1. 太阳辐射简述.doc

1太阳辐射简述本章主要介绍太阳辐射的基本知识，并说明太阳辐射的计算方法。为了利用太阳能，有必要了解和掌握有关太阳辐射的基本知识，以便更好地进行太阳能光伏发电系统的设计和应用。11太阳简介太阳是离地球最近的一颗恒星，也是太阳系的中心天体，它的质量占太阳系总质量的99.865%。太阳也是太阳系里唯一自己发光的天体，它给地球带来光和热。如果没有太阳光的照射，地面的温度将会很快地降低到接近绝对零度。由于太阳光的照射，地面平均温度才会保持在14摄氏度左右，形成了人类和绝大部分生物生存的条件。除了原子能、地热和火山爆发的能量外，地面上大部分能源几乎全部直接或间接同太阳有关。太阳是一个主要由氢和氦组成的炽热的气体火球，半径为6.96105千米（是地球半径的109倍），质量约为1.991027吨（是地球质量的33万倍），平均密度约为地球的四分之一。太阳表面的有效温度为5762K，而内部中心区域的温度则高达几千万度。太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应，每秒有657x109公斤的氢聚合生成653x109公斤的氦，连续产生390x1021千瓦能量。这些能量以电磁波的形式，以3105千米/秒的速度穿越太空射向四面八方。地球只接受到太阳总辐射的二十二亿分之一，即有1771012千瓦达到地球大气层上边缘（“上界”），由于穿越大气层时的衰减，最后约851012千瓦到达地球表面，这个数量相当于全世界发电量的几十万倍。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的储量足够维持600亿年，而地球内部组织因热核反应聚合成氦，它的寿命约为50亿年，因此，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取之不尽、用之不竭的。太阳的结构和能量传递方式如图1-1所示，简要说明如下：太阳的质量很大，在太阳自身的重力作用下，太阳物质向核心聚集，核心中心的密度和温度很高，使得能够发生原子核反应。这些核反应是太阳的能源，所产生的能量连续不断地向空间辐射，并且控制着太阳的活动。根据各种间接和直接的资料，认为太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和太阳大气。（1）核反应区 在太阳半径25%（即0.25R）的区域内，是太阳的核心，集中了太阳一半以上的质量。此处温度大约1500万度（K），压力约为2500亿大气压，密度接近158克/厘米3。这部分产生的能量占太阳产生的总能量的99%，并以对流和辐射方式向外辐射。氢聚合时放出伽玛射线，这种射线通过较冷区域时，消耗能量，增加波长，变成X射线或紫外线及可见光。（2）辐射区 在核反应区的外面是辐射区，所属范围从0.25 - 0.8R，温度下降到13万度，密度下降为0.079克/厘米3。在太阳核心产生的能量通过这个区域由辐射传输出去。（3）对流区 在辐射区的外面是对流区（对流层），所属范围从0.8 - 1.0R，温度下降为5000K，密度为10-8克/厘米3。在对流区内，能量主要靠对流传播。对流区及其里面的部分是看不见的，它们的性质只能靠同观测相符合的理论计算来确定。（4）太阳大气 大致可以分为光球、色球、日冕等层次，各层次的物理性质有明显区别。太阳大气的最底层称为光球，太阳的全部光能几乎全从这个层次发出。太阳的连续光谱基本上就是光球的光谱，太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。光球的厚度约为500公里。色球是太阳大气的中层，是光球向外的延伸，一直可延伸到几千公里的高度。太阳大气的最外层称为日冕。日冕是极端稀薄的气体壳，可以延伸到几个太阳半径之远。严格说来，上述太阳大气的分层仅有形式的意义，实际上各层之间并不存在着明显的界限，它们的温度、密度随着高度是连续地改变的。可见，太阳并不是一个一定温度的黑体，而是许多层不同波长放射、吸收的辐射体。不过，在描述太阳时，通常将太阳看作是温度为6000K，波长为0.3 - 3.0m的黑色辐射体。1.2. 太阳与地球的位置关系在设计太阳电池应用系统时，不可避免地都会涉及到太阳高度角、方位角、日照时间等计算问题，因而必须对地球绕太阳运行的基本规律及其相关的天文背景有一定了解。（1） 天球与天球坐标系以观察者为球心，以任意长度（无限长）为半径，其上分布着所有天体的球面叫做天球。图1-2所示即为一个天球。通过天球的中心（即观察者的眼睛）与铅直线相垂直的平面称为地平面；地平面将天球分为上下两个半球；地平面与天球的交线是个大园，称为地平圈；通过天球的中心的铅直线与天球的交点分别称为天顶和天底。地球每天绕着它本身的极轴自西向东地自转一周；反过来说，假定地球不动，那么天球将每天绕着它本身的轴线自东向西地自转一周，我们称之为周日运动。在周日运动过程中，天球上有两个不动点，叫做南天极和北天极，连接两个天极的直线称为天轴；通过天球的中心（即观察者的眼睛）与天轴相垂直的平面称为天球赤道面；天球赤道面与天球的交线是个大园，称为天赤道。通过天顶和天极的大园称为子午圈。可以在上述这些极和圈（面）的基础上定义几种天球坐标系，以便研究天体在天球上的位置和它们的运动规律。最常用的有地平坐标系和赤道坐标系；后者根据原点的不同又可细分为时角坐标系和赤道坐标系。下面着重介绍与设计太阳电池应用系统有关的地平坐标系和时角坐标系。（2） 地平坐标系 以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系叫作地平坐标系，如图1-3所示。通过天顶和太阳（或任一天体）X作一大圆，叫作地平经圈；地平经圈交地平圈于M点；从原点S沿地平圈顺时针方向计量，弧SM为地平经度，或方位角A；弧XM为地平纬度，或高度角h，向上为正，向下为负。弧ZX称为天顶距，自Z起计量，用Z表示。显然Z=90-h。由于天体有周日运动，所以天体的地平坐标随着时间在不断地变化着。此外，天体的地平坐标还和观测者在地面上的位置有一定关系，即地平坐标随观测地点而异。（3）时角坐标系 以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标系叫作时角坐标系或第一赤道坐标系，如图1-4所示。通过北天极和太阳（或任一天体）X作一大圆，叫作时圈；时圈交天赤道于T点；从原点Q沿天赤道顺时针方向计量，弧QT为时角，以度、分、秒为单位来表示，也可以时、分、秒为单位来表示；弧XT叫作赤纬，以度、分、秒为单位来表示；从天赤道算起，向上为正，向下为负。当天体作周日运动时，天体的赤纬不随周日运动而变化，但天体的时角却从0均匀地增加到360。此外，在同一瞬间，在地理经度不同的观测地点观测同一天体的时角是不同的，即同一天体的时角随观测地点而异。以上只是简要介绍了一点相关的天文背景知识。如果要准确计算太阳高度角、方位角、日照时间等数据，还需要了解以上坐标系之间的转换关系，这又牵涉到时间系统，有兴趣的读者可以找点有关的天文方面的资料进行知识补充。作者在本书附录A中提供了计算太阳高度角、方位角、日照时间等的实用程序，利用此实用程序，读者可以不需要十分了解相关的天文背景知识，也可以准确地计算太阳高度角、方位角、日照时间等数据。1.3. 地球绕太阳的运行规律众所周知，地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东地自转一周。每转一周（360）为一昼夜，一昼夜又分为24小时，所以地球每小时自转15。地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道（黄道）上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾斜成2327的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道的不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。图1-5（a）表示地球绕太阳运行的四个典型季节日的地球公转的行程图，图1-5（b）表示对应于上述四个典型季节日地球受到太阳照射的情况。假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。每年的春分日（3月21日），太阳从赤道以南到达赤道（太阳的赤纬=0），地球北半球的天文春季开始。在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90- （为观察者当地的地理纬度）。春分过后，太阳的升落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。夏至日（6月22日），太阳正午高度达到最大值90- +2327，白昼最长，这时地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。秋分日（9月23日），太阳又从赤道以北到达赤道（太阳的赤纬=0），地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中，太阳又出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。秋分过后，太阳的升落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时太阳的高度逐日减低。冬至日（12月22日），太阳正午高度达到最小值90- -2327，黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。冬至过后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日（3月21日）太阳从赤道以南到达赤道。1.4. 初略计算太阳高度角、方位角、日照时间（1）库珀（Cooper）方程太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以表示。在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过2327的范围。夏天最大变化到夏至日的+2327；冬天最小变化到冬至日的-2327。太阳赤纬随季节变化，按照库珀（Cooper）方程，由下式计算： （1-1）式中，n为一年中之天数，如：在春分，n=81，则=0，自春分日起的第d天的太阳赤纬为： （1-2）表1-1给出了各月每隔4日的太阳赤纬，这些数值在计算中十分有用。表1-1 太阳赤纬（）（单位：度） 月份日期1234567891011121591317212529-23.1-22.7-22.2-21.6-20.9-20.1-19.2-13.2-17.3-16.2-14.9-13.6-12.3-10.9-9.4-7.9-6.4-4.8-3.3-1.7-0.11.53.04.25.87.38.710.211.612.914.214.816.017.118.218.120.020.821.521.922.522.923.223.423.423.423.323.222.922.521.921.320.619.819.018.217.216.114.913.712.411.19.78.67.15.64.12.61.0-0.52.1-2.9-4.4-5.9-7.5-8.9-10.4-11.8-13.2-14.2-15.4-16.6-17.7-18.8-19.7-20.6-21.3-21.7-22.3-22.7-23.1-23.3-23.4-23.4-23.3（2）太阳角的计算如图1-6示，指向太阳的向量与天顶Z的夹角定义为天顶角，用表示；向量与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h表示；在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用表示。太阳的时角用表示，它定义为：在正午时=0，每隔一小时增15，上午为正，下午为负。例如：上午11时，=+15；上午8时，=15（12-8）=60；下午1时，=-15；下午3时，=-153=-45。1太阳高度角计算太阳高度角的表达式为：sinh=sinsin+ coscoscos （1-3）式中，地理纬度； 太阳赤纬； 太阳时角。正午时，=0，cos=1。上式（1-3）可简化为：sinh=sinsin+coscos=cos（-）因为，cos（-）=sin90（-）所以，sinh=sin90（-） （1-4）正午时，若太阳在天顶以南，即，取sinh=sin90-(-)从而有， h=90+- （1-5）在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有=从而， h=902太阳方位角太阳方位角按下式计算： （1-6）也可用下式计算： （1-7）根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间，利用上式（1-6）或式（1-7）中的一个可以求出任何地区、任何季节某一时刻的太阳方位角。3日照时间太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角h=0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，根据式1-3，可得出日出日没时角表达式：cos=-tgtg （1-8）式中，日出或日没时角，以度表示，正为日没时角；负为日出时角。对于北半球，当-1-tgtg+1，解式1-8，有=arcos（-tgtg） （1-9）因为 cos=cos(-)，所以 cos出=-没=求出时角后，日出日没时间用求出。一天中可能的日照时间由下式给出： （1-10）1.5. 太阳常数和太阳光谱1.5.1. 太阳常数我们已经知道，地球除自转外并以椭圆形轨道绕太阳运行，也就是说，太阳与地球之间的距离不是一个常数。这就意味着，地球大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同。实际上，由于日地之间距离很大，其相对变化量是很小的，由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过3.4%。这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们使用“太阳常数”来措述大气层上界的太阳辐射强度。太阳常数Isc的定义为：在平均日地距离时，地球大气层上界垂直于太阳光线表面的单位面积上单位时间内所接收到的太阳辐射能。其参考值为Isc=13677瓦/米2。由上述定义知道，Isc是平均日地距离时的太阳辐射强度。若设大气层上界某一任意时刻的太阳辐射强度为I0，则式中，n距离一月一日的天数； r日地间距引起的修正值。1.5.2. 太阳光谱太阳发射的电磁辐射在大气顶上随波长的分布叫作太阳光谱。到达地面的太阳辐射光谱分布是地外太阳光谱和大气成分的函数，它对于地面太阳能电池系统应用及其他一些应用是十分重要的。表1-2列出了太阳光谱辐照度的积分值8 ；表1-3列出了没有大气时地球表面水平面上太阳辐射日总量月平均值1 ；表1-2 太阳光谱辐照度的积分值波长范围 （m） 光谱辐照度（Wm-2）0.1510-0.2100 a: 0.2 b: 0.20.2100-0.3000 a: 16.0 b: 16.20.3000-0.3300 a: 20.8 b: 22.00.3300-0.6569 540.30.6569-0.8770 272.00.8770-1.2500 a: =2.0% 246.4 b: =1.0% 248.9 1.25-2.5 a: 225.7 b: 228.9 2.5-10 a: 45.6 b: 47.9 10 0.8合计： a: 1368 b: 1377表1-3没有大气时地表水平面上太阳辐射日总量月平均值（0.271卡/厘米2日） 纬度月份2025303540455055606512345678910111223462656302132973417343834143321309727482404223821052458289632623460351734763316300325712173198818542242274832043480357635163288288723771931172815942012257931223478361335343237274821651678146213291969239130183455363135323164258919391418119316115152185289334123631351130702410170011549257971255196327483351361634742957221414508906645419911727258532773591342428262001119263241730572714782407319435673371268317739313881971064721219221731162568333125311533670172311.6. 地面太阳辐射的理论估算地面太阳辐射包括直接辐射和散射辐射。直接接收到的、不改变方向的太阳辐射称为直接太阳辐射；接收到的被大气层反射和散射后方向改变的太阳辐射称为散射辐射。太阳辐射穿过地球大气层时，不仅受到大气层中的空气分子、水汽及灰尘所散射，而且受到大气中氧、臭氧、水和CO2的吸收，所以经过大气而达到地面的太阳直接辐射显著衰减。可以从理论上较严格地分析太阳直接光谱经大气层后的衰减情况7。由于有关理论比较复杂且工程设计中不方便利用，本节中将讨论用一种较简单的方法，来估算太阳直接辐射穿过大气层后的强度。1.6.1. 大气质量“大气质量”是一个无量纲量，它是太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶角方向时穿过大气路径之比，并假定在标准大气压（101325Pa）和气温0时，海平面上太阳光线垂直入射的路径为1。显然，地球大气上界的大气质量为零。当天顶角为60时，m=2。如图1-7所示，A为地球海平面上一点，O，O为大气上界的点。太阳在天顶位置时，太阳光线路程OA为大气质量。太阳位于S点时，大气质量为： （1-11）式1-11是从三角函数关系推导出来的，是以地表为水平面忽略了大气的曲率及折射因素的影响。当h30时，按式1-11计算值与大气质量的观测值非常接近，其精度达0.01；但当h30时，由于折射和地面曲率的影响增大，式1-11计算结果不准确。在太阳能电池应用系统工程计算中，可采用下式计算： （1-12）在中国日射观测站，当h20，采用表1-4查算m值。表1-4 大气质量h（小数）m h（整数）0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91234567891011121314151617181927.020.015.912.510.48.97.86.96.25.75.24.84.44.13.83.63.43.23.026.019.515.12.310.28.77.76.86.15.75.24.74.44.13.83.63.43.23.025.019.014.712.010.08.67.66.86.15.65.14.74.44.13.83.53.33.23.024.518.514.411.89.98.57.56.76.05.65.04.74.34.03.83.53.33.23.024.018.714.011.69.78.47.46.66.05.65.04.64.34.03.73.53.33.13.023.018.014.011.69.78.47.46.66.05.65.04.64.34.03.73.53.33.13.022.017.513.811.49.68.37.36.55.95.54.94.64.34.03.73.53.33.13.021.016.513.311.09.48.17.26.45.85.44.94.54.23.93.73.43.33.12.920.716.013.010.89.28.07.16.35.85.44.84.54.23.93.63.43.23.12.920.415.712.710.69.07.97.06.35.85.34.84.44.13.93.63.43.23.12.9温度对m影响，一般可以忽略不计；对于海拔高度较大的地区，应对大气压力进行订正，即 （1-13）式中，z观测地点的海拔高度； P(z)观测地点的大气压，以Pa表示。1.6.2. 大气透明度的引入在设计太阳能电池应用系统时，必须掌握到达该地区的太阳辐射能，即掌握该地区太阳辐射的年、月总量。由于太阳辐射观测站很稀疏，靠观测站提供的资料远不能满足需要。所以借助理论计算是十分必要的。有人提出用下式计算太阳辐射通过大气后的强度：I=Iscpm （1-14）式中，p大气透明度； m大气质量。大气透明度的定义太阳辐射能在通过大气层时会产生一定衰减，表征大气对辐射衰减程度的一个重要参数就是大气透明度。根据布克-兰贝特（Bonguer-Lambert）定律，当波长为l的太阳辐射I0,经过dm厚的大气层后，辐射衰减量为：dIl= -alI0,ldm式中，al为大气消光系数。将上式积分，得或式中，单色光谱的透明度或“透明系数”；波长为l的辐射的初始强度；通过大气的波长为l的太阳辐射强度。设投射到地表法向单色光的光谱辐射强度为，则对全色太阳光，只要将上式对整个波长从0积分便可得到： （1-15）设整个太阳辐射光谱范围内单色透明度的平均值为pm，可把pm拿到积分号外，使上式改写成： （1-16）由此得到 （1-17）pm与m有着复杂的关系，它表征着大气对太阳辐射能的衰减程度。表1-5给出各种大气透明条件下太阳直接辐射的平均强度与大气质量的关系9。表1-5 各种大气透明度下太阳直接辐射的平均强度与大气质量的关系（卡/厘米2分）P2M代表值范围8543210.600.650.700.750.800.850.6250.6250.6750.6750.7250.7260.7750.7760.8250.8260.1580.2440.3400.4700.6000.7480.2980.4190.5330.6820.8140.9570.3900.5220.6470.7910.9231.0670.5220.6470.7910.9231.0531.1860.6980.8430.9601.1031.2221.3500.8521.0011.1001.2201.3271.4321.6.3. 垂直于太阳光线的地表上的直接辐射强度观察式1-16，p与m相关。为了简化，通常将大气透明度订正到某一给定的大气质量，例如，将pm订正到m=2的透明度p2，这时，计算垂直于太阳光表面上的直接辐射强度公式为 （1-18）对于大多数地区而言，直接根据日射观测资料来确定p2是可能的。只要近似地确定p2值，利用上式便可计算出到达地表法线方向入射的太阳辐射强度。为了应用方便，将m换成太阳高度角，在日地平均距离时各种大气透明下直接辐射的平均强度随太阳的变化如表1-6所示。利用这个表，根据太阳高度角可查出某一透明度的辐射强度值，经日地距离修正（即乘以r），便可得出某一透明度下法向太阳直接辐射强度。各地区四季的大气透明度可通过查阅资料确定。表1-6 各种大气透明度下太阳直接辐射强度与太阳高度角的关系（日地平均距离）（卡/厘米2分）P2太阳高度角代表值范围7101520253040506075900.600.650.700.750.800.850.6250.625-0.6750.676-0.7250.726-0.7750.776-0.8250.8260.170.250.350.480.610.770.260.380.490.630.760.900.410.550.670.810.931.080.540.670.790.931.061.200.630.760.881.021.151.290.730.840.961.101.221.350.830.981.081.211.321.420.941.081.161.271.371.471.001.131.211.321.411.511.041.161.251.351.441.531.061.171.271.371.461.541.6.4. 水平面上的直接太阳辐射前面已经分析了到达地表与太阳光线垂直的表面上太阳辐射强度，借此，不难求出水平面上的直接太阳辐射。如图1-8所示，AB面代表水平面，AC面代表垂直于太阳光线的表面。由ABC有：AC=ABsinh由于太阳直接入射到AC和AB平面上的能量是相等的，如以H表示，则 从而， （1-19）式中，IH,b为水平面上太阳直接辐射强度，显然h=90时，地表面获得最大太阳辐射强度。将式1-16代入式1-19中，得到 （1-20）将式1-20从日出至日没对时间进行积分，则水平面上直接太阳辐射通量为：= 上式中，若dt用时角表示，则上式变为： （1-21）式中，T昼夜长，24小时；0，-0日出和日没时角。式1-21只是一种数学表达式。实际上，由于很复杂，不便直接积分，所以通常的办法是按一个小时一个小时计算，而每个小时内的直接太阳辐射总通量可根据其平均太阳高度角查表通过计算求得。设某一小时平均太阳高度为，这样，第i小时内水平面上的直接太阳辐射总通量为 （1-22）假定一天内从日出到日没共N个小时，则水平面上直接太阳辐射日总量由下式决定： （1-23）知道了日总量，月总量和年总量通过计算不难求出。1.7. 工程中常用的计算太阳辐射的方法上一节介绍了利用大气透明度的方法估算地面直接太阳辐射。实际上对于确定的地点，我们通常可以知道该地点全年各月水平面上的平均太阳辐射资料(总辐射量、直接辐射量或散射辐射量)，因此工程中常利用采用以下方法计算斜面上的太阳辐射并选择最佳倾角。确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量，通常采用Klein提出的计算方法：倾斜面上的太阳辐射总量Ht由直接太阳辐射量Hbt、天空散射辐射量Hdt和地面反射辐射量Hrt三部分所组成：Ht HbtHdtHrt对于确定的地点，知道全年各月水平面上的平均太阳辐射资料(总辐射量、直接辐射量或散射辐射量)后，便可以算出不同倾角的斜面上全年各月的平均太阳辐射量。下面介绍相关公式和计算模型。计算直接太阳辐射量Hbt引入参数Rb，Rb为倾斜面上直接辐射量Hbt与水平面上Hb直接辐射量之比，Rb上述公式中倾斜面与水平面上直接辐射量之比Rb的表达式如下：上式中，s为光伏阵列倾角，为太阳赤纬，hs为水平面上日落时角，h s为倾斜面上日落时角，是光伏供电系统的当地纬度。太阳赤纬可以利用公式（1-1）计算。水平面上日落时角hs可以利用公式（1-9）计算。倾斜面上日落时角h s的表达式如下：对于天空散射采用Hay模型。Hay模型认为倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为：HdtHdRb0.5(1)(1cos(s)式中Hb和Hd分别为水平面上直接和散射辐射量。Ho为大气层外水平面上太阳辐射量，其计算公式如下：上式Isc中为太阳常数可以取Isc1367w/。对于地面反射辐射量Hrt，其公式如下：Hrt0.5H(1cos(s)上式中H为水平面上总辐射量，为地物表面反射率。一般情况下，地面反射辐射量很小，只占Ht的百分之几，可以参见表1-8。表1-8 地面与水面的反射率（a）各种地面的反射率10地面状态反射率（%）地面状态反射率（%）干燥黑土湿 黑 土干灰色地面湿灰色地面干 草 地湿 草 地14825-3010-1215-2514-26森 林干 砂 地湿 砂 地新 雪残 雪4101898146-70（b）水面对直接太阳辐射的反射率入射角（）010203040506070808590反射率（%）2.02.02.12.12.53.46.013.434.858.4100.0这样，求倾斜面上太阳辐射量的公式可改为：HtHbRbHdRb0.5(1)(1cos(s) 0.5H(1cos(s)根据上面的计算公式就可以将水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳辐射数据，基本的计算步骤如下：l 确定所需的倾角s和系统所在地的纬度。l 找到按月平均的水平面上的太阳能辐射资料H。l 确定每个月中有代表性的一天的水平面上日落时间角hs和倾斜面上的日落时间角h s，这两个几何参量只和纬度和日期有关。l 确定地球外的水平面上的太阳辐射，也就是大气层外的太阳辐射Ho，该参量取决于地球绕太阳运行的轨道。l 计算倾斜面与水平面上直接辐射量之比Rb。l 计算直接太阳辐射量Hbt。l 计算天空散射辐射量Hdt。l 确定地物表面反射率，计算地面反射辐射量Hrt。l 将直接太阳辐射量Hbt、天空散射辐射量Hdt和地面反射辐射量Hrt相加得到太阳辐射总量Ht。1.8. 中国太阳能分布气候学家根据太阳辐射在纬度间的差异，将世界划分为4个气候带，其名称和范围是：赤道带-南北纬10度以内，热带纬度10度-回归线（23.5度），温带回归线至极圈（23.5度66.5度），寒带极圈以内（66.5度90度）。在中国，气象部门将热带气候进一步分为南热带、中热带、北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带。世界太阳能资源分布情况如下：太阳能资源丰富程度最高地区为：印度巴基斯坦、中东、北非、澳大利亚和新西兰；而太阳能资源丰富程度中高地区为：美国、中美和南美南部；太阳能资源丰富程度中等地区为：西南欧洲、巴西、东南亚、大洋洲、中国、朝鲜和中非；太阳能资源丰富程度中低地区为：东欧和日本；太阳能资源丰富程度最低地区为：加拿大与西北欧洲。 我国是世界上太阳能最丰富的地区之一，特别是西部地区，年日照时间达3000小时以上。太阳能分布最丰富的是青藏高原地区，可与地球上最好的印巴地区相比美。全国以上地区的年日照大于小时，年均辐射量约为兆焦耳平方米。青藏高原、内蒙古、宁夏、陕西等西部地区光照资源尤为丰富，而我国无电地区大多集中于此。我国各地区的太阳能资源情况可见图1-9。I 6700MJ/m2;II 54006700MJ/m2;III 4200-5400MJ/m2;IV 4200MJ/m2太阳能在广东的分布也是比较丰富的，下面以广州为例对太阳能情况进行分析。广州地区位于广东省中部，北接南岭余脉，南临南海洋面，属于南亚热带气候。广州地区包括十区和两个县级市，从化及花都北部和增城北部约占广州1/3的地区在北回线以北，其余2/3地区位于北回归线以南。广州亚热带季风气候显著，全年气温暖热少寒，夏长冬短，雨量充沛，雨季明显，阳光充足。现从气象部门对广州地区19511993年的太阳辐射、日照天气的有关报道的有关内容进行汇总，以利于光伏设计和应用时作必要的参考。广州地区年总辐射量在44005000兆焦耳/平方米年之间，其量自东南向西北递减。其中番禺南部珠江口一带多于5000兆焦耳/平方米年，花都与从化北部山区少于4400兆焦耳/平方米年，广州市区与增城约为4600兆焦耳/平方米年（见表1-9）。广州地区一年中总辐射量最少时段在春季的24月，各地均在330兆焦耳/平方米月以下，极少值在花都，2月份只有226兆焦耳/平方米月；次少时段在冬季的11月1月，其值为300380兆焦耳/平方米月。最多时段在夏、秋季的710月，各地大致在440550兆焦耳/平方米月，极大值在番禺7月份高达553兆焦耳/平方米月；次多时段在春末夏初的56月，其值约在390450兆焦耳/平方米月。就空间分布而言，广州地区的太阳总辐射量由多至少排列次序为番禺增城广州花都-从化。表1-9 广州地区累年逐月太阳总辐射量 单位：兆焦耳/平方米月份,地名番禺增城广州花都从化123456789101112全年31421527632741045255351146145637733547232142472853183944275284904524363813394619306243268301389419507490444440377335451929722625528938541953650245643636832744962972302642813683895154864364273643224379- 日照时数与日照百分率日照时数的长短受所在纬度、季节、地形、天空状况等因子影响。实际观测至的日照时数一般比可能照射的时数（即当无云天时，日出到日落的日照）为少。由于一个地方的日照时数与白天的长短有关，而白天的长短又是取决于纬度，故不同纬度的资料就难以比较。所以衡量日照的多少，常以实际照射时数与可能照射时数之百分比即日照百分率表示。日照百分率能说明睛天多寡，百分率越大睛天越多，反之亦然。-日照时数的时空分布 广州地区全年日照总时数按多少排列次序是：番禺-增城-花都-广州-从化。 其值在17701940小时之间，即番禺比从化多170小时，见表1-10。广州市各地日照时数基本上从东南向西北递减，但因广州市区为迅速发展起来的大都市，大气污染较严重，霾、雾、烟、尘较多，降低了日照时数，使广州市区成为全地区的日照相对低值区。现仅以各季度的代表月份分别说明如下：（1）春季3月份日照时数广州各地的日照时数比较少是2、3、4三个月，其中3月份是全年的最低值，最少的广州中心区只有68.5小时。其主要原因是处于阴雨时节，大气透明度差，中、低云层经常布满天空。 （2） 夏季7月份日照时数 本月晴热天气，阳光充足，各地日照时数为全年之冠。其中最多的花都高达236.2小时。7月份的最高值是3月份最低值的3.5倍。是一年中日照时数升幅最大的时段，各地升幅均在65小时以上。在北回归线附近的从化、花都两地升幅超过70小时，其中从化高达76小时。这是由于7月份多睛天，加上夏至前后太阳高度角最大所致。（3） 秋10月份日照时数 该月秋高气爽，睛空万里。此时太阳高度角虽然逐渐减少，但是日照时数仍为年内第二个高值时段，除花都比9月份略降外，其余各地均有回升。日照最多的花都达210小时以上，最少的从化也近200小时。（4） 严冬1月份日照时数 1月份是一年中太阳高度角接近最小的时期。此时北方冷空气频频南侵，往表1-10 广州地区月、年日照时数（小时）月份,地名番禺增城广州花都从化123456789101112全年145.386.879.195.8149.7168.9235.6217.9197.7202.8183.9174.71938.1148.592.286.493.6140.0159.4223.7208.4201.3205.4189.7183.91932.4132.477.768.579.7130.4150.8222.5202.4187.0201.2184.0168.41804.9135.476.070.684.2137.3165.7236.2225.3212.5210.2187.3172.81913.5133.877.370.477.2119.2140.5216.2200.9193.1198.9177.2169.51774.3往使本地相对暖湿的空气抬升而成云致雨，或者阴天多云特别是在冷空气不太强的情况下更甚。据广州市40年气象资料显示：1月份平均降水日数为8天，平均阴天日数多达14天。换言之，1月份有近半个月是无日照或日照时数极少的，为全年除春季外的第二个最低值。最多的番禺为145小时，最少的广州中心区只有132小时。- 日照百分率 广州地区的日照百分率与日照时数的变化趋势基本吻合，日照时数多的地方日照百分率也大。但各地年日照百分率差距不大，在41%44%之间，见表1-11。如前所述，日照百分率的大小能说明晴天的多少。一年中日百分率最大的是10月份，各地平均为57%；而全年占第2位的却是711月，各地平均皆为56%；全年日照百分率最小的是3月份，各地平均为21%。表1-11 广州地区月、年日照百分率（%）月份,地名番禺增城广州花都从化123456789101112全年4327222637415855555756524444292425343956545459575644392429213238545151565651414124202233415857585856534340242020303553505357545241本章参考文献1郭廷玮，刘鉴民. 太阳能的利用.