太阳辐射

ห้องสมุดไป่ตู้位角
方位角就是太阳光线在地平面上投影和地平面
上正南方向线之间的夹角。它表示太阳光线的水
平投影偏离正南方向的角度，取正南方向为起始
点，向西（顺时针方向）为正，向东为负。
6 太阳的方位
正午时分的太阳方位角和太阳高度角是摆放太阳能 电池板时所使用到的两个重要角度参数。如果想要 计算一整天的太阳位置，就必须计算一整天的太阳 高度角和方位角。这些角度将使用“太阳时间”来 计算。按传统的计时方式，地球被分成不同的时区 。然而，在这些时区里，正午时分并不一定就是太 阳处在最高处的时候。
• 入射光的散射导致的径直和分散的辐射 散射光的方向是杂乱无章的，也叫分散光。由于散射光主 要是蓝光，所以除了太阳所处的区域外，来自天空所有区 域的光都呈现蓝色。在天气晴朗的日子，入射光线中大概 有10%会被散射。
红光的波长大于多数的粒子线 度，不会受影响。 蓝光的波长与大气中粒子线度相 当，所以被强烈散射 。
4 太阳的偏向角
偏向角，用符号δ 表示，由于地球绕其轴的自转和绕太阳 的公转而存在季节性的变化。地球相对于公转平面是倾斜 了23.45°，偏向角的大小就在±23.45°之间变化。只有 在春分日和秋分日的时候偏向角才会等于0°。
太阳偏向角就是指赤道平面与地球中心点--太阳中心点 的连线的夹角。
在二分日（3月22日春分日和9月22日 秋分日）时偏向角为0°，在北半球夏天时 角度为正，冬天时为负。在夏至日6月22日 偏向角达到最大值23.45°（北半球夏至日 ）而在12月22日达到最小值-23.45°（北 半球冬至日）。
当地太阳时间（LST）和当地时间(LT)
当地太阳时间（LST）中午12时是指太阳升到最高处的时刻。 由于地球轨道的偏心率和人类对时区和夏令时的调整，当地 时间(LT)一般不等于当地太阳时间。
当地标准时间子午线（LSTM）
当地标准时间子午线（LSTM）是特定时区所采用的基准子午 线，它类似于格林尼治时间使用的本初子午线。
E=dF/(ds.dt)
dF ds
dF
ds
辐射通量密度又被称为辐射强度、辐射能力或放射能力。
§2.2 太阳辐射
一、太阳辐射强度和太阳常数
太阳辐射强度 （太阳辐射通量密度） 太阳辐射强度及单位
定义：单位时间内投射到单位面积上的太阳辐射能量。 单位：W· m-2
太阳常数 （S0）
太阳常数及变化范围 定义：当地球位于日地平均距离时(约为1.496×108km)， 在地球大气上界投射到垂直于太阳光线平面上的太
• 入射光的散射导致的径直和分散的辐射 当光穿过大气层被吸收的同时也发生散射。大气中光的散射 机制之一就是人们熟知的瑞利散射，它由大气中的分子引起 。瑞利散射对短波光（如蓝光）作用效果显著 。气溶胶和 尘埃粒子也会使入射光产生散射。
红光的波长大于多数的粒子线 度，不会受影响。
蓝光的波长与大气中粒子线度相 当，所以被强烈散射 。
上述效应影响了地球表面对太阳辐射的吸收, 包括总的吸收能量和光谱含量的变化，以及 光射到地球表面的角度变化。另外，不同的 地方其太阳辐射的易变性也有很大差别。
易变性即受云层和季节变化等地方因素影响 ，又受其它例如不同纬度白天的长短不同等 因素影响。沙漠地区由于云层等大气现象比 较稳定而拥有较低的易变性。而在赤道地区 ，季节的变化也比较小。
太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收 集器件获得的能量。当太阳光垂直入射到 吸收平面时，在平面上的功率强度等于入 射光的功率强度。当太阳光与吸收平面的 角度改变时，其表面的功率强度减小，相 对的功率强度为最大值乘于cos（θ），其 中θ为太阳光与器件平面之间的夹角。
地球上某固定点与太阳的夹角决定于其所 处的位置（地点所在的经度）、一年中的 日期和一天中的时间。另外，太阳升起和 落下的时刻决定于位置所在的经度。因此 ，刻画地球上某固定地点的太阳高度角需 要纬度、经度、一年中的日期和一天中的 时间。
2 大气质量
• 大气质量被定义为光穿过大气的路径长度，长度最短时的 路径（即当太阳处在头顶正上方时）规定为“一个标准大 气质量”。“大气质量”量化了太阳辐射穿过大气层时被 空气和尘埃吸收后的衰减程度。大气质量由下式给出：
1 AM cos
式中θ表示太阳光线与垂直线的夹角，当太阳处在头顶时， 大气质量为1。 “大气质量”描绘了 太阳光到达地面前所 需走过的路程与太阳 处在头顶处时的路程 的比例，也等于Y/X.
5 仰角与方位角
仰角指的是天空中太阳相对于地平面的高度角。日出的时 候高度角为0°，太阳处在头顶时高度角为90°（如在赤 道地区，春分和秋分时会出现这种情况）。天顶角与高度 角相似，但是相对于地平面的垂直线来说的，因此可以计 算天顶角=90°-高度角。
太阳高度角在一天中不 断变化。其大小还决定于观 测位置的纬度和所在一年中 的天数。
0.62～0.76微米
粒子性
EL hf
hV

其中h＝6.626×10-34J·s，称为普朗克常数。 辐射的度量和单位 辐射通量、辐射通量密度 辐射通量及单位：
定义：单位时间通过任意面积上的辐射能量。
单位：J²s-1或W
辐射通量密度（E）及单位 定义：单位面积上的辐射通量。
单位： J²s-1· m-2或W· m-2
气体成分 氧 臭氧 强吸收波段 <200nm的紫外光 200~320nm的紫外光 930~1500nm的红外光 （三个强吸收带） 弱吸收波段 690~760nm的可见光 600nm的可见光 600~700nm的可见光 （三个弱吸收带）
水汽
• 大气层的吸收
这些特殊气体在改变地表太阳辐射的光谱含量 的同时，并没有相应地明显减少辐射的总能量 。而空气分子和尘埃通过对光的吸收和散射成 为辐射能量减少的主要因素。这种吸收过程并 不会产生光谱曲线的向下深凹，而是引起能量 的减少（大小取决于穿过大气的路径长度）。
1. 大气影响
大气效应在几个方面影响着地球表面的太阳辐射。在光 伏应用领域其主要影响为： • 由大气吸收、散射和反射引起的太阳辐射能量的减少。
• 由于大气对某些波长的较为强烈地吸收和散射而导致光 谱含量的变化。 • 分散的或间接的光谱组合被引入到太阳辐射中。
• 当地大气层的变化引起入射光能量、光谱和方向的额外 改变。 这些影响总结在下图中：
在设计光伏系统时，一个重要的参数是最大太阳 高度角，即一年中太阳在天空的高度达到最大时 的角度。最大高度角出现在正午时分，大小取决 于所在的纬度和偏向角。计算正午太阳高度角的 公式如下： α=90°+ ф –δ
式中ф为观测位置所处的纬度，在南 半球它的符号是负的而在北半球的时 候符号为正。δ为偏向角，大小取决于 所在一年中的天数。
大气层的吸收
当太阳处在头顶正上方的时候，大气分子引 起的吸收会导致光谱中可见光领域一整片的 减少，所以入射光呈现白色。然而，当路径 变得越长，能量更高（波长更小）的光子能 更有效地被吸收和散射。所以在早上和傍晚 太阳会变得更红，强度也比中午低。
蓝色和红色曲线分别为1.5和0大气质量时的辐射强度，绿 色曲线代表温度为6000k黑体的辐射强度，彩色柱子代表 可见光的波谱。箭头所指的位置代表被相应气体吸收的部 分，黑色线显示了能引起人类眼睛感觉的辐射强度。
波长范围
100埃～0.4微米 0.4微米～0.76微米 0.76微米～3.0微米 3.0微米～6.0微米 6.0微米～15微米
蓝 青
绿
黄
0.50～0.56微米
0.56～0.59微米
超远红外
毫米波 微 波
15微米～1000微米
1～10毫米
厘米波
分米波
1～10厘米
10厘米～1米
橙
红
0.59～0.62微米
• 来自云层和其它大气层的地方差异的影响
大气对入射太阳光的最终影响来自大气层的地方差异。取决 于覆盖云层的类型，入射光能量将会有不同程度的减少。
墨尔本，光伏阵列倾斜角度60°
右图分别显示了晴天 和多云天气时光伏阵 列的相对输出电流， 光伏阵列的倾斜角为 60°
相 对 输 出 电 流
晴朗 冬天
多云冬天
阳辐射强度。 变化范围： 1325 W· m-2 ～1457 W· m-2
我国采用的太阳常数值为1382 W· m-2 。 太阳光量常数及范围
定义：大气上界，太阳辐射产生的平均光照强度。
范围：1.35×105～1.4×105lx
二 地面太阳辐射
当入射到地球大气层的太阳辐射相对稳 定时，影响地球表面辐射的主要因素是: • 大气效应，包括吸收和散射 • 当地大气质量的不同，如水蒸气、云层 和污染 • 纬度位置不同 • 一年中季节的不同和一天里时间的不同
§2.1 辐射的基本知识
一、辐射及其特性
辐射 物体以电磁波或粒子流形式向周围传递或交换能量的方式。 辐射能
物体以辐射的方式传递交换的能量。
基本特性 波粒二象性
波动性
波动性的反映
V＝λ²f
电磁波谱
不同电磁波的具体波长范围
名称
紫外线 可见光 近红外 红 外 线 中红外 远红外
可见光波长范围
色彩名称 紫 波长范围 0.40～0.43微米 0.43～0.47微米 0.47～0.50微米
夏至日，在北回归线处，太阳在头顶正上方，其 高度角为90°。夏天，在赤道与北回归线之间观 测的正午太阳高度角是大于90°的。这意味着阳 光是来自北方而不是南方的天空。相似的，在一 年中的某个时期，在赤道和南回归线之间，太阳 光是来自南方而不是北方。 最大太阳高度角被应用到非常简单的光伏系统 设计中，然而更精确的光伏系统仿真则需要知道 高度角在一天中是如何变化的。
时间方程（以分为单位）是纠正了地球公转的偏心率和地 球的轴向倾斜之后的经验方程。 EOT=9.87sin(2B) – 7.53cos(B) – 1.5sin(B) 其中B=360（d-81）/365 ，单位为°。d为从一年的第一天 开始数起的天数。下图描绘了时间纠正方程。
时间纠正因子
时间纠正因子（以分为单位）解释了在一个给定 的时区内，当地太阳时间因时区内经度的变化而 变化的现象，其方程也同时包含时间方程。 TimeCorrection=4（LSTM-经度）+EoT 方程里的4分钟源自地球自转一度的时间是4分 钟的事实。
当地太阳时间
当地太阳时间（LST）可以通过使用前两个 矫正因子来调整当地时间（LT）得到. LST=LT+TC
时角（HRA）
时角把当地太阳时间（LST）转换成太阳在天空运动的度数 的数值。按照定义，正午时分的时角为0°。因为地球每转 15°的时间为一个小时，所以，与正午时分间隔一个小时 就相当于太阳在太空转过了15°角。在上午时角的符号是 负的，下午是正的。 HRA=15°（LST-12）
• 估算大气质量的一个最简单的方法就是测量一个垂直立
着的标杆的投影长度。
标杆高度h
影子长度，s
如上图，大气质量等于斜边的长度除于标杆的高度h，然后由勾股 定理便得到：
s AM 1 h
2
3 太阳的运动
“太阳视运动”是由地球绕其轴自转引起的表面现象，它
改变着射入地球的光线的直射分量角度。从地面的一个固 定位置来看，太阳横跨整个天空运动。太阳的位置决定于 地面上的点的坐标、一天中的时间和一年中的日期。
LSTM(当地标准时间子午 线)被使用在当地时区。这 里显示的LSTM跨越了巴西 和格陵兰岛的部分地区. 格林威治时间所 使用的本初子午 线（经度=0°）
通过下列方程可计算LSTM:
LSTM=15°³ Δ TGMT 式中Δ TGMT表示当地时间与格林威治时间的差（一小时为 单位）。
时间方程（EOT）
典型的晴空时， 大气对入射太 阳光的吸收和 散射。
• 大气层的吸收
当太阳光穿过大气层时，气体、灰尘和悬浮颗粒 都将吸收入射光。特殊的气体包括臭氧（O3）、 二氧化碳（CO2）和水蒸气（H2O）都能强烈地吸 收能量与其分子键能相近的光子。这样的吸收将
使得辐射光谱曲线深深地往下凹。
主要的吸收成分 氧、臭氧、水汽和CO2 各成分的吸收波段
由于一个时区横跨了一定长度的距离，当太阳刚 照耀这个时区的某个地方的地平线时，此刻的时 间有可能与定义的日出时间（或官方承认的日出 时间）不同。而这种规定也是必要的，否则出现 一街之隔的两座房子的时间会相差几秒的现象。 另外，不同经度的太阳时间是不同的。如果要得 到太阳的位置，必须先计算当地的太阳时间再计 算太阳高度角和方位角。