午時(shí)刻的太陽高度角，此時(shí)δ=0°，ω=0°這說明，太陽高度角隨緯度增加而減少。⑦每天日出及日落時(shí)刻。（太陽處于地平面上為日出或日落時(shí)刻）

此時(shí)高度角α=0°，所以

據(jù)此可求出任何地區(qū)、任何一天的日出、日落時(shí)角。六．大氣層對(duì)太陽輻射的影響大氣層厚度約為30km，只有地球直徑的1/400，卻對(duì)太陽輻射的數(shù)量和分布有較大影響。主要是：吸收、反射和散射。太陽光線通過大氣層的實(shí)際距離與大氣層的法向（垂直）厚度之比稱為大氣質(zhì)量，m。利用太陽高度角α和天頂角θz，可將大氣質(zhì)量表示為：大氣質(zhì)量幾何圖m=1地表面大氣頂層θz=0°時(shí)，m=1θz=60°,α=30°時(shí)，m=2∴太陽高度角α越小，m越大，太陽輻射越少。夏至日，北極太陽高度角為α=23.5°，此時(shí)北極的m=2.5。

大氣對(duì)太陽光的減弱作用主要是散射和吸收。紫外線主要被O3吸收，紅外線由H2O及CO2吸收。小于0.29μm的短波幾乎全被大氣上層的臭氧吸收，在0.29～0.35μm范圍內(nèi)臭氧的吸收能力降低，但在0.6μm處還有一個(gè)弱吸收區(qū)。水蒸氣在1.0、1.4和1.8μm處都有強(qiáng)烈吸收帶。大于2.3μm的輻射大部分被H2O和CO2吸收，到達(dá)地面時(shí)已不足原來的5%.

經(jīng)過大氣層的散射和吸收，到達(dá)地面時(shí)，紫外線占5%（大氣層外為7%）、可見光點(diǎn)45%（大氣層外為47.3%）、紅外線占50%（大氣層外為45.7%）。另一個(gè)重要指標(biāo)：大氣透明度，τ

直射輻射的大氣透明度τb：a0、a1、k是標(biāo)準(zhǔn)晴空大氣的物理常數(shù)，（23km能見度）。散射輻射的大氣透明度為：七．太陽輻射量的計(jì)算

許多地方?jīng)]有太陽輻射的數(shù)據(jù)資料，只能靠計(jì)算來估計(jì)。(1)水平面上月平均日的太陽輻照量

——月平均日，水平面上的輻照量，MJ/m2·d；

——大氣層外，月平均日，水平面上的輻照量，MJ/m2·d；

——月平均日照時(shí)數(shù)，h；

——月平均日的最大日照時(shí)數(shù)（即晝長(zhǎng)），h；

a，b為常數(shù)，各地有參考值，根據(jù)氣候、植物生長(zhǎng)類型來定。(2)標(biāo)準(zhǔn)晴天水平面上輻射量的計(jì)算

晴天時(shí)水平面上的直射輻照度Go——大氣層外，垂直于輻射方向的太陽輻照度；τb——直射輻射透明度。水平面上的散射輻照度τb和τd都是大氣質(zhì)量的函數(shù)。據(jù)此可計(jì)算出每小時(shí)內(nèi)的直射和散射輻照量，一天的總和即是晴天水平面上的總輻照量Hc.八．晴空指數(shù)和直射分量的求取衡量天氣好壞指標(biāo)之一是晴空指數(shù)。是月平均晴空指數(shù)，它是水平面上月平均日輻照與大氣層外月平均日輻照之比。KT是日晴空指數(shù)，某天的日輻照與同日大氣層外日輻照之比。kT小時(shí)晴空指數(shù)，一小時(shí)內(nèi)輻照量與同時(shí)間內(nèi)大氣層外太陽輻照量之比。即有:，H和I是用總輻射表在水平面上實(shí)測(cè)的輻照量；，Ho和Io可用公式計(jì)算，也可查表。晴空指數(shù)的意義在于，可以通過它了解在總輻射能中，直射分量所占的比例。這是因?yàn)樵趯?shí)際太陽能應(yīng)用中，掌握直射分量的多少，是確定集熱器大小的重要依據(jù)。因?yàn)椋海?）將水平面上的輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到斜面上去時(shí)，要求對(duì)直射和散射分開處理。（2）在聚光型集熱器中，只能利用其直射輻射。

通過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，就可得到晴空指數(shù)與直射百分率的關(guān)系，使用時(shí)，通過查晴空指數(shù)，就可計(jì)算直射分量的大小百分?jǐn)?shù)。與的關(guān)系1.2．與的關(guān)系3．與的關(guān)系九．水平面與傾斜面上輻照量的比較如何將已知的水平面上的測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到傾斜面上去呢？①直射分量的轉(zhuǎn)換太陽光在水平面的入射角為θz（天頂角）。在斜面上的入射角為θ，斜面傾角為β。Gb.nθzθβGbn傾斜面和水平面上接受到的直射輻射之比，稱為直射修正因子Rb:若集熱器方位角γ=0°（朝南放置）則:同時(shí)要考慮到散射輻射和地表反射修正因子:

因此得到傾斜面上的太陽輻照量為：ρ為地面反射率，普通地面為0.2，積雪地面取0.7十．集熱器的最佳傾角和最佳方位集熱器的設(shè)置應(yīng)以使用期內(nèi)收集的太陽能最多為原則:（1）對(duì)可跟蹤的太陽能集熱器，應(yīng)使太陽光垂直入射為最佳。（2）對(duì)一天調(diào)節(jié)一次的，應(yīng)以正午太陽光垂直入射為最佳，β=90°－α，但考慮是下午或晚上用能，可考慮為朝南偏西10～15°。（3）對(duì)一月調(diào)節(jié)一次的，應(yīng)以月平均日太陽能收集量最大為最佳。（4）一年調(diào)節(jié)一次的或季度調(diào)節(jié)一次的，根據(jù)下面一般原則選擇：對(duì)全年的：γ=0°，β=對(duì)于夏半年（春分到秋分）：γ=0°，β=－（10°～15°）對(duì)于冬半年（秋分到第二年春分）：γ=0°，β=+（10°～15°）對(duì)全年的總能量收入，還可利用如下圖進(jìn)行優(yōu)選：上面的圖是在一定參數(shù)條件下得到的，有一定局限性，也可參照一些書中給出表格及下公式，做適當(dāng)調(diào)整。

適用范圍：20°＜＜38°，

0.35＜Kd＜0.6十一．我國太陽能資源及區(qū)劃

我國的領(lǐng)域位于北半球的中緯度區(qū)，從南到北，自西至東，距離都在五千km以上，在整個(gè)地球上，很少地方象中國這樣四季分明，而太陽輻射情況又隨著季節(jié)十分顯著地變化?？偟膩砜?，我國是太陽能資源比較豐富的地區(qū)，每m2面積上一年內(nèi)可接受的太陽輻射總能量達(dá)6.7×106—8.4×106kJ；最少的地區(qū)每m2面積上一年內(nèi)也能接受到3.3×106—4.2×106kJ的熱量，仍近似于法國巴黎和蘇聯(lián)莫斯科的太陽輻射年總量。根據(jù)全國近700個(gè)氣象臺(tái)站長(zhǎng)期觀測(cè)積累的數(shù)據(jù)資料表明，我國各地的太陽輻射年總量大約在3.3×106—8.4×106kJ／(m2·a)之間，平均值為5.9×106kJ／(m2·a)。

根據(jù)太陽輻射總量的分布狀況，通常將我國化分為下列五類地區(qū)：一、二、三類地區(qū)是我國太陽能資源比較豐富的地區(qū)，面積很大，約占全國總面積的2／3以上。亦即是說，我國有約三分之二的國土太陽輻照總量接近或超過6000MJ／m2·年，尤其是華北、西北的廣大地區(qū)，日照充足，為利用太陽能提供了良好的條件。四、五類地區(qū)雖然條件較差，但如能因地制宜，采用適當(dāng)?shù)姆椒ê脱b置，仍具有