1、徐州地區(qū)太陽輻射強(qiáng)度的計(jì)算1.1太陽輻射強(qiáng)度的計(jì)算基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1日地相對(duì)運(yùn)動(dòng)與赤緯角貫穿地球中心與南北兩極相連的線稱為地軸。地球除了繞地軸自轉(zhuǎn)以每天(24h)為一個(gè)周期外；同時(shí)又沿橢圓形軌道圍繞太陽進(jìn)行公轉(zhuǎn)，運(yùn)行周期約為一年。太陽位于橢圓形的一個(gè)焦點(diǎn)上。該橢圓形軌道稱為黃道，在黃道平面內(nèi)長(zhǎng)半袖約為152。短半軸約為；橢圓偏心率不大，1月l日為近日點(diǎn)，日地距離約；7月1日為遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，相差約3%。一年中任一天的日地距離可以表示為：R二1.5x1081+0.017sin(2兀(n-93)/365)km式中R-日地距離；n為1月1日算起，一年中的第幾天；地球的赤道平面與黃道平面的夾角稱為赤黃角，它

2、就是地軸與黃道平面法線間的夾角，在一年中的任一時(shí)刻皆保持為23.45。太陽、地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)如圖所示以太為中心的日-地俯視圖以地球?yàn)橹行牡母┮晥D在地球上任一位置觀察太陽在天空中每天的視運(yùn)動(dòng)是以年為周期性變化的，并取決于太陽赤緯角的大小。赤緯角6即正午時(shí)的太陽光與地球赤道平面間的夾角。取赤道向北為正方向，而向南為負(fù)方向，用6表示。赤緯角6從+23.45到-23.45變化，它導(dǎo)致地球表面上太陽輻射入射角的變化，使白天的長(zhǎng)短隨季節(jié)性有所不同。在赤道地區(qū)，從太陽升起到日落的持續(xù)時(shí)間為12h。但在較高緯度地區(qū)，不同季節(jié)其晝長(zhǎng)就有相當(dāng)大變化。赤緯角6是地球圍繞太陽運(yùn)行規(guī)律造成的，它使地球上不同的地理位置所接

3、受到的太陽入射光線方向不同，從而形成地球上一年有四季的變化。一年中有四個(gè)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）陽光正射北回歸線赤緯角6=23.45；北半球冬至（12月22日或21日），太陽光線正射南回歸線，6=-23.45；春分（3月20日或21日）和秋分（9月22日或23日）太陽正射赤道，赤緯角都為零，地球南北半球晝夜長(zhǎng)度相等。赤緯角的日變化可用如下近似表達(dá)式計(jì)算：5二23.45sin360（284+n）/365式中n-從1月1日算起一年中的第幾天的天數(shù)；一年中赤緯角（6）的變化范圍23.45。之間；1.1.2太陽時(shí)和時(shí)差天球坐標(biāo)系統(tǒng)從觀測(cè)者的位置，作一個(gè)水平

4、面，和天球的交線稱為天球的水平圈；作一鉛垂線,和天球的交點(diǎn)分別稱為天球的天頂和天底。通過天頂和天底的大圓稱為垂直圈，通過天球極點(diǎn)的垂直圈稱為子午圈。通過天體的時(shí)圈和子午圈在北極點(diǎn)的夾角或在赤道上所跨的弧長(zhǎng)稱為該天體的時(shí)角。在本坐標(biāo)系里，天體在天球上的位置是用高度角和方位角來確定的。所謂太陽高度角就是觀測(cè)天體視線和水平面的夾角，而方位角則是通過該天體的垂直圈和子午線圈在天頂?shù)膴A角。這個(gè)坐標(biāo)是固定在觀測(cè)者所在地球上的。由于地球的自轉(zhuǎn),從這個(gè)坐標(biāo)系看來，所有的日月星辰在天球上，圍繞天球的極點(diǎn)每晝夜旋轉(zhuǎn)一周。即某天體的時(shí)角每隔一小時(shí)就要相差15度，這就是我們?nèi)粘Ｓ^察星空所看到的景象。太陽經(jīng)過觀測(cè)點(diǎn)相應(yīng)

5、的子午圈為當(dāng)?shù)卣缡r(shí)和子夜零時(shí)。太陽在正午時(shí)，時(shí)角為0；上午時(shí)角為負(fù)，下午時(shí)角為正。即以中午太陽時(shí)十二點(diǎn)在基點(diǎn),順時(shí)針為負(fù)；逆時(shí)針為正。以太陽時(shí)角所確定的時(shí)間稱為當(dāng)?shù)氐恼嫣枙r(shí)。由于太陽與地球之間的距離和相對(duì)位置隨時(shí)間的變化而變化的，以及地球赤道面和公轉(zhuǎn)軌道面不一致，致使真太陽時(shí)有時(shí)候快一些，有時(shí)候慢一些。而鐘表所指示的時(shí)間是均勻的，有稱平太陽時(shí)。真太陽時(shí)與平均太陽時(shí)的差值稱為時(shí)差。真太陽時(shí)H可按下列公式計(jì)算:土LzL)土LzL)15+60式中H-該地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，h；sL-該地區(qū)的經(jīng)度；L當(dāng)?shù)貢r(shí)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)子午線；Se時(shí)差,min；時(shí)差e的計(jì)算：e=9.87-sin(2B)-7.53-cos

6、B-1.5-sinB式中B二360-(n-81)/364,1n365；n-日期序號(hào)；1.1.3太陽高度角的計(jì)算球面三角形在地平坐標(biāo)系中，要用到球面三角的一些公式。在此僅給出與球面三角有關(guān)的幾個(gè)定義和公式。球面上兩點(diǎn)之間的員短距離是沿著大圓（即其平面通過球心）的圓周來測(cè)量的。球面三角形的頂點(diǎn)是三條從球心引出的射線同球面相交的點(diǎn)。射線之間夾角小于180（的那些角稱為球面三角形的邊a,b,c。三角形的每一邊對(duì)應(yīng)著球面上的一個(gè)大圓弧見圖。分別與邊a,b,c相對(duì)的球面三角形的角A,B,C是相應(yīng)的大圓弧之間的夾角，或者是已知的射線所確定的平面之間的角。從球面三角形中的邊角關(guān)系，由余弦定律可得到計(jì)算太陽高度

7、角h的公式:sinh=sin申sin8+cos申cos8-cosh=arcsin（sinsin8+cos申cos8cos式中申-一該地區(qū)的地理緯度；8-為太陽赤緯；-太陽時(shí)角；1.1.4太陽常數(shù)太陽常數(shù)是在日地平均距離處（這個(gè)平均距離大約為1億5千萬公里）,地球大氣層外，垂直于太陽光線的平面上，單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所接收到的太陽輻射能。太陽常數(shù)是指大氣層外垂直于太陽光線的平面上的輻射強(qiáng)度。太陽輻射在穿過大氣層時(shí)被減弱，這種減弱主要是由于大氣的各種成分的吸收和散射引起的。大氣中的各種成分對(duì)各種不同波長(zhǎng)的太陽輻射的吸收和散射的作用是不同的，但總的說來，在地面上測(cè)得的最大的垂直于太陽輻射的平面上的輻

8、射強(qiáng)度大約是太陽常數(shù)的80%，也就是說，被大氣吸收和散射的太陽輻射至少約占太陽常數(shù)的20%左右。1.1.5大氣對(duì)太陽輻射的吸收和散射以及大氣透明度大氣對(duì)于太陽輻射的吸收是有選擇性的，它只對(duì)某些波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)烈地吸收，而讓另一些波長(zhǎng)的輻射透過，這種作用就稱為選擇性吸收。大氣中能夠吸收太陽輻射的氣體以臭氧、氧和水汽等為主。太陽輻射進(jìn)入大氣層中，遇到空氣分子及浮懸在空中而直徑小于太陽輻射波長(zhǎng)的微塵時(shí)（如液滴、霧、冰晶、微塵、空氣分子等就有散射作用發(fā)生。大氣對(duì)各種波長(zhǎng)的太陽輻射的散射程度是不同的，這既是說大氣對(duì)于太陽輻射的散射作用也是有選擇性的。一般地說，短波散射輻射的強(qiáng)度隨太陽高度的增大而增大。大氣對(duì)

9、太陽輻射吸收和散射的結(jié)果，使太陽輻射能在通過大氣層時(shí)有一定的衰減，表征大氣使輻射能衰減程度的一個(gè)重要參數(shù)就是大氣透明度。根據(jù)Bouguer-Lambert定律，當(dāng)波長(zhǎng)為九的太陽輻射I，在經(jīng)過dm厚的大入氣層后，輻射衰減量為di=aI-dm；九九.九式中a稱為大氣的消光系數(shù)，如將上式積分，則得I=Iea九m九九0或表示為TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark21 o Current Document I=I-Pm；九九0丫式中/是m=0時(shí)的/值。Xo九但上述Bouguer-Lambert定律只適用于單色光，對(duì)于太陽輻射的全光譜則應(yīng)有I=imI人PmdX；oX0X以上

10、諸式中，I是太陽常數(shù)，m是大氣質(zhì)量。這里通常把太陽輻射通過垂直0于海平面的整個(gè)大氣層厚度稱為一個(gè)大氣質(zhì)量，而它的透明度（或稱透明系數(shù)）即為P;當(dāng)大氣質(zhì)量為m,其透明系數(shù)即為P。所以，大氣質(zhì)量m這一概念與通1m常所說的“質(zhì)量”是完全不同的，它是指在傾斜方向上輻射通過的大氣層厚度為垂直方向上輻射通過的大氣層厚度的倍數(shù)，即m=1/sinh經(jīng)過氣象工作者根據(jù)觀測(cè)資料研究得出P1和Pm之間的近似關(guān)系為PUPmm1所以，當(dāng)太陽高度為h,而太陽能集熱器的受熱面垂直于太陽光線時(shí)，直射太陽輻射通量應(yīng)為I=IPm。01則有因此，大氣透明系數(shù)P的物理意義，就是當(dāng)光線經(jīng)過大氣的路程最短時(shí)，該光譜段在地面輻射強(qiáng)度與在大

11、氣層上界的輻射強(qiáng)度之比，即P=I/I0大體上說，在一個(gè)大氣質(zhì)量的情況下，P值可應(yīng)用下列的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：ccP二0.85，大致相當(dāng)于最好天氣時(shí)的透明度；1P二0.80，大致相當(dāng)于很好天氣時(shí)的透明度；1P二0.65，大致相當(dāng)于中等晴朗天氣時(shí)的透明度;1P二0.53，大致相當(dāng)于較差的晴天時(shí)的透明度；13.2太陽能輻射強(qiáng)度的計(jì)算照射在水平面上的太陽輻射總強(qiáng)度由直接輻射、天空散射兩部分組成。太陽直接輻射就是指以平行光線的方式從太陽直接投射到地面上的輻射能。太陽直接輻射與天空散射不同，天空散射是由于大氣和云層使太陽光線所產(chǎn)生的自天空投射到地面的輻射能。在1cm2的水平表面上，正午時(shí)太陽直射輻射的強(qiáng)度是依地理緯

12、度不同而變化的。高緯度地方的強(qiáng)度較低緯度地方為弱，因?yàn)楦呔暥鹊胤秸鐣r(shí)太陽離地平線的高度比低緯度地方要低得多。此外，云量對(duì)太陽直射輻射的強(qiáng)度影響也很大。在太陽離地平面1520以上時(shí)，太陽輻射才能通過高云（輕而透明的卷云和卷層云）。太陽高度在40和40以上時(shí)，才能通過比較稠密的中云（高層云和高積云）。太陽直射輻射不能透過最密的低云（層積云和兩層云）但碎層云例外，太陽高度在50左右及50以上時(shí)，太陽直射輻射可以通過這種云。太陽直射輻射的強(qiáng)度同樣地還隨地方的海拔高度而改變。大氣厚度隨高度助增加而減小，同時(shí)大氣的透明度因水汽和微塵的減少而增大。1.2.1太陽光穿過大氣層達(dá)到地球表面時(shí)，垂直太陽光平面上

13、的太陽直射強(qiáng)度可按下式計(jì)算：nscsinhnscc(sinh+c)c式中I-太陽常數(shù)，（W/m2）；sc（,）2-日地距離為r時(shí)的修正系數(shù)，r為日地平均距離；r0h-太陽高度角；c-和大氣透明度有關(guān)的系數(shù)，對(duì)較好的晴天可取c=0.33；參數(shù)確定：(=)2-(2)2二1+0.033(2兀n/365)；rr式中n-日期序號(hào)；1.2.2太陽在水平面上的直射強(qiáng)度為：I二I-sinh(W/m2)TOC o 1-5 h znhnc太陽在水平面上的散射強(qiáng)度為：(W/m2) HYPERLINK l bookmark35 o Current Document I=11-sinh-Pm(W/m2)sh2nc1-1

14、.4lnp式中m陽光透過大氣層的大氣質(zhì)量，當(dāng)sinh)0.3時(shí)，m二1/sinh； HYPERLINK l bookmark39 o Current Document cc當(dāng)sinh0.3時(shí)，m=3；cp大氣質(zhì)量為1時(shí)的大氣透明率，徐州地區(qū)取p=0.65，中等的晴天;1.2.4太陽輻射在水平面的總輻射IzhI二I+1(W/m2)zhnhsh3.3計(jì)算結(jié)果徐州地處東經(jīng)11722；北緯34.32北京標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為東經(jīng)1201.3.1一月時(shí)間6789101112131415161718Izh(W/m2)0047229409538603596519380193240一月太陽輻射在水平面的總輻射Izh多項(xiàng)式

15、（太陽輻射在水平面的總輻射Izh）一月太陽輻射在水平面的總輻射Izhy二0.6514x432.167X3+554.81x2-3891.7x+9493.51.3.2二月時(shí)間6789101112131415161718I0215375568737263472760zh2030822765（W/m2）二月1太陽輻射在水平面的總輻射Izh多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總斗巨酣T二月1太陽輻射在水平面的總輻射Izhy二0.6295x4-30.891x3+524.48x2-3569.3x+8384.61.3.3三月時(shí)間6789101112131415161718I04254868828988806443201

16、zh188432654802（W/m2）三月太陽輻射在水平面的總輻射Izh多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總輻射Izh）一三月太陽輻射在水平面的總輻射Izhy二0.4989x4-24.903x3+422.43x2-2791.4x+6258.4四月時(shí)間6789101112131415161718I（W/m2）zh02865859710310610510295815920四月太陽輻射在水平面的總輻射Izh四月多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總輻射Izh）y二0.3218x416.086x3+262.83x2-1550.3x+2887.91.3.5五月時(shí)間6789101112131415161718Izh923

17、13542747908101210521023928775576349121W/m2多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總輻射Izh）一太陽輻射在水平面的總輻射多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總輻射Izh）一太陽輻射在水平面的總輻射Izhy二0.2288x411.066x3+166.14x2783.12x+902.22121(8600121(860000太陽輻射在水平面的總輻射Izh0000多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總輻射Izh）0000六月0010201.3.6六月時(shí)間6789101112131415161718Izh14365877921011051019276573513W/m2896869060968

18、8y=0.2056x49.8483x3+144.26x2630.79x+599.861.3.7七月時(shí)間6789101112131415161718IW/m28529651771887998710331014932792607391168zh七月太陽輻射在水平面的總輻射Izh多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總輻射Izh）一太陽輻射在水平面的總輻射Izhy=0.2141x4-10.481x3+159.39x2-763.3x+912.051.3.8八月時(shí)間6789101112131415161718IW/m2zh68302533731883975100195985168747925253八月1太陽輻射在水

19、平面的總輻射Izh多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總輻射Izh）1太陽輻射在水平面的總輻射Izhy=0.2451x4-11.532x3+168.33x2-762.53x+757.741.3.9九月時(shí)間6789101112131415161718IW/m2zh01343665807528659098807826224151828九月-2000太陽輻射在水平面的總輻射Izh-2000多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總輻射Izh）y=0.3858x4-18.754x3+302.46x2-1814.3x+3539.21.3.10十月時(shí)間6789101112131415161718IW/m2zh0242114266017197697466534972968209008007006005004003002001000-100十月太陽輻射在水平面的總輻射Izh多項(xiàng)式（太陽輻射在水平面的總輻射Iz