太阳辐射和太阳能资源

太阳辐射和太阳能资源 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT

第1章太阳辐射能和我国太阳能资源太阳辐射特性

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×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×1014kW，经过大气层的衰减到达地球表面的约占47%，即×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×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=×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，=×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=×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。

太阳辐射能谱

太阳的电磁辐射能谱主要集中在波长为～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/（m2·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～μm范围的辐射为可见光，只占其中很窄的波段，波长范围～μm为紫外光，波长范围～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，～μm波段是紫光，～μm波段是蓝光，～μm波段是绿光，～μm波段是黄光，～μm波段是橙光，～μm波段是红光，光谱辐照度最大值所对应的波长为μm，属于蓝光。紫外光还可以分近紫外（～μm）、中紫外（～μm）和远紫外（～μm）。红外光还可以分近红外（～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%，红外光约占%，紫外光约占%，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。

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 =2m W ，12m W =)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 =2m h kW •=2cm 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 =d 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 =d 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。

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=×108km ）处，单位时间内入射到与太阳光线垂直的单位面积表面上的总辐射能，或者说在距离太阳一个天文单位处与太阳光线垂直的表面上的太阳辐照度。

根据美国国家航空航天局（NASA ）的卫星观测数据，1971年起全世界采用统一的太阳常数值1353W/m 2。1981年世界气象组织（WMO ）根据更精确的观测，公布更新的太阳常数值为1367±7W/m 2，其精度提高到了±%。