1.3 太阳能辐射量获取

1.3.1 太阳能辐射量组成

【任务说明】

太阳辐射到达地球要经过遥远的旅程，并且还会遇到各种阻拦，受到各种影响。掌握太阳能辐射量的组成是计算和测量太阳能资源的首要条件。

【任务实施】

1.太阳辐射光谱

太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱，如图1-6所示。从图中可看出，大气上界太阳光谱能量分布曲线，与用普朗克黑体辐射公式计算出的6000 K的黑体光谱能量分布曲线非常相似，因此可以把太阳辐射看作黑体辐射。太阳是一个炽热的气体球，其表面温度约为6000K，内部温度更高。根据维恩位移定律可以计算出太阳辐射峰值的波长λ_max为0.475μm，这个波长在可见光的青光部分。太阳辐射主要集中在可见光部分（0.4～0.76μm），波长大于可见光的红外线（＞0.76μm）和小于可见光的紫外线（＜0.4μm）的部分少。在全部辐射能中，波长在0.15～4μm之间的占99%以上，且主要分布在可见光区和红外线区，前者占太阳辐射总能量的约50%，后者占约43%，紫外线区的太阳辐射能很少，只占总量的约7%。

2.影响地球表面太阳能辐射度的因素

（1）太阳高度角

太阳高度角是指在地球上的某个点太阳光入射方向和地平面之间的夹角，即某地太阳光线与该地作垂直于地心的地标切线的夹角，简称太阳高度角。

由于地球大气层对太阳辐射有吸收、反射和散射的作用。因此，红外线、可见光和紫外线在光射线中所占的比例也随着太阳高度角的变化而变化。

一天中，太阳高度角是不断变化的；同时，在一年中也是不断变化的。对于某处地平面来说，太阳高度角较小时，光线穿过大气层的路程较长，辐射能衰减得就较多。同时，又因为光线以较小的角度投射到该地平面上，所以到达地平面的能量就更少了。反之，则较多。

（2）大气质量

太阳辐射受到衰减作用的大小，与太阳辐射穿过大气路程的长短有关。路程越长，能量损失就越多；路程越短，能量损失越少。大气质量就是太阳辐射通过大气层的无量纲路程，将其定义为太阳光通过大气层的路径与太阳光在天顶方向时射向地面的路径之比。令海平面上太阳光垂直入射路径为1，即无量纲路程为m=1，大气质量与太阳高度角的关系如表1-4所示。

（3）大气透明度

在大气层上界与光线垂直的平面上，太阳辐射度基本上是一个常数。但是在地球表面上，太阳辐射度却是经常变化的。这主要是由大气透明程度不同所引起的。大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数。在晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射能就多。天空云雾很多或风沙灰尘很大时，大气透明度很低，到达地面的太阳辐射能就较少。可见，大气透明度是与天空中云量的多少以及大气中所含灰尘等杂质的多少密切相关的。表1-5为不同太阳高度角和大气透明度下的太阳直接辐射度。

（4）地球纬度

太阳辐射量是由低纬度向高纬度逐渐减弱的。假定不同纬度地区的大气透明度是相同的，在这样的条件下进行比较，如图1-7所示，春分中午时刻的太阳垂直照射到地球赤道F点上，假设同一经度上有另外两点B、D，且B点纬度比D点纬度高。阳光射到B点所需经过大气层的路程AB比阳光射到D点所经过大气层的路程CD长。所以B点的垂直辐射量比D点小。在赤道F点垂直辐射量很大，因为阳光在大气层中经过的路程EF最短。

（5）日照时间

日照时间也是影响地面太阳辐射度的一个重要因素。如果某地区某日白天有14h，其中阴天时间≥6h，而出太阳的时间≤8h，那么，该地区这一天的日照时间是8h。日照时间越长，地面所获得的太阳总辐射量就越多。

（6）海拔高度

海拔越高，大气质量越高，相对大气透明度越好，太阳的直接辐射量也就越高。我国青藏高原地区，由于平均海拔高达4000m以上，且大气洁净、空气干燥、纬度又低，因此太阳总辐射量6000～8000MJ/m2之间，直接辐射比重大。

此外，日地距离、地形、地势等对太阳辐射度也有一定影响。例如，在同一纬度上，盆地气温要比平原高，阳坡气温要比阴坡高等。

3.太阳辐射在大气中的衰减

太阳辐射通过大气层后到达地球表面。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的辐射不能完全到达地面。图1-8所示为太阳辐射通过大气层被吸收、散射、反射后到达地面的太阳辐射示意图。

4.直散分离原理

大地表面（包括水平面）和太阳能电池阵列面（倾斜面）上接收到的辐射量均符合直散分离原理，即总辐射量等于直接辐射、散射辐射和地面反射辐射之和。只不过大地表面接收到的辐射量没有地面反射分量，而太阳能电池阵列面上所接收到的辐射量包括地面反射分量。即

Q_T=S_T+D_T+R_T

式中，Q_T为倾斜面接收到的总辐射量；S_T为倾斜面接收到的直接辐射量；D_T为倾斜面接收到的散射辐射量；R_T为倾斜面接收到的地面反射量。