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太阳辐射和太阳能资源
Preparedon22November2020
太阳辐射和太阳能资源
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
。
。
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
。
当计量单位中的能量用卡（
）表示时，可以按以下关系式进行转换：
=
，1
=
。
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
。
当计量单位中的能量用焦耳（
）或卡（
）表示时，其转换关系为1
=
=
。
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1
辐照度下照射的小时数。
因为光伏组件的最大功率是在1
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
，倾角为25o的斜单轴太阳跟踪装置上的年平均辐照量为2511
，则水平面年平均峰值日照时数为1705
÷1
÷365
=
，斜单轴太阳跟踪装置上的年平均峰值日照时数为2511
÷1
÷365
=
。
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120
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/m2。
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/m2，其精度提高到了±%。
由于地球绕太阳公转的轨道是个椭圆，日地之间的距离不是常数，所以地球大气层上界的太阳辐照度是变化的，它与日地距离与日地平均距离之比的平方成反比。
一年中的1月3日（或4日）日地距离最近（近日点），7月4日（或5日）日地距离最远（远日点），4月初和10月初日地距离为平均值。
由于地球绕太阳公转椭圆的扁率很小，日地距离与平均距离的变化幅度不超过±%，而日地距离变化引起的地球大气层上界太阳辐照度的相对变化幅度不超过±%。
图1-3中的曲线表示了地球大气层上界的太阳辐照度在一年中的变化情况。
图1-3地球大气层上界太阳辐照度在一年中的变化
实际上太阳辐射的能量是有波动的，受太阳活动（包括黑子活动和太阳耀斑）的影响。
在太阳黑子激烈活动或太阳耀斑爆发期间，Χ射线、紫外线、微波、无线电波和粒子的辐射都有急剧变化，变化范围高达几十至几百倍，但近紫外、可见光和近红外的辐射变化很小，变化范围在%以内。
所以可以把太阳辐射看作是基本稳定的，故提出了太阳常数这一概念。
大气质量
太阳以光辐射的形式将能量送到地球表面。
太阳辐射在到达地球表面之前，被大气层吸收、散射或反射而衰减，这种衰减与太阳辐射穿过大气层的路径和天气有关，到达地面的太阳能谱也与大气层外不同。
太阳辐射在大气层中经过的路程越长，衰减就越大，辐射能量损失得就越多，到达地面的辐射能量也就越小。
通常把在标准状态下（气温为0℃，气压为
=101325
），晴朗天气太阳光线垂直入射到海平面所经的路程中，单位截面积空气柱中的质量称为1个大气质量（记作
），并且用它去度量太阳处于任何位置时光线经过大气层到达海平面的路程中单位截面积空气柱的质量。
显然，大气层上界的大气质量为0（记作
）。
可见，大气质量是一个无量纲量，表示不同路径上的大气对地球表面接受太阳辐射的影响程度。
地面上任何地方、太阳处于任何位置入射时的大气质量，可近似表达为
=
（1-3）
式中，
为太阳光线与水平面的夹角，即太阳高度角，
为标准大气压，
为当地大气压，它是当地海拔高度z的函数，可近似表达为
=8
（1-4）
海拔越高，大气越稀薄，大气质量就越小，太阳辐照度就较高。
式（1-3）大气质量的计算值在
≥300时与测试值十分接近，但当
＜300时，由于大气折射和地面曲率的影响，计算结果误差就较大。
在太阳能利用的工程技术中，海平面上太阳在任意高度角入射时的大气质量，可以采用下面的拟合公式进行计算：
=[1229+（614sin
）2]1/2-614sin
（1-5）
为了直观了解，表1-1和表1-2分别列出了大气质量所对应的太阳高度角和太阳高度角所对应的大气质量。
表1-1海平面上大气质量与太阳高度角的关系
AM
1
2
3
4
5
8
10
15
20
hS（0）
表1-2海平面上太阳在不同高度角入射时的大气质量
hS（0）
90
75
60
45
30
20
15
10
5
2
AM
太阳高度角为90o时，大气质量为
，太阳辐照度约为1070
；太阳高度角为时，大气质量为
，太阳辐照度约为1000
；太阳高度角为30o时，大气质量为
。
是典型的晴天地面上的太阳辐照情况，所以把这时的太阳辐照度和能谱，作为测试光伏组件性能的标准条件之一。
大气质量不同，太阳辐射能谱也不同。
太阳辐射通过大气层时，要经受多种粒子对波长有选择性的散射和吸收，所以到达地面的太阳辐射能谱与大气层上界的情况有所不同。
例如，太阳辐射中的Χ射线和其它波长更短的射线，在电离层中就会被大气分子强烈地吸收；大部分紫外线将被臭氧分子吸收；可见光主要是被大气分子、水蒸气分子、烟雾和尘埃微粒的散射；近红外则主要是被水蒸气分子选择性吸收，而远红外在大气层上界就已经很弱了。
图1-4表示了在清洁大气条件下不同大气质量时的太阳辐射能谱图。
随着大气质量的增大和大气透明度的降低，到达地面上的各波长的太阳光谱辐照度都在减小，紫外辐射所占总辐照度的百分比有所减小，而红外辐射所占总辐照度的百分比却有所增大。
图1-4在清洁大气条件下不同大气质量时的太阳辐射能谱图
直接辐射和散射辐射
太阳辐射在大气中不受任何影响而到达地面的称为直接辐射，经受大气层散射后入射到地面的称为散射辐射。
地面上的光伏方阵还会接受到周围物体的反射辐射，它是散射辐射的另一种形式，也属于散射辐射。
图1-5给出了北半球各纬度水平面上各月直接辐射辐照量的变化规律，是假定在非常清洁的大气条件下得到的。
此图表明，水平面上每天的太阳直接辐射辐照量，在低纬度地区四季变化并不十分显着；随着纬度的升高，它逐渐变为夏季高而冬季低；在高纬度地区，冬季太阳的直接辐射辐照量就十分低了。
图1-5北半球各纬度水平面上各月太阳直接辐射辐照量的变化
在白天，如果天气晴朗，太阳的直接辐射在总辐射中所占的份额，早、晚较低（30%～50%），中午较高（60%～80%）。
太阳直接辐射具有方向性，对光伏系统发电量的贡献最大。
在阴雨天，太阳的总辐射较低，且几乎都是各向同性的散射辐射，光伏系统的发电量一般都比较小了。
来自周围物体如白雪或白色屋顶的反射辐射导致的辐照度增加的百分比并不大，通常仅为2%～5%。
在我国大部分地区，全年的太阳直接辐射辐照量在总辐照量中所占的份额，约为～。
在我国南方多云多雨地区，此份额要低一些，约为～，四川贵州要更低一些。
在我国北方干旱少云地区和青藏高原，此份额约为～，个别地区可超过。
某一时刻太阳照射到光伏方阵上的辐照度受多种因素的影响，如与所处的时间和天气条件、光伏方阵与太阳的相对位置、光伏方阵周围的环境等有关。
图1-6表示了晴天和多云天在水平面上的太阳辐照度变化情况。
一般夏季太阳辐照度高，冬季辐照度低。
每天太阳升起时辐照度开始爬升，在正午时达到峰值，然后随着太阳西下而减小，日落后辐照度为零。
多云天气的辐照度情况是漂浮不定的，时高时低，而阴雨天的太阳辐照度就很低了。
图1-6天气对太阳辐照度的影响
地面上的太阳辐射还与大气的透明度有关。
在晴朗无云天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐照度就高，太阳直接辐射的比例也高。
天空烟雾沙尘多，大气透明度较低，到达地面的太阳辐照度就低,太阳直接辐射的比例也低。
近几年在我国东部一些地区，冬季空气污染严重，经常出现雾霾天气，到达地面的太阳辐照度就大大降低，严重影响了光伏系统的发电量。
地面上太阳辐射与云的关系比较复杂。
首先，大气透明度的大小随着云层厚度与形状的不同而显着地变化，地面的太阳直接辐射将随着云层厚度的增加而迅速减少，只有高云和某些中云能够透过一定量的太阳直接辐射，低云和大多数的中云对太阳直接辐射完全不能透过。
其次，地面的太阳散射辐射不但与大气质量、大气透明度和地面的反射率有关，还与云量和云状有密切关系。
太阳位置与时间
地球沿椭圆轨道绕太阳公转，又绕地轴自转，而地轴在轨道面上的倾角为，这就是引起太阳入射角四季变化的原因。
如图1-7（a）所示，夏至日之后的十几天地球距离太阳最远，北半球朝太阳倾斜，白昼长而黑夜短。
冬至日之后的十几天地球距离太阳最近，北半球斜着偏离太阳，黑夜长而白昼短。
只有在春分和秋分日，地球才不倾向或偏离太阳。
图1-7太阳与地球相对关系的俯视图
太阳与地球的相对关系在地球为中心的俯视图中可以看得更清楚一些，如图1-7（b）所示。
在此图中，地球是不动的，且地轴指向上方，太阳以平均角速度150/
绕以地球为中心的圆形轨道运动，地球和太阳的中心连线与赤道平面的夹角便是赤纬角（
）。
一年中的赤纬角是变化的，规定太阳位于赤道以北，
为正，太阳位于赤道以南，
为负，夏至日和冬至日达到最大，
分别为23o27′和-23o27′。
（1-6）
式中，
表示一年中的天数，1月1日取为1，12月31日取为365。
从地面观察者看来，太阳在天空中的位置可以由高度角和方位角来确定。
太阳高度角是指太阳入射光线与地平面之间的夹角，用
来表示。
太阳方位角是指太阳中心到地面观察点的连线在当地水平面上的投影与正南方向（北半球）或正北方向（南半球）的夹角，用
来表示。
在北半球，规定正南方
=0o，
上午偏东为正值，
下午偏西为负值。
太阳时角是指某时刻太阳在赤道平面上的投影与正午时刻太阳在赤道平面上的投影之间的夹角，用
来表示。
规定太阳正午时刻即太阳时
为12点钟时，
=0o，上午
为正值，下午
为负值。
太阳时角
与太阳时
之间有对应关系：
=15（12-
）（1-7）
太阳高度角和方位角的变化是随时间、地理纬度和赤纬角而变化的。
任意条件下太阳高度角和方位角与时角、赤纬角及纬度之间的关系为
sin
=sinφsinδ+cosφcosδcos
cos
=（sinφcosδcos
-cosφsinδ）/cos
（1-8）
sin
=（cosδsin
）/cos
式中，φ为观察地的纬度。
在太阳正午时刻，太阳时角为
=0o，由式（1-8）可得：
在φ＜δ的地方，
=90o-φ+δ，正午太阳位于天顶的北方；在φ＞δ的地方，
=90o+φ-δ，正午太阳位于天顶的南方。
日出、日落时太阳高度角
=0o，由式（1-8）可得到此时太阳方位角的关系式cos
=-sinδ/cosφ，就不难求出日出日落时的太阳方位角。
由式（1-8）还可得到此时太阳时角的关系式cos
=-tanφtanδ，从而求出日出日落时的太阳时角。
有正负两个解，正值表示日出时角，负值表示日落时角。
在光伏工程技术中所用的时间值，通常采用太阳时（也称真太阳时），它是以太阳时角作标准的计时系统，以日面中心处在该地的正午为12点钟计时的。
它不仅计量着时间，还表征了太阳在当地的位置状况。
北半球各地太阳时12点钟（正午时刻），太阳就位于正南方，光伏方阵的正南方位是以此来确定的。
要得到当地的太阳时，先要将标准时（在我国为北京时，
）换算成当地的地方时（即平均太阳时，这是用钟表计时的基础，
），再进行时差（
，单位为min）修正：
（1-9）
（1-10）
这里，Ψ是当地的经度，
=15o/
为地球自转角速度。
我国通用的标准时间为北京时，是以东经1200子午线作为计时的标准，但它不是北京的地方时。
北京位于东经116o19′，因此标准时或北京时要比北京的地方时晚约15分钟。
地球沿椭圆轨道运动时，近日点速度快而远日点速度慢，使得太阳连续两次通过子午圈的时间间隔不相等。
为了计算方便，采用地方时即“平均太阳时”的概念，把地球看成是以均匀角速度沿圆形轨道运动时计量的每日的时间，这是用钟表计时的基础，而太阳时则每日时间是不相等的。
所谓的时差就定义为太阳位于正南方时的太阳时与地方时之差。
表1-3列出了一年中每隔4天的时差值，可见全年的时差最大相差约半小时。
表1-3一年中的时差τ（单位：
min）
月份
日期
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
5
9
13
17
21
25
29
利用式（1-8）可以确定一年中任意时刻太阳在天空中的位置，但计算比较繁杂，如果将式（1-8）画成位置图就很直观了，如图（1-8）～图（1-13）所示，它在评估光伏方阵潜在的阴影问题时特别有用。
太阳位置图显示了一年中几个不同日期太阳在天空中的路径，水平轴表示太阳方位角，纵轴表示太阳高度角，图中实线表示太阳的轨迹，虚线表示每天的不同时刻，实线与虚线的交点则代表当天该时刻的太阳位置。
最高的曲线表示夏至日太阳的路径，中间曲线表示春分日和秋分日的路径，最低的曲线表示冬至日的路径。
根据太阳位置图能够迅速地确定某时刻太阳的高度角和方位角。
有趣的是，处在同一纬度上的不同地点，太阳路径完全一样，但是每天的太阳辐照量却因为天气可能有很大的不同。
无论你在哪个纬度，在春分日和秋分日，太阳总是从正东方升起，在正西方落下；在夏季，太阳从东偏北升起，在西偏北落下，而在冬季则刚好相反。
在春分日和秋分日，太阳正午时的高度角等于90o-φ，而夏至日和冬至日与春分日和秋分日太阳正午的高度角之差为。
图1-8北纬25o处的太阳位置图图1-9北纬32o处的太阳位置图
图1-10北纬36o处的太阳位置图图1-11北纬38o处的太阳位置图
图1-12北纬40o处的太阳位置图图1-13北纬42o处的太阳位置图
我国太阳能资源
世界太阳能资源分布情况大致如下：
太阳能资源丰富程度最高的地区是印度、巴基斯坦、中东、北非、澳大利亚和新西兰；中高地区为美国、中美和南美南部；中等地区为西南欧洲、巴西、东南亚、中国、朝鲜和中非；中低地区是东欧和日本；最低的地区为加拿大、西北欧洲和俄罗斯大部。
我国地处北半球，土地辽阔，国土总面积达960
，占全世界陆地总面积的7%，居世界第三位。
南从北纬4o的曾母暗沙岛，北到北纬52o32′的漠河，西自东经73o的帕米尔高原，东到东经135o10′的乌苏里江，距离都在5000
以上。
我国大部分地区属于温带气候，华南属于热带，南沙群岛属于赤道带。
我国太阳能资源比较丰富，在世界上是属于中等太阳能资源地区，2/3以上国土面积地区年平均日照时数在2000
以上，水平面年平均辐照量超过5000MJ/（m2·a），合1389kW·h/（m2·a），相当于年平均峰值日照时数在d以上，具有较好利用太阳能的条件。
特别是西部地区，太阳能资源丰富，如青藏高原，年平均日照时数在3000
以上，年平均辐照量超过6660MJ/（m2·a），合1850kW·h/（m2·a），可与世界上最丰富的中东、北非、澳洲和印巴地区相媲美。
根据各地水平面全年接受太阳辐照量的多少，可将我国划分成四个太阳能资源带，如表1-4所示，表中还列出了所在太阳资源带的地区。
与此太阳资源带相对应，图1-14显示了我国各地太阳能资源的分布情况。
表1-4我国太阳能资源带的划分
资源带
年总辐照量
年均峰值日照时数
地区
资源
丰富
≥6300MJ/（m2·a）
≥1750kWh/（m2·a）
≥d
西藏中西部、青海西部、新疆南部、甘肃西北部、内蒙古西北部
资源
较丰富
5040～6300MJ/（m2·a）
1400～1750kWh/（m2·a）
～d
西藏东南部、青海东部、新疆北部东部、甘肃中部、宁夏、内蒙古东南部、陕西北部、吉林、辽宁、河北西北部东南部、山西、山东北部、江苏北部、安徽北部、四川西部、云南中部、海南西部、台湾西南部
资源
较贫乏
3780～5040MJ/（m2·a）
1050～1400kWh/（m2·a）
～d
北京、上海、天津、甘肃东南部、陕西南部、黑龙江、河北南部、河南、山东南部、江苏南部、安徽南部、湖北、湖南、浙江、江西、福建、广东、广西、云南西南部、海南东部、台湾东北部
资源
贫乏
≤3780MJ/（m2·a）
≤1050kWh/（m2·a）
≤d
四川东部、重庆、贵州
图1-14我国太阳能资源分布图
在设计光伏发电系统对太阳能资源进行分析时，宜选用距发电系统较近的气象观测站提供的太阳能资源资料。
表1-5列出了我国各地1999～2008年十年太阳能辐射平均值的统计资料。
当光伏发电系统无适宜的太阳能资料作参考时，可上网查找NASA的太阳能辐射气象卫星数据资料作为参考。
表1-5我国各地1999～2008年十年太阳辐照量的年平均值
省份
地点
北纬纬度
东经经度
年平均辐照量
（kWh/（m2·a））
平均峰值日照时数
（h/d）
北京
39o48′
116o28′
天津
39o05′
117o04′
上海
31o24′
121o27′
重庆
29o35′
106o28′
黑龙江
漠河
52o58′
122o31′
黑河
50o15′
127o27′
富裕
47o48′
124o29′
佳木斯
46o47′
130o18′
哈尔滨
45o45′
126o46′
吉林
长春
43o54′
125o13′
辽宁
延吉
42o52′
129o30′
沈阳
41o44′
123o31′
朝阳
41o33′
120o26′
大连
38o54′
121o38′
内蒙古
海拉尔
49o13′
119o45′
索伦
46o36′
121o13′
锡林浩特
43o57′
116o07′
二连浩特
43o39′
111o58′
通辽
43o36′
122o16′
额济纳期
41o57′
101o04′
乌拉特中旗
41o34′
108o31′
鄂尔多斯东胜
39o50′
109o59′
新疆
阿勒泰
47o44′
88o05′
塔城
46o44′
83o00′
伊宁
43o57′
81o20′
乌鲁木齐
43o47′
87o39′
吐鲁番
42o56′
89o12′
哈密
42o49′
93o31′
焉耆
42o05′
86o34′
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