太阳辐射基础知识

二、地球与太阳的运动规律
众所周知，地球每天绕着地轴，自 西向东地自转一周。每转一周（360） 为一昼夜，一昼夜又分为24小时，所 以地球每小时自转15。 地球除了自 转外，还围绕着太阳循着偏心率很小 的椭圆轨道（黄道）运行，称为“公 转”，地球在黄道上公转一周为一太 阳年.
1、四季的形成
地球在黄道面上绕太阳运行时，地轴 与黄道面的法线成2327的夹角。而且地球 的自转轴公转时在空间的方向始终不变， 总是指向天球的北极。因此，地球处于运 行轨道的不同位置时，阳光投射到地球上 的方向也就不同，这就使得太阳光线有时 直射赤道，有时偏北，有时偏南，形成地 球的四季变化。
五、到达地球表面上的太阳辐射能
覆盖地球的大气层主要由氮气（78%） 和氧气（21.9%）组成，还有其他气体包 括二氧化碳和一些稀有气体等组成。大 气中还有尘埃。 地球大气外的太阳辐射能基本上是一 个常数，经过大气层后，要受到一系列 因素的影响，实际到达地球表面上的太 阳辐射能将有所衰减。

一般说来，晴朗天气，赤道上空直射 时的太阳辐射能只有大气外的60%－ 70%。而阴雨下雪天，地球表面只能接 受到一些散射光。据估计，反射回宇 宙的能量约占总量的30%左右，被吸收 的约占23%，其余47%左右才能到达地 球的陆地和海洋表面。
4、太阳入射角
太阳入射角是太阳直射光线与壁面 法线之间的夹角。太阳入射角随太阳 高度角、方位、壁面方位、壁面倾斜 度的不同而改变。入射角的大小影响 壁面接收到的太阳辐射量。壁面直立 时太阳入射角的计算式cosi=coshcosε式 中：I为太阳入射角；h为太阳高度角； ε为壁面太阳方位角。
四、太阳常数
3．商品能源与非商品能源（传 统能源）
以经济流通领域中的地位加以 区分。商品能源是指进入市场用货 币进行交易的能源，如煤炭、石油 及其制品、焦炭、电力等。非商品 能源是指那些一般不通过市场的能 源，如某些传统能源，秸秆、薪柴、 牲畜粪便等。
4．一次能源与二次能源
自然界现成存在，可直接取 得而又不改变其基本形态的能源称 为一次能源，或称初级能源，由一 次能源经过加工转变成另一种形态 的能源产品叫二次能源，也称次级 能源。
5．农村能源
农村能源这个名词不是能源分类学 上的一个概念，它是能源管理工作上 的一种划分。其研究对象和内容是指 农村当地各种自然资源的开发和利用， 包括农村地区商品能源的供应和消费； 能源技术应用、推广；能源使用中的 管理；能源技术和产品的服务社会化 和市场化问题等等
第二节 太阳与地球
一、 太阳能
5、南北回归线
太阳的赤纬角随季节在南纬 2327与北纬2327之间来回变动， 在地理纬度上将南、北纬2327的 两条纬线称为南、北回归线。
对于在某一地区随季节变化 的太阳赤纬角，可由下式计算:
284 n 23.45 Sin 360 365
式中，n-----一年中从元旦日算起的天数，如 春分，n=81，则=0。 自春分日算起的第d天的太阳赤纬为：
1．可再生能源与不可再生能源
在自然界中可以不断再生并 有规律地得到补充的能源，称之为 可再生能源。经过亿万年形成的、 短期内无法恢复的能源，称之为不 可再生能源，它随着大规模地开采， 储量越来越少，总有枯竭之时。
2．常规能源与非常规能源（新 能源）
在一定历史时期和技术水平下， 已经被人们广泛应用的能源，称之 为常规能源。许多古老的传统能源 和太阳能、风能、生物质能等若采 用先进的方法加以广泛利用，以及 用新发展的先进技术利用的能源， 如氢能等称之为新能源。
大气质量示意图
大气质量与太阳高度角的关系
为了能够方便地研究太阳辐射受地球大气衰减作 用的影响，将太阳辐射通过大气的厚度称为大气质 量，以m表示。并且把垂直于海平面的整个大气厚度 定义为“一个大气质量”，即m=1，如上页图，A为 地球海平面上的一点，O是太阳S在天顶位置时大气 层上的点，S´是太阳的实际位置，它通过大气层上 的界的Q´点射到A点，这时的大气质量为：（h为太 阳高度角）
太阳高度角是太阳辐射测量和太阳能利 用研究中不可缺少的基本参量。 在讨论地 球的自转和公转对地球上昼夜和四季变化 的关系时，若先不考虑地球的公转，则地 球每24小时自转一周，形成昼夜；因为地 球由西向东自转，所以从北半球的某一纬 度来说，看到太阳东升西落，太阳光线与 地平面之间的夹角，随着时间的不同而有 所变化。太阳光线与地平面之间的夹角， 就称为太阳高度角或简称太阳高度，用h表 示。
2d 23.45 Sin 365
三、太阳和地球的关系
h


我们居住的地球直径是12720km,从地球上 看太阳，太阳圆盘存在0.5°的张角。 地球围绕太阳转动（公转），每圈约365天 多一点；地球自身也自转，24小时一圈。 地球自转轴指向北极星，它和公转平面法 线之间存在一个23.5°的夹角。正是由于这 个夹角的存在，地球上同一个地方才会存 在一天中离太阳距离的变化，给我们带来 四季的气候变化，如此周而复始。
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太阳的能量通过太阳核心在高温高压 下得核聚变反应产生。 每秒钟从太阳表面辐射出的能量约 3.8×1023KJ。太阳的预测寿命是100 亿年，迄今太阳的年龄大约45亿年。 由于地球上人类的生存依赖于太阳辐 射，因此，如果太阳辐射大大减弱甚 至消失，人类将不能存活。由此人们 说太阳能是相对于地球取之不尽用之 不竭的绿色可再生能源。
第一节 能源及其分类
一、能源的概念
能源指人类获取能量的来源， 是可以直接或通过转换提供人类所 需的有用能的资源，包括已开采出 来可供使用的自然资源与经过加工 或转换的能量来源。
二、能源的分类
世界上的能源可以分为10余种 类型：化石能源（煤炭、石油、天 然气）、水能、电能、太阳能、生 物质能、风能、海洋能、地热能、 原子能、氢能、潮汐能和受控热核 聚变能等。这是能源的基本形式

1 m sinh
六、直接、间接与总辐射
到达地面的太阳辐射有两部 分：一是太阳以平行光线的形 式直接投射到地面上的，称为 太阳直接辐射；一是经过散射 后自天空投射到地面的，称为 散射辐射，两者之和称为总辐 射。
1、直接辐射
太阳直接辐射的强弱和许多因子有 关，其中最主要的有两个，即太阳高 度角和大气透明度。太阳高度角不同 时，地表面单位面积上所获得的太阳 辐射也就不同。这有两方面的原因： （1）太阳高度角愈小，等量的太阳辐 射散布的面积就愈大 ；（2）太阳高度 角愈小，太阳辐射穿过的大气层愈厚 。
太阳是地球上能源的根本。除了核能和 地热能，地球上几乎所有的能源形式都直 接或间接地和太阳有关。通俗地讲，离地 球约1.5亿公里的太阳就是一个火球。太阳 从质量组成而言，主要是由地球上最轻的 元素氢组成，占78.7%；此外，氦占19.8%， 剩余的1.5%由种类繁多的金属和其他元素 组成。太阳直径139公里，总质量约 1.99×1027t,因此太阳的平均密度为1.4g/cm³ 。
正午时，=0，cos=1。 太阳高度角计算可以简化为：
sin h=sinsin+coscos=cos(-)
因为 cos(-)=sin[(90(-)) 所以 sin h=sin[90(-)]
正午时，若太阳在天顶以南，即， 取 sin h=sin[90-(-)] ，从而有： h=90－＋ 在南北回规线内，有时正午，太阳正对 天顶，则有=，从而，h=90 。 需要注意的是，在进行计算时作如下规 定：对于北半球，地理纬度取正值；太阳赤 纬角在太阳位于赤道以北时取正值，位于赤 道时取00，位于赤道以南时取负值。太阳高 度角也可通过简单的图算方法得到，可查阅 有关的资料。
太阳高度一天中每时每刻都在变化， 在天文学中，太阳高度角h可通过下式 求出
sin h=sinsin+coscoscos
式中，为观测点的地理纬度；为 当日观测时刻的太阳赤角；为观测时 刻的太阳时角。 其中单位均以度计。
太阳的时角
定义为：在正午时=0，每隔 一小时绝对值增大15，上午为正， 下午为负。 例如：上午11时，=15；上 午8时，=15×（12－8）=60； 下午1时，=－15；下午3时=－ 15×3=－45。

令人惊奇的是，由于地球自转轴相对 于公转轴的倾斜角，在地球极地夏天 接收的太阳辐射要高于赤道地区，而 在热带地区却没有明显的四季之分， 在极地地区夏天接收的太阳辐射要高 于赤道地区，而在热带地区却没有明 显的四季之分，在极地地区夏天和冬 天存在长时间的日照或者极短的日照 这两种极端情况。
1、太阳的高度角与方位角
太阳常数Io的数值是指在日地平 均距离（即1.495×108km）时，地球 大气上界垂直于太阳光线的单位面积 上在单位时间内所接受到的太阳辐射 的辐照度。其单位一般采用千瓦／米２。
如前所述，地球除自转外并循 椭圆轨道绕太阳运行，这就说明太 阳至地球之间的距离不是一个常数。 然而，由于日地间距很大，当 日地距离等于其平均距离时，太阳 张角才32，这就是说，地球大气 层外的太阳辐照度几乎是一常数。 因此人们使用“太阳常数”来描述 大气上界的太阳辐照度。

太阳结构上由大气和内部两大部分组成， 太阳大气自里向外分为光球、色球和日冕3 个层次；内部向外则分为对流层、中介层 和核心3个层次。在太阳核心部分，氦占到 65%,而氢则下降到35%。太阳内部温度高达 1500万度，压力有3400多个标准大气压， 物质在这个条件下呈等离子体状态。太阳 核心和太阳大气之间存在很大的压力和温 度梯度，由于太阳核心强大的重力吸引， 使得太阳外层能紧密和核心连在一起。
太阳辐射的光谱分布图
（a，大气外；b，6000K的黑体辐射；c，海平面上）
不同光区的太阳辐射能量数值
光 区 紫外光区 可见光区 红外区
波长范围（微米） 0—0.4 95 相应的辐射能流 密度（瓦/米2） 所占总能量的百 8.3 分数（%）
0.40—0.76 0—0.4 640 618 40.3 51.4
由于世界各地所定的太阳常 数标度不统一，太阳常数的数 值有不少差异。现在已能用气 球、火箭、卫星等高新技术在 空间进行测量，提高了太阳常 数的测量精度。1981年10月召 开的世界气象组织仪器和观测 方法委员会会议上确定太阳常 数的数值为1367瓦/米2。
五、太阳辐射光谱
太阳以光辐射的形式将能量传送到 地球表面，但由于地球大气层的存在， 到达地面的太阳光谱与大气上界的太 阳光谱有所不同，其辐射光谱分布如 图所示。图中阴影部分，表示太阳辐 射被大气所吸收的部分。 太阳辐射能主要分布在0.4－3.0微米 之间，即集中在可见光和红外光谱区。
2、太阳方位角
太阳方位角是指某一时刻，从 地面某一观察点向太阳中心作连线， 该连线在地平面上有一投影，该投 影与正南方的夹角为太阳方位角。 并规定正南方为0，向西为正值， 向东为负值，其变化范围为180。 方位角以表示。
3、太阳方位角计算
太阳方位角按下式计算：
sinh sin sin cos cosh cos
也可用下式计算：
cos sin sin cosh
根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间， 利用式或中的一个即可求出任何地区、任何 季节某一时刻的太阳方位角。 一天当中，太阳高度角及方位角是不断 变化的，同一时刻地球上不同地点的太阳高 度角和方位角也不相同。太阳在天空中的位 置，通常也用这两个参量来描述。掌握太阳 高度角和方位角的变化规律，对有效地利用 太阳能具有重要意义。
2、太阳赤纬角
地球公转一周，形成四季，四季的重 要特征有两点：一是气温高低不同；二是 昼夜长短互异。四季的形成主要是由赤纬 角的变化而引起的。 太阳光线与地球赤 道平面夹角称为太阳赤纬角，简称赤纬， 以“”表示，它是以年为周期的变化量， 并规定以北为正值。
3、地球公转行程图
4、地球受太阳照射的变化