徐州地區(qū)太陽輻射強度的計算

1、徐州地區(qū)太陽輻射強度的計算1.1 太陽輻射強度的計算基礎知識1.1.1 日地相對運動與赤緯角 貫穿地球中心與南北兩極相連的線稱為地軸。地球除了繞地軸自轉以每天(24h)為一個周期外；同時又沿橢圓形軌道圍繞太陽進行公轉，運行周期約為一年。太陽位于橢圓形的一個焦點上。該橢圓形軌道稱為黃道，在黃道平面內長半袖約為152 。 短半軸約為 ；橢圓偏心率不大，1月l 日為近日點，日地距離約 ；7月1日為遠日點時 ，相差約3。一年中任一天的日地距離可以表示為： 式中 R - 日地距離 ； n - 為1月1日算起，一年中的第幾天 ； 地球的赤道平面與黃道平面的夾角稱為赤黃角，它就是地軸與黃道平面法線間的夾角，

2、在一年中的任一時刻皆保持為23.45。太陽、地球的相對運動如圖所示 以太為中心的日-地俯視圖 以地球為中心的俯視圖在地球上任一位置觀察太陽在天空中每天的視運動是以年為周期性變化的，并取決于太陽赤緯角的大小。赤緯角即正午時的太陽光與地球赤道平面間的夾角。取赤道向北為正方向，而向南為負方向，用表示。赤緯角從+23.45到-23.45變化，它導致地球表面上太陽輻射入射角的變化，使白天的長短隨季節(jié)性有所不同。在赤道地區(qū)，從太陽升起到日落的持續(xù)時間為12h。但在較高緯度地區(qū)，不同季節(jié)其晝長就有相當大變化。赤緯角是地球圍繞太陽運行規(guī)律造成的，它使地球上不同的地理位置所接受到的太陽入射光線方向不同，從而形成

3、地球上一年有四季的變化。一年中有四個特殊日期，即：夏至、冬至、春分、秋分。北半球夏至（6月21日或22日）陽光正射北回歸線赤緯角=23.45；北半球冬至（12月22日或21日），太陽光線正射南回歸線，=-23.45；春分（3月20日或21日）和秋分（9月22日或23日）太陽正射赤道，赤緯角都為零，地球南北半球晝夜長度相等。 赤緯角的日變化可用如下近似表達式計算： 式中 n-從1月1日算起一年中的第幾天的天數(shù) ; 一年中赤緯角()的變化范圍之間 ;1.1.2 太陽時和時差 天球坐標系統(tǒng)從觀測者的位置，作一個水平面，和天球的交線稱為天球的水平圈；作一鉛垂線，和天球的交點分別稱為天球的天頂和天底。通

4、過天頂和天底的大圓稱為垂直圈，通過天球極點的垂直圈稱為子午圈。通過天體的時圈和子午圈在北極點的夾角或在赤道上所跨的弧長稱為該天體的時角。在本坐標系里，天體在天球上的位置是用高度角和方位角來確定的。所謂太陽高度角就是觀測天體視線和水平面的夾角，而方位角則是通過該天體的垂直圈和子午線圈在天頂?shù)膴A角。這個坐標是固定在觀測者所在地球上的。由于地球的自轉，從這個坐標系看來，所有的日月星辰在天球上，圍繞天球的極點每晝夜旋轉一周。即某天體的時角每隔一小時就要相差15度，這就是我們日常觀察星空所看到的景象。太陽經(jīng)過觀測點相應的子午圈為當?shù)卣缡r和子夜零時。太陽在正午時，時角為0；上午時角為負，下午時角為正

5、。即以中午太陽時十二點在基點，順時針為負；逆時針為正。以太陽時角所確定的時間稱為當?shù)氐恼嫣枙r。由于太陽與地球之間的距離和相對位置隨時間的變化而變化的，以及地球赤道面和公轉軌道面不一致，致使真太陽時有時候快一些，有時候慢一些。而鐘表所指示的時間是均勻的，有稱平太陽時。真太陽時與平均太陽時的差值稱為時差。真太陽時H可按下列公式計算： 式中 -該地區(qū)的標準時間 ， h ； -該地區(qū)的經(jīng)度 ； -當?shù)貢r區(qū)的標準子午線 ； -時差 ，min； 時差e的計算： 式中 ， ； n-日期序號 ；1.1.3 太陽高度角的計算 球面三角形在地平坐標系中，要用到球面三角的一些公式。在此僅給出與球面三角有關的幾個定

6、義和公式。球面上兩點之間的員短距離是沿著大圓(即其平面通過球心)的圓周來測量的。球面三角形的頂點是三條從球心引出的射線同球面相交的點。射線之間夾角小于180(的那些角稱為球面三角形的邊a, b, c。三角形的每一邊對應著球面上的一個大圓弧見圖。分別與邊a, b, c相對的球面三角形的角A,B,C是相應的大圓弧之間的夾角，或者是已知的射線所確定的平面之間的角。 從球面三角形中的邊角關系，由余弦定律可得到計算太陽高度角h的公式： 式中 -該地區(qū)的地理緯度 ； -為太陽赤緯 ； -太陽時角 ；1.1.4 太陽常數(shù) 太陽常數(shù)是在日地平均距離處(這個平均距離大約為1億5千萬公里)，地球大氣層外，垂直于太

7、陽光線的平面上，單位面積、單位時間內所接收到的太陽輻射能。太陽常數(shù)是指大氣層外垂直于太陽光線的平面上的輻射強度。太陽輻射在穿過大氣層時被減弱，這種減弱主要是由于大氣的各種成分的吸收和散射引起的。大氣中的各種成分對各種不同波長的太陽輻射的吸收和散射的作用是不同的，但總的說來，在地面上測得的最大的垂直于太陽輻射的平面上的輻射強度大約是太陽常數(shù)的80，也就是說，被大氣吸收和散射的太陽輻射至少約占太陽常數(shù)的20左右。1.1.5 大氣對太陽輻射的吸收和散射以及大氣透明度大氣對于太陽輻射的吸收是有選擇性的，它只對某些波長的輻射強烈地吸收，而讓另一些波長的輻射透過，這種作用就稱為選擇性吸收。大氣中能夠吸收太

8、陽輻射的氣體以臭氧、氧和水汽等為主。太陽輻射進入大氣層中，遇到空氣分子及浮懸在空中而直徑小于太陽輻射波長的微塵時(如液滴、霧、冰晶、微塵、空氣分子等)就有散射作用發(fā)生。大氣對各種波長的太陽輻射的散射程度是不同的，這既是說大氣對于太陽輻射的散射作用也是有選擇性的。一般地說，短波散射輻射的強度隨太陽高度的增大而增大。 大氣對太陽輻射吸收和散射的結果，使太陽輻射能在通過大氣層時有一定的衰減，表征大氣使輻射能衰減程度的一個重要參數(shù)就是大氣透明度。 根據(jù)Bouguer-Lambert定律，當波長為的太陽輻射，在經(jīng)過dm厚的大氣層后，輻射衰減量為 ；式中稱為大氣的消光系數(shù)，如將上式積分，則得 ；或表示為

9、；式中是時的值。但上述Bouguer-Lambert定律只適用于單色光，對于太陽輻射的全光譜則應有 ；以上諸式中，是太陽常數(shù)，m是大氣質量。這里通常把太陽輻射通過垂直于海平面的整個大氣層厚度稱為一個大氣質量，而它的透明度（或稱透明系數(shù)）即為；當大氣質量為m，其透明系數(shù)即為。所以，大氣質量m這一概念與通常所說的“質量”是完全不同的，它是指在傾斜方向上輻射通過的大氣層厚度為垂直方向上輻射通過的大氣層厚度的倍數(shù)， 即 經(jīng)過氣象工作者根據(jù)觀測資料研究得出P1和Pm之間的近似關系為 所以，當太陽高度為h，而太陽能集熱器的受熱面垂直于太陽光線時，直射太陽輻射通量應為。則有 因此，大氣透明系數(shù)P的物理意義，

10、就是當光線經(jīng)過大氣的路程最短時，該光譜段在地面輻射強度與在大氣層上界的輻射強度之比，即 大體上說，在一個大氣質量的情況下，P值可應用下列的經(jīng)驗數(shù)據(jù)：，大致相當于最好天氣時的透明度；，大致相當于很好天氣時的透明度；，大致相當于中等晴朗天氣時的透明度；，大致相當于較差的晴天時的透明度；3.2 太陽能輻射強度的計算照射在水平面上的太陽輻射總強度由直接輻射、天空散射兩部分組成。太陽直接輻射就是指以平行光線的方式從太陽直接投射到地面上的輻射能。太陽直接輻射與天空散射不同，天空散射是由于大氣和云層使太陽光線所產(chǎn)生的自天空投射到地面的輻射能。 在1 cm2的水平表面上，正午時太陽直射輻射的強度是依地理緯度不

11、同而變化的。高緯度地方的強度較低緯度地方為弱，因為高緯度地方正午時太陽離地平線的高度比低緯度地方要低得多。此外，云量對太陽直射輻射的強度影響也很大。在太陽離地平面15-20以上時，太陽輻射才能通過高云(輕而透明的卷云和卷層云)。太陽高度在40和40以上時，才能通過比較稠密的中云(高層云和高積云)。太陽直射輻射不能透過最密的低云(層積云和兩層云)但碎層云例外，太陽高度在50左右及50以上時，太陽直射輻射可以通過這種云。太陽直射輻射的強度同樣地還隨地方的海拔高度而改變。大氣厚度隨高度助增加而減小，同時大氣的透明度因水汽和微塵的減少而增大。1.2.1 太陽光穿過大氣層達到地球表面時，垂直太陽光平面上

12、的太陽直射強度可按下式計算： 式中 -太陽常數(shù) ， （） ； -日地距離為r時的修正系數(shù) ，為日地平均距離 ； -太陽高度角 ； -和大氣透明度有關的系數(shù) ，對較好的晴天可取=0.33 ； 參數(shù)確定： - ； 式中 n-日期序號 ； 1.2.2 太陽在水平面上的直射強度為： （）太陽在水平面上的散射強度為： （）式中 m-陽光透過大氣層的大氣質量， 當時，；當時，； p-大氣質量為1時的大氣透明率，徐州地區(qū)取p=0.65，中等的晴天； 1.2.4 太陽輻射在水平面的總輻射 （ ） 3.3 計算結果徐州地處東經(jīng)11722；北緯34.32 北京標準時間為東經(jīng)120 1.3.1 一月時間678910

13、1112131415161718（）0047229409538603596519380193240 1.3.2 二月時間6789101112131415161718（）021523705536807387226324772766501.3.3 三月 時間6789101112131415161718（）04125848868482389288680564443820012四月時間6789101112131415161718（）028658597103106105102958159201.3.5 五月 時間6789101112131415161718923135427479081012105210

14、239287755763491211.3.6 六月 時間6789101112131415161718148369586778926101910501016920769576358138 1.3.7 七月時間678910111213141516171885296517718879987103310149327926073911681.3.8 八月時間678910111213141516171868302533731883975100195985168747925253 1.3.9 九月時間6789101112131415161718013436658075286590988078262241518281.3.10 十月時間67891011121314151617180242114266017197697466534972968201.3.11 十一月時間678910111213141516171800154348502598627585476313117001.3.12 十二月時間6789101112131415161718004721938950