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在太阳能利用工作中 阳 太 射计算 辐 太阳辐射计算十分重要 为 讲 了帮助读者掌 握太阳辐射 计算方法 我们请长期从事 太阳辐射研究工作的中国 气象科学研究院王炳 忠研 究员编写了 太阳辐射计算 讲座 供大家学习 参考 座 编 者 第一讲 太阳能中天文参数的计算 王 炳 忠 地球绕太阳公转的轨道是椭圆形的 太阳位于椭 圆 两焦点中的一个 发自太阳到达地球表面的辐射能 量与日地间距离的平方成反比 因此 一个准确的日地 距离值 R 就变得十分重要了 日地平均距离 R0 又称 天文单位 8 1 天文单位 1 1496 km 10 或者 更准确地讲等于 149597890 500km 日地距离 的最 小值 或称近日点 为 01983 天文单位 其日期大 约在 1 月 3 日 而其最大值 或 称远日点 为 11017 天 文单位 日期大约在 7 月 4 日 地球处于日地平均距离 的日 期为 4 月 4 日和 10 月 5 日 由于日地距离对于任何一年的任何一天都是精确 已知 的 所以这个距离可用一个数学表达式表述 为 了避免日地距离用具体长度计量单位表 示过于冗长 一般均以其与日地平均距离比值的平方表示 即 ER r r 0 2 也有的表达 式用的是其倒数 即 r 0 r 这 并无实质区别 只是在使用时 需要注意 不可混 淆 我们得到的数学表达式为 ER 1 1000423 0 1032359sin 0 1000086sin2 0 1008349co s 0 1000115co s2 1 式中 称日角 即 2 t 365 12422 2 这里 t 又由两 部分组成 即 t N N0 式中 N 为积日 所谓积日 就是日期在年内的顺序号 例如 1 月 1 日其积日为 1 平年 12 月 31 日的积日为 365 闰年则为 366 等等 8 11 日地距离 3 地球绕太阳公转的轨道平面称黄道面 而地球的 自转轴称极轴 极轴与黄道面不是垂 直相交 而是呈 6615 并且这个角度在公转中始终维持不变 正是 角 由于这一原因 形成了每日中午时刻太阳高度的不同 以及随之而来的四季的变迁 太阳高度的变化可 以从 图 1 中形象地看到 图中日地中心的连线与赤道面间 的夹角每天 实际上是每一 瞬间 均处在变化之中 这 个角度称为太阳赤纬角 它在春分和秋分时刻等于 零 而 在夏至和冬至时刻有极值 分别为正负 231442 由于太阳赤纬角在周年运动中任何时 刻的具体值 都是严格已知的 所以它 E D 也可以用与式 1 相类 似的表达式表述 即 ED 0 13723 23 12567sin 0 11149sin2 0 11712sin3 0 1758co s 0 13656co s2 5 0 10201co s3 式中 的含义与式 1 中的相同 真正的太阳在黄道上的运动不 是匀速的 而是时 快时慢 因此 真太阳日的长短也就各不相同 但人们 的实际生活需 要一种均匀不变的时间单位 这就需要 寻找一个假想的太阳 它以均匀的速度在运行 这个 假想的太阳就称为平太阳 其周日的持续时间称平太 阳日 由此而来的小时称为平 太阳时 平太阳时 S 是基本均匀的时间计量系统 与人 们的生活息息相关 由于平 太阳是假想的 因而无 31 时差 21 太阳赤纬角 N 0 7916764 012422 年份 1985 IN T 年份 1985 4 4 图 1 地球绕太阳运行轨迹 实际观测它 但它可以间接地从真太阳时 S 求得 反 之 也 可以由平太阳时来求真太阳时 为此 需要一个 差值来表达二者的关系 这个差值就是 时差 以 Et 表 示 即 S S Et 6 由于真太阳的周年视运动是不均匀的 因此 时差 也随时都在变化着 但与地点无关 一年当中有 4 次为 零 并有 4 次达到极大 时差也 可以以式 1 相似的表 达式表示 Et 0 10028 119857sin 9 19059sin2 7 7 10924co s 0 16882co s2 上面 我们给出了 3 个计算式 从形式上讲 它们 与一般书籍 中给出的并无不同 我们之所以又重新研 究它 是因为以往的公式存在以下的通病 对平年和 闰年不加区分 一方面 这对闰年就不好处理 另一方 面 闰年的影响有累 计效应 会逐步增长 即使是从 当年天文年历查到的数值 也是格林尼治经度处 0 点 时刻的数值 而我们所需要的数值 会因所在地点的地 理经度以及具体时刻与表值有异 而不同 具体地讲 一般要进行如下 3 项订正 1 年度订正 除非我们只用当年的天 文年历值 此外均需使用此项订正 引入此项订正的原因就是一 回归年的实际长度不是 365 日 而是 36512422 日 但日历上只有整日 不可能有小数日 假定我们选用 的 是 1981 年的表值 1982 年再用时 就要加上 012 012422 日的订正了 这个订正到 了 1983 年为 0151 014844 日 1984 年为 017 017266 日 但此年为闰年 多了 1 日 实际订正应 为 017 1 0 13 012734 日 1985 年 为 010 010312 日 等等 余类推 2 经度订正 即使我们查阅的是当年的天文年 的订正值是 00 24 24 48 48 12 时段 336 600 6 8 8 10 10 13 日 0 12 0 13 0 14 0 15 时段 1312 1536 1536 1800 1800 2024 日 0 16 0 17 0 18 由于我国普遍采用的是北京时 它与格林尼治的 地方时相差 8 小时 故具体到我国情况 时段 北京时 200 424 424 648 648 912 912 1136 订正值 日 0 12 011 0 0 11 时段 1136 1400 1400 1624 1624 1848 1848 2112 订正值 012 0 13 0 14 0 15 前面 3 个计算式 项数多计算麻烦 后面多项订 正 更显繁 琐 为了方便实际应用 特编制如下仅含 20 句的 BAS IC 语言程序 供使用 10 inp ut 经度 经分和年份 D J F N F J 20 A N F 4 K 2 3 311415926 365 12422 30 N0 7916764 012422 3 N F 1985 IN T N F 1985 4 40 inp ut 月 日 时 分 按北京时 Y R S F 50 B A IN T A 60 70 if 80 if 90 C 32 18 100 L J D J F 60 15 H S 8 F 60 N N0 K N G H L 24 110 120 130 140 式 1 150 式 5 160 式 7 G IN T 3016 3 Y C 0 15 R B 0 and Y 2 t hen C 31 18 Y t hen C 30 16 2 历 也需此项订 正 在我国的地理 经度范围内 各地 的订正值是 90 E 0 12 日 90 128 E E 0 13 日 128 E 0 14 日 3 时刻订正 要求同前一项 即 使在格林尼治当 地 不同 时刻也需 加以订正 各时段 9 170 p rint E r Er Ed Ed Et Et 180 inp ut 是否仍要计算 y n W 190 if W 200 end Y r W o y t hen 10 else 200 顺时针方向 下午 为正 反之为负 太阳方位 角的计算式为 co s A sin h sin sin co s h co s 12 程序中 50 90 各句的目的 在于计算当天的积日 100 句是经度订正 110 句是时刻订正 130 句包含 3 年度订正的 内容 在太阳能利用中 最常见的是要求计算太阳高度 和太阳方位 太阳高度 h 的计算公式为 8 sin h sin sin co s co s co s 就是太阳赤纬角 即式 5 中 的 Ed 为当地的 式中 地理纬度 为当时的太阳时角 值不难获得 且一 旦 确定 不会改变 值的计算可以从前述程序中得 到 唯一需要说明的是太阳时角的计 算 其计算式为 S F 60 这里时 S 和分 F 的符号均加上了 下标 表示 是真 太阳时 为了从北京时求出真太阳时 需要两个步 骤 首先 将北京时换成地方时 S d JF 60 Sd S F 120 J D 4 60 式中 120 是北京时的标准经度 乘 4 是将角度转化 成 时间 即每度相当于 4 分钟 除 60 是将分钟化成小 时 其次 进行时差订正 即 S S d Et 60 这里应该指出的是 时角是以太阳正午时刻为 0 点的 15 12 9 10 11 10 由 此可求出二个 A 值 第一个 A 值是午后的太阳方位 当 co s A 时 0 90 A 180 当 co s A 时 0 0 A 90 第 2 个 A 值为午前的太阳方位 取 360 A 实 例 计算东经 110 北回归线上 1999 年 6 月 23 日北京时 12 42 的太阳高度角及当 日的日落时的方 位角 计算 将 J D 110 J F 0 N F 1999 Y 6 R 23 S 12 F 42 各参数输入运行中的程序 屏幕上 立即显示 Er 1 10330 Ed 231438 Et 1 184 将北京时 12 换算成东经 110 42 的地方时 利用 10 可得 S d 12 式 02 加当日 时差 Et 2 得此时当地的 S 12 将 00 其代入式 9 得 0 北回归线处 231442 最后根据式 8 求得 h 891966 读者可能产生疑问 为何在北回归线上 夏 至日