太阳辐射理论

1、1 第二章 太阳辐射基础.29 2.1 太阳的基本知识 .29 2.1.1 太阳的构造 .29 2.1.2 太阳常数 .30 2.1.3 太阳辐射 .30 2.2 太阳位置角 .30 2.2.1 地球公转与自转的基本概念 .30 2.2.2 太阳角的计算 .31 2.3 太阳辐射强度的计算 .34 2.3.1 直射辐射、散射辐射和总辐射 .34 2.3.2 地球表面上的太阳辐射 .34 2.3.3 地球表面的太阳辐射强度计算 .36 2.3.4 月平均太阳辐射日总量的计算 .38 2.4 太阳辐射的透过、吸收、反射及光谱选择性材料 .41 2.4.1 透过、吸收和反射现象 .41 2.4.2

2、光谱选择性材料 .45 29 第二章第二章 太阳辐射基础太阳辐射基础 2.1 太阳的基本知识太阳的基本知识 2.1.1 太阳的构造太阳的构造 太阳能是指太阳辐射出的能量。在地球上，除了原子核能和地热能外，太阳是各种能 量的来源。太阳是一个炽热的气态体球，如图 2-1 为太阳的结构图，它的直径约为 1.39106 km，质量约为 2.21027吨，为地球质量的 3.32105倍，体积则比地球大 1.3106 倍，平均密度为地球的 l4。其主要组成气体为氢（约 80%）和氦（约 19%） ，它表面的 有效温度约为 6000K，中心温度估计在 8004000 万度之间，压力约为 1.961013kP

3、a。在高 温高压下，太阳内部持续不断地进行着核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以 辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。这正是太阳向 空间辐射出巨大能量的源泉。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每 1 g 质量将亏损 0.0072 g。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持 100 亿年， 因此太阳能可以说是用之不竭的。 图 2-1 太阳结构图 太阳外部有“外三层”，依次为光球层、色球层和日冕层。人们肉眼可见的明亮表面就 是光球层，我们所见到太阳的可见光，几乎全是由光球发出的。光球层厚约 500 km，温度 为 5762 K，密度为

4、106 g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由 此向太空发射的。从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的 有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中，通常将它视为一个温度为 6000 K，发射波长为 0.33m 的黑体。 太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为 3.751026W）的 22 亿分之一， 但已高达 173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于 500 万吨煤。地 球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即 使是地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，

5、所以广义的太阳能所 包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环 30 境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的 影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。 2.1.2 太阳常数太阳常数 由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且 一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方 成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日 地间距离太

6、大（平均距离为 1.5108km） ，所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常 数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度，它是指平均 日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近 年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为 1367wm2。一年中由于日地距离的变 化所引起太阳辐射强度的变化不超过 3.4。 太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐 射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。 因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来

7、自太阳其 辐射方向不发生改变的辐射，漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射。 到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响，大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和 散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的 太阳辐射也有影响，太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关，地球上不同 地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。 2.1.3 太阳辐射太阳辐射 太阳能辐射到地球大气层上界达 173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能 量就相当于 500 万吨煤。 太阳每三天向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料能

8、量的总和。广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、 光电和光化学的直接转换。 美国科学美国人杂志在 1971 年 7 月刊登的“地球的能量资源”一文中提供了如下 数据：到达地球表面的太阳辐射能的几条主要去路见表 2-1 表 2-1 到达地面的辐射能 直接反射 52000109kJ/s 以热能方式离开地球 81000109kJ/s 水循环 40000109kJ/s 大气流动 370109kJ/s 光合作用 40109kJ/s 2.2 太阳位置角太阳位置角 2.2.1 地球公转与自转的基本概念地球公转与自转的基本概念 1、地球的自转：地球绕地轴不断地自西向东旋转，其周期

9、为 24h。由于地球的自转，产生 昼夜交替的现象。 2、黄道平面：地球绕太阳运行的轨道平面。地球自转轴与黄道平面法线的夹角为 23 27。 3、地球的公转：由于地球自转轴与黄道平面法线的夹角为 2327 ，并且地球的自转轴 在公转时在空间的方向始终保持不变，使得太阳光线有时直射赤道，有时偏南，有时偏北， 31 从而形成地球上季节的变化。 图 2-2 地球公转图 2.2.2 太阳角的计算太阳角的计算 1、赤纬角 定义：地球中心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角。它与所在地区无关，仅由日期决 定。 （2-1） 式中：赤纬角 n为一年中的日期序号。 2、时角 定义：每小时地球自转的角度为 15，因此

10、可采用一天中地球自转的角度来表示时间。用 来表示时间的地球自转的角度称为时角，并规定正午时角为零，上午时间取负，下午时角 为正。 其中，真太阳时 H 的规定：以当地太阳位于正南向的瞬时为正午；时差 e：真太阳时与钟 表指示时间（平太阳时）之间的差值。 时差产生的原因： （1）太阳与地球之间的距离和相对位置随时间变化。 （2）地球赤道平面与黄道平面成一定的夹角（ 2327 ） 。 全年各日的时 e（单位，min）可用式 2.2 近似计算： （2-2） （2-3） 表 2-2 各月 21 日的时差 e 365 284 360sin45.23 n BBBesin5 . 1cos53. 72sin87

11、 . 9 3651, 364 81360 n n B 32 真太阳时 H 与地区标准时 Hs 的换算： （2-4） 式中：Hs该地区标准时，单位为 h； L当地的经度，单位为； Ls当地地区标准时所根据的经度，单位为； 对于东半球，取正，对于西半球，取负。 例题 1：计算昆明地区东经 102的地方 6 月 21 日真太阳时与北京时间的关系。 解：对于 6 月 21 日（查表 2-2）：e1.4; 北京时间依据东经 120 所规定的，即 Ls120； 因此： （2-5） 3、太阳高度角 h 地球表面上某点与太阳的连线与地平面之间的夹角。可由式 2.6 计算： （2-6） 式中：当地纬度，单位为；

12、 赤纬角，单位为 ； 太阳时角，单位为 可见：太阳高度角 h 随地区、季节及每日时刻的变化而变化。 4、天顶角 Z 地球表面上某点水平面的法线与太阳光线的夹角。可由式 2.7 计算： （2-7） 太阳高度角和天顶角的位置如图 2-2 所示 图 2-3 太阳高度角和天顶角的位置示意图 5、太阳方位角 太阳至地面上某给定点的连线在水平面上的投影与正南向（当地子午线）的夹角。 规定：偏东为负，偏西为正。太阳方位角可由式 2.8 计算： 6015 eLL HH s s 18 . 1 60 4 . 1 15 120102 ss HHH coscossinsinsinh 地平面 南向 天顶 太阳 h z

13、hz 90 33 （2-8） 当采用上式计算出的 sin大于 1 时，太阳方位角改用式 2.9 计算： （2-9） 6、任意平面上的太阳入射角 i （1）任意表面的倾斜角 定义：任意倾斜面与水平面之间的夹角。 对于水平面：0 对于垂直面：90 （2）任意表面的方位角 定义：任意倾斜面的法线在水平面上的投影与正南方向线的夹角。 规定：面向东时为负，面向西时为正。 （3）太阳入射角 i 定义：太阳入射线与平面法线之间的夹角 太阳入射角 i 可由下式计算： （2-10） 式中：斜面倾角，单位为； 太阳方位角，单位为 ； 斜面方位角，单位为; h 太阳高度角。 下面几种特殊的情况，式（2-10）有不同

14、的转化形式： 对于水平面，当0，则： (2-11) 对于垂直面，当90，则： (2-12) 对于面向正南的倾斜面，0，则 (2-13) cosh sincos sin coscosh sinsinsinh sin )cos(coshsinsinhcoscosi sinhcos i )cos(coshcosi sin)sin(coscos)cos(cosi 地平面 南向 天顶 太阳 z 倾斜面法线 34 图 2-4 任意平面上的太阳入射角 7、日出、日没时角 定义：太阳视圆面中心出没地平线瞬间的时角，亦即太阳高度角为 0 时的时角。 可由下式确定： （2.-13） 令 sinh0 则： 式中：正

15、值对应日落时角，负值对应日升时角。 例题例题 2：计算昆明地区北纬 25的 地方 7 月 21 日的日照时间。 解：对于 7 月 21 日： 23.44 北纬 25的地方：25； 则日照时间 T： 2.3 太阳辐射强度的计算太阳辐射强度的计算 2.3.1 直射辐射、散射辐射和总辐射直射辐射、散射辐射和总辐射 散射辐射：经过大气和云层的反射、折射、散射作用改变了原来的传播方向达到地球 表面的、并无特定方向的这部分太阳辐射。 直射辐射：未被地球大气层吸收、反射及折射仍保持原来的方向直达地球表面的这部 分太阳辐射。 总太阳辐射：散射辐射与直射辐射的总和。 2.3.2 地球表面上的太阳辐射地球表面上的

16、太阳辐射 照射到地平面上的辐射或称“日射”由两部分组成直达日射和漫射日射。太阳辐 射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、 反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到 达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来自太阳其辐射方向不 发生改变的辐射；漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射。 到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响。大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反 射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地 coscossinsinsinh )tantan(c

17、os 1 0 365 284 360sin45.23 n )tantan(cos 1 0 0 0 01.100 hT33.13 15 01.100 2 15 2 0 35 面的太阳辐射也有影响。太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关。 地球上 不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。 大气层对太阳辐射的吸收减弱作用表现在以下几分方面：（1）吸收作用：光谱中 X 射线及其他一些超短波在电离层被氮、氧等大气成分强烈的吸收；大气中的臭 氧对紫外 线区域具有选择性吸收；大气中多原子气体如 H2O、CO2 对于波长大于 0.69m 的红外线 区域具有选择性吸收；大

18、气中悬浮的固体微粒和水滴对于太阳辐射中各种波长射线的连续 性吸收。 （2）散射作用：大气中悬浮的固体颗粒和水滴对于太 阳辐射中波长大于 0.69m 的连续性散射作用。 （3）漫反射作用：大气中悬浮的各种粉尘对于太阳的漫反射 作用，它与大气被污染变混浊的程度有关。经过多原子气体的削弱作用，到达地面的太阳 辐射主要是可见光和红外辐射，而紫外辐射只 占很小一部分，最大的辐射强度在 0.5m 左右。 影响太阳辐射的地理几何因素有：（1）太阳高度：太阳与观察者联线，与地平面的 夹角称为太阳高度角或太阳高度，即 角。 （2）日照时间：任何纬度一天内可见太阳的 时间。可以求得任何季节、任何纬度上的昼长。太阳

19、辐射到地面上的能量与太阳照射时间 成正比，照射时间越长太阳辐射通量越多，得到的热量越多。 1、波长分布 太阳能的波长分布可以用一个黑体辐射来模拟，黑体的温度 为 5800K。太阳能波长 分布在紫外光、可见光和红外光波段。 这些波段受大气衰减的影响程度各不相同。可见 光辐射的大 部分可到达地面，但是上层大气中的臭氧却吸收了大部分紫 外光辐射。近 年来，由于臭氧层变薄，特别是南极和北极地区，到达地 面的紫外光辐射越来越多。入 射的红外光辐射，有一部分被二氧化碳、水蒸汽和其他气体吸收，而在夜间来自地球表面 的较长波长的红外辐射大部分则传到了外空。这些温室气体 在上层大气中的积累，可能 会使大气吸收能

20、力增加，从而导致全球气候变暖和天气变得多云。虽然臭氧减少对太阳能 集热器的影响甚微，但温室效应可能会增大散射辐射，并可能严重影响太阳能集热器的作 用。不同地区太阳平均辐照强度的情况见表 2-3。 表 2-3 不同地区太阳平均辐射强度 太阳平均辐射强度 地区 kwh/(m2 2xd)w/m2 2 热带、沙漠 5-6210-250 温带 3-5130-210 阳光较少地区（北欧） 2-380-130 2、太阳常数 太阳与地球之间为年平均距离时，地球大气层上边界处，垂直于太阳光线的表面上， 单位面积、单位时间所接受的太阳辐射能，以 I0 表示。最新测量结果表明：I01367 W/m2。 由于地球以椭

21、圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且 一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方 成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。 表 2-4 各月大气层外边界处的太阳辐射强度变化 36 由于日地间距离太大（平均距离为 1.5 x108km） ，所以地球大气层外的太阳辐射强度 几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强 度。它是指平均日地距离时，在地球大气层 上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受 的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为:1367wm2。一年

22、中 由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上 3.4。最大月与最小月相差约 7。 图 2-5 大气层外太阳辐照度与月份的关系 3、大气质量 m 太阳光线穿过地球大气层的路程与太阳在天顶位置时光线穿过地球大气层的路程之比。 完全不同于通常所说的“质量”。 规定：在海平面上，当太阳处于天顶位置时，太阳光线垂直照射所通过的路程为 1。 忽略地球曲率的的影响，大气质量 m 由下式计算： （2-14） 图 2-6 大气质量与太阳高度角关系示意图 sinh 1 m 地球平面 天顶 大气层 m=1 h m=1/sinh 月份月份123456789101112 I0 Wm-2/p>

23、1136713471329132113281343136313851406 37 2.3.3 地球表面的太阳辐射强度计算地球表面的太阳辐射强度计算 1、晴天地球表面的太阳辐射强度计算 法向太阳辐射强度 IDN：与太阳光线相垂直的表面上（即太阳光线法线方向）的太阳直 射辐射强度。 （2-15） 式中：I0垂直与大气层外边界处的太阳辐射强度； P大气透明系数; m 光线透过的大气质量。 图 2-7 法向太阳辐射强度示意图 水平面直射太阳辐射强度 IDH，如图 2-8，在直角OAB 中，有： 图 2-8 水平面直射太阳辐射强度示意图 水平面散射辐射强度 IdH 水平面上的总辐射强度 IH （2-16

24、） 2、斜面上的太阳辐射强度计算 （2-17） 式中：ID倾斜面上太阳直射辐射强度； m DN PII 0 h IDN 水平面 OBIABI DHDN sinhsinh 0 m DNDNDH pII OB AB II p p II m odH ln4 . 11 1 sinh 2 1 P P PIIII m m dHDHH ln4 . 112 1 sinh 0 RdD IIII 38 Id倾斜面上太阳散射辐射强度； IR倾斜面上所获得的地面反射辐射强度。 图 2-9 倾斜面上太阳直射辐射强度 倾斜面上太阳直射辐射强度 ID，见图 2-9，在直角OAB 中，有： (2-18) 在直角OAC 中，有

25、： (2-19) 因此： (2-20) 倾斜面上太阳直射辐射强度 Id 可由下式计算： (2-21) 倾斜面上所获得的地面反射辐射强度 IR (2-22) 自然表面对太阳辐射的反射率见表 2-6 表 2-6 自然表面对太阳辐射的反射率 s iII DND cos sinh DNDH II sinh cosi II DHD 直射辐射 倾斜面 水平面 ID IDN i h IDH 倾斜面法线 o A B C 2 cos2 dHd II ) 2 cos1 ( 2 HGR II 39 2.3.4 月平均太阳辐射日总量的计算月平均太阳辐射日总量的计算 由于地理环境和气候条件各异，用于计算月平均太阳辐射日

26、总量的经验公式繁多。表 2-7 是由经验公式推算得到。 表 2-7 北京地区 1976 年水平面上月平均日总辐射单位 J/(cm2 d) 一、月平均太阳总辐射日总量的计算有以下两种方法： 1、水平面上总辐射日总量的月平均值 （计算方法 1） （2-23） 式中： 晴天水平面上总辐射日总量的月平均值。可根据不同纬度的日射 观测资料来确定； a，b经验系数。适合我国地区的系数为：a0.248, b=0.752 N/N0日照百分率，其中 N 为实际每天日照时数的月平均值；N0 为同 一时期每天可能的日照持续时间数月平均值。 2、水平面上总辐射日总量的月平均值 （计算方法 2） （2-24） 式中：

27、理想大气(指没有水汽和各种悬浮微粒的大气)中水平面上总辐射日 总量的月平均值； a，b经验系数。 其中经验系数 b 可由下式计算： (2-25) 式中： En当地的年平均绝对湿度，单位 hPa百帕（空气中实际水蒸气压力） 。 )( 0 N N baHH CH C H )( 0 N N baHH gH g H n E b 11 . 1 55. 0 H H 40 我国西北干旱地区太阳总辐射日总量的计算： (2-26) 拉萨地区太阳总辐射日总量的计算： (2-27) 二、月平均太阳直射辐射日总量的计算 水平面上直射辐射日总量的月平均值 的最佳计算式： 式中：m正午时的大气质量； Ct总云量的分数，全

28、天碧空 Ct 0，全天有云 Ct 1， a，b，c回归系数由下式确定： 式中：H当地海拔高度，单位 m； F当地沙暴日数和浮尘日数之和。 水平面上散射辐射日总量的月平均值 的最佳计算式： (2-28) 式中：K4.3/(4+0.3(1s)； s 自然表面对太阳辐射的反射率； Cmh及Cc分别为月中的高云量与低云量，可从当地台 站气象资料中 查取； a，b，c回归系数（由表 2-8 确定） 。 表 2-8 确定 a，b，c 系数的经验公式 任意倾斜面上太阳辐射日总量的月平均值由 3 部分构成： (2-29) 式中： 倾斜面上的月平均太阳直射辐射； 倾斜面上的月平均太阳散射辐射； 地面反射辐射的日

29、总量。 任意倾斜面上月平均散射辐射： (2-30) )557 . 0 29 . 0 ( 0 N N HH gH ) 11 . 1 55 . 0 (29 . 0 0 N N E HH n gH DH H 039 . 0 01 . 1 ca ba ann an hPEHE hPEHF H a 10300001826 . 0 7023 . 0 10300000248 . 0 688 . 0 3000456 . 0 dH H )( cmhgdH cCbCaHKH RdD HHHH D H d H R H 2 cos2 dHd HH 41 地面反射辐射月平均日总量： (2-31) 任意倾斜面上月平均直射

30、辐射： (2-32) 任意面向正南的倾斜面： 可由下式计算： (2-33) 任意倾斜面上的日落时角，由下式计算： 2.4 太阳辐射的透过、吸收、反射及光谱选择性材料太阳辐射的透过、吸收、反射及光谱选择性材料 2.4.1 透过、吸收和反射现象透过、吸收和反射现象 1、根据能量守恒原理，有： Q=Q+ Q+ Q (2-34) 1=Q/Q+ Q /Q + Q /Q (2-35) Q Q Q Q 图 2-10 透过、吸收和反射能量示意图 2、基本概念 吸收率 ：被物体所吸收的辐射能与投射到该物体表明上的总辐射能之比。 反射率 : 被物体表面所反射的辐射能与投射到该物体表明上的总辐射能之比。 透过率 ：

31、透过物体的辐射能与投射到该物体表明上的总辐射能之比。 根据能量守恒原理，有： ) 2 cos1 ( 2 HGR HH DHDD HRH D R sinsin 180 sincoscos sin)sin( 180 sincos)cos( 00 D R tan)tan(cos,min 1 0 42 1=Q/Q+ Q /Q + Q /Q + + 1 全透明体： 1；黑体: 1； 白体： 1；不透明体： 1 。 实际常用的工程材料，大都为半透明体或不透明体。 3、射线在不同介质分界面上的入射、折射及反射 根据菲涅耳定律，在介质 1、2 的分界面上，界面的一次反射率为： (2-36) 式中：i1入射角

32、i2 折射角 图 2-11 射线在不同介质分界面上的入射、折射及反射 根据几何光学，入射角与折射角的关系为： (2-37) 表 2-9 某些介质在可见光区的折射指数 某些介质在可见光区的折射指数 介质折射指数 空气1.00 水1.33 玻璃1.526 聚碳酸脂1.59 聚氟乙烯1.45 当射线以法线方向入射时， i1i20，有： (2-38) 式中：(0)波长为的射线，法向入射时的界面一次反射率。 )(tan )(tan )(sin )(sin 2 1 12 2 12 2 12 2 12 2 ii ii ii ii I I B 介质2 I II i2 i1 n2 n1 介质1 A 2 1 1

33、2 sin sin n n i i 2 21 21 )0( nn nn 43 4、射线通过半透明介质的吸收与透射 如图 2-12 所示，波长为的太阳辐射通过半透明介质中厚度为 dx 的薄层后，其辐射强度 将减少 dI。 图 2-12 射线通过半透明介质的吸收与透射 可以认为， dI 与 dx 及入射强度 I 的乘积成正比成正比，即： (2-39) 式中，K为半透明介质的消光系数，由介质物性决定。 (2-40) 当光线所经过的路线长度为 L 时，上式写为： (2-41) 式中，I经过半透明层后，波长为的太阳辐射强度； Io刚进入半透明层时，波长为的太阳辐射强度； K介质的消光系数，mm1； L射

34、线透过薄层时的路程长度，由下式确定； (2-42) d透明层的厚度，mm。 光线通过半透明介质的一次透过率 (2-43) 光线通过半透明介质的一次吸收率 (2-44) 一次吸收率及一次透过率和用仪器实际测量出的吸收率和透过率是不同的。 （外界辐射 投射在半透明薄层上时，半透明层的两个面及层的内部将发生复杂的发射、透射和吸收过 程。 光线透过半透明介质时的实际传播过程外界辐射投射在半透明薄层上时，将在薄层的 上、下表面分别反复发生反射及透射，以致无穷。 5、基本概念 有效反射率e :各反射辐射光线无穷多项辐射强度之和与入射辐射强度之比。 有效透过率e ：各透射光线无穷多项辐射强度之和与入射辐射强

35、度之比。 dxIKdI I Ix i2 i1 dx d L )exp( 0 XKII )exp( 0 LKII 2 cosi d L )exp( 0 LK I I )exp(1 11 0 LK I I 44 有效吸收率e ：半透明介质所吸收的辐射总量与入射辐射强度之比。 单层半透明介质有效透过率、吸收率及反射率的计算 图 2-13 单层半透明介质有效透过、吸收及反射示意图 假设半透明介质的一次透过率、吸收率及反射率分别为、及，入射光强度为 I，则： 点 2 处的辐射强度:I 点 3 处的辐射强度:(1- )I 点 4 处的辐射强度:(1- ) I 点 5 处的辐射强度:(1- ) I 点 6

36、处的辐射强度:(1- )2 I 点 7 处的辐射强度:(1- ) 2I 点 8 处的辐射强度:(1- )2 2I 点 9 处的辐射强度:(1- )2 2I 点 10 处的辐射强度:(1- )2 3I 点 11 处的辐射强度:(1- )3 3I 点 12 处的辐射强度:(1- ) 22 3I 点 13 处的辐射强度:(1- )3 4I 点 14 处的辐射强度:(1- )23 4I 从点 3点 4 处的吸收量为:(1- ) (1- ) I 从点 9点 10 处的吸收量为:(1- ) (1- )22 I 从点 5点 7 处的吸收量为:(1- ) (1- ) I 从点 11点 13 处的吸收量为:(1

37、- ) (1- ) 3 3I 单层半透明介质的有效透过率为： (2-45) 单层半透明介质的有效反射率为： (2-46) 单层半透明介质的有效吸收率为： (2-47) 6、双层半透明体 12 45 6 8 1011 12 14 9 131573 22 2 22 2 1 11 1 I I I I e 22 2 2 22 2 2 1 1 1 1 1 I I I I I e 222222 1 11 1 11 1 11 I I e n1 n2 45 图 2-14 双层半透明介质有效透过、吸收及反射示意图 有效透过率： 假设两层半透明体之间充满空气，则两层半透明体的有效透过率为： 式中： e1、 e2

38、分别为第一、 二层的有效透过率； 1、 2 分别为第一、 二层的有效反射率。 有效反射率： (2-48) 式中： e1、 e2 分别为第一、 二层的有效透过率； 1、 2 分别为第一、二层的有效反射率。 有效吸收率： 由于太阳光线在两层半透明体之间的无穷次反射，在双层半透明体中，每层的吸收率 与其单独存在时的吸收率不同。 在双层半透明体中，第一、二层的吸收率分别为： 式中： e1、 e2 分别为第一、二层半透明体单独存在时的有效吸收率； (1) 、 (2) 分别为在双层半透明体中第一、二层半透明体的有效吸收率。 2.4.2 光谱选择性材料光谱选择性材料 1、太阳辐射光谱具有以下特点：（1）太阳

39、辐射可近似为温度约 6000K 的黑体辐射； （2）其光谱分布在 0.1-5um 之间，99%的辐射能在 0.154um 的范围，其中 0.40.76um 为 可见光区，0.76um 的为红外区，0.4um 为紫外区。 单色辐射密度与波长及温度的关系根据普朗克定律确定： (2-49) 整个波长范围内的辐射密度由斯蒂芬玻耳兹曼定律确定。 太阳能集热器件辐射光谱的特点 对太阳能集热器而言，即使其表面温度达 650，但其向外辐射的能量的 95仍在波 21 21 1 ee ee e )1 ( 21 221 1 ee eee ee ) 1 1 ( 21 21 1 )1( ee ee e ) 1 21 2

40、1 )2( ee ee 1 5 1 1 2 T c b ecTr 46 长大于 2um 的范围内。可见：温度不太高的物体自身所辐射出去的能量与入射的太阳能辐 射能在光谱上是基本分开的。因此，可以利用这种特性，设计和制备光谱选择性涂层或表 面，用于根据不同的目的，控制特定物体对太阳辐射的吸收率、透射率、反射率及物体自 身表面的发射率。 2、工程应用实例 对于太阳集热器，为了提高其热效率，要求集热器吸热表面在波长为 0.32.5m 的 太阳光谱范围内具有较高的吸收率()，同时在波长为 2.55.0m 红外光谱范围内保持尽 可能低的热发射率()。 （用于集热升温） 对于油库或易燃品仓库的外墙及屋面，可粉刷具有高发射率、低太阳辐射较的吸收率 的涂层。 （用于隔热降温） 3、光谱选择性材料的分类 选择性吸收材料：选择性吸收材料对太阳能辐射的吸收率高，多呈黑色或暗色。可用 作集热面吸热的选择性材料，制成涂层或薄膜加涂在光亮的金属表面上。这种涂层和金