1.2　地球上的太陽(yáng)能

在太陽(yáng)能利用中，人們關(guān)注地球上某處采光面所能截獲的太陽(yáng)輻照度。太陽(yáng)輻照度的大小取決于以下四個(gè)方面。

①日-地距離；

②太陽(yáng)對(duì)地球上某處某時(shí)刻的相對(duì)位置；

③太陽(yáng)輻射進(jìn)入大氣層的衰減情況；

④太陽(yáng)能接收表面的方位和傾角。

1.2.1　地球大氣層上界的太陽(yáng)能

1.2.1.1　太陽(yáng)常數(shù)

地球的平均半徑只有6.37×103km，相對(duì)于日-地平均距離（約為1.50×108km）來(lái)說(shuō)，幾乎可視為一個(gè)點(diǎn)，它與直徑為1.39×106km的太陽(yáng)形成32'的平面張角（見(jiàn)圖1-2），其立體角Ωs為：

式中，Rs為太陽(yáng)半徑；Ds-e為日-地距離。

地球大氣層上界表面上單位立體角中的太陽(yáng)輻照度為

式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.6697×10-8W/（m2·K4）；Ts為太陽(yáng)表面的平均溫度，K。

故大氣層上界Ωs立體角中與太陽(yáng)光線垂直的單位表面積上的太陽(yáng)輻照度Isc為：

　　 （1-1） 　　

由式（1-1）可知，σ、Rs、Ts都是常數(shù)，故Isc僅是Ds-e的函數(shù)。因地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的橢圓形軌道的長(zhǎng)短軸偏心率僅為3％，即Ds-e一年中也只是略有變化，所引起的Isc的變化僅為年平均值的±3.5％，故將Isc視為常數(shù)來(lái)定義，即定義在日-地平均距離處地球大氣層上界垂直于太陽(yáng)光線的表面上，單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所接收到的太陽(yáng)輻射能量為太陽(yáng)常數(shù)。1981年，世界氣象組織（WMO）公布的太陽(yáng)常數(shù)值為

Isc=1368W/m2=8.21J/（cm2·min）

當(dāng)然，太陽(yáng)本身的活動(dòng)也會(huì)引起太陽(yáng)輻射能的波動(dòng)。但多年來(lái)，世界各地觀察結(jié)果表明，太陽(yáng)活動(dòng)峰值年的輻射量與太陽(yáng)活動(dòng)寧?kù)o年相比只有2.5％左右的增大而已。所以，可以認(rèn)為太陽(yáng)常數(shù)就是地球上所接收到的太陽(yáng)輻照度的最大極限值。

1.2.1.2　太陽(yáng)輻射光譜分布

太陽(yáng)輻射是一種電磁波輻射，即有波動(dòng)性，也有粒子性。其光譜的主要波長(zhǎng)范圍為0.15～4μm，而地面和大氣輻射的主要波長(zhǎng)范圍則為3～120μm。在氣象學(xué)中，根據(jù)波長(zhǎng)的不同，通常把太陽(yáng)輻射稱為短波輻射，而把地面和大氣輻射稱為長(zhǎng)波輻射。

太陽(yáng)輻射的光譜依波長(zhǎng)劃分波段：波長(zhǎng)小于0.4μm為紫外波段；從0.4～0.75μm為可見(jiàn)光波段；波長(zhǎng)大于0.75μm的則為紅外波段。在可見(jiàn)光譜的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)的電磁輻射對(duì)人眼產(chǎn)生不同的顏色感覺(jué)。表1-1列出了各種顏色的波長(zhǎng)及其光譜范圍。

以輻射能量為縱坐標(biāo)，波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)所繪制的太陽(yáng)光譜能量分布曲線如圖1-3所示。由圖可知，盡管太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)范圍較寬，但絕大部分的能量卻集中在0.22～4.0μm的波段內(nèi)，占總能量的99％。其中，可見(jiàn)光波段約占43％，紅外波段約占48.3％，紫外波段約占8.7％。能量分布最大值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)則是0.475μm，屬于藍(lán)綠光。

1.2.2　地球表面上的太陽(yáng)能

1.2.2.1　太陽(yáng)輻射在大氣層中的衰減

太陽(yáng)輻射發(fā)射至地球，不但要經(jīng)過(guò)遙遠(yuǎn)的旅程，并且還要遇到各種阻攔，受到各種影響。地球表面被對(duì)流層、平流層和電離層大氣緊緊地包圍。其總厚度在1200km以上。當(dāng)太陽(yáng)從1.5×108km的遠(yuǎn)方將其光熱和微粒流以3×105km/s的速度向地球輻射時(shí)，將受到地球大氣層的干擾和阻擋。

地球是個(gè)大磁體。在它周圍形成了一個(gè)很大的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)控制的1000km以上直至幾萬(wàn)千米，甚至高達(dá)幾十萬(wàn)千米的廣大區(qū)域，叫做地球的磁層。當(dāng)太陽(yáng)微粒輻射射向地球時(shí)，其受磁層阻擋而不能到達(dá)地面。即使有少數(shù)微粒闖入，往往也被磁層內(nèi)部的磁場(chǎng)俘獲。這是地球?qū)μ?yáng)輻射所設(shè)置的“第一道防線”。

在地球磁層下面的地球大氣層中，對(duì)流層、平流層和電離層都對(duì)太陽(yáng)輻射有吸收、反射和散射作用。其中，電離層不僅可以將太陽(yáng)輻射中的無(wú)線電波吸收掉或反射出去，而且會(huì)使有害的紫外線部分和X射線部分在這里受阻。這就是“第二道防線”。

在距地球水平面24km左右的大氣平流層中，有一個(gè)臭氧特別豐富的層次，叫做臭氧層。臭氧層的作用很大，可以將進(jìn)入這里的絕大部分紫外線吸收掉。因此，臭氧層又構(gòu)成了“第三道防線”。由于地球設(shè)置了以上“三道防線”，因此可以把太陽(yáng)輻射中的有害部分消除，從而使得人類和各種生物得以保護(hù)。

由于大氣層的存在和影響，到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射可分成兩個(gè)部分：一部分為直接輻射，這是不改變方向的太陽(yáng)輻射；另一部分則為散射輻射，這是被大氣層或云層反射和散射后改變了方向的太陽(yáng)輻射。兩者之和稱為總輻射。一般來(lái)說(shuō)，晴朗的白天直接輻射占總輻射的比例大，而陰雨天散射輻射占總輻射的比例大。利用太陽(yáng)能，實(shí)際上是利用太陽(yáng)總輻射。但是，對(duì)于多數(shù)太陽(yáng)能利用設(shè)備來(lái)說(shuō)，特別是聚光集熱裝置，則是利用直接輻射部分。

總之，據(jù)觀測(cè)和計(jì)算，到達(dá)地球大氣層上界的太陽(yáng)輻射功率為1.77×1017W，經(jīng)過(guò)大氣層后受到衰減。其中，被大氣分子和塵埃反射回宇宙空間的太陽(yáng)輻射功率為5.2×1016W，約占30％；被大氣所吸收的部分為4.0×1016W，約占23％；因此，穿過(guò)大氣層到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射功率則為8.1×1016W，約占47％。也就是說(shuō)，能穿過(guò)大氣到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能還不及到達(dá)地球大氣層上界的一半。此外，地球表面的海洋面積占79％，這樣，到達(dá)陸地表面的太陽(yáng)輻射功率僅占到達(dá)整個(gè)地球表面的太陽(yáng)輻射功率的21％，即大約為1.785×1016W。

1.2.2.2　影響地面太陽(yáng)輻照度的因素

影響地面太陽(yáng)輻照度的因素很多，某一具體地點(diǎn)的太陽(yáng)輻照度大小由下述因素的綜合結(jié)果決定。

（1）太陽(yáng)高度角

對(duì)于地球上的某一點(diǎn)，太陽(yáng)高度角是指太陽(yáng)光的入射方向和地平面之間的交角，即某地太陽(yáng)光線與該地作垂直于地心的地表切線的夾角，簡(jiǎn)稱太陽(yáng)高度。

由于地球大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射有吸收、反射和散射作用，因此，紅外線、可見(jiàn)光和紫外線在光射線中所占的比例也隨著太陽(yáng)高度角的變化而變化。當(dāng)太陽(yáng)高度角為90°時(shí)，在太陽(yáng)光譜中，紅外線占50％，可見(jiàn)光占46％，紫外線占4％；當(dāng)太陽(yáng)高度為5°時(shí)，紅外線占72％，可見(jiàn)光占28％，紫外線則為近于0。

一天中，太陽(yáng)高度角是不斷變化的；同時(shí)，在一年中也是不斷變化的。對(duì)于某處地平面來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)高度角較低時(shí)，光線穿過(guò)大氣的路程較長(zhǎng)，輻射能衰減得就較多。同時(shí)，又因?yàn)楣饩€以較小的角投射到該地平面上，所以到達(dá)地平面的能量就較少。反之，則較多。

（2）大氣質(zhì)量

太陽(yáng)輻射能受到衰減作用的大小，與太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣路程的長(zhǎng)短有關(guān)。路程越長(zhǎng)，能量損失的就越多；路程越短，能量損失的越少。大氣質(zhì)量就是太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣層的無(wú)量綱路程，將其定義為太陽(yáng)光通過(guò)大氣層的路徑與太陽(yáng)光在天頂方向時(shí)射向地面的路徑之比。令海平面上太陽(yáng)光垂直入射的路徑為1，即無(wú)量綱距為m=1。大氣質(zhì)量示意見(jiàn)圖1-4。由圖可知，當(dāng)太陽(yáng)高度角大于或等于30°時(shí)，無(wú)量綱距的計(jì)算公式為

　　 （1-2） 　　

式中，αs為太陽(yáng)高度角。

太陽(yáng)高度角與大氣質(zhì)量的關(guān)系見(jiàn)表1-2。

（3）大氣透明度

在大氣層上界與光線垂直的平面上，太陽(yáng)輻射度基本上是一個(gè)常數(shù)。但是在地球表面上，太陽(yáng)輻照度卻是經(jīng)常變化的。這主要是由大氣透明程度不同所引起的。大氣透明度是表征大氣對(duì)于太陽(yáng)光線透過(guò)程度的一個(gè)參數(shù)。在晴朗無(wú)云的天氣，大氣透明度高，到達(dá)到面的太陽(yáng)輻射能就多。天空云霧很多或風(fēng)沙灰塵很大時(shí)，大氣透明度很低，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能就較少?？梢?jiàn)，大氣透明度是與天空中云量的多少以及大氣中所含灰塵等雜質(zhì)的多少密切相關(guān)的。為了考慮大氣透明度對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，經(jīng)繁瑣的公式推導(dǎo)后，將其制成表1-3。從表1-3中可查出不同太陽(yáng)高度角和大氣透明度下的太陽(yáng)直接輻照度。

（4）地理緯度

太陽(yáng)輻射能量是由低緯度向高緯度逐漸減弱的。假定不同緯度地區(qū)的大氣透明度是相同的。在這樣的條件下進(jìn)行比較，如圖1-5所示，春分中午時(shí)刻的太陽(yáng)垂直照射到地球赤道F點(diǎn)上，設(shè)同一經(jīng)度上有另外兩點(diǎn)B、D，且B點(diǎn)緯度比D點(diǎn)緯度高。由圖1-5可知，陽(yáng)光射到B點(diǎn)所需經(jīng)過(guò)大氣層的路程AB比陽(yáng)光射到D點(diǎn)所經(jīng)過(guò)大氣層的路程CD長(zhǎng)。所以，B點(diǎn)的垂直輻射能量將比D點(diǎn)的小。在赤道上F點(diǎn)垂直輻射通量最大，因?yàn)殛?yáng)光在大氣層中經(jīng)過(guò)的路程EF最短。例如，地處高緯度的俄羅斯的圣彼得堡（北緯60°），每年1cm2的面積上，只能獲得335kJ的熱量。而在我國(guó)首都北京，地處中緯度（北緯39°67'），則可得到586kJ的熱量，在低緯度的撒哈拉沙漠地區(qū)則可得到921kJ的熱量。

（5）日照時(shí)間

日照時(shí)間也是影響地面太陽(yáng)輻照度的一個(gè)重要因素。如果某地區(qū)某日白天有14h，若其中陰天時(shí)間≥6h，而出太陽(yáng)的時(shí)間小于或等于8h，那么，就可稱該地區(qū)那一天的日照時(shí)間是8h。日照時(shí)間越長(zhǎng)，地面所獲得的太陽(yáng)總輻射量就越多。

（6）海拔高度

海拔越高，大氣透明度越好，從而太陽(yáng)的直接輻射量也就越高。中國(guó)西藏高原地區(qū)，由于平均海拔高達(dá)4000m以上，且大氣潔凈、空氣干燥、緯度又低，因此太陽(yáng)總輻射量多介于6000～8000MJ/m2，直接輻射比重大。

此外，日地距離、地形、地勢(shì)等對(duì)太陽(yáng)輻照度也有一定的影響。在同一緯度上，盆地氣溫要比平川高，陽(yáng)坡氣溫要比陰坡高等。