1太陽(yáng)輻射簡(jiǎn)述本章主要介紹太陽(yáng)輻射的基本知識(shí)，并說(shuō)明太陽(yáng)輻射的計(jì)算方法。為了利用太陽(yáng)能，有必要了解和掌握有關(guān)太陽(yáng)輻射的基本知識(shí)，以便更好地進(jìn)行太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。太陽(yáng)簡(jiǎn)介太陽(yáng)是離地球最近的一顆恒星，也是太陽(yáng)系的中心天體，它的質(zhì)量占太陽(yáng)系總質(zhì)量的%。太陽(yáng)也是太陽(yáng)系里唯一自己發(fā)光的天體，它給地球帶來(lái)光和熱。如果沒(méi)有太陽(yáng)光的照射，地面的溫度將會(huì)很快地降低到接近絕對(duì)零度。由于太陽(yáng)光的照射，地面平均溫度才會(huì)保持在14°C左右，形成了人類(lèi)和絕大部分生物生存的條件。除了原子能、地?zé)岷突鹕奖l(fā)的能量外，地面上大部分能源均直接或間接同太陽(yáng)有關(guān)⑶太陽(yáng)是一個(gè)主要由氫和氦組成的熾熱的氣體火球，半徑為6069X105m(是地球半徑的109倍)，質(zhì)量約為X1027t的33萬(wàn)倍)，平均密度約為地球的1/4太陽(yáng)表面的有效溫度為5762K，而內(nèi)部中心區(qū)域的溫度則高達(dá)幾干萬(wàn)度。太陽(yáng)的能量主要來(lái)源于氫聚變成氦的聚變反應(yīng)，每秒有X10nkg的氫聚合生成X10nkg的氦，連續(xù)產(chǎn)生3.90X1023kw能量。這些能量以電磁波的形式，以3X105km/s的速度穿越太空射向四面八方。地球只接受到太陽(yáng)總輻射的二十二億分之一，即有X1014k達(dá)到地球大氣層上邊緣(“上界”)，由于穿越大氣層時(shí)的衰減，最后約805X1013kw到達(dá)地球表面，這個(gè)數(shù)量相當(dāng)于全世界發(fā)電量的幾十萬(wàn)倍。根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生的核能速率估算，氫的儲(chǔ)量足夠維持600億年，而地球內(nèi)部組織因熱核反應(yīng)聚合成氦，它的壽命約為50億年，因此，從這個(gè)意義上講，可以說(shuō)太陽(yáng)的能量是取之不盡、用之不竭的。太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)和能量傳遞方式如圖1-1所示，簡(jiǎn)要說(shuō)明如下。太陽(yáng)的質(zhì)量很大，在太陽(yáng)自身的重力作用下，太陽(yáng)物質(zhì)向核心聚集，核心中心的密度和溫度很高，使得能夠發(fā)生原子核反應(yīng)。這些核反應(yīng)是太陽(yáng)的能源，所產(chǎn)生的能量連續(xù)不斷地向空間輻射，并且控制著太陽(yáng)的活動(dòng)。根據(jù)各種間接和直接的資料，認(rèn)為太陽(yáng)從中心到邊緣可分為核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對(duì)流區(qū)和太陽(yáng)大氣。KILL太陽(yáng)的蜻拘和恤魅f(wàn)t避方式核反應(yīng)區(qū)在太陽(yáng)半徑25%(即的區(qū)域內(nèi)，是太陽(yáng)的核心，集中了太陽(yáng)一半以上的質(zhì)量。此處溫度大約1500萬(wàn)度(K)，壓力約為2500億大氣壓(1atm=101325Pa),密度接近｝158g/cm3。這部分產(chǎn)生的能量占太陽(yáng)產(chǎn)生的總能量的99%，并以對(duì)流和輻射方式向外輻射。氫聚合時(shí)放出伽瑪射線(xiàn)，這種射線(xiàn)通過(guò)較冷區(qū)域時(shí)，消耗能量，增加波長(zhǎng)，變成X射線(xiàn)或紫外線(xiàn)及可見(jiàn)光。輻射區(qū)在核反應(yīng)區(qū)的外面是輻射區(qū)，所屬范圍從 ?溫度下降到13萬(wàn)度，密度下降為0.079g/cm2。在太陽(yáng)核心產(chǎn)生的能量通過(guò)這個(gè)區(qū)域由輻射傳輸出去。對(duì)流區(qū)在輻射區(qū)的外面是對(duì)流區(qū)(對(duì)流層)，所屬范圍從?，溫度下降為5000K,密度為10-8g/cm3。在對(duì)流區(qū)內(nèi)，能量主要靠對(duì)流傳播。對(duì)流區(qū)及其里面的部分是看不見(jiàn)的，它們的性質(zhì)只能靠同觀(guān)測(cè)相符合的理論計(jì)算來(lái)確定。太陽(yáng)大氣大致可以分為光球、色球、日冕等層次，各層次的物理性質(zhì)有明顯區(qū)別。太陽(yáng)大氣的最底層稱(chēng)為光球，光譜基本上就是光球的光譜太陽(yáng)的全部光能幾乎全從這個(gè)層次發(fā)出。太陽(yáng)的連續(xù)，太陽(yáng)光譜內(nèi)的吸收線(xiàn)基本上也是在這一層內(nèi)形成的。光球的厚度約為50Okrn。色球是太陽(yáng)大氣的中層，是光球向外的延伸，一直可延伸到幾千公里的高度。太陽(yáng)大氣的最外層稱(chēng)為日冕，日冕是極端稀薄的氣體殼，可以延伸到幾個(gè)太陽(yáng)半徑之遠(yuǎn)。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)。上述太陽(yáng)大氣的分層僅有形式的意義，實(shí)際上各層之間并不存在著明顯的界限，它們的溫度、密度隨著高度是連續(xù)地改變的。可見(jiàn)，太陽(yáng)并不是一個(gè)一定溫度的黑體，而是許多層不同波長(zhǎng)放射、輻射體。不過(guò)，在描述太陽(yáng)時(shí)，通常將太陽(yáng)看作是溫度為6000K、波長(zhǎng)為?3um的黑色輻射體。太陽(yáng)與地球的位置關(guān)系在設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，不可避免地都會(huì)涉及到太陽(yáng)高度角、方位角、日照時(shí)間等計(jì)算問(wèn)題，因而必須對(duì)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的基本規(guī)律及其相關(guān)的天文背景有一定了解。天球與天球坐標(biāo)系以觀(guān)察者為球心，以任意長(zhǎng)度(無(wú)限長(zhǎng))為半徑，其上分布著所有天體的球面叫做天球。圖1-2所示為天球及天球坐標(biāo)系。囹】-2天球艮天球處標(biāo)系通過(guò)天球的中心(即觀(guān)察者的眼睛)與鉛直線(xiàn)相垂直的平面稱(chēng)為地平面;地平面將天球分為上下兩個(gè)半球;地平面與天球的交線(xiàn)是個(gè)大圓，稱(chēng)為地平圈;通過(guò)夭球的中心的鉛直線(xiàn)與天球的交點(diǎn)分別稱(chēng)為天頂和天底。地球每天繞著它本身的極軸自西向東地自轉(zhuǎn)一周;反過(guò)來(lái)說(shuō)，假定地球不動(dòng)，那么天球?qū)⒚控怖@著它本身的軸線(xiàn)自東向西地自轉(zhuǎn)一周，我們稱(chēng)之為周日運(yùn)動(dòng)。在周日運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，天球上有兩個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，叫做南天極和北天極，連接兩個(gè)天極的直線(xiàn)稱(chēng)為天軸;通過(guò)天球的中心(即觀(guān)察者的眼睛)與天軸相垂直的平面稱(chēng)為天球赤道面；天球赤道面與天球的交線(xiàn)是個(gè)大回，稱(chēng)為天赤道。通過(guò)天頂和天極的大圓稱(chēng)為子午圈?？梢栽谏鲜鲞@些極和圈（面）的基礎(chǔ)上定義幾種天球坐標(biāo)系，以便研究天體在天球上的位置和它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。最常用的有地平坐標(biāo)系和赤道坐標(biāo)系;后者根據(jù)原點(diǎn)的不同又可細(xì)分為時(shí)角坐標(biāo)系和赤道坐標(biāo)系。下面著重介紹與設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池應(yīng)用系統(tǒng)有關(guān)的地平坐標(biāo)系和時(shí)角坐標(biāo)系。圖13地乎坐標(biāo)系 圖1-4時(shí)角坐標(biāo)系（2） 地平坐標(biāo)系以地平圈為基本圈，天頂為基本點(diǎn)，南點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系叫做地平坐標(biāo)系，如圖1一3所示。通過(guò)天頂和太陽(yáng)（或任一天體）X作一大國(guó)，叫做地平經(jīng)圈，地平經(jīng)圈交地平圈于M點(diǎn)；從原點(diǎn)s沿地平圈順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量，弧SM為地平經(jīng)度，或方位角A;弧XM為地平緯度，或高度角h，向上為正，向下為負(fù)?；X稱(chēng)為天頂距，自Z起計(jì)量，用Z表示。顯然Z=90。一h.由于天體有周日運(yùn)動(dòng)，所以天體的地平坐標(biāo)隨著時(shí)間在不斷地變化著。此外，天體的地平坐標(biāo)還和觀(guān)測(cè)者在地面上的位置有一定關(guān)系，即地平坐標(biāo)隨觀(guān)測(cè)地點(diǎn)而異。（3） 時(shí)角坐標(biāo)系以天赤道為基本圈，北天極為基本點(diǎn)，天赤道和子午圈在南點(diǎn)附近的交點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系叫作時(shí)角坐標(biāo)系或第一赤道坐標(biāo)系，如圖｝_｝所示。通過(guò)北天極和太陽(yáng)（或任一天體）X作一大圓，叫做時(shí)圈;時(shí)圈交天赤道于T點(diǎn);從原點(diǎn)Q沿天赤道順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量，弧QT為時(shí)角t，t以度、分、秒為單位來(lái)表示，也可以時(shí)，分、秒為單位來(lái)表示;弧XT叫做赤緯5,5以度、分、秒為單位來(lái)表示;從天赤道算起，向上為正，向下為負(fù)。當(dāng)天體作周日運(yùn)動(dòng)時(shí)，天體的赤緯沙不隨周日運(yùn)動(dòng)而變化，但天體的時(shí)角t卻從0。均勻地增加到360.此外，在同一瞬間，在地理經(jīng)度不同的觀(guān)測(cè)地點(diǎn)觀(guān)測(cè)同一天體的時(shí)角t是不同的，即同一天體的時(shí)角t隨觀(guān)測(cè)地點(diǎn)而異。以上只是簡(jiǎn)要介紹了一點(diǎn)相關(guān)的天文背景知識(shí)。如果要準(zhǔn)確計(jì)算太陽(yáng)高度角、方位角、日照時(shí)間等數(shù)據(jù)，還需要了解以上坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這又牽涉到時(shí)間系統(tǒng)，有興趣的讀者可以找一些有關(guān)的天文方面的資料進(jìn)行知識(shí)補(bǔ)充［2F。作者在本書(shū)附錄A中提供了計(jì)算太陽(yáng)高度角、方位角、日照時(shí)間等的實(shí)用程序，利用此實(shí)用程序，讀者可以不需要十分了解相關(guān)的天文背景知識(shí)，也可以準(zhǔn)確地計(jì)算太陽(yáng)高度角、方位角、日照時(shí)間等數(shù)據(jù).地球繞太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律眾所周知，地球每天繞著通過(guò)它本身南極和北極的“地軸”自西向東地自轉(zhuǎn)一周。每轉(zhuǎn)一周（3600）為一晝夜，一晝夜又分為24h,所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15°地球除了自轉(zhuǎn)外，還繞太陽(yáng)循著偏心率很小的橢圓形軌道（黃道）上運(yùn)行，稱(chēng)為“公轉(zhuǎn)”，其周期為一年。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面（黃道面）的法線(xiàn)傾斜成23027'的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。因此。地球處于運(yùn)行軌道的不同位置時(shí)，陽(yáng)光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的變化。圖1-5（a）表示地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的四個(gè)典型季節(jié)日的地球公轉(zhuǎn)的行程圖，圖1-5（b）表示對(duì)應(yīng)于上述四個(gè)典型季節(jié)日地球受到太陽(yáng)照射的情況。（船地球攜太歸運(yùn)fF ib＞地球受太陽(yáng)光暇的膨啊圖15地球靠太陽(yáng)宙行及其影晌假設(shè)觀(guān)察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對(duì)太陽(yáng)在天球上的周年視運(yùn)動(dòng)情況做如下描述。每年的春分日（3月21日），太陽(yáng)從赤道以南到達(dá)赤道（太陽(yáng)的赤緯占5=0。），地球北半球的天文春季開(kāi)始。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽(yáng)出于正東而沒(méi)于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。太陽(yáng)在正午的高度等于90。-巾（巾為觀(guān)察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋?。春分過(guò)后，太陽(yáng)的升落點(diǎn)逐日移向北方，白晝時(shí)間增長(zhǎng)，黑夜時(shí)間縮短，正午時(shí)太陽(yáng)的高度逐日增加。夏至日（6月22日），太陽(yáng)正午高度達(dá)到最大值90°-e+23o27'，白晝最長(zhǎng)，這時(shí)地球北半球天文夏季開(kāi)始。夏至過(guò)后，太陽(yáng)正午高度逐日降低，同時(shí)白晝縮短，太陽(yáng)的升落又趨向正東和正西。秋分日（9月23日），太陽(yáng)又從赤道以北到達(dá)赤道（太陽(yáng)的赤緯占5=Oo），地球北半球的天文秋季開(kāi)始。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽(yáng)又出于正東而沒(méi)于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。秋分過(guò)后，太陽(yáng)的升落點(diǎn)逐日移向南方，白晝時(shí)間縮短，黑夜時(shí)間增長(zhǎng)，正午時(shí)太陽(yáng)的高度逐日減低。冬至日（12月22日），太陽(yáng)正午高度達(dá)到最小值90°-e+23o27'，黑夜最長(zhǎng)，這時(shí)地球北半球天文冬季開(kāi)始。冬至過(guò)后，太陽(yáng)正午高度逐日升高，同時(shí)白晝?cè)鲩L(zhǎng)，太陽(yáng)的升落又趨向正東和正西，直到春分日（3月21日）太陽(yáng)從赤道以南到達(dá)赤道。計(jì)算太陽(yáng)高度角、方位角、日照時(shí)間1.4.1庫(kù)珀方程太陽(yáng)光線(xiàn)與地球赤道面的交角就是太陽(yáng)的赤緯角，以5表示。在一年當(dāng)中，太陽(yáng)赤緯每天都在變化，但不超過(guò)士23。27‘的范圍。夏天最大變化到夏至日的+23°27';冬天最小變化到冬至日的-238。太陽(yáng)赤緯隨季節(jié)變化，按照庫(kù)珀（Cooper）方程，由式（1-1）計(jì)算8=23.45sin（360x284+n） （1-1）365式中，n為一年中的天數(shù)，如:在春分，n=81則5=0，自春分日起的第d天的太陽(yáng)赤緯為5=23.45sin（2nd） （1-2）365表1-1給出了各月每隔4日的太陽(yáng)赤緯，這些數(shù)值在計(jì)算中十分有用。

a 太陽(yáng)赤籍⑴ 單位：A1234&&7910IjIKI-23-1—17-3-7.9q14.8El一923.EI8MS.B-2*5E2-2k：-22.7—16,2—4Er-flIfi.o22.522.917.2M—4,4—：5.4一5i-22,2-1<9-4.3h317.122.S22.5116.1$.6—S.9&6?泓713-21.G-C-3?&.f1心221.914.94.1Sf.7—wTO.9一心3-1.7ID.2IS-123.421.313.7LG-B.9ia.a?陌.3H-20.1-10-9-0.]11.6割頃23-4E0.fiLZ.41.0-10-4—：9」—23.4-J?-z—9,41.512,9W.K23r41U.S1Uj5一IL8一m.g-23.4-1.<2jc.[j14.221.S2；i.:i19.09,7-2.1-JLu-2L3—23f31.4.2太陽(yáng)角的計(jì)算如圖l一6所示，指向太陽(yáng)的向量S與天頂Z的夾角定義為天頂角，用L表示;向量Sz與地平面的夾角定義為太陽(yáng)高度角，用h表示；S在地面上的投影線(xiàn)與南北方向線(xiàn)之間的夾角為太陽(yáng)方位角，用Y表示。太陽(yáng)的時(shí)角用3表示，它定義為:在正午時(shí)3=0，每隔一小時(shí)增15o，上午為正，下午為負(fù)。例如:上午11時(shí)，3=15o;上午8時(shí)，?=15oX(12-8)=60o;下午1時(shí)，3=-15o;下午3時(shí)，3=-15oX3=-45o圖16太陽(yáng)甯的定義(l)太陽(yáng)高度角計(jì)算太陽(yáng)高度角的表達(dá)式為sinh=sinesin6+cos巧cos6cos3式中巾一地理緯度；6—太陽(yáng)赤緯；3一太陽(yáng)時(shí)角。正午時(shí)，3=0,cos3=1。式(1-3)可簡(jiǎn)化為sinh=sinesin6+cos巧cos6=cos(^-6)因?yàn)?，cos(e-6)=sin[90土(^-6)]所以，sinh=sin[90土(6—&)] (1-4)正午時(shí)，若太陽(yáng)在天頂以南，即6>5，取sinh=sin[90—(9-8)] (1-5)從而有，h=90+6-5在南北回歸線(xiàn)內(nèi)，有時(shí)正午時(shí)太陽(yáng)正對(duì)天頂，則有6=5從而，h=90o(2)太陽(yáng)方位角太陽(yáng)方位角按下式計(jì)算eg、sinhsin6-sin5 (〔^)cosheos6也可用下式計(jì)算sin="柄& (1一7)cosh根據(jù)地理緯度、太陽(yáng)赤緯及觀(guān)側(cè)時(shí)間，利用式(1-6)或式(1-7)中的任一個(gè)可以求出任何地區(qū)、任何季節(jié)某一時(shí)刻的太陽(yáng)方位角。(3)日照時(shí)間太陽(yáng)在地平線(xiàn)的出沒(méi)瞬間，其太陽(yáng)高度角h=0。若不考慮地表曲率及大氣折射的影響，根據(jù)式(1-3)，可得出日出日沒(méi)時(shí)角表達(dá)式TOC\o"1-5"\h\zcos?=-tan6tan5 (1-8)式中，3為日出或日沒(méi)時(shí)角，以度表示，正為日沒(méi)時(shí)角，負(fù)為日出時(shí)角；對(duì)于北半球，當(dāng)0TW—tan6tan5W1，解式(1-8)，有3=arccos(-tan6tan5) (1-9)因?yàn)镃oss。Cos(-30)，所以cOss。出=-3cos?。沒(méi)=3。求出時(shí)角s后，日出日沒(méi)時(shí)間用t^-^求出。一天中可能的日照時(shí)間由0 15°/h下式給出N=一arccos(一tan6tan5) (1-10)15太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)我們已經(jīng)知道，地球除自轉(zhuǎn)外并以橢圓形軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行，也就是說(shuō)，太陽(yáng)與地球之間的距離不是一個(gè)常數(shù)。這就意味著，地球大氣層上界的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨日地間距離的不同而不同。實(shí)際上，由于日地之間距離很大.其相對(duì)變化量是很小的，由此引起的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的相對(duì)變化不超過(guò)土％。這就意味著地球大氣層外的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度幾乎是一個(gè)常數(shù)。因此人們使用“太陽(yáng)常數(shù)”來(lái)描述大氣層上界的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。太陽(yáng)常數(shù)Isc的定義為:在平均日地距離時(shí)，地球大氣層上界垂直于太陽(yáng)光線(xiàn)表面的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)所接收到的太陽(yáng)輻射能。其參考值為Isc=(1367土7士7)w/m2。由上述定義知道，Isc是平均日地距離時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。若設(shè)大氣層上界某一任意時(shí)刻的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為I。，則I0=Isc[I+0.034008(2^5)]=Irn——距離1月1日的天數(shù)；r——日地間距引起的修正值。1.5.2太陽(yáng)光譜太陽(yáng)發(fā)射的電磁輻射在大氣頂上隨波長(zhǎng)的分布叫做太陽(yáng)光譜。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射光譜分布是地外太陽(yáng)光譜和大氣成分的函數(shù)，它對(duì)于地面太陽(yáng)能電池系統(tǒng)應(yīng)用及其他一些應(yīng)用是十分重要的。表1-2列出了太陽(yáng)光譜輻照度的積分值⑻表1-3列出了沒(méi)有大氣時(shí)地球表面水平面上太陽(yáng)輻射日總量月平均值⑶米甜先譽(yù)摘照度的租分]■Jt諾期熱度任其，0.151G-G. e：o.34導(dǎo).30.2W0-D..iLfifJ a,L6.0L;16.S0."SiC.3,箱口 Ar叫.$b：輜一I'ei.,頑＞M0h30.656?~0.fi77OZ?2.0SB"。炭。 ■「一￡?4&4卜F=1.口強(qiáng)織.932S,7K：海92,5?It) ai45.感I：47-0■Xs合計(jì)h：1377*it彼有太*i時(shí)地事水平面上太陽(yáng)轄新日總■月平均值蘋(píng)位；耳。3門(mén)舊〃5『-心月時(shí)度*.li."方4uP■1廠(chǎng)如就、哭，122-li2inr,1EE41沔41S囂■?5413051052站5524W袍211525S9172747233021況抑￡7432579跆捫幻朗1麗31727】必控街13紉翊2；32043122尊93幻膨器跖ME^21753417346；3430具m心34.12335)3Z7?31M3116g3心R351?翡783?J3海13$3135163S9135時(shí)WS照F3414W6351H8蹈gw1恭193174日m此&33213SL?3漩3217由643070踞57理82^1g3頃3M3斗心S748WS的H1323142MLam10274S^|]2^712155g170U-1席I1S2O111240421731931167?14LS11￡4S32邱目1"*223^1牌51徹|146211&3925兩①031

地面太陽(yáng)輻射的理論估算地面太陽(yáng)輻射包括直接輻射和散射輻射。直接接收到的、不改變方向的太陽(yáng)輻射稱(chēng)為直接太陽(yáng)輻射;接收到的被大氣層反射和散射后方向改變的太陽(yáng)輻射稱(chēng)為散射輻射。太陽(yáng)輻射穿過(guò)地球大氣層時(shí)，不僅受到大氣層中的空氣分子、水汽及灰塵所散射，而且受到大氣中氧、臭氧、水和CO2的吸收，所以經(jīng)過(guò)大氣而達(dá)到地面的太陽(yáng)直接輻射顯著衰減?？梢詮睦碚撋陷^嚴(yán)格地分析太陽(yáng)直接光譜經(jīng)大氣層后的衰減情況[7]。由于有關(guān)理論比較復(fù)雜且工程設(shè)計(jì)中不方便利用，本節(jié)將討論用一種較簡(jiǎn)單的方法，來(lái)估算太陽(yáng)直接輻射穿過(guò)大氣層后的強(qiáng)度。1.6.1大氣質(zhì)量“大氣質(zhì)量”是一個(gè)無(wú)量綱量，它是太陽(yáng)光線(xiàn)穿過(guò)地球大氣的路徑與太陽(yáng)光線(xiàn)在天頂角方向時(shí)穿過(guò)大氣路徑之比，并假定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1013265Pa)和氣溫0°C時(shí)，海平面上太陽(yáng)光線(xiàn)垂直入射的路徑為1。顯然，地球大氣上界的大氣質(zhì)量為零。當(dāng)天頂角為60o時(shí)，m=2。如圖1-7所示，A為地球海平面上一點(diǎn)，O,0’為大氣上界的點(diǎn)。S1-7大氣甌S1-7大氣甌ft示意太陽(yáng)在天頂位置時(shí)，太陽(yáng)光線(xiàn)路程0A為大氣質(zhì)量。太陽(yáng)位于S’點(diǎn)時(shí)，大氣質(zhì)量為O'AO'Am(h)=^T=Se"「sinh(1-11)式(1-1)是從三角函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出來(lái)的，是以地表為水平面，忽略了大氣的曲率及折射因素的影響.當(dāng)hN30o時(shí)，式(1-11)計(jì)算值與大氣質(zhì)量的觀(guān)測(cè)值非常接近，其精度達(dá)；但當(dāng)h<30o時(shí)，由于折射和地面曲率的影響增大，式(1-11)計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。在太陽(yáng)能電池應(yīng)用系統(tǒng)工程計(jì)算中，可采用下式計(jì)算m(h)=[1229+(614sinh)2]1/2-614sinh (1-12)在中國(guó)日射觀(guān)測(cè)站，當(dāng)h<20°，采用表1-4查算大氣質(zhì)量m值。哀1-4大％盾?小戕】0,00.:020.30.4<1.50L6山？!0M鼓)、127*目26.0跖024.&24-023,022o?1.020.720.4-220.0IS.E1501S.513.71乩0LL516-51孔0戚？315.915,414.114.4H.D14-0L3.813-31J.012,t41已<32.3U.D11.SIk61L61L+H.010.B10.65m1Hi.U%V9.79-7SLfi乳4S.Z3.0G8,9S.?&G&58.48.4&3乩1E-百了.97737.77、67.S7.41.4?.37.?.717.nS6.!&8&76.6?.66UA3以396,2&L&06.Q札。堆5,8%E5.83一7S.6小5M5.6535UE.4機(jī)311535.2S.1牝05.05.04.94.9<E4.8134.S4.74.7農(nóng)74.64.6L64蕓434.44,44.44,44.34.34,i4.3L2七2七1144.1L[4.14.04.04.04M3-92-0n.9153.83,83.83.7亂T土73,73.6163.G年C1.53.5a.5土5&5乩43.4173.43」3,3&33.33.3土i3,3土23.21833333.23.23.13.13.13,]111.]L93,G3.03.。&03.03.0*0有2.9&9溫度對(duì)m影響，一般可以忽略不計(jì)。對(duì)于海拔高度較大的地區(qū)，應(yīng)對(duì)大氣壓力進(jìn)行訂正，即P(z)m(z,h)=m(h^——- (1-13)7b0式中Z 觀(guān)測(cè)地點(diǎn)的海拔高度；P(z) 觀(guān)測(cè)地點(diǎn)的大氣壓，以Pa表示。1.6.2.大氣透明度的引入在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，必須掌握到達(dá)該地區(qū)的太陽(yáng)輻射能，即掌握該地區(qū)太陽(yáng)輻射的年、月總量。由于太陽(yáng)輻射觀(guān)側(cè)站很稀疏，靠觀(guān)測(cè)站提供的資料遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需要。所以借助理論計(jì)算是十分必要的。有人提出用下式計(jì)算太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣后的強(qiáng)度I=IPmsc式中P一大氣透明度；m—大氣質(zhì)量。太陽(yáng)輻射能在通過(guò)大氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定衰減，表征大氣對(duì)輻射衰減程度的一個(gè)重要參數(shù)就是大氣透明度。根據(jù)布克一蘭貝特(Bonguer-Lambert)定律，當(dāng)波長(zhǎng)為入的太陽(yáng)輻射I0,入經(jīng)過(guò)dm厚的大氣層后，輻射衰減量為 °dI=-aI,dm式中，a.為大氣消光系數(shù)。將上式積分，得""°"【或【「"把式中PA-單色光譜的透明度或“透明系數(shù)”；I0L波長(zhǎng)為人的輻射的初始強(qiáng)度；,Ix-通過(guò)大氣的波長(zhǎng)為孟的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。設(shè)投射到地表法向單色光的光譜輻射強(qiáng)度為In.則對(duì)全色太陽(yáng)光，只要將上式對(duì)整個(gè)波長(zhǎng)從0—8積分便可得到In=卜七3=卜LJ：d入 (1-15)0 0 A設(shè)整個(gè)太陽(yáng)輻射光譜范圍內(nèi)單色透明度的平均值為Pm，可把P。拿到積分號(hào)外使上式改寫(xiě)成、、"["【。，世 (1-16)由此得到(1-17)Pm=(I(-j^~)1/msc(1-17)七與口有著復(fù)雜的關(guān)系，它表征著大氣對(duì)太陽(yáng)輻射能的衰減程度。表1-5給出各種大氣透明度下太陽(yáng)直接輻射的平均強(qiáng)度與大氣質(zhì)量的關(guān)系[9].。各種大氣HS明度下大■宜接輯射的平均強(qiáng)度與大■新■的關(guān)聚單位trfl]/CcmJ*min)pz1 風(fēng)代表值苞增H53210.60WUM古E0.158X湖■39&(X5220.69$0.8520.敏5?E750,2440M醐0-64?4g】.onl0.?00.675—0.?￡50,昭“5330.791U.S60】.[河0.75O.7E6—0.7750*700.B82G.791(J.92^1.ID21.脂二0,80U.7布?化沏h0.6003.9的L0&3L.m1.3"以5事58納0,748fl957L0H7].1M1.S5C1.4i2注：會(huì)中1^-1.]8JP全書(shū)慟.1.6.3垂直于太陽(yáng)光線(xiàn)的地表上的直接輻射弧度觀(guān)察式(1-16)，p與m相關(guān)。為了簡(jiǎn)化，通常將大氣透明度訂正到某一給定的大氣質(zhì)量，例如，將七二修正到m=2的透明度七，這時(shí)，計(jì)算垂直于太陽(yáng)光表面上的直接輻射強(qiáng)度公式為=Iscpm (1-18)對(duì)于大多數(shù)地區(qū)而言，直接根據(jù)日射觀(guān)測(cè)資料來(lái)確定勿是可能的。只要近似地確定p2值，利用式(1-18)便可計(jì)算出到達(dá)地表法線(xiàn)方向人射的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。 2為了應(yīng)用方便，將m換成太陽(yáng)高度角，在日地平均距離時(shí)各種大氣透明度下直接輻射的平均強(qiáng)度隨太陽(yáng)高度角的變化見(jiàn)表1-6。利用這個(gè)表，根據(jù)太陽(yáng)高度角可查出某一透明度的輻射強(qiáng)度值，經(jīng)日地距離修正(即乘以r，便可得出某一透明度下法向太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度I.b,n值。各地區(qū)四季的大氣透明度可通過(guò)查閱資料確定。

廉1書(shū)各種大代謝明度下大陽(yáng)重援耦射骨度與太陽(yáng)高魔H陶關(guān)裹〔H，甲酒距將】草Urji'/(cni-rmin>高度角代表由苞囤71015況服.膈+050機(jī)1900P60!ni7Q.26U.410.54*63此73a83U.EJ4頃41-05成茂D.625-0.6750.250.3B0.55U.fi?0.760.刖0.931.081.IS1.161.IT0.35。一口!i.a?n.7?I'-部n.mLM1.*1-51L.泗1.^70.C.726 7130,810.93LC21.10211.271一孫1.孫L370.￡：■C.776一0.825515,a,L061.IS1-我LIE1.3?1.411.441.46。?前■id.e77\p打|1.08L冀曰J.ML3SJ.4Z1.4113]1一彌1M1.6.4水平面上的直接太陽(yáng)輻射前面已經(jīng)分析了到達(dá)地表與太陽(yáng)光線(xiàn)垂直的表面上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，借此，不難求出水平面上的直接太陽(yáng)輻射。如圖1-8所示，AB面代表水平面，AC面代表垂直于太陽(yáng)光線(xiàn)的表面.由^ABC有圖1書(shū)百接太町堆射隔陛與

本用高度角的關(guān)系A(chǔ)C=ABsinh由于太陽(yáng)直接人射到AC和AB平面上的能量是相等的，如以H表示，則Ib,nACIIb,nACIH,_H=AB從而?cos。？H,bb,nb,?cos。？H,bb,nb,式中，IHb為水平面上太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度，度。將式(1-1)代人式(1-19)中，得到(1-19)顯然h=90。時(shí)，地表面獲得最大太陽(yáng)輻射強(qiáng)IH,b=rIscIH,b=rIscPMsinh將式(1-20)從日出至日沒(méi)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，I』rIpmsinhdt=rIfH，b0scM(1一20)則水平面上直接太陽(yáng)輻射通量為sc'pm(sin。sin&+cos巾cos&cos3)dtT上式中，若dt用時(shí)角表示，dt勺，則上式變?yōu)镮b=7nrI代P#(sin6sin6+cos^cos5cos?)do (1-21)式中T 一晝夜長(zhǎng)，24hFf一日出和日沒(méi)時(shí)角。式(1-21)只是一種數(shù)學(xué)表達(dá)式.實(shí)際上，由于P?很復(fù)雜，不便直接積分，所以通常的辦法是按一個(gè)小時(shí)一個(gè)小時(shí)計(jì)算，而每個(gè)小時(shí)內(nèi)的直接太陽(yáng)輻射總通量可根據(jù)其平均太陽(yáng)高度角查表通過(guò)計(jì)算求得。設(shè)某一小時(shí)平均太陽(yáng)高度為h『這樣，第i小時(shí)內(nèi)水平面上的直接太陽(yáng)輻射總通量為IHb=60-rI'bnsinhi (1-22)假定一夭內(nèi)從日出到日沒(méi)共N個(gè)小時(shí)，則水平面上直接太陽(yáng)輻射日總量由下式?jīng)Q定(1-23)H=￡h=1L60?rl<Sinh(1-23)i=1 i=1知道了日總量，月總量和年總量通過(guò)計(jì)算不難求出。工程中常用的計(jì)算太陽(yáng)輻射的方法中介紹了利用大氣透明度的方法估算地面直接太陽(yáng)輻射。實(shí)際上對(duì)于確定的地點(diǎn)，通?？梢灾涝摰攸c(diǎn)全年各月水平面上的平均太陽(yáng)輻射資料(總輻射量、直接輻射量或散射輻射量)，因此工程中常利用采用以下方法計(jì)算斜面上的太陽(yáng)輻射，并選擇最佳傾角。確定朝向赤道傾斜面上的太陽(yáng)輻射量，通常采用Klein提出的計(jì)算方法:傾斜面上的太陽(yáng)輻射總量H，由直接太陽(yáng)輻射量Hbt、天空散射輻射量Hdt和地面反射輻射量Hrt三部分所組成。 「 「 'Hi=Hbt+Hdt+Hrt對(duì)于確定的地點(diǎn)，知道全年各月水平面上的平均太陽(yáng)輻射資料(總輻射量、直接輻射量或散射輻射量)后，便可以算出不同傾角的斜面上全年各月的平均太陽(yáng)輻射量。下面介紹相關(guān)公式和計(jì)算模型。計(jì)算直接太陽(yáng)輻射量Hbt，引人參數(shù)Rb，Rb為傾斜面上直接輻射量Hbt與水平面上Hb直接輻射量之比。 ” ”R=Hbt.bHb上述公式中傾斜面與水平面上直接輻射量之比Rb的表達(dá)式如下cos(6-s)cos8sinh'+( )hfsin(6-s)sin5s180scos6cos5sinh,+(_^)h^sin6sin5式中，s為光伏陣列傾角，5古為太陽(yáng)赤緯；hs為水平面上日落時(shí)角；h'從為傾斜面上日落時(shí)角，6為光伏供電系統(tǒng)的當(dāng)?shù)鼐暥?。太?yáng)赤緯5可以利用式(1-1)計(jì)算。水平面上日落時(shí)角hs，可以利用式(1-9)計(jì)算。傾斜面上口落時(shí)角h的表達(dá)式如下sh'=min{h,cos-1[-tan(。一s)tan5]}對(duì)于天空散射采用Hay模型。Hay模型認(rèn)為傾斜面上天空散射輻射量是由太陽(yáng)光盤(pán)的輻射量和其余天空彎頂均勻分布的散射輻射量?jī)刹糠纸M成，可表達(dá)為H=H[Lr+0.5(1-H)(1-coss)]

dtdHb h式中，Hb和Hd分別為水平面上直接和散射輻射量;H。為大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量，其計(jì)算公式如下H=—I[1+0.033cos(36°”)]x[cos?cos5sinh+(之弗)sin?sin5]o兀sc '365 s'360式中，七為太陽(yáng)常數(shù)，可以取Isc=1367W/E。對(duì)于地面反射輻射量Hrt，其公式如下H=pH(1一coss)式中，H為水平面上總輻射量;p為地物表面反射率。一般情況下，地面反射輻射量很小，只占H1的百分之幾，可以參見(jiàn)表1-7。騷1-7地面與水面的反鼾隼 杏抖地的的反射率:*地1印檻于地面狀態(tài)魔射率r煤黑土14時(shí)]，濕黑土干砂地干規(guī)色地面9cl干覃地15—25■IU-70海二地 26水而對(duì)苴的反射率03040&0t-D?08590反射率J%Z.0z.a2.]L]務(wù)5S.4田0EA34一85B.,4偵&(i這樣，求傾斜面上太陽(yáng)輻射量的公式可改為H=HR+H[——R+0.5(1———b)(1+coss)]+0.5pH(1—coss)bbbdh0 h根據(jù)上面的計(jì)算公式就可以將水平面上的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成斜面上太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，基本的計(jì)算步驟如下。定所需的傾角s和系統(tǒng)所在地的緯度巾。到按月平均的水平面上的太陽(yáng)能輻射資料H確定每個(gè)月中有代表性的一天的水平面上日落時(shí)間角h和傾斜面上的日落時(shí)s間角h；，這兩個(gè)幾何參量只和緯度和日期有關(guān)。定地球外的水平面上的太陽(yáng)輻射，也就是大氣層外的太陽(yáng)輻射H。，該參量取決于地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道。 °算傾斜面與水平面上直接輻射量之比Rh。算直接太陽(yáng)輻射量Hbt算天空散射輻射童Hdt。確地物表面反射率，計(jì)算地面反射輻射量七。將直接太陽(yáng)輻射量Hbt、天空散射輻射量Hdt，和地面反射輻射量Hrt。相加得到太陽(yáng)輻射總量H " " "t中國(guó)太陽(yáng)能分布?xì)夂驅(qū)W家根據(jù)太陽(yáng)輻射在緯度間的差異，將世界劃分為4個(gè)氣候帶，其名稱(chēng)和范圍是:赤道帶一南北緯10。內(nèi)，熱帶緯度10°-回歸線(xiàn)。）溫帶回歸線(xiàn)至極圈。?。），寒帶極圈以?xún)?nèi)。?90°）。在中國(guó)，氣象部門(mén)將熱帶氣候進(jìn)一步分為南熱帶、中熱帶、北熱帶、南亞熱帶、中亞熱帶、北亞熱帶。世界太陽(yáng)能資源分布情況如下：太陽(yáng)能資源豐富程度最高地區(qū)為:印度十巴基斯坦、中東、北非、澳大利亞和新西蘭;而太陽(yáng)能資源豐富程度中高地區(qū)為:美國(guó)、中美和南美南部；太陽(yáng)能資源豐富程度中等地區(qū)為：西南歐洲、巴西、東南亞、大洋洲、中國(guó)、朝鮮和中非；太陽(yáng)能資源豐富程度中低地區(qū)為;東歐和日本;太陽(yáng)能資源豐富程度最低地區(qū)為:加拿大與西北歐洲。我國(guó)是世界上太陽(yáng)能最豐富的地區(qū)之一，特別是西部地區(qū)，年日照時(shí)間達(dá)3000h以上。太陽(yáng)能分布最豐富的是青藏高原地區(qū)，可與地球上最好的印巴地區(qū)相媲美。全國(guó)2/3以上地區(qū)的年日照大于2000h，年均輻射量約為5900MJ/E。青藏高原、內(nèi)蒙古、寧夏、陜西等西部地區(qū)光照資源尤為豐富，而我國(guó)無(wú)電地區(qū)大多集中于此。我國(guó)各地區(qū)的太陽(yáng)能資源分布如圖1-9所示。7# 獻(xiàn)9曠LOO'lie：12b L40-nnq中國(guó).拍陽(yáng)能資源分布太陽(yáng)能在廣東的分布也是比較豐富的，下面以廣州為例對(duì)太陽(yáng)能情況進(jìn)行分析。廣州地區(qū)位于廣東省中部，北接南嶺余脈，南臨南海洋面，屬于南亞熱帶氣候。廣州地區(qū)包括十區(qū)和兩個(gè)縣級(jí)市，從化及花都北部和增城北部約占廣州1/3的地區(qū)在北回線(xiàn)以北，其余2/3地區(qū)位于北回歸線(xiàn)以南。廣州亞熱帶季風(fēng)氣候顯著，全年氣溫暇熱少寒，夏長(zhǎng)冬短，雨量充沛，雨季明顯，陽(yáng)光充足。現(xiàn)從氣象部門(mén)對(duì)廣州地區(qū)1951?1993年的太陽(yáng)輻射、日照天氣的有關(guān)報(bào)道的內(nèi)容進(jìn)行匯總，以利于光伏設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)作必要的參考。廣州地區(qū)年總輻射量在4400?5000MJ/（E?a）之間，其量自東南向西北遞減。其中番禺南部珠江口