第三章 太阳辐射的计算与估算
太阳辐射的计算
太阳辐射的计算太阳辐射是地球上最重要的能量来源之一。
它对我们的生活和自然环境产生了深远的影响。
太阳辐射的计算是一项复杂的工作，涉及许多参数和变量。
然而，通过科学的方法和精确的测量，我们能够准确地计算太阳辐射的强度和分布。
太阳辐射的计算基于地球与太阳之间的几何关系以及太阳光的能量传播规律。
首先，我们需要确定地球上一个特定地点的纬度和经度。
这些信息将帮助我们确定太阳在天空中的位置。
然后，我们需要考虑太阳的高度角和方位角。
高度角是太阳光线与地平线的夹角，而方位角是太阳光线的水平方向。
这些参数决定了太阳光线的入射角度和路径。
接下来，我们需要考虑大气对太阳辐射的影响。
大气层中的气体和颗粒物质会散射和吸收太阳光线。
这些效应将减弱太阳辐射的强度。
因此，我们需要考虑大气的透明度和光学特性。
这通常通过使用大气传输模型来计算。
除了地理和大气因素，太阳辐射的计算还需要考虑时间因素。
太阳的位置和辐射强度会随着时间的推移而变化。
因此，我们需要确定特定时间点的太阳高度角和方位角。
这通常通过使用天文数据和计算方法来实现。
通过将这些参数和变量结合起来，我们可以计算出特定地点和特定时间点的太阳辐射强度。
这可以帮助我们了解太阳辐射的分布情况，优化能源利用，设计太阳能系统，预测气候变化等。
虽然太阳辐射的计算涉及许多复杂的数学和物理原理，但我们可以通过现代科学技术和工具来进行精确的计算。
这些计算对于我们理解和利用太阳能资源至关重要。
通过深入研究太阳辐射，我们可以更好地保护环境，提高能源利用效率，促进可持续发展。
让我们共同努力，利用太阳辐射的能量，为我们的未来创造更美好的生活。
太阳辐射的计算与估算
球面几何与太阳位置方程
• 球面三角的几个计算公 式：
• 天穹和坐标
高度角——天体与观察者所处地平面的夹角。通常规定：向天顶方向取正， 向天底方向取负。 方位角——方角，天体与观察者连线在地平面上的投影线与南北方向线之间的 夹角。
太阳位置方程
3 1 2 4 赤黄角： = 2 3 .4 5 sin 2 9 2 .7 9 5 9 3 .6 2 9 8 9 .8 0 6 8 9 .0 1 2
• 太阳时与时差
可收受的辐射
• 采集面上太阳直射辐射
• 采光场所平均日辐射量：
N为同期内一天中最大日照时数，a，b为与地点相关的气候常数。 上界辐照量H0：
Esc为太阳 常数
• 水平面与倾斜面上日辐射量比较
• 散射辐射
在太阳能利用中，受光面不仅可以接受到太阳的直射照射， 而且还可吸收其散射照射。
第二章 太阳辐射的计算与估算
参考书：
地面辐射平衡图
太阳辐射能 的测量
（1）测量直接辐 射可用直接辐射表。
直接辐射表构造主要由光筒和自动跟踪 装置组成，在筒上装置JGS3石英玻璃片， 它可透过0.3～3μm波长的太阳直接辐射。 光筒内部由光栏、内筒、热电堆(感应 面)、干燥剂筒等组成。感应部件是采用 绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有 高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面 上，冷结点在机体内，在线性范围内产 生的温差电势与太阳直接辐照度成正比。 自动跟踪装置是由底板、纬度架、电机 等组成。
解：天数n=130， 由赤纬角公式得： δ=17.5° 正午时，ω=0，则可求得太阳高度角为：
太阳方位角，As=0 日出和日落的时角有：
于是，
因此，日出时间为5点10分，日落时间为18点50分。 相应的太阳方位角为：
太阳辐射的计算与估算
太阳辐射的计算与估算
首先，太阳辐射可以根据波长进行分类，包括可见光、紫外线和红外
线等。
其中，可见光是人眼能够感知的光线，紫外线和红外线则属于不可
见光，但对人体和自然环境都具有一定的影响。
计算太阳辐射的方法有多种，其中比较常用的方法包括物理模型方法、统计方法、经验关系和遥感技术等。
物理模型方法是通过建立太阳辐射传
播的数学模型，考虑到日地距离、大气条件、地形等因素，利用气象数据
进行计算。
统计方法则是通过对历史气象数据进行分析和统计，推算出辐
射量的变化规律。
经验关系是通过实际观测数据和统计关系建立数学模型，推算出太阳辐射量的估算值。
遥感技术则是通过利用卫星遥感数据，获取
地球表面太阳辐射的空间分布特征。
另外，太阳辐射的计算和估算还受到一系列影响因素的制约。
首先是
地理位置和海拔高度的影响。
在同一经纬度下，赤道地区的太阳辐射要高
于极地地区，海拔高度越高，太阳辐射也会有所减少。
其次是大气条件的
影响。
大气层的厚度、气候状况和气溶胶浓度都会对太阳辐射的传播产生
影响。
此外，云量、云类型和云高度也是影响太阳辐射的重要因素。
最后，季节和时间的变化也会对太阳辐射的强度和角度产生重要影响。
例如，夏
季太阳辐射强度高于冬季，正午的太阳直射角度要大于早晨和傍晚。
综上所述，太阳辐射的计算与估算是一个复杂的过程，需要考虑到太
阳辐射的类型、计算方法以及各种影响因素的综合作用。
对太阳辐射的准
确计算和估算有助于实现对太阳能的合理利用，推动可持续发展和环境保护。
太阳辐射度计算公式
倾斜面上的天空散射辐射 有了当地的晴朗指数，以及大气层外界水平面上的辐射强度计算方法，我们可以估算 出地面倾斜布置的光伏阵列上的月平均日辐射总量。这里所用的“水平”晴朗指数一般是 根据当地收集到的太阳辐射数据计算出来的。因而，它包含了天气的反常、太阳的直射辐 射、天空的散射辐射、以及反射的太阳辐射在内的所有辐射在水平面上的总量。如果我们 将光伏电池倾斜一个角度（即前面图示的 β 角），那么我们必须考虑到天空的散射辐射和 反射的太阳辐射的方式都发生了变化。换言之，我们需要构造一个适用于当地的倾斜表面 系数 K t 。 我们在这儿使用的方法是把倾斜布置的光伏阵列上的月平均日辐射总量和倾斜放置的 光伏阵列上的月平均日辐射总量拿一个因子R联系起来。这个R因子的计算方法最早由Liu and Jordan1提出，后来经过了Klein3的评估，随后又经Klein and Theilacker4修改和提炼。 我们在此给出它的一阶近似表达式：
由第二个式子给出。至此，我们的计算都是稳妥而保守的。
Hd 不过，这个R因子的计算还是有趣的。在其计算式中， H 是倾斜布置的光伏阵列上 的月平均日散射辐射量和同一光伏阵列上的月平均日辐射总量的比值。算式中的Rb则是倾 斜布置的光伏阵列上的月平均直射辐射量和水平布置的光伏阵列上的月平均直射辐射量的 比值。第一个比值是根据实验数据构造的，而第二个比值则可以根据我们前面学过的辐射 几何学知识分析得到。参数 ρ 表示当地的地面反射系数，最好是从当地测量获得。
这个余弦当然是太阳时角的函数，或者说是一日当中的时间的函数。
将这个余弦函数对时间积分，从日出积分到日落，可得：
H ext ( β ) =
24
π
' ' ' ] φext cos δ cos(λ − β )[sin ωss − ωss cos ω ss
太阳辐射强度计算公式
太阳辐射强度的计算公式可以分为直射强度和散射强度的计算。
太阳辐射直射强度的计算公式为：
I_B = I_DN * cos(i_s) = I_0 * P_1^(1/sin(α_s)) * cos(i_s)
其中，I_B是与水平面成任意夹角的斜面接受太阳辐射的直射强度(W/m2)；I_DN是太阳辐射到达地表平面时的强度(W/m2)；i_s是太阳直射光线与采光表面的法线夹角；P_1是大气通过率，又称大气透明系数，其物理意义是当太阳高度角为90度时，到达地面的大气辐射强度与大气层外表面太阳辐射之比。
对于散射强度的计算，可以使用辐射强度计算公式：I=E/A，其中I是辐射强度，E是发射的能量，A是作为单位面积收到辐射能量的面积。
另外，太阳辐射的总强度可以通过直射强度和散射强度的叠加来计算。
需要注意的是，这些公式中的参数可能会受到地理位置、时间、天气等因素的影响，因此在实际应用中需要根据具体情况进行调整和修正。
《卫星气象学》第3章-2
2 S0 rearth S0 Q 2 4 rearth 4
3
地球截获的太阳辐射
大气顶处的太阳辐射
地球轨道偏心率平均为 0.017，变化很小；日地平均距离的平方对其平均值的变化为 3.3%。考虑这些因素，达到大气顶的辐射通量密度可表示为：
F S0
被地表反射的太阳辐射与物体的反照率和太阳高度角有关
20
①
地面反照率（地面及其覆盖物）
物体的反照率随波长、地面颜色、干湿度、粗糙度而变。
21
因子 裸地 土壤粒子
土壤水分
影响 土壤粒子的减小会导致地面反照率的增大
一般来讲，湿度增加，反照率减小；当湿度达到一定 值时，反照率将缓慢减小；当土壤达到吸湿极限时， 反照率几乎不变。 谱段（可见光谱段、近红外谱段及中红外区）不同， 反照率也有明显的不同 积雪的反照率在可见光波段（0.6~0.7μm）接近100%， 大约从0.8μm开始直到红外波段（1.5~2.0μm）降到几乎 0。 新的雪要比陈的雪有更大的反照率。因此在其他条件 相同的情况下，可以由积雪的亮度估算积雪的时间。 对于深度小于20cm的积雪，地表降低雪的反照率，雪 越薄越明显。可利用该点区别积雪区的深度。
加热作用 吸收紫外线转化为热能加热大气
温室气体的作用 对流层上部和平流层底部，臭氧减少会产生地面 气温下降的动力
15
南极臭氧层空洞： 1985年，英国南极考察队在60°S地区观测发现 臭氧层空洞，引起世界各国极大关注 。 1986年，美国宇航局（NASA）观测到南极臭 氧层空洞。 破环机理： 极地平流层云（PSCs）对南极臭氧层空洞的形成是至关重要的。 南极特殊的环境（高山）和气候状况，造成了南极冬季的极地旋涡， 极地旋涡内的持续低温使凝结的水蒸气和 HNO3滞留形成 PSCs，使 得ClONO2和HCl等物质（氟氯烃）不断积聚其中。当春季来临(9月
年平均太阳辐射总量单位
年平均太阳辐射总量单位太阳是地球上最重要的能源之一，其辐射给予了地球上的生命活动提供了必要的能量。
而太阳辐射的强度可以通过年平均太阳辐射总量单位来表示。
本文将探讨年平均太阳辐射总量单位的定义、计量方法以及在不同领域的应用。
一、年平均太阳辐射总量单位的定义年平均太阳辐射总量单位是用来表示太阳辐射强度的标准化单位。
它通常表示为每平方米每年接收到的太阳辐射总能量。
单位可以用焦耳/平方米/年（J/m²/yr）或者千卡/平方米/年（kcal/m²/yr）进行表示。
二、年平均太阳辐射总量单位的计量方法1. 实测数据年平均太阳辐射总量单位可以通过使用太阳辐射测量仪器进行实测获得。
这些仪器通常包括太阳辐射计、辐射传感器等设备。
在不同地区设置这些测量点，可以得到对应地区的年平均太阳辐射总量单位。
2. 模型计算由于实测数据的获取需要较长时间的观测，模型计算在短时间内可以快速估算年平均太阳辐射总量单位。
通过使用地理信息系统（GIS）和辐射传输模型，可以基于地理位置、气候条件和地形等参数对太阳辐射进行模拟计算。
这种方法可以在不同地区应用，以获得较准确的年平均太阳辐射总量单位。
三、年平均太阳辐射总量单位的应用1. 太阳能发电年平均太阳辐射总量单位是评估太阳能发电潜力的重要指标。
对于太阳能电池板的规划和安装来说，准确的太阳辐射数据是必要的。
通过分析年平均太阳辐射总量单位，可以选择合适的地点用于太阳能电站的建设，提高太阳能发电的效率。
2. 农业生产太阳辐射是植物光合作用的重要能源来源。
年平均太阳辐射总量单位的数据可以用于评估农作物的光合作用强度，并提供指导农业生产管理的依据。
不同农作物对太阳辐射的需求不同，了解年平均太阳辐射总量单位可以帮助选择合适的种植方案，提高农作物的产量和质量。
3. 建筑设计在建筑领域，年平均太阳辐射总量单位可以用于评估建筑物的热量收集和利用潜力。
通过合理的设计和利用太阳辐射，可以减少建筑物的能源消耗，达到节能减排的目的。
太阳辐射度计算公式
nc = (cos β )i + (sin β )(cos γ ) j − (sin β )(sin γ )k
对于那些没有追踪功能的固定阵列，它们通常是面向正南的。垂直于阵列的单位矢量 可以简化成：
n c = (cos β )i + (sin β ) j
赤纬角
阵列的偏角
时角
照射到阵列上的光强与指向太阳的单位矢量s和垂直于阵列的单位矢量nc之间的夹角 的余弦成正比，这个量可以通过求两个矢量的标量积得到。使用上面给出的那些关系式， 这个余弦可以写成：
由于在两组坐标系中的矢量s相同，我们可以得到：
cos z = (sin δ )(sin λ ) + (cos δ )(cos λ ) cos ω
(sin z )(cos a z ) = (cos δ )(cos ω ) sin λ − (cos λ ) sin δ (sin z ) sin a z = cos δ (sin ω )
φext = 1.350kw / m 2
在一个昼夜的过程中，投射到水平安置的光伏阵列上的所有太阳辐射等于：
24 2φext ∫ cos z ⋅ dω ≡ H ext 2π 0
ωss
使用前面提到的cos z的计算式，可以积分得到：
H ext =
24
π
φext cos δ cos λ [sin ω ss − ω ss cos ω ss ]
光伏太阳能系统——太阳光源
太阳辐射几何学 根据地球自转和围绕太阳公转的日常以及季节性变化，我们推导了在任意朝向的光伏 阵列上的太阳辐射强度计算方法。为了介绍这个计算方法，需要引入两组描述太阳和地球 相对位置的坐标系。 第一组给出太阳相对于固定在地球上的坐标系的位置，坐标系的一个轴指向天顶，另 一个与之正交的轴指向地平线，即下图中的i, j坐标系，称为地平坐标系。 另一组坐标系也固定在地表的同一个位置，但是一个轴指向极点，即北天极，另一个 与之正交的轴则指向与赤道平行的方向，即下图中的I, J坐标系，称为时角坐标系。
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倾斜面可接受到总的太阳辐照度为以 下三部分之和： 1）太阳直射辐射到倾斜面的部分； 2）天空散射到倾斜面的部分； 3）1、2两项反射到倾斜面上的部分。
• 1）利用前面的球面三角形公式求出每天的 ωr、 ωs和任意时刻的As、 α 。
• 2）将到达水平面上的太阳辐照度分为直射 辐照和散射辐照两部分。
解：天数n=130， 由赤纬角公式得： δ=17.5° 正午时，ω=0，则可求得太阳高度角为：
太阳方位角，As=0 日出和日落的时角有：
于是，
因此，日出时间为5点10分，日落时间为18点50分。 相应的太阳方位角为：
该日正午时太阳高度角73°，方位角0.该日日出时间 为5点10分，太阳方位角是111.4°；日落时间是18点 50分，相应方位角是-111.4°。
球面几何与太阳位置方程
• 球面三角的几个计算公 式：
• 天穹和坐标
高度角——天体与观察者所处地平面的夹角。通常规定：向天顶方向取正， 向天底方向取负。 方位角——方角，天体与观察者连线在地平面上的投影线与南北方向线之间的 夹角。
太阳位置方程
赤黄角：
=23.45
sin
2
பைடு நூலகம்
d1 92.795
d2 93.629
d3 89.806
d4 89.012
令高度角α=0，可得日出时角ωr和日落时角ωs
太阳方位角：
令高度角α=0，可得日出和日落时太阳方位角As
• 由于日出或日落时角只与纬度和一年中的 第几天有关而已，因此一天昼长Td：
• 例1，计算34.5°N、110°E（华山）处，5 月10日正午时太阳的高度角、方位角以及 该日的日出、日落时间及其方位角。
太阳辐射光谱分布
• 太阳辐射在波长很长和很短的区域能量都 很小，绝大部分在0.2~4μm波长范围
• 观测到太阳光谱可知λm=0.5023，根 据维恩位移定律：
• T=2897.8/λm=5769K（太阳表面有效 温度，黑体温度）
• 太阳辐射的总功率：
σ-斯特潘-波尔兹曼常数，5.67×10-8w/（m2.K4） rs-太阳半径，696265Km
第三章 太阳辐射的计算与估算
参考书：
地面辐射平衡图
太阳辐射能 的测量
（1）测量直接辐 射可用直接辐射表。
直接辐射表构造主要由光筒和自动跟踪 装置组成，在筒上装置JGS3石英玻璃片， 它可透过0.3～3μm波长的太阳直接辐射。 光筒内部由光栏、内筒、热电堆(感应 面)、干燥剂筒等组成。感应部件是采用 绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有 高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面 上，冷结点在机体内，在线性范围内产 生的温差电势与太阳直接辐照度成正比。 自动跟踪装置是由底板、纬度架、电机 等组成。
• 太阳时与时差
可收受的辐射
• 采集面上太阳直射辐射
• 采光场所平均日辐射量：
N为同期内一天中最大日照时数，a，b为与地点相关的气候常数。 上界辐照量H0：
Esc为太阳 常数
• 水平面与倾斜面上日辐射量比较
• 散射辐射
在太阳能利用中，受光面不仅可以接受到太阳的直射照射， 而且还可吸收其散射照射。
• 3）到达任意倾斜面的太阳辐射分成直射、 散射和地面反射辐照三部分。
• a、在不考虑气象条件变化时，地球的自转规律决 定了一天中太阳辐射变化以正午12:00对称分布。
• b、每天当太阳高度角α<5°时，太阳辐照量可以 忽略。因而每天辐照量的积分限从α =5°的ω开始 。
• c、任一地区一年中，太阳辐射情况大致有一个平 均水平，但是任一年、任一月以及一天实际的辐照 情况则很难预测。所以根据负载的特点，选用当地 较长时间太阳辐照的年变化量的平均值（10年或20 年）作为计算倾斜面上太阳辐照量的依据可能是一 个比较合理的选择。
温差电动势与太阳辐射强度成正比
（2） 光强计测量： JG—2型光功率计来大致测量。
主要由光电探测头、电流电压变换器、电压放大器、数显表 和电压表组成，可以进行激光功率、功率密度(照度)的测量。 主要技术指标： 波长范围 400nm～1100nm； 标定波长 670nm，632．8nm，514．5nm，488．Onm，457．9nm， 441．6nm 量 程： 0.01µW～100mW；测量分档 2 µW，20µW， 200µW，2mW，20mW，200mW