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1、太阳辐射基础知识,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
2、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。,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
3、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,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
4、139公里，总质量约1.991027t,因此太阳的平均密度为1.4g/cm。,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3.81023KJ。太阳的预测寿命是100亿年，迄今太阳的年
5、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。,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
6、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。,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,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:,式中
7、，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：,三、太阳和地球的关系,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。,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
8、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。,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
9、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（128）=60；下午1时，=15；下午3时=153=45。,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=sin90(-),正午时，若太阳在天顶以南，即，取 sin h=sin90-(-)，从而有：h=90 在南北回规线内，有时正
10、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。,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：也可用下式计算：,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
11、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。,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=coshcos式中：I为太阳入射角；h为太阳高度角；为壁面太阳方位角。,四、太阳常数,太阳常数Io的数值是指在日地平均距离（即1.495108km）时，地球大气上界垂直于太阳
12、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。,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。,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
13、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0.43.0微米之间，即集中在可见光和红外光谱区。,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,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
14、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。,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
15、时的大气质量为：（h为太阳高度角）,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。,影响直接辐射的因素,直接辐射有显著的年变化、日变化和随纬度的变化。这种变化主要由太阳高度角决定。在一天当
16、中，日出、日没时太阳高度最小，直接辐射最弱；中午太阳高度角最大，直接辐射最强。同样道理，在一年当中，直接辐射在夏季最强，冬季最弱。以纬度而言，低纬度地区一年各季太阳高度角都很大，地表面得到的直接辐射较中、高纬度地区大得多。,2.散射辐射,散射辐射的强弱也与太阳高度角及大气透明度有关。太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增强，散射辐射也就相应地增强；相反，太阳高度角减小时，散射辐射也弱。大气透明度不好时，参与散射作用的质点增多，散射辐射增强；反之，减弱。云也能强烈地增大散射辐射。同直接辐射类似，散射辐射的变化也主要决定于太阳高度角的变化。一日内正午前后最强，一年内夏季最强。,3.总辐射,日出
17、以前，地面上总辐射的收入不多，其中只有散射辐射；日出以后，随着太阳高度的升高，太阳直接辐射和散射辐射逐渐增加。但前者增加得较快，即散射辐射在总辐射中所占的成分逐渐减小；当太阳高度升到约等于8时，直接辐射与散射辐射相等；当太阳高度为50时，散射辐射值仅相当总辐射的1020；到中午时太阳直接辐射与散射辐射强度均达到最大值；中午以后二者又按相反的次序变化。,云的影响可以使这种变化规律受到破坏。例如，中午云量突然增多时，总辐射的最大值可能提前或推后，这是因为直接辐射是组成总辐射的主要部分，有云时直接辐射的减弱比散射辐射的增强要多的缘故。在一年中总辐射强度（指月平均值）在夏季最大，冬季最小。,总辐射与云
18、的影响,总辐射与纬度关系,总辐射随纬度的分布一般是，纬度愈低，总辐射愈大。反之就愈小。下表是根据计算得到的北半球年总辐射纬度分布的情况，其中可能总辐射是考虑了受大气减弱之后到达地面的太阳辐射；有效总辐射是考虑了大气和云的减弱之后到达地面的太阳辐射。由于赤道附近云多，太阳辐射减弱得也多，因此有效辐射的最大值并不在赤道，而在20N。,太阳辐射能分布,据研究，我国年辐射总量最高地区在西藏，为212.3252.1W/。青海、新疆和黄河流域次之，为159.2212.3W/。而长江流域与大部分华南地区则反而减少，为119.4159.2W/。这是因为西北、华北地区晴朗干燥的天气较多，总辐射也较大。长江中、下游云量多，总辐射较小，西藏海拔高度大，总辐射量也大。,
