第二章太陽輻射簡介

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)出的光線到達地球需要8分鐘。太陽的內部結構太陽內部正經(jīng)歷著劇烈的核反應4個氫原子核1H合成1個氦原子核4He

在這種核反應中，質量虧損為：按照愛因斯坦質量－能量關系釋放出的能量為

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：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，核反應區(qū)產(chǎn)生的能量經(jīng)此區(qū)以輻射轉移的方式向外傳輸，從核反應區(qū)出來的是高能γ射線光子，經(jīng)輻射區(qū)物質接連地吸收并再輻射出較低能量的光子，自內向外依次變?yōu)閄射線、遠紫外、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%左右可到達地面。盡管只有47%到達地面，其功率已達85×1012kW。相當于全世界發(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．地球繞太陽的運行規(guī)律1．地球的公轉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外（自轉一周約24小時），還在橢圓形軌道上圍繞太陽公轉，運行一周為1年，約365天。地球自轉軸與橢圓軌道平面（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，太陽光線正射（垂直照射）在赤道上，赤緯角都為零，晝夜時間相等。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算：

n是所求當日在一年中的日子數(shù)（從一月一日算起）。

2．地球的自轉與太陽時

地球自轉一周360°，所需時間24小時；因此相當于每小時轉15°。由于各地所采用的時間標準不一樣，所以我們生活中的時間并不是真正太陽升起降落的時間（稱為太陽時）。太陽時的午時（中午12時）太陽光線正好通過當?shù)氐淖游缇€。（或簡單地說，正好在南北方向上）太陽時與各地使用的標準時間并不一致，轉換關系為：

太陽時=標準時間+E±4×（L標準－L當?shù)兀㎜標準——標準時間采用的標準經(jīng)度，（°）；L當?shù)亍數(shù)氐慕?jīng)度，（°）。E為時差公式中東半球為負號，西半球取正號。我國取東經(jīng)120°為標準時間（即北京時間），所以

太陽時=北京時間+E±4×（120－L當?shù)兀?/p>

(單位為分鐘)

E為時差，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）。一年中時差變化曲線太陽時角用角度表示的太陽時叫太陽時角，以ω表示。太陽午時ω=0°，上午取負值，下午取正值。每晝夜變化為±180°，每小時15°。例如上午10點鐘時

ω=－30°；下午3點鐘時，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的輻射都有，描述各種波長的光在總能量中的比重關系稱為光譜。太陽輻射光譜各種顏色的光都有相應的波長范圍。紅色光的波長為700nm，光譜范圍為640～750nm；橙色光的波長為620nm，光譜范圍為600～640nm；黃色光的波長為580nm，光譜范圍為550～600nm；綠色光的波長為510nm，光譜范圍為480～550nm；藍色光的波長為470nm，光譜范圍為450～480nm；紫色光的波長為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，同時還有不可見光。整個太陽光譜包括紫外區(qū)、可見區(qū)和紅外區(qū)3個部分。但其主要部分，是由0.3～3.0μm的波長所組成的。其中，波長小于0.4μm的紫外區(qū)和波長大于0.76μm的紅外區(qū)，則是人眼看不見的紫外線和紅外線；波長為0.4μm～0.76μm的可見區(qū)，就是我們所看到的白光。在到達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)星的測量表明，太陽光的波長分布非常寬廣，從0.24～50μm，但大致可分為三個部分：紫外線，可見光和紅外線。

波長范圍/μm所占總能量百分率/%相應范圍的輻照度/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。長波輻射——任何物體當溫度高于絕對零度時，都會發(fā)出輻射能，溫度不高時，輻射波長一般大于3μm。測量輻射量一般有：直射輻射儀、散射輻射儀、長波輻射儀、總輻射儀。G——太陽輻照度，W/m2H——一天的輻照量，J/m2·dI———小時的輻照量，J/m2·h五．集熱表面太陽入射角的計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以及太陽時角ω有關。

βθ赤緯角δ——太陽光線垂直照射在地球表面處的地理緯度。太陽時角ω——用角度表示太陽時，叫太陽時角，15°/h，上午取負，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。實際使用時應使入射角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。（－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算：

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

③若集熱器水平放置，則β=0°

④太陽高度角的計算

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

此時高度角α=0°，所以

據(jù)此可求出任何地區(qū)、任何一天的日出、日落時角。六．大氣層對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際距離與大氣層的法向（垂直）厚度之比稱為大氣質量，m。利用太陽高度角α和天頂角θz，可將大氣質量表示為：大氣質量幾何圖m=1地表面大氣頂層θz=0°時，m=1θz=60°,α=30°時，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°，此時北極的m=2.5。

大氣對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范圍內臭氧的吸收能力降低，但在0.6μm處還有一個弱吸收區(qū)。水蒸氣在1.0、1.4和1.8μm處都有強烈吸收帶。大于2.3μm的輻射大部分被H2O和CO2吸收，到達地面時已不足原來的5%.

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

直射輻射的大氣透明度τb：a0、a1、k是標準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．太陽輻射量的計算

許多地方?jīng)]有太陽輻射的數(shù)據(jù)資料，只能靠計算來估計。(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；

——月平均日照時數(shù)，h；

——月平均日的最大日照時數(shù)（即晝長），h；

a，b為常數(shù)，各地有參考值，根據(jù)氣候、植物生長類型來定。(2)標準晴天水平面上輻射量的計算

晴天時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都是大氣質量的函數(shù)。據(jù)此可計算出每小時內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小時晴空指數(shù)，一小時內輻照量與同時間內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測的輻照量；，Ho和Io可用公式計算，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。這是因為在實際太陽能應用中，掌握直射分量的多少，是確定集熱器大小的重要依據(jù)。因為：（1）將水平面上的輻射數(shù)據(jù)轉換到斜面上去時，要求對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，就可得到晴空指數(shù)與直射百分率的關系，使用時，通過查晴空指數(shù)，就可計算直射分量的大小百分數(shù)。與的關系1.2．與的關系3．與的關系九．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量數(shù)據(jù)轉換到傾斜面上去呢？①直射分量的轉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置應以使用期內收集的太陽能最多為原則:（1）對可跟蹤的太陽能集熱器，應使太陽光垂直入射為最佳。（2）對一天調節(jié)一次的，應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）對一月調節(jié)一次的，應以月平均日太陽能收集量最大為最佳。（4）一年調節(jié)一次的或季度調節(jié)一次的，根據(jù)下面一般原則選擇：對全年的：γ=0°，β=對于夏半年（春分到秋分）：γ=0°，β=－（10°～15°）對于冬半年（秋分到第二年春分）：γ=0°，β=+（10°～15°）對全年的總能量收入，還可利用如下圖進行優(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，做適當調整。

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面積上一年內可接受的太陽輻射總能量達6.7×106—8.4×106kJ；最少的地區(qū)每m2面積上一年內也能接受到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個氣象臺站長期觀測積累的數(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?shù)姆椒ê脱b置，仍具有