1.2　地球上的太阳能

在太阳能利用中，人们关注地球上某处采光面所能截获的太阳辐照度。太阳辐照度的大小取决于以下四个方面。

①日-地距离；

②太阳对地球上某处某时刻的相对位置；

③太阳辐射进入大气层的衰减情况；

④太阳能接收表面的方位和倾角。

1.2.1　地球大气层上界的太阳能

1.2.1.1　太阳常数

地球的平均半径只有6.37×103km，相对于日-地平均距离（约为1.50×108km）来说，几乎可视为一个点，它与直径为1.39×106km的太阳形成32'的平面张角（见图1-2），其立体角Ωs为：

式中，Rs为太阳半径；Ds-e为日-地距离。

地球大气层上界表面上单位立体角中的太阳辐照度为

式中，σ为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.6697×10-8W/（m2·K4）；Ts为太阳表面的平均温度，K。

故大气层上界Ωs立体角中与太阳光线垂直的单位表面积上的太阳辐照度Isc为：

　　 （1-1） 　　

由式（1-1）可知，σ、Rs、Ts都是常数，故Isc仅是Ds-e的函数。因地球绕太阳运行的椭圆形轨道的长短轴偏心率仅为3％，即Ds-e一年中也只是略有变化，所引起的Isc的变化仅为年平均值的±3.5％，故将Isc视为常数来定义，即定义在日-地平均距离处地球大气层上界垂直于太阳光线的表面上，单位面积、单位时间内所接收到的太阳辐射能量为太阳常数。1981年，世界气象组织（WMO）公布的太阳常数值为

Isc=1368W/m2=8.21J/（cm2·min）

当然，太阳本身的活动也会引起太阳辐射能的波动。但多年来，世界各地观察结果表明，太阳活动峰值年的辐射量与太阳活动宁静年相比只有2.5％左右的增大而已。所以，可以认为太阳常数就是地球上所接收到的太阳辐照度的最大极限值。

1.2.1.2　太阳辐射光谱分布

太阳辐射是一种电磁波辐射，即有波动性，也有粒子性。其光谱的主要波长范围为0.15～4μm，而地面和大气辐射的主要波长范围则为3～120μm。在气象学中，根据波长的不同，通常把太阳辐射称为短波辐射，而把地面和大气辐射称为长波辐射。

太阳辐射的光谱依波长划分波段：波长小于0.4μm为紫外波段；从0.4～0.75μm为可见光波段；波长大于0.75μm的则为红外波段。在可见光谱的波长范围内，不同波长的电磁辐射对人眼产生不同的颜色感觉。表1-1列出了各种颜色的波长及其光谱范围。

以辐射能量为纵坐标，波长为横坐标所绘制的太阳光谱能量分布曲线如图1-3所示。由图可知，尽管太阳辐射的波长范围较宽，但绝大部分的能量却集中在0.22～4.0μm的波段内，占总能量的99％。其中，可见光波段约占43％，红外波段约占48.3％，紫外波段约占8.7％。能量分布最大值所对应的波长则是0.475μm，属于蓝绿光。

1.2.2　地球表面上的太阳能

1.2.2.1　太阳辐射在大气层中的衰减

太阳辐射发射至地球，不但要经过遥远的旅程，并且还要遇到各种阻拦，受到各种影响。地球表面被对流层、平流层和电离层大气紧紧地包围。其总厚度在1200km以上。当太阳从1.5×108km的远方将其光热和微粒流以3×105km/s的速度向地球辐射时，将受到地球大气层的干扰和阻挡。

地球是个大磁体。在它周围形成了一个很大的磁场。磁场控制的1000km以上直至几万千米，甚至高达几十万千米的广大区域，叫做地球的磁层。当太阳微粒辐射射向地球时，其受磁层阻挡而不能到达地面。即使有少数微粒闯入，往往也被磁层内部的磁场俘获。这是地球对太阳辐射所设置的“第一道防线”。

在地球磁层下面的地球大气层中，对流层、平流层和电离层都对太阳辐射有吸收、反射和散射作用。其中，电离层不仅可以将太阳辐射中的无线电波吸收掉或反射出去，而且会使有害的紫外线部分和X射线部分在这里受阻。这就是“第二道防线”。

在距地球水平面24km左右的大气平流层中，有一个臭氧特别丰富的层次，叫做臭氧层。臭氧层的作用很大，可以将进入这里的绝大部分紫外线吸收掉。因此，臭氧层又构成了“第三道防线”。由于地球设置了以上“三道防线”，因此可以把太阳辐射中的有害部分消除，从而使得人类和各种生物得以保护。

由于大气层的存在和影响，到达地球表面的太阳辐射可分成两个部分：一部分为直接辐射，这是不改变方向的太阳辐射；另一部分则为散射辐射，这是被大气层或云层反射和散射后改变了方向的太阳辐射。两者之和称为总辐射。一般来说，晴朗的白天直接辐射占总辐射的比例大，而阴雨天散射辐射占总辐射的比例大。利用太阳能，实际上是利用太阳总辐射。但是，对于多数太阳能利用设备来说，特别是聚光集热装置，则是利用直接辐射部分。

总之，据观测和计算，到达地球大气层上界的太阳辐射功率为1.77×1017W，经过大气层后受到衰减。其中，被大气分子和尘埃反射回宇宙空间的太阳辐射功率为5.2×1016W，约占30％；被大气所吸收的部分为4.0×1016W，约占23％；因此，穿过大气层到达地球表面的太阳辐射功率则为8.1×1016W，约占47％。也就是说，能穿过大气到达地球表面的太阳能还不及到达地球大气层上界的一半。此外，地球表面的海洋面积占79％，这样，到达陆地表面的太阳辐射功率仅占到达整个地球表面的太阳辐射功率的21％，即大约为1.785×1016W。

1.2.2.2　影响地面太阳辐照度的因素

影响地面太阳辐照度的因素很多，某一具体地点的太阳辐照度大小由下述因素的综合结果决定。

（1）太阳高度角

对于地球上的某一点，太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的交角，即某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角，简称太阳高度。

由于地球大气层对太阳辐射有吸收、反射和散射作用，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。当太阳高度角为90°时，在太阳光谱中，红外线占50％，可见光占46％，紫外线占4％；当太阳高度为5°时，红外线占72％，可见光占28％，紫外线则为近于0。

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，太阳高度角较低时，光线穿过大气的路程较长，辐射能衰减得就较多。同时，又因为光线以较小的角投射到该地平面上，所以到达地平面的能量就较少。反之，则较多。

（2）大气质量

太阳辐射能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，能量损失的就越多；路程越短，能量损失的越少。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的路径为1，即无量纲距为m=1。大气质量示意见图1-4。由图可知，当太阳高度角大于或等于30°时，无量纲距的计算公式为

　　 （1-2） 　　

式中，αs为太阳高度角。

太阳高度角与大气质量的关系见表1-2。

（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，太阳辐照度却是经常变化的。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，到达到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。为了考虑大气透明度对太阳辐射的影响，经繁琐的公式推导后，将其制成表1-3。从表1-3中可查出不同太阳高度角和大气透明度下的太阳直接辐照度。

（4）地理纬度

太阳辐射能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1-5所示，春分中午时刻的太阳垂直照射到地球赤道F点上，设同一经度上有另外两点B、D，且B点纬度比D点纬度高。由图1-5可知，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点的垂直辐射能量将比D点的小。在赤道上F点垂直辐射通量最大，因为阳光在大气层中经过的路程EF最短。例如，地处高纬度的俄罗斯的圣彼得堡（北纬60°），每年1cm2的面积上，只能获得335kJ的热量。而在我国首都北京，地处中纬度（北纬39°67'），则可得到586kJ的热量，在低纬度的撒哈拉沙漠地区则可得到921kJ的热量。

（5）日照时间

日照时间也是影响地面太阳辐照度的一个重要因素。如果某地区某日白天有14h，若其中阴天时间≥6h，而出太阳的时间小于或等于8h，那么，就可称该地区那一天的日照时间是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，大气透明度越好，从而太阳的直接辐射量也就越高。中国西藏高原地区，由于平均海拔高达4000m以上，且大气洁净、空气干燥、纬度又低，因此太阳总辐射量多介于6000～8000MJ/m2，直接辐射比重大。

此外，日地距离、地形、地势等对太阳辐照度也有一定的影响。在同一纬度上，盆地气温要比平川高，阳坡气温要比阴坡高等。