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1、 第1章 太阳辐射能和我国太阳能资源 第1章 太阳辐射能和我国太阳能资源1.1太阳辐射特性1.1.1太阳电磁辐射太阳是一颗中等恒星，为太阳系中唯一的强辐射源。它不断地向空间发射出功率为3.8651023kW的电磁辐射，而地球所接受到的功率仅为它的22亿分之一，即1.7651014kW，经过大气层的衰减到达地球表面的约占47%，即8.31013kW，而地球表面的陆地面积仅占21%，所以最终到达陆地上的太阳辐射功率约为1.741013kW，大约为地球大气层上界太阳辐射功率的10%。尽管如此，到达陆地的这些功率已是目前全球发电功率的3800倍。太阳的电磁辐射都具有波动性,以电磁波的形式传播，它们在真
2、空中传播的速度都具有同样的数值，称为真空中的光速，其值为c=2.9979108m/s。光在真空中的波长和频率f有如下关系： =c/f （1-1）太阳的电磁辐射还具有量子性，以光量子的形式存在，即可以把每个波长的电磁辐射看成为一个光子，它具有的能量为 E=f=c/ (1-2）式中，=6.62610-34Js是普朗克（Planck）常数。光子的能量还常用电子伏特（eV）来表示，1eV=1.60210-19J。太阳的电磁辐射包含了从波长小于10-14m的射线到射线、紫外线、可见光、红外线、微波、再到波长大于104m的长波无线电波，其波长(m)与能量E(eV)之间的关系如图1-1所示。 图1-1 太阳
3、各种电磁辐射的波长与能量 太阳除了辐射电磁波外，还辐射各种粒子，包括低能粒子流（太阳风）和太阳宇宙线（高能电子、质子和重核离子等）。太阳光伏和光热效应的地面利用，主要是涉及太阳的电磁辐射，只有在航天技术和地面宇宙线观测中，才还会考虑太阳粒子辐射的影响。因此，除特别说明外，这里所说的太阳辐射是指太阳电磁辐射。1.1.2 太阳辐射能谱太阳的电磁辐射能谱主要集中在波长为0.154m范围。以光谱辐照度为纵坐标，波长为横坐标所绘制的太阳辐射能谱如图1-2所示，大气质量为AM0时的太阳辐射能谱是美国国家航空航天局（NASA）和美国材料与试验学会（ASTM）1977年在地球大气层上界测定的，同时示出了大气质
4、量为AM1.5和假定太阳是6000K黑体时太阳的辐射能谱。其中光谱辐照度单位为kW/（m2m），是表示以为中心波长的单位窄带宽内的太阳辐照度。 图1-2 地球大气层上界太阳辐射能谱图图中波长在0.400.76m范围的辐射为可见光，只占其中很窄的波段，波长范围0.0050.40m为紫外光，波长范围0.761000m为红外光。在可见光范围内，不同波长的辐射有不同的颜色，0.400.45m波段是紫光，0.450.48m波段是蓝光，0.480.55m波段是绿光，0.550.60m波段是黄光，0.600.64m波段是橙光，0.640.76m波段是红光，光谱辐照度最大值所对应的波长为0.475m，属于蓝光
5、。紫外光还可以分近紫外（0.40.31m）、中紫外（0.310.17m）和远紫外（0.170.005m）。红外光还可以分近红外（0.763m）、中红外（36m）、远红外（615m）和超远红外（151000m）。虽然可见光的波长范围并不宽，但其辐射能在整个太阳辐射能谱中所占比例较高，约为43.8%，红外光约占47.4%，紫外光约占8.7%，无线电波、微波和射线等在太阳辐射能中的比例就非常小了。1.1.3 太阳辐射物理量 在太阳辐射及其利用的科学实验和工程技术中，经常会遇到太阳辐射的计量和计算问题，这就要涉及到一些太阳辐射的物理量、定义及计量单位。对于太阳能光伏发电工程技术，最重要的太阳辐射物理量
6、有以下几个：1.辐射功率也称辐射通量，是指单位时间内以辐射方式发射、传输或接收的能量，计量单位为。 2.辐照度在单位时间内入射到单位面积表面上的辐射能，称为该表面上的辐照度，又称辐照强度或辐射强度，计量单位为。当计量单位中的能量用卡（）表示时，可以按以下关系式进行转换：=697.8，1=0.86。 3.辐照量在一定时段内，入射到单位面积表面的辐射能称为该时段的辐照量，又称辐射量，计量单位是。当计量单位中的能量用焦耳（)或卡（）表示时，其转换关系为1=0.2778=0.0239。辐照量实际是指在一定时段内的辐照度对时间的积分值。利用辐照强度计来测量表面上的辐照度，对光照时间求积分才能得到这个时段
7、的辐照量。4.峰值日照时数峰值日照时数是指每天的辐照量相当于1辐照度下照射的小时数。因为光伏组件的最大功率是在1辐照度条件下测试的，所以峰值日照时数表示光伏方阵每天有多少小时运行在最大功率上。例如，甘肃金昌水平面年平均辐照量为1705，倾角为25的斜单轴太阳跟踪装置上的年平均辐照量为2511，则水平面年平均峰值日照时数为17051365=4.67，斜单轴太阳跟踪装置上的年平均峰值日照时数为25111365=6.88。当然，每个月的月平均峰值日照时数和每天的峰值日照时数都是不同的。这里要同通常所说的日照时数这个概念区别开来。日照时数是指太阳每天在垂直于其光线的平面上的辐照度在120以上的时间长度
8、。如果把一年中每天的日照时数加起来，就是常说的全年日照时数。日照时数与可能照射时数（从日出到日落的白天时间）的百分比称为日照百分率，能用来说明晴天的多少。1.1.4 太阳常数太阳常数是用来描述太阳辐射的一个基本量。它是指在距离太阳一个天文单位（即日地平均距离，记为1AU，1AU=1.496108km）处，单位时间内入射到与太阳光线垂直的单位面积表面上的总辐射能，或者说在距离太阳一个天文单位处与太阳光线垂直的表面上的太阳辐照度。根据美国国家航空航天局（NASA）的卫星观测数据，1971年起全世界采用统一的太阳常数值1353W/m2。1981年世界气象组织（WMO）根据更精确的观测，公布更新的太阳
9、常数值为13677W/m2，其精度提高到了0.5%。由于地球绕太阳公转的轨道是个椭圆，日地之间的距离不是常数，所以地球大气层上界的太阳辐照度是变化的，它与日地距离与日地平均距离之比的平方成反比。一年中的1月3日（或4日）日地距离最近（近日点），7月4日（或5日）日地距离最远（远日点），4月初和10月初日地距离为平均值。由于地球绕太阳公转椭圆的扁率很小，日地距离与平均距离的变化幅度不超过1.7%，而日地距离变化引起的地球大气层上界太阳辐照度的相对变化幅度不超过3.5%。图1-3中的曲线表示了地球大气层上界的太阳辐照度在一年中的变化情况。图1-3地球大气层上界太阳辐照度在一年中的变化实际上太阳辐射
10、的能量是有波动的，受太阳活动（包括黑子活动和太阳耀斑）的影响。在太阳黑子激烈活动或太阳耀斑爆发期间，射线、紫外线、微波、无线电波和粒子的辐射都有急剧变化，变化范围高达几十至几百倍，但近紫外、可见光和近红外的辐射变化很小，变化范围在2.5%以内。所以可以把太阳辐射看作是基本稳定的，故提出了太阳常数这一概念。1.1.5 大气质量太阳以光辐射的形式将能量送到地球表面。太阳辐射在到达地球表面之前，被大气层吸收、散射或反射而衰减，这种衰减与太阳辐射穿过大气层的路径和天气有关，到达地面的太阳能谱也与大气层外不同。太阳辐射在大气层中经过的路程越长，衰减就越大，辐射能量损失得就越多，到达地面的辐射能量也就越小
11、。通常把在标准状态下（气温为0，气压为=101325），晴朗天气太阳光线垂直入射到海平面所经的路程中，单位截面积空气柱中的质量称为1个大气质量（记作），并且用它去度量太阳处于任何位置时光线经过大气层到达海平面的路程中单位截面积空气柱的质量。显然，大气层上界的大气质量为0（记作）。可见，大气质量是一个无量纲量，表示不同路径上的大气对地球表面接受太阳辐射的影响程度。地面上任何地方、太阳处于任何位置入射时的大气质量，可近似表达为 = (1-3)式中，为太阳光线与水平面的夹角，即太阳高度角，为标准大气压，为当地大气压，它是当地海拔高度z的函数，可近似表达为 =0.999Z/8 (1-4) 海拔越高，大
12、气越稀薄，大气质量就越小，太阳辐照度就较高。式(1-3)大气质量的计算值在300时与测试值十分接近，但当300时，由于大气折射和地面曲率的影响，计算结果误差就较大。在太阳能利用的工程技术中，海平面上太阳在任意高度角入射时的大气质量，可以采用下面的拟合公式进行计算： =1229+（614sin）21/2-614sin (1-5)为了直观了解，表1-1和表1-2分别列出了大气质量所对应的太阳高度角和太阳高度角所对应的大气质量。 表1-1 海平面上大气质量与太阳高度角的关系AM11.523458101520hS(0)90.041.830.019.314.511.46.85.23.22.0 表1-2
13、海平面上太阳在不同高度角入射时的大气质量hS(0)907560453020151052AM1.001.041.151.412.002.93.85.710.420.0太阳高度角为90时，大气质量为，太阳辐照度约为1070；太阳高度角为41.8时，大气质量为，太阳辐照度约为1000；太阳高度角为30时，大气质量为。是典型的晴天地面上的太阳辐照情况，所以把这时的太阳辐照度和能谱，作为测试光伏组件性能的标准条件之一。大气质量不同，太阳辐射能谱也不同。太阳辐射通过大气层时，要经受多种粒子对波长有选择性的散射和吸收，所以到达地面的太阳辐射能谱与大气层上界的情况有所不同。例如，太阳辐射中的射线和其它波长更短
14、的射线，在电离层中就会被大气分子强烈地吸收；大部分紫外线将被臭氧分子吸收；可见光主要是被大气分子、水蒸气分子、烟雾和尘埃微粒的散射；近红外则主要是被水蒸气分子选择性吸收，而远红外在大气层上界就已经很弱了。 图1-4表示了在清洁大气条件下不同大气质量时的太阳辐射能谱图。随着大气质量的增大和大气透明度的降低，到达地面上的各波长的太阳光谱辐照度都在减小，紫外辐射所占总辐照度的百分比有所减小，而红外辐射所占总辐照度的百分比却有所增大。 图1-4在清洁大气条件下不同大气质量时的太阳辐射能谱图 1.1.6 直接辐射和散射辐射太阳辐射在大气中不受任何影响而到达地面的称为直接辐射，经受大气层散射后入射到地面的称为散射辐射。地面上的光伏方阵还会接受到周围物体的反射辐射，它是散射辐射的另一种形式，也属于散射辐射。图1-5给出了北半球各纬度水平面上各月直接辐射辐照量的变化规律，是假定在非常清洁的大气条件下得到的。此图表明，水平面上每天的太阳直接辐射辐照量，在低纬度地区四季变化并不十分显著；随着纬度的升高，它逐渐变为夏季高而冬季低；在高纬度地区，冬季太阳的直接辐射辐照量就十分低了。
