太阳辐射和我国太阳能资源

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3.865×1023kW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1.765×1014kW，经过大气层的衰减到达地球表面的约占47%，即8.3×1013kW，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

1.74×1013kW，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=2.9979×108m/s。光在真空中的波长λ和频率f有如下关系：

λ=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/λ(1-2）

式中，?=6.626×10-34J·s是普朗克（Planck）常数。光子的能量还常用电子伏特（eV）来表示，1eV=1.602×10-19J。

太阳的电磁辐射包含了从波长小于10-14m的γ射线到Χ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λ(m)与能量E(eV)之间的关系如图1-1所示。

图1-1太阳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0.15～4μm 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/（m 2·μm），是表示以λ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0.40～0.76μm 范围的辐射为可见光，只占其中很窄的波段，波长范围0.005～0.40μm 为紫外光，波长范围0.76～1000μm 为红外光。在可见光范围内，不同波长的辐射有不同的颜色，0.40～0.45μm 波段是紫光，0.45～0.48μm 波段是蓝光，0.48～0.55μm 波段是绿光，0.55～0.60μm 波段是黄光，0.60～0.64μm 波段是橙光，0.64～0.76μm 波段是红光，光谱辐照度最大值所对应的波长为0.475μm，属于蓝光。紫外光还可以分近紫外（0.4～0.31μm）、中紫外（0.31～0.17μm）和远紫外（0.17～0.005μm）。红外光还可以分近红外（0.76～3μm）、中红外（3～6μm）、远红外（6～15μm）和超远红外（15～1000μm）。

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Χ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W 。s J W 11 。

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2m W 。当计量单位中的能量用卡（cal ）

表示时，可以按以下关系式进行转换：min)(12•cm cal =697.82m W ，12m W =0.86)2h m kcal •。

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2m h kW •。当计量单位中的能量用焦耳（J )或卡（cal ）表示时，其转换关系为12m MJ =0.27782m h kW •=0.02392cm kcal 。

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12m kW 辐照度下照射的小时数。因为光伏组件的最大功率是在12m kW 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)(2a m h kW ••，倾角为25o 的斜单轴太阳跟踪装置上的年平均辐照量为2511)(2a m h kW ••，则水平面年平均峰值日照时数为1705)(2a m h kW ••÷12m kW ÷365a d =4.67d h ，斜单轴太阳跟踪装置上的年平均峰值日照时数为2511)(2a m h kW ••÷12m kW ÷365a d =6.88d h 。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1202m W 以上的时间长度。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=1.496×108km ）处，单位时间内入射到与