第 章太陽輻射 本章從介紹太陽以及它和地球間的關(guān)系著手 然后討論地球大氣層外 內(nèi)的輻射性質(zhì) 太陽入射角和太陽輻射量的計(jì)算等內(nèi)容 地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律 地球的公轉(zhuǎn)與赤緯角地軸 貫穿地球中心與南 北極相連的線自轉(zhuǎn) 地球繞地軸的轉(zhuǎn)動(dòng)Rotation Earthrotatesonitsaxisonceevery24hours 公轉(zhuǎn) 地球在橢圓形軌道上圍繞太陽的轉(zhuǎn)動(dòng) 運(yùn)行周期為一年 Revolution EarthrevolvesaroundtheSun Voyagetakesoneyear黃道平面 地球公轉(zhuǎn)的橢圓軌道平面eclipticplane planeoforbitofearth RevolutionandRotation 地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律 橢圓的偏心率 月 日近日點(diǎn) perihelion 時(shí) 日地距離為147 1 106km 月 日遠(yuǎn)日點(diǎn) aphelion 時(shí)為152 1 106km 相差約為 Theshapeoftheearth spatharoundthesunrangesfromanearlyperfectcircletoamoreellipticshapeoverthe100 000 yearcycle eccentricity 赤道平面與黃道平面的夾角為23 27 始終不變 TiltofEarth saxis Axisistilted23 5 fromplaneofecliptic 赤緯角 Solardeclination 地心與太陽中心的連線 即午時(shí)太陽光線 與地球赤道平面的夾角是一個(gè)以一年為周期變化的量 它的變化范圍為 23 27 這個(gè)角就是太陽赤緯角 地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律 AxialTiltandParallelism 地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律 赤緯角是地球繞日運(yùn)行規(guī)律造成的特殊現(xiàn)象 它使處于黃道平面不同位置上的地球接受到的太陽光線方向也不同 從而形成地球四季的變化 如圖所示 北半球夏至 6月22日 即南半球冬至 太陽光線正射北回歸線 23 27 北半球冬至 12月22日 即南半球夏至 太陽光線正射南回歸線 23 27 春分及秋分太陽正射赤道 赤緯角都為零 地球南 北半球日夜相等 JuneSolstice SummerSolstice June20 21 SeptemberEquinox AutumnalEquinox September22 23 DecemberSolstice WinterSolstice December21 22 MarchEquinox VernalEquinox March20 21 ReasonsforseasonsRevolutionRotationTiltofEarth saxisAxialparallelismSphericity 地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律 AnnualMarchoftheSeasons 地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律 每天的赤緯角可由下式計(jì)算 式中 是所求日期在一年中的日子數(shù) 也可借助表 查出 地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律 表2 1推薦每月的平均日及相應(yīng)的日子數(shù) 地球的自轉(zhuǎn)與太陽時(shí) 地球自轉(zhuǎn) 每轉(zhuǎn)一周 360 為一晝夜 24小時(shí) 每小時(shí)相當(dāng)于地球自轉(zhuǎn)15 當(dāng)?shù)靥枙r(shí) 當(dāng)?shù)靥枙r(shí)的中午12點(diǎn) 午時(shí) 陽光正好通過當(dāng)?shù)刈游缇€ 即在空中最高點(diǎn)處 它與日常使用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間并不一致 轉(zhuǎn)換公式為 地球的自轉(zhuǎn)與太陽時(shí) 式中 st 當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)時(shí)間采用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度 loc 當(dāng)?shù)亟?jīng)度 所在地點(diǎn)在東半球取負(fù)號 西半球取正號 我國以北京時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 前式成為太陽時(shí) 北京時(shí) 4 120 Lloc 地球的自轉(zhuǎn)與太陽時(shí) 兩項(xiàng)修正第一項(xiàng) 是地球繞日公轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的修正 時(shí)差 以分為單位 可按下式計(jì)算式中 為所求日期在一年中的日子數(shù) 1 365 地球的自轉(zhuǎn)與太陽時(shí) 第二項(xiàng)是考慮所在地區(qū)的經(jīng)度Lloc與制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的經(jīng)度 我國定為東經(jīng)120 之差所產(chǎn)生的修正 經(jīng)度每相差 在時(shí)間上就相差 min 所以公式中最后一項(xiàng)乘 單位也是分 地球的自轉(zhuǎn)與太陽時(shí) 太陽時(shí)角 用角度表示的太陽時(shí)叫太陽時(shí)角 以 表示 它是以一晝夜為變化周期的量 太陽午時(shí) 0 上午取負(fù)值 下午取正值 每晝夜變化為 180 每小時(shí)相當(dāng)于15 例如上午10點(diǎn)相當(dāng)于 30 下午3點(diǎn) 45 太陽輻射度 大氣層外的太陽輻照度隨著日地距離的改變 在 范圍內(nèi)變化 它可由下式確定 這里Gon是一年中第 天在法向平面上測得的大氣層外的輻照度 Gsc為太陽常數(shù) 與太陽輻射有關(guān)的名詞和符號 太陽輻射按方向可分為 直射輻射 又稱直達(dá)輻射或束輻射 直接來自太陽而不改變方向的太陽輻射 散射輻射 又稱擴(kuò)散輻射或天空輻射 受大氣層散射影響而改變了方向的太陽輻射 太陽總輻射 接受到的太陽輻射總和 等于直射輻射加散射輻射 總輻射的概念有時(shí)用來表示太陽光譜在整個(gè)波長范圍內(nèi)的積分值 a c Solarradiationpaths aDirect bDiffuse cReflecte 與太陽輻射有關(guān)的名詞和符號 按波長可分為短波幅射和長波輻射兩類太陽輻射 短波輻射 由太陽產(chǎn)生的輻射 波長范圍由0 3 3 0 它包含直射和散射輻射 長波輻射 任何物體當(dāng)其溫度高于絕對零度時(shí) 都會(huì)發(fā)射輻射能 當(dāng)物體溫度接近環(huán)境溫度時(shí) 發(fā)出的輻射波長一般都大于3 m 如大氣 集熱器 地面或任何其他常溫物體發(fā)出的都是長波輻射 與太陽輻射有關(guān)的名詞和符號 輻射量 名稱用得不統(tǒng)一 輻 射 能單位為焦 輻 射 能密度 輻照量 單位為 2 輻 射能 通量 輻 射 功率 單位為 輻 射能 通量密度 輻 射 能流率 單位為 2 與太陽輻射有關(guān)的名詞和符號 考慮到輻射可區(qū)分為發(fā)射和接收兩種情況 因而又派生出一些專有名詞 如輻 射 照度和輻 射 出 射 度 前者指照射到單位表面上的輻通量 后者是單位表面發(fā)出的輻通量 單位一樣但含義不同 必須嚴(yán)格加以區(qū)分 以后見到單位為 2的量 它可能是輻照度也可能是輻出度 把它稱為輻通量密度總是對的 與太陽輻射有關(guān)的名詞和符號 本書常采用輻照度 2 和輻照量 或 2 太陽輻照量可通過輻照度在規(guī)定時(shí)間內(nèi)積分求得 全天的用符號 表示 一小時(shí)的用 表示 單位都是 2或 2 與太陽輻射有關(guān)的名詞和符號 符號下面可加注角標(biāo) 上面可加一橫表示月平均 角標(biāo)有 大氣層外 直射輻射 散射輻射 傾斜平面 法向平面 若角標(biāo)中不出現(xiàn) 和 就代表水平面 不出現(xiàn) 和 就代表總輻射 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 有關(guān)角度的定義太陽入射角 太陽光線與集熱器表面法線之間的夾角 稱為太陽光線的入射角 太陽光線可分為兩個(gè)分量 一個(gè)垂直于集熱器表面 一個(gè)平行于集熱器表面 只有前者的輻射能被集熱器所截取 由此可見 實(shí)際使用時(shí)應(yīng)使入射角 越小越好 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 有關(guān)角度的定義太陽高度角 從地面某一觀察點(diǎn)向太陽中心作一條射線 該射線在地平面上有一投影線 這兩條線的夾角 叫太陽高度角 該射線與地面法線的夾角叫太陽天頂角 這兩個(gè)角度互為余角 假如集熱器水平放置 則入射角 與高度角 互為余角 太陽方位角 s 地面上投影線與正南方的夾角 s為太陽的方位角 并規(guī)定正南方為零度 向西為正 向東為負(fù) 它的變化范圍是 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 有關(guān)角度的定義集熱器方位角 集熱器表面法線在地平面上的投影線與正南方的夾角 為集熱器的方位角 度量方法與太陽方位角 相同 集熱器傾斜角 集熱器平面與水平面的夾角 叫集熱器傾斜角 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 有關(guān)角度的定義太陽入射角 太陽光線與集熱器表面法線之間的夾角 稱為太陽光線的入射角 太陽光線可分為兩個(gè)分量 一個(gè)垂直于集熱器表面 一個(gè)平行于集熱器表面 只有前者的輻射能被集熱器所截取 由此可見 實(shí)際使用時(shí)應(yīng)使入射角 越小越好 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 角度之間的關(guān)系和有關(guān)公式太陽入射角 它是太陽赤緯角 地理緯度 集熱器的傾斜角 和方位角 以及太陽時(shí)角 的函數(shù) 公式為 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 角度之間的關(guān)系和有關(guān)公式整理后寫成 用此公式 可以求出處于任何地理位置 任何季節(jié) 任何時(shí)候 太陽能集熱器處于任何幾何位置上的太陽入射角 由此可見 這是一個(gè)重要公式 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 各種情況的討論若集熱器方位角 公式變?yōu)?此式 說明 北半球緯度為 處 朝南放置 傾角為 的集熱器表面上的太陽入射角 等于假想緯度 處水平表面上的入射角 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 各種情況的討論在前一假定的基礎(chǔ)上 若把集熱器傾斜角置于和當(dāng)?shù)鼐暥冉窍嗤?即 上式簡化為若 公式 和 都變?yōu)?這是集熱器在水平位置上入射角的計(jì)算公式 也是太陽高度角 的算式 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 式 的幾種特殊情況 在正午時(shí)刻 時(shí)角 變?yōu)?若 則太陽高度角 這就是說 最大的太陽輻射發(fā)生在緯度剛好等于該日太陽赤緯角的那些地區(qū)的正午時(shí)刻 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 式 的幾種特殊情況 若在春 秋分日的正午時(shí)刻 即 0 0 上式變成這說明太陽高度角隨緯度增加而減小 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 式 的幾種特殊情況 每天日出及日落時(shí)刻 太陽處于地平面上 此時(shí)太陽高度角 上式變?yōu)檫M(jìn)一步 根據(jù)此式可求出地面上任何地區(qū) 任何一天的日出和日落時(shí)的時(shí)角 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 跟蹤太陽時(shí)式 的形式對于聚光型太陽能集熱器 往往需要跟蹤太陽 對于不同的跟蹤方式 式 的形式也不同 集熱器平面沿東西向的水平軸 每天調(diào)節(jié)一次 以使中午太陽光始終保持與集熱器相垂直 則有 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 跟蹤太陽時(shí)式 的形式 為使太陽入射角最小 集熱器平面連續(xù)沿著東西向的水平軸調(diào)節(jié) 則有 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 跟蹤太陽時(shí)式 的形式 為使太陽入射角最小 集熱器平面連續(xù)沿著南北向的水平軸調(diào)節(jié) 則有 集熱面上太陽入射角的計(jì)算 跟蹤太陽時(shí)式 的形式 集熱器平面連續(xù)沿著平行于地球自轉(zhuǎn)軸方向的南北軸調(diào)節(jié) 公式成為 集熱器沿雙軸連續(xù)跟蹤 始終使太陽光垂直于集熱器平面 此時(shí) Horizontalplaneextraterrestrialandterrestrialirradiations 地球大氣層外水平面上的太陽輻射 任何地區(qū) 任何一天 白天內(nèi)的任何時(shí)刻 大氣層外水平面上的太陽輻照度可由下式計(jì)算 sc是太陽常數(shù) 為所求日期在一年中的日子數(shù) cos z可從式 求得 因而 2 24 地球大氣層外水平面上的太陽輻射 常常需要知道大氣層外水平面上 天內(nèi)太陽的輻照量 0 J m2 它可通過對上式從日出到日落時(shí)間區(qū)間內(nèi)的積分求出 2 25 s是日落時(shí)角 單位是度 可用式 2 10 求出 地球大氣層外水平面上的太陽輻射 至于計(jì)算大氣層外水平面上 每小時(shí)內(nèi)太陽的輻照量I0 可通過對式 在 內(nèi)的積分求得 1對應(yīng) 的起始時(shí)角 2是終了時(shí)角 大于 1 地球大氣層外水平面上的太陽輻射 地球大氣層外水平面上的太陽輻射 太陽輻射在大氣中的衰減 1 大氣的吸收對于太陽輻射光譜范圍內(nèi)的絕大部分單色光束來說 通過大氣后由于吸收的衰減 都遵循布給 P Bouguer 1729 朗伯 J H Lambert 1760 定律 其中和分別為在地面上和大氣上界給定波長A的太陽輻照度 為單色透過率 為單色衰減系數(shù) m為相對大氣光學(xué)質(zhì)量或簡稱大氣質(zhì)量 應(yīng)當(dāng)指出 布給 朗伯定律是在均勻介質(zhì)條件下得到的 這就要求大氣中各處的溫度 濕度和氣壓等項(xiàng)參數(shù)都是相同的 而在實(shí)際大氣中是無法滿足這樣嚴(yán)格的條件的 例如 大氣中的溫度和壓力均隨高度而改變 甚至其部分組成成分 諸如水蒸氣 臭氧和氣溶膠的含量等 也隨高度的不同而有所變化 因此 實(shí)際上大氣是一種不均勻介質(zhì) 通常為了討論問題方便起見 引入均質(zhì)大氣的概念 這是一種有條件的大氣 其中空氣密度 到處都相同 組成成分也與實(shí)際大氣無異 且地面氣壓p亦與實(shí)際大氣相同 由此顯見 均質(zhì)大氣與實(shí)際大氣的主要區(qū)別就在于前者的高度H只是一個(gè)完全確定的數(shù)值 并滿足下式 太陽輻射在大氣中的衰減 其中g(shù)為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?取標(biāo)準(zhǔn)狀況 氣溫t0 0 氣壓p0 1 0133 l05Pa 下 緯度45 處海平面上的均質(zhì)大氣為標(biāo)準(zhǔn)均質(zhì)大氣 此時(shí)空氣密度 0 1 29 103kgm 3 重力加速度g0 9 806m s2 由此可以求得由以上兩式可以導(dǎo)出 太陽輻射在大氣中的衰減 引入均質(zhì)大氣的概念后 即可將太陽輻射通過大氣層的路徑用長度單位表示出來 但在習(xí)慣上 計(jì)量光程長短往往不用長度單位而用所謂的相對大氣光學(xué)質(zhì)量m 以太陽位于天頂時(shí)光線從大氣上界至海洋面的距離為一個(gè)單位 去度量太陽位于其它位置時(shí)從大氣上界至同一海平面的距離值 應(yīng)當(dāng)指出 這個(gè)術(shù)語的使用很不恰當(dāng) 因?yàn)樗c通常意義下的質(zhì)量根本無關(guān) 大氣質(zhì)量 太陽直射光線通過大氣層時(shí)的實(shí)際光學(xué)厚度與大氣層法向厚度之比 用符號 表示 太陽輻射在大氣中的衰減 Solarradiationpaths Sun sangleanddistancethroughatmosphere 由圖可見 當(dāng) 時(shí) 太陽在天頂 當(dāng) 時(shí) 太陽高度角 越小 越大 地面受到的太陽輻射越少 當(dāng) 時(shí) 對應(yīng)于太陽落山的情形 夏至?xí)r 處于北回歸圈地區(qū) 該天的赤緯角 正好和地理緯度 相等 午時(shí)太陽高度角 使 陽光最強(qiáng)烈 這天北極的太陽高度角為23 5 盡管日照 但太陽光線通過大氣層的路徑約為北回歸線處的2 5倍 輻射量較小 加上冰雪的高反射率 不易吸收陽光等因素 是造成極區(qū)嚴(yán)寒的原因 太陽輻射在大氣中的衰減 求算相對大氣光學(xué)質(zhì)量的近似表達(dá)式如下式所示 右圖給出五種不同大氣質(zhì)量的太陽輻射光譜 1 4 7 10 它們是在很潔凈大氣條件下繪制的 大氣中凝結(jié)水高度為20 臭氧層為3 4 其中 代表大氣層外的太陽輻射光譜 不受大氣層影響 太陽輻射在大氣中的衰減 2 大氣的散射 太陽輻射作為電磁波入射到大氣層中時(shí) 與大氣中物質(zhì) 氣 液 固 內(nèi)的電子發(fā)生相互作用 電磁波的電場使物質(zhì)中的電子受到加速 這些加速的電子沿不同方向輻射出電磁波 因此 沿原來入射波方向的輻射將有所減弱 所減弱的能量分布到其它方向上去 電磁波的散射是自然界中重要而普遍的現(xiàn)象之一 有著十分廣泛的應(yīng)用 太陽輻射在大氣中的衰減 按照入射波和散射波的頻率有無變化 散射還可以分為彈性的和非彈性的兩類 前者在散射過程中電磁波只有相移而沒有頻移 這主要是由于熱力學(xué)漲落 例如溫度漲落和密度漲落 懸浮微粒等 所引起的 在固體中 這種效應(yīng)往往被缺陷和雜質(zhì)的散射所掩蓋 在流體中 假設(shè)散射粒子的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長 則即可導(dǎo)出下列瑞利 T B Rayleigh 1871 散射定律 太陽輻射在大氣中的衰減 式中 E o 和 分別是入射波的輻照度和波長 E 0 是在 R 處的散射波輻照度 d是散射粒子數(shù) V是粒子的體積 n是流體的折射率 是入射線與散射線之間的夾角 通常稱為散射角 由上式可見 散射波的輻照度與入射波波長的四次方成反比 意即在可見光頻譜中 400nm的紫光散射輻照度要比 700nm的紅光散射輻照度大10倍左右 下表中列出了可見光頻譜中6種譜色的相對輻照度E Er 其中Er表示紅光散射輻照度 太陽輻射在大氣中的衰減 表 根據(jù)瑞利散射定律計(jì)算出的6種譜色的相對輻照度 當(dāng)太陽輻射進(jìn)入大氣層中時(shí) 頻譜中各種成分受到大氣分子散射的結(jié)果使天空呈現(xiàn)淺藍(lán)色 這一顏色是上表中列出的6種譜色的相對輻照度的混合產(chǎn)物 日出或日落時(shí) 太陽輻射穿過較厚的大氣層 除紅色外 日光中的其它譜色都被強(qiáng)烈地散射掉 因而太陽呈現(xiàn)紅色 如果散射粒子的線度和波長相當(dāng)于或大于波長 則此時(shí)散射波輻照度與入射波頻率幾乎無關(guān) 這種散射稱為廷德耳 J Tyndall 1869 效應(yīng) 在云層中 水滴的線度大于可見光波長 因而呈現(xiàn)白色 太陽輻射在大氣中的衰減 此外 1928年C V喇曼 Raman 發(fā)現(xiàn)了光在水及其它多種液體 一些氣體與蒸氣以及潔凈的冰中還會(huì)發(fā)生非彈性散射 即除有頻率 或波長 不變的瑞利散射光外 還有頻率減小 和增大 的散射光 分別稱為G G 斯托克斯 Stokes 線和反斯托克斯線 頻率差即等于分子中原子振動(dòng)的頻率 一般在紅外波段 這種散射稱為喇曼散射 其輻照度遠(yuǎn)較瑞利散射為小 太陽輻射在大氣中的衰減 3 太陽輻射在大氣中的衰減 根據(jù)以上所述 可將 1 4 1 式中的單色透過率表示成 1 4 20 式中 is和 ia分別為某種散射和吸收過程所具有的單色透過因子 而單色衰減系數(shù)則可表為 1 4 21 式中cis和cia分別表示由于某種散射和吸收過程所導(dǎo)致的單色太陽輻照度的衰減程度 太陽輻射在大氣中的衰減 就目前已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 可知 或c 主要由四部分所組成 即 1 4 22 和 1 4 23 現(xiàn)在分別討論如下 太陽輻射在大氣中的衰減 表 C 1 C 2 C 3與 的關(guān)系 瑞利散射 按文獻(xiàn) 大氣中分子散射的單色衰減系數(shù)為 1 4 24 將C 1值隨波長 的變化列于右表中 太陽輻射在大氣中的衰減 2 臭氧吸收 對太陽輻射來說 臭氧有兩個(gè)吸收帶 其中主要的強(qiáng)吸收帶在0 18 0 34 m的紫外區(qū)內(nèi) 尤其是對 0 29 m的太陽輻射幾乎能全部吸收 另一個(gè)弱吸收帶在0 44 0 74 m的可見光區(qū)內(nèi) 此外 臭氧在大氣中的分布是不均勻的 主要包含在地球表面以上23 30km 厚約10 15km的大氣層中 表征臭氧吸收的單色衰減系數(shù)C 2隨波長 的變化也列于前表中 太陽輻射在大氣中的衰減 3 煙霧散射 在大氣中懸浮的煙霧顆粒有塵埃 水滴等 煙霧對太陽輻射的散射過程很復(fù)雜 它與煙霧顆粒的線度 形狀 密度以及光學(xué)性質(zhì)有關(guān) 且又隨時(shí)間 地點(diǎn)和高度而變化 A K安格斯特羅姆 Angstrom 1929 30 提出了一個(gè)計(jì)算煙霧散射衰減系數(shù)C 3的簡化公式 式中 為安格斯待羅姆系數(shù)或稱混濁度系數(shù) 為波長指數(shù) 為波長 m 其中 兩個(gè)參數(shù)的值按大氣的污染程度而定 對于非常清潔的大氣 取 1 3 0 02 對于比較清潔的大氣 取 1 3 0 04 對于大城市或工業(yè)中心比較混濁的大氣 取 0 66 0 085 而對于非常混濁的大氣 則取 0 66 0 17 前表中列出了最后一種情況下的C 3值 從整體上反映了粒子數(shù)成分多少 越小 則大氣中大粒子較多 太陽輻射在大氣中的衰減 4 水蒸氣吸收 水蒸氣在紅外區(qū)對太陽輻射具有強(qiáng)烈的選擇性吸收能力 最強(qiáng)的吸收帶位于1 38 m和1 86 m附近 這兩個(gè)波長附近的太陽輻射幾乎全部可被水蒸氣所吸收 比較強(qiáng)的吸收帶則分別位于0 93 m 1 13 m和2 05 m附近 對于不同的光譜波長 水蒸氣吸收的透過因子 4具有下列兩種不同的形式 或 1 4 27 式中w為大氣中的水蒸氣含量 以凝結(jié)水的高度 單位為mm 表示 m為相對大氣光學(xué)質(zhì)量 k1和k2為水蒸氣在不同波長下的系數(shù) 其值由表中查取 太陽輻射在大氣中的衰減 如前所述 由于太陽輻射通過大氣層時(shí) 經(jīng)受多種吸收和散射過程 因此到達(dá)地面上的太陽輻射光語顯然與大氣上界處的情況有相當(dāng)明顯的差別 下頁兩圖分別表示在非常清潔 1 3和 0 02 和比較清潔 1 3和 0 04 的空氣的條件下 當(dāng)大氣質(zhì)量為1 4 7 10 分別對應(yīng)于太陽天頂角為0 75 5 81 7 和84 3 時(shí)到達(dá)地面的太陽輻射光譜分布情況 到達(dá)地面上的太陽輻射光譜 到達(dá)地面上的太陽輻射光譜 大氣中的空氣分子 水蒸氣和灰塵會(huì)使太陽光線的能量減小并改變其傳播方向 這種衰減和變向的綜合作用稱為散射 此外 還要考慮大氣中氧 臭氧 水分 二氧化碳對輻射的吸收作用 紫外線部分主要被 3吸收 紅外線由 及 吸收 到達(dá)地面上的太陽輻射光譜 小于0 29 的短波幾乎全被大氣上層的臭氧吸收 在0 29 0 35 范圍內(nèi)臭氧的吸收能力降低 但在0 6 處還有一個(gè)弱吸收區(qū) 水蒸氣在1 0 1 4和1 8 處都有強(qiáng)吸收帶 大于2 3 的輻射大部分被H2O和CO2吸收 到達(dá)地面時(shí)不到大氣層外總輻射的 考慮到大氣的散射和吸收 到達(dá)地面的太陽輻射中紫外線范圍占 大氣層外為 可見光占45 大氣層外為47 3 紅外線占50 大氣層外為45 7 到達(dá)地面上的太陽輻射光譜 Solarspectrum EMspectrum 大氣透明度 或混濁度 是另一重要指標(biāo) 它是氣象條件 海拔高度 大氣質(zhì)量 大氣組分 如水汽和氣溶膠含量 等因素的復(fù)雜函數(shù) 中外科學(xué)家在這方面都做了許多研究 想通過建立大氣透明度的精確模型直接計(jì)算到達(dá)地面的太陽輻射量 下面介紹Hottle 1976年 提出的標(biāo)準(zhǔn)晴空大氣透明度計(jì)算模型 對于直射輻射的大氣透明度 b 可由下式計(jì)算 即 大氣透明度計(jì)算模型 式中a0 a1和k是具有23km能見度的標(biāo)準(zhǔn)晴空大氣的物理常數(shù) 當(dāng)海拔高度小于2 5km時(shí) 可首先算出相應(yīng)的再通過考慮氣候類型的修正系數(shù)最后求出a0 a1和k 大氣層對太陽輻射的影響 的計(jì)算公式為其中 A為海拔高度 單位是km 修正系數(shù)由表2 4給出 大氣層對太陽輻射的影響 大氣層對太陽輻射的影響 對于散射輻射 相應(yīng)的大氣透明度為上述大氣透明度公式是在標(biāo)準(zhǔn)晴空 23km能見度 下考慮了大氣質(zhì)量 即太陽天頂角 海拔高度和四種氣候類型所建的數(shù)學(xué)模型 大氣中水汽和氣溶膠含量 大氣質(zhì)量以及海拔高度等因素研究大氣透明度 云對太陽輻射有明顯的吸收和反射作用 它是研究大氣影響的一個(gè)綜合指標(biāo) 大氣層對太陽輻射的影響 地面上太陽輻射量的計(jì)算 平均太陽輻照量的計(jì)算各月平均日的日子數(shù) 可按表 的規(guī)定 用下式 即式 或圖 求出 太陽常數(shù)的單位是W m2 平均輻照量的單位H0等是J m2月平均日的日照時(shí)數(shù)由實(shí)測得到 可參考表 可按式 算出 地面上太陽輻射量的計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)晴天水平面上輻射量的計(jì)算式中 b 晴天 直射輻射的大氣透明度 大氣層外 垂直于輻射方向上的太陽輻照度 可由式 2 5 計(jì)算 晴天 垂直于輻射方向上的直射輻照度 地面上太陽輻射量的計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)晴天水平面上輻射量的計(jì)算水平面上的直射輻照度為一小時(shí)內(nèi) 水平面上直射輻照量為相對應(yīng)的散射輻射部分計(jì)算式為一小時(shí)內(nèi) 水平面上的總輻照量為把全天各個(gè)小時(shí)的量加起來 就是晴天水平面上的總輻照量 c 線性太陽能模型 地平面上的總輻射 所討論的地面上可資利用的太陽能 主要是對總輻射而言的 并且主要是對觀察者所在地水平面上所接收到的總輻射而言的 由于到達(dá)地面上的太陽輻射受到所在地的天氣和氣候條件的影響十分顯著 所以在一般情況下 無法通過嚴(yán)格的理論計(jì)算求得 而只能采用一定的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算 對于太陽能利用來說 了解國內(nèi)不同地區(qū)的太陽能資源狀況是十分必要的 但是 由于太陽輻射測量站點(diǎn)稀疏 僅靠實(shí)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足各方面的需求 國際上通用的解決方法 是借助現(xiàn)有日射測量站點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù) 與一些與日射有關(guān)的 且普遍開展觀測的其它氣象要素建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系 然后再將這些定量化的關(guān)系應(yīng)用到無日射觀測地區(qū) 計(jì)算出相應(yīng)的日射數(shù)據(jù) 應(yīng)當(dāng)指出 影響日射的氣象要素很多 重要的有云量 云狀 大氣透明度等 此外 海拔高度 地理緯度 季節(jié) 時(shí)刻等因素的影響也不容忽視 云量 云狀和大氣透明度可以說是變化多端 難以計(jì)量 因此 大多數(shù)計(jì)算方法也都是限定于晴天 實(shí)用價(jià)值受到了限制 線性太陽能模型 在水平面上的瞬時(shí) 小時(shí) 日 月 總輻射和擴(kuò)散輻射在一段時(shí)期內(nèi)的平均值對太陽能設(shè)計(jì)是非常有用的 這些參數(shù)的測量值在少量的測量點(diǎn)得到 在沒有測量點(diǎn)地方 通常是利用在測量基礎(chǔ)上開發(fā)出來的理論或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪阍趯?shí)際研究中 符合邏輯的和合理的想法是太陽能輻射正比于日照時(shí)間 這一比例的公式化來自于散點(diǎn)分布參數(shù)的測量 通常使用統(tǒng)計(jì)回歸方法 像其他任何科學(xué)定律一樣 早期的太陽能模型是線性的數(shù)學(xué)形式 類似于科學(xué)定律 牛頓 胡克 傅立葉 菲克 哈勃 歐姆 達(dá)西 表達(dá)了兩個(gè)相關(guān)事件間的線性關(guān)系 線性太陽能模型 原始模型表達(dá)了太陽輻射與日照時(shí)間的關(guān)系 這些先驅(qū)地位的關(guān)系式由Angstr m在1924年發(fā)表 第一個(gè)嘗試分析小時(shí)輻射數(shù)據(jù)的是Hoyt 1978 他利用廣泛分布于各地的數(shù)據(jù) 獲得了對應(yīng)上午9點(diǎn)到下午3點(diǎn)的各小時(shí)內(nèi) 總輻射與太陽時(shí)角的曲線或比例 LiuandJordan 1960 將這些曲線擴(kuò)展到日長度 知道落到地球表面的太陽輻射總量對太陽能系統(tǒng)的開發(fā)是最重要的 在實(shí)際中 許多熱和光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法需要知道每月在水平面上的平均日輻射作為輸入數(shù)據(jù) 以便預(yù)測每月基礎(chǔ)上的系統(tǒng)的能量產(chǎn)出 Beckmanetal 1977 MaandIqbal1984 Thevenardetal 2000 線性太陽能模型 系統(tǒng)地測量水平面上的擴(kuò)散太陽能和總輻射能通常由國家機(jī)構(gòu)來完成 在許多國家是歸氣象部門 測量網(wǎng)絡(luò)包括日射強(qiáng)度儀 日射儀或光強(qiáng)度測量儀器 測量要先于模型研究 包括太陽輻射和日照時(shí)間 現(xiàn)有的太陽輻射和日照模型接近于測量設(shè)備設(shè)定的精度限值 Gueymard2003 Perezetal 1990 已有相對豐富的日照時(shí)間數(shù)據(jù) 因此 實(shí)際的工作就是建立太陽輻射與日照期間的關(guān)系 線性太陽能模型 光照的時(shí)數(shù)是時(shí)間單位 在該時(shí)間內(nèi)太陽是可見的 利用坎貝爾 司托克斯日照計(jì)CampbellStokesSunshineRecorder測量 地球的移動(dòng)與各地區(qū)的大氣的綜合影響導(dǎo)致兩種類型的太陽輻射量 即平均日輻射量和小時(shí)輻射量 SeasonalObservations 最廣泛使用的和最簡單的太陽輻射與日照時(shí)間關(guān)聯(lián)的公式是Angstr m Prescott關(guān)系式 Angstr m1924 Prescott1940 可表示為線性回歸表達(dá)式 是水平面上的月平均日輻射 n是每月明亮陽光的小時(shí)數(shù)N是每月白天的小時(shí)總數(shù) a和b是模型常數(shù) 由給定的數(shù)據(jù)組中用經(jīng)驗(yàn)方法確定 Angstr m 1929 Gueymardetal 1995 Sahinetal 2001 和Wahab 1993 根據(jù)所考慮的地理位置假定了一個(gè)寬范圍的值 對一個(gè)特定位置 如果不能根據(jù)測量數(shù)據(jù)估計(jì)這些參數(shù) 可以根據(jù)鄰近位置建立起來的關(guān)系式推斷 是大氣層外界水平面上的月平均日輻射 線性太陽能模型 對日照時(shí)數(shù)為n的給定月份 晴空陽光分?jǐn)?shù)fclear定義為 Suehrcke2000 SuehrckeandMcCormick1992 Suehrcke 2000 將晴空分?jǐn)?shù)近似地等于 是月平均的每日水平面上的直射輻射 是月平均的每日晴天水平面上直射輻射 為了建立 與月平均的每日水平面上的輻射 的關(guān)系 Suehrcke使用了Page 1961 散射分?jǐn)?shù)關(guān)系式 此處 是月平均的每日水平面上的散射輻射 是月平均的每日晴空指數(shù) 定義為 C是常數(shù) 是月平均的每日大氣層外水平上的輻射 由定義得出 導(dǎo)出 利用同樣的方法 得到 此處 是月平均的晴空指數(shù) 定義為 這里 是月平均的每日水平面上的晴空輻射 消去常數(shù)C 得到Suehrcke關(guān)系式 唯一的半經(jīng)驗(yàn)常數(shù)是 根據(jù)Suehrcke 2000 的數(shù)據(jù) 在0 65和0 75之間 是可測量量 取決于當(dāng)?shù)氐拇髿鈼l件 修正的Angstr m模型 被稱為Angstr m Prescott公式 Gueymardetal 1995 Martinez Lozanoetal 1984 是 此處 上劃線注明是月平均值 c2 0 22和c3 0 54是Prescott 1940 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的 自那時(shí)以來 許多模型被開發(fā)出來 利用晴空的日照時(shí)數(shù)估算總輻射 直接輻射和散射輻射 Ahmadetal 1991 Hay1979 Iqbal1979 L fetal 1966 Rietveld1978 Sahinand Sen1998 所有這些模型利用的系數(shù)都具有特定地域和 或考慮了平均時(shí)間 這限定了它們只能用于這些場合 即系數(shù)值被確定時(shí)的場合 或者相似氣候和同樣平均時(shí)間內(nèi)的場合 是平均的天文日長 daylength 是平均的實(shí)際日長 Angstr m模型 AM Angstr m 1924 給出了第一個(gè)總太陽輻射量的估算模型 利用的是太陽日照數(shù)據(jù) 在給定地域用太陽日照時(shí)間數(shù)據(jù)作為預(yù)測變量 將陸地的太陽輻射與預(yù)測參數(shù)關(guān)聯(lián)起來 與大氣層外輻射 這個(gè)比例以線性的關(guān)系與平均日照時(shí)間 的比例關(guān)聯(lián) 即 模型表達(dá)了平均地面輻射 和無云日照時(shí)間 的比例關(guān)系 Angstr m模型 AM Stockholm Sweden用到的a 0 25和b 0 75 Kimball 1919 在1919年根據(jù)歷史記錄提出了相同的概念 并提出a 0 22和b 0 78 后來 Prescott 1940 修正了這個(gè)公式 所用的方法是和 a b 不等于1 0 他建議a 0 22和b 0 54 此后 得到了更實(shí)際估算 實(shí)質(zhì)上 在公式中 a對應(yīng)于陰天氣象條件下的相對散射輻射 而 a b 對應(yīng)相對無云條件下的總輻射 這一線性模型結(jié)構(gòu)中暗含的假定是兩種極端云層狀態(tài)下的自疊加作用 以 a b 之和的形式反映出來 但是 在實(shí)際情況下 自疊加性不可能關(guān)聯(lián)所有可能的大氣參數(shù) 除了云層外 這是第一項(xiàng)要說明的為什么 a b 之和如Prescott 1940 所說的不等于1 0 進(jìn)一步 在實(shí)際應(yīng)用中 還提出了各種非線性估算模型 以試圖消除自疊加性的假定 Angstr m模型 AM 另外 太陽輻射的模型應(yīng)該包括非線性效應(yīng)的一個(gè)物理事實(shí)是在星際邊界的大氣渾濁度和紊流并不必然地隨總云量線性變化 在太陽能文獻(xiàn)中有大量的研究并提出了線性模型的替代模型 希望未來有更多的研究 Gueymardetal 1995 曾指出 仔細(xì)考察與太陽輻射有關(guān)的研究 應(yīng)特別該清楚的是 利用局部區(qū)域的日照數(shù)據(jù)估算總輻射的Angstr m公式的應(yīng)用 總起來說不能用于發(fā)表 除非沒有新的模型版本出現(xiàn) 所有這些解釋說明 線性模型是非常有限的 因此 許多研究者嘗試非線性模型 Angstr m模型 AM AM模型利用日照時(shí)間S的相對簡單的測量估算總的日 H 輻射 月輻射 和年輻射 根據(jù) 此處 H0和S0是無云的 在地面水平面上的日總輻射 即來自地球外的和最大可能的太陽日照數(shù) a和b是模型參數(shù) 這一公式最常用于計(jì)算日照時(shí)間測量區(qū)域的總輻射和外推至短期測量數(shù)據(jù)下的總太陽輻射 后來 該公式被修正 考慮了某些相關(guān)的氣象參數(shù) AbouzahrandRamkumar1991 30 Angstr m模型 AM 最小二乘法的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析及回歸方法產(chǎn)生了AM參數(shù)估計(jì) 許多研究者 Ahmadetal 1991 Akino gluandEcevit1990 Angstr m1924 1929 1956 BallingandCerveny1983 Barbaroetal 1978 Beckmanetal 1977 考慮在公式中添加氣象因素 以便增加估計(jì)值的精度 遞代法 SS 模型 為了考慮未知部分的影響 有必要利用局部區(qū)域的連續(xù)數(shù)據(jù)對 而不是用AM方法中的全局?jǐn)?shù)據(jù)對來估計(jì)系數(shù) SahinandSen1998 在公式 30 中考慮參數(shù)a和b的實(shí)際意義與物理意義 a代表了實(shí)際的每日的總輻射 與每日 或每月的 大氣層外的輻射H0之比 b對應(yīng)線性模型的斜率 微分定義如下 這是一個(gè)一階常微分方程 遞代法 SS 模型 向后的有限差分式為 i 2 3 4 n 此處 n是記錄的個(gè)數(shù) 是局部區(qū)域輻射隨日照時(shí)數(shù)變化的速率 時(shí)間區(qū)間為i 1和i 對應(yīng)每日的數(shù)據(jù) 是每日的連續(xù)變化速率 對應(yīng)每月的數(shù)據(jù) 是每月的連續(xù)變化速率 每一對系數(shù)估計(jì) 解釋了總輻射與對應(yīng)的日照時(shí)數(shù)記錄連續(xù)數(shù)據(jù)對的信息 遞代法 SS 模型 的連續(xù)的時(shí)間估計(jì) 應(yīng)用到實(shí)際的相關(guān)數(shù)據(jù)產(chǎn)生n n 1 2個(gè)系數(shù)估計(jì) 遞代法 SS 模型 導(dǎo)出新的Angstr m系數(shù)的有限差分平均值如下 SS方法獨(dú)立地應(yīng)用于每一個(gè)觀測點(diǎn) 并獲得了 和 參數(shù)估計(jì)系列 SS方法模型所考慮的不再是AM那樣的算術(shù)平均值 無約束模型 UM 太陽輻射和日照時(shí)數(shù)數(shù)據(jù)的平均值及方差在計(jì)算中起主要作用 GordonandReddy 1988 指出 日