第一章太阳辐射简述

1、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。1.1 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14C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，地面上大部分能源均直接或间接同太阳有关 3太阳是一个主要由氢

2、和氦组成的炽热的气体火球，半径为6069 X 105m（是地球半径的109倍），质量约为1.99 X 1027 t的33万倍），平均密度约为地球的1/4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干万度。太阳的能量主要来源于氢聚变成氦 的聚变反应，每秒有6.57 X 1011kg的氢聚合生成6.53 X 1011kg的氦，连续产生3. 90 X 1023 kw能量。这些能量以电磁波的形式，以 3X105km/s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1.77 X 1014k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805

3、X 1013kw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。(

4、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(1atm=101325Pa),密度接近 158g/cm3。 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0.250.8R温度下降到13万度，密度下降为0.079g/cm2。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

5、流层)，所属范围从0.81.0R ,温度下降为5000K,密度 为10-8g/cm3。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，光谱基本上就是光球的光谱太阳的全部光能几乎全从这个层次发出。太阳的连续，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50Okrn。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。

6、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、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0.33卩m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。（l）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 l-2 所示为天球及天球坐标

7、系。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圆，称为地平圈 ;通过夭球的中心的铅直线 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，那么天球将每夭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回， 称为天赤道。通过天顶和天极的大圆称为

8、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做地平坐标系，如图 1 一 3 所示。通过天顶和太阳 ( 或任一天体 )X 作一大国，叫做地平经圈，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

9、，自Z起计量，用Z表示。显然Z=90 一 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 _ 所示。通过北天极和太阳 (或任一天体 )X 作一大圆，叫做时圈；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t，t以度、分、秒为单位来表示，也可以时，分、秒为单位来表示；弧XT叫做赤纬S ,S以度、分、秒为单位来表示；从天赤道算起，向上为正，向

10、下为负。当天体作周日运动时， 天体的赤纬沙不随周日运动而变化，但天体的时角t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t是不同的，即同一天体的时角T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一些有关的天文方面的资料进行知识补充 26。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

11、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24h,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 23027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

12、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（太阳的赤纬占S =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。- +23027，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

13、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（太阳的赤纬占S =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。- +23027,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计算太阳高度角、方位角、日照时间1.4.1 库珀方程太阳光线与地球赤道面的交

14、角就是太阳的赤纬角，以S表示。在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过士 23027的范围。夏天最大变化到夏至日的+23 27;冬天最 小变化到冬至日的-238。太阳赤纬随季节变化，按照库珀(Cooper)方程，由式(1-1)计算S 23.45sin(360 284 n)(1-1)365式中，n为一年中的天数，如：在春分，n=81则S =0，自春分日起的第d天的太阳赤纬为S 23.45si 门(她)(1-2)365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。1.4.2 太阳角的计算如图I 一 6所示，指向太阳的向量S与天顶Z的夹角定义为天顶角，用B z表示;向量S与地平面

15、的夹角定义为太阳高度角，用h表示；S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，用丫表示。太阳的时角用3表示，它定义为：在正午时3 =0,每隔一小 时增15o，上午为正，下午为负。例如：上午11时，3 =15o;上午8时，3 =15oX (12-8)=60o ;下午 1 时，3 =-15o;下午 3 时，3 =-15o X 3=-45o(l) 太阳高度角计算 太阳高度角的表达式为sinh=sin式中 地理纬度；S 太阳赤纬；3太阳时角。 sin S +cos cos S cos 3正午时，3 = 0 , cos3 =1。式(1-3) 可简化为sinh=sin sin S +cos c

16、osS =cos( -S )因为， cos( -S )=sin90( - S)所以， sinh= sin90 ( - S)(1-4)正午时，若太阳在天顶以南，即 S，取sinh= sin90(- S)(1-5)从而有， h=90+ - S在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有 =S从而，h=90o太阳方位角太阳方位角按下式计算sinh sin 6 sin 3 cos 丫 =cosh cos 6也可用下式计算cos 3sin si n= cosh根据地理纬度、太阳赤纬及观侧时间，利用式何地区、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，其太阳高度角根据式(1-3)，

17、可得出日出日没时角表达式(1-6)(1一 7)(1-6)或式(1-7)中的任一个可以求出任h=0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响,cos3 e =-tan 6 tan 3(1-8)式中，3 e为日出或日没时角，以度表示，正为日没时角，负为日出时角；对于北半球，当-1 -tan 6 tan 330o时，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h30o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m(h)=1229+(614si nh)21/2 -614si nh (1-12)在中国日射观测站，当

18、h 20,采用表1-4查算大气质量m值。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m(z,h)=m(h)P(z)760(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。由于太阳辐射观侧站很稀疏，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scPm式中P大气透明度;m大气质量。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

19、数就是大气透明度。根据布克一兰贝特 (Bonguer-Lambert)定律，当波长为入的太阳辐射 1,入经过dm厚的大气层后，辐射衰减量为dl入=-a,入dm式中，a为大气消光系数。将上式积分，得|-a X mIx =l , x e或Ix=I, xPmx式中Px单色光谱的透明度或“透明系数”；I , x- 波长为人的辐射的初始强度 ;I X通过大气的波长为孟的太阳辐射强度。设投射到地表法向单色光的光谱辐射强度为 In, X ,则In, x=rI , xPmx对全色太阳光，只要将上式对整个波长从 0-x积分便可得到ooooI nI n,xdxI , xPxmdx(1-15)设整个太阳辐射光谱范围

20、内单色透明度的平均值为Pm可把P。拿到积分号外使上式改写由此得到ooIn=pm 0 rI 0,血(l16)(1-17)Pm=(In(丄)1/mrI scPm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给出各种大气透明度下太阳直接辐射的平均强度与大气质量的关系冏o1.6.3垂直于太阳光线的地表上的直接辐射弧度观察式(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二修正到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Ib.n公式为Ib.nr= I sc (1-18)对于大多数地区而言，直接根据日射观测资料来确定勿是可

21、能的。只要近似地确定R值，利用式(1-18)便可计算出到达地表法线方向人射的太阳辐射强度。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度下直接辐射的平均强度随太阳高度角的变化见表1-6。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Ib,n值。各地区四季的大气透明度可通过查阅资料确定。1.6.4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.由厶ABC有AC=ABs

22、i nh由于太阳直接人射到AC和 AB平面上的能量是相等的，如以 H表示，贝UI b,nH=ACHH,n =AB从而I H,b =I b,nb,n COS 0 2(1-19)式中，lH,b为水平面上太阳直接辐射强度，显然h=90 o时，地表面获得最大太阳辐射强度。将式(1-1)代人式(1-19)中，得到I H,b =rI sc pMsinh(120)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，若式中TtmH,b= 0r I sc PMdt用时角表示,H,b =T2nr IscsinhdtTdt=-2nr Isc0 pM1 (sin sin S cos cos

23、Scos3)dt，则上式变为3 pM(sin sin S30cos cos S cos w)d 3(1-21)一昼夜长，24h3o日出和日没时角式（i-2i）只是一种数学表达式.实际上，由于pm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hi，这样，第i小时内水平面上的直接太阳辐射总通量为I H,b =60 r I bsin h i（1-22）假定一夭内从日出到日没共 N个小时，则水平面上直接太阳辐射日总量由下式决定NN_H H ,bH H,b,i60 r 1 b,n sin

24、hi（l-23）i 1i 1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1.6中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， 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H,由直接太阳辐射量出、天空散射辐射量Hit和地面反射辐射量Hrt三部分所 组成。H1 =Ht+Ht+Ht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

25、 （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 凡，引人参数R为倾斜面上直接辐射量 Ht与水平面上直接辐射量之比。上述公式中 倾斜面与水平面上直接辐射量之比 Rb 的表达式如下式中，s为光伏阵列倾角，S古为太阳赤纬；hs为水平面上日落时角；hs从为倾斜面上日落时角，为光伏供电系统的当地纬度。太阳赤纬S可以利用式(1-1)计算。水平面上日落时角hs，可以利用式(1-9)计算。 倾斜面上口落时角hs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

26、其余天空弯顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为 式中，H)和Hd分别为水平面上直接和散射辐射量；H。为大气层外水平面上太阳辐射量，其计算公式如下式中，Isc为太阳常数，可以取lsc=1367W/itf。对于地面反射辐射量 Hrt ，其公式如下Hrt =0.5 H(1 coss)式中， H 为水平面上总辐射量 ；p 为地物表面反射率。一般情况下，地面反射辐射量很小，只占H的百分之几，可以参见表1-7这样，求 倾斜面上太阳辐射量的公式可改为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。 定所需的倾角s和系统所在地的纬度。 到按月平均的水平面上的

27、太阳能辐射资料 H 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 hs ，这两个几何参量只和纬度和日期有关。 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。 算倾斜面与水平面上直接辐射量之比 Rh。 算直接太阳辐射量 Hbt 算天空散射辐射童 Hdt 。 确地物表面反射率 ，计算地面反射辐射量 Hrt 。 将直接太阳辐射量出、天空散射辐射量 Ht,和地面反射辐射量Ht。相加得到太阳辐射总量 Ht1.8 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 :赤道带一南

28、北纬 10内,热带纬度 10-回归线(23.5 )温带回归线至极圈 (23.5 66.5 ）,寒带极圈以内（66.5。90 ）。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 : 印度十巴基斯坦、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

29、能最丰富的地区之一，特别是西部地区，年日照时间达3000h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媲美。全国 2/3 以上 地区的年日照大于2000h,年均辐射量约为5900MJ価。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分 布如图 1-9 所示。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

30、北回归线以南。广州亚热带季风气候显着，全年气温暇热少寒，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 44005000MJ/（卅.a）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 5000MJ/（卅.a），花都与从化北部山区少于 4400MJ/（卅.a），广州 市区与增城约为 4000MJ/（卅.a）（见表1-8）。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300MJ/（卅月）以下， 极少值在花都，2月份只有226 MJ/（

31、卅月）;次少时段在冬季的11月至次年1月，其值为 300380MJ/（卅月）。最多时段在夏、秋季的710月，各地大致在440550 MJ/（ m2 月）， 极大值在番禺7月份高达553 MJ/（ m 月）;次多时段在春末夏初的56月，其值约在390 450 MJ/（ m 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一 增城一广州一花都一从化。1.8.1 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、天空状况等因素影响。实际观测的日照时 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