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1、徐州地区太阳辐射强度的计算1.1 太阳辐射强度的计算基础知识1.1.1 日地相对运动与赤纬角贯穿地球中心与南北两极相连的线称为地轴。地球除了绕地轴自转以每天(24h) 为一个周期外；同时又沿椭圆形轨道围绕太阳进行公转，运行周期约为一年。太阳位于椭圆形的一个焦点上。该椭圆形轨道称为黄道， 在黄道平面内长半袖约为 152 。 短半轴约为；椭圆偏心率不大， 1 月 l 日为近日点，日地距离约 ；7 月 1 日为远日点时，相差约 3。一年中任一天的日地距离可以表示为：81.5 10 10.017sin(2(93) /365)Rnkm式中 R - 日地距离；n - 为 1 月 1 日算起，一年中的第几天
2、；地球的赤道平面与黄道平面的夹角称为赤黄角，它就是地轴与黄道平面法线间的夹角，在一年中的任一时刻皆保持为23.45。太阳、地球的相对运动如图所示以太为中心的日 - 地俯视图以地球为中心的俯视图在地球上任一位置观察太阳在天空中每天的视运动是以年为周期性变化的，并取决于太阳赤纬角的大小。 赤纬角 即正午时的太阳光与地球赤道平面间的夹角。取赤道向北为正方向，而向南为负方向，用 表示。赤纬角 从+23.45到-23.45 变化，它导致地球表面上太阳辐射入射角的变化，使白天的长短随季节性有所不同。在赤道地区，从太阳升起到日落的持续时间为12h。但在较高纬度地区，不同季节其昼长就有相当大变化。赤纬角 是地
3、球围绕太阳运行规律造成的，它使地球上不同的地理位置所接受到的太阳入射光线方向不同，从而形成地球上一年有四季的变化。一年中有四个特殊日期，即：夏至、冬至、春分、秋分。北半球夏至（ 6月 21 日或 22日）阳光正射北回归线赤纬角=23.45；北半球冬至（ 12 月 22 日或 21 日） ，太阳光线正射南回归线，=-23.45 ；春分（3 月 20 日或 21 日）和秋分（ 9 月 22 日或 23日）太阳正射赤道，赤纬角都为零，地球南北半球昼夜长度相等。赤纬角的日变化可用如下近似表达式计算：23.45sin360(284) / 365n式中 n-从 1 月 1 日算起一年中的第几天的天数 ;
4、一年中赤纬角 ( ) 的变化范围23.45之间 ; 1.1.2 太阳时和时差天球坐标系统从观测者的位置， 作一个水平面， 和天球的交线称为天球的水平圈； 作一铅垂线，和天球的交点分别称为天球的天顶和天底。通过天顶和天底的大圆称为垂直圈，通过天球极点的垂直圈称为子午圈。 通过天体的时圈和子午圈在北极点的夹角或在赤道上所跨的弧长称为该天体的时角。在本坐标系里， 天体在天球上的位置是用高度角和方位角来确定的。所谓太阳高度角就是观测天体视线和水平面的夹角，而方位角则是通过该天体的垂直圈和子午线圈在天顶的夹角。 这个坐标是固定在观测者所在地球上的。由于地球的自转，从这个坐标系看来，所有的日月星辰在天球上
5、， 围绕天球的极点每昼夜旋转一周。即某天体的时角每隔一小时就要相差15 度，这就是我们日常观察星空所看到的景象。太阳经过观测点相应的子午圈为当地正午十二时和子夜零时。太阳在正午时，时角为 0；上午时角为负， 下午时角为正。 即以中午太阳时十二点在基点，顺时针为负；逆时针为正。以太阳时角所确定的时间称为当地的真太阳时。由于太阳与地球之间的距离和相对位置随时间的变化而变化的， 以及地球赤道面和公转轨道面不一致，致使真太阳时有时候快一些， 有时候慢一些。 而钟表所指示的时间是均匀的，有称平太阳时。真太阳时与平均太阳时的差值称为时差。真太阳时 H可按下列公式计算：()1560S sLLeHH式中sH-
6、 该地区的标准时间， h ；L - 该地区的经度；SL- 当地时区的标准子午线；e -时差 ，min；时差 e 的计算：9.87 sin(2)7.53 cos1.5 sineBBB式中360 (81)/364Bn，1365n；n-日期序号；1.1.3 太阳高度角的计算球面三角形在地平坐标系中， 要用到球面三角的一些公式。 在此仅给出与球面三角有关的几个定义和公式。 球面上两点之间的员短距离是沿着大圆( 即其平面通过球心 )的圆周来测量的。球面三角形的顶点是三条从球心引出的射线同球面相交的点。射线之间夹角小于180(的那些角称为球面三角形的边a, b, c。三角形的每一边对应着球面上的一个大圆弧
7、见图。 分别与边 a, b, c 相对的球面三角形的角A,B,C是相应的大圆弧之间的夹角，或者是已知的射线所确定的平面之间的角。从球面三角形中的边角关系，由余弦定律可得到计算太阳高度角 h 的公式：sinhsinsincoscoscosharcsin(sinsincoscoscos)式中- 该地区的地理纬度；- 为太阳赤纬；- 太阳时角；1.1.4 太阳常数太阳常数是在日地平均距离处( 这个平均距离大约为1 亿 5 千万公里 )， 地球大气层外， 垂直于太阳光线的平面上， 单位面积、 单位时间内所接收到的太阳辐射能。太阳常数是指大气层外垂直于太阳光线的平面上的辐射强度。太阳辐射在穿过大气层时被
8、减弱，这种减弱主要是由于大气的各种成分的吸收和散射引起的。大气中的各种成分对各种不同波长的太阳辐射的吸收和散射的作用是不同的，但总的说来，在地面上测得的最大的垂直于太阳辐射的平面上的辐射强度大约是太阳常数的80，也就是说，被大气吸收和散射的太阳辐射至少约占太阳常数的 20左右。1.1.5 大气对太阳辐射的吸收和散射以及大气透明度大气对于太阳辐射的吸收是有选择性的，它只对某些波长的辐射强烈地吸收，而让另一些波长的辐射透过，这种作用就称为选择性吸收。大气中能够吸收太阳辐射的气体以臭氧、氧和水汽等为主。太阳辐射进入大气层中， 遇到空气分子及浮悬在空中而直径小于太阳辐射波长的微尘时 ( 如液滴、雾、冰
9、晶、微尘、空气分子等) 就有散射作用发生。大气对各种波长的太阳辐射的散射程度是不同的，这既是说大气对于太阳辐射的散射作用也是有选择性的。一般地说，短波散射辐射的强度随太阳高度的增大而增大。大气对太阳辐射吸收和散射的结果， 使太阳辐射能在通过大气层时有一定的衰减，表征大气使辐射能衰减程度的一个重要参数就是大气透明度。根据 Bouguer-Lambert 定律，当波长为的太阳辐射I，在经过 dm厚的大气层后， 辐射衰减量为dIIdm；式中称为大气的消光系数，如将上式积分，则得0mIIe；或表示为0mIIP；式中0I是0m时的I值。但上述 Bouguer-Lambert 定律只适用于单色光， 对于太
10、阳辐射的全光谱则应有00mmIIPd；以上诸式中，0I是太阳常数， m是大气质量。这里通常把太阳辐射通过垂直于海平面的整个大气层厚度称为一个大气质量，而它的透明度（或称透明系数）即为1P；当大气质量为 m ，其透明系数即为mP。所以，大气质量 m这一概念与通常所说的“质量”是完全不同的， 它是指在倾斜方向上辐射通过的大气层厚度为垂直方向上辐射通过的大气层厚度的倍数，即1/ sinhm经过气象工作者根据观测资料研究得出P1和 Pm之间的近似关系为1m mPP所以，当太阳高度为h，而太阳能集热器的受热面垂直于太阳光线时，直射太阳辐射通量应为01mIIP。则有0/m mPII因此，大气透明系数 P的
11、物理意义， 就是当光线经过大气的路程最短时，该光谱段在地面辐射强度与在大气层上界的辐射强度之比，即0/PII大体上说，在一个大气质量的情况下，P值可应用下列的经验数据：10.85P，大致相当于最好天气时的透明度；10.80P，大致相当于很好天气时的透明度；10.65P，大致相当于中等晴朗天气时的透明度；10.53P，大致相当于较差的晴天时的透明度；3.2 太阳能辐射强度的计算照射在水平面上的太阳辐射总强度由直接辐射、天空散射两部分组成。 太阳直接辐射就是指以平行光线的方式从太阳直接投射到地面上的辐射能。太阳直接辐射与天空散射不同， 天空散射是由于大气和云层使太阳光线所产生的自天空投射到地面的辐
12、射能。在 1 cm2的水平表面上，正午时太阳直射辐射的强度是依地理纬度不同而变化的。高纬度地方的强度较低纬度地方为弱，因为高纬度地方正午时太阳离地平线的高度比低纬度地方要低得多。 此外， 云量对太阳直射辐射的强度影响也很大。在太阳离地平面 15-20 以上时， 太阳辐射才能通过高云 (轻而透明的卷云和卷层云 ) 。太阳高度在 40和 40以上时，才能通过比较稠密的中云(高层云和高积云 ) 。太阳直射辐射不能透过最密的低云( 层积云和两层云 )但碎层云例外，太阳高度在 50左右及 50以上时，太阳直射辐射可以通过这种云。太阳直射辐射的强度同样地还随地方的海拔高度而改变。大气厚度随高度助增加而减小
13、，同时大气的透明度因水汽和微尘的减少而增大。1.2.1 太阳光穿过大气层达到地球表面时，垂直太阳光平面上的太阳直射强度可按下式计算：20sinh()(sinh)c nsc crIIrc式中scI- 太阳常数， （2/Wm） ；20()rr- 日地距离为 r 时的修正系数，0r为日地平均距离；hc- 太阳高度角；c- 和大气透明度有关的系数，对较好的晴天可取c=0.33 ；参数确定：20()rr-20()10.033(2/365)rnr；式中n- 日期序号；1.2.2 太阳在水平面上的直射强度为：sinhnhncII（2/Wm）太阳在水平面上的散射强度为：11sinh211.4lnmshncpI
14、Ip（2/Wm）式中m- 阳光透过大气层的大气质量，当sinh0.3c时，1/ sinhcm；当sinh0.3c时，3m；p-大气质量为 1 时的大气透明率，徐州地区取p=0.65，中等的晴天；1.2.4 太阳辐射在水平面的总辐射zhIzhnhshIII（2/Wm）3.3 计算结果徐州地处东经 11722；北纬 34.32北京标准时间为东经1201.3.1 一月时间6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 zhI（2/Wm）0 0 47 229 409 538 603 596 519 380 193 24 0 一月-1000100200300400500600700
15、05101520太阳辐射在水平 面的总辐射 Izh多项式 ( 太阳辐 射在水平面的总 辐射Izh)4320.651432.167554.813891.79493.5yxxxx1.3.2 二月时间6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 zhI（2/Wm）0 2 152 370 553 680 738 722 632 477 276 65 0 二月-100010020030040050060070080005101520太阳辐射在水平 面的总辐射 Izh多项式 ( 太阳辐 射在水平面的总 辐射Izh)4320.629530.891524.483569.38384.6y
16、xxxx1.3.3 三月时间6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 zhI（2/Wm）0 41 258 488 684 823 892 886 805 644 438 200 12 三月-2000200400600800100005101520太阳辐射在水平 面的总辐射 Izh多项式 ( 太阳辐 射在水平面的总 辐射Izh)4320.498924.903422.432791.46258.4yxxxx四月时间6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 zhI（2/Wm）0 28 65 85 97 103 106 105 102 95 81 59 20 四月-20002004006008001000120001020太阳辐射在水 平面的总辐射 Izh多项式 ( 太阳 辐射在水平面 的总辐射 Izh)4320.321816.086262.831550.32887.9yxxxx1.3.5
