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7.太阳能资源

为了理解和分析太阳系，需要知道太阳光有多少是可用。 一个貌似简单但复杂的方程组可以用来预测任何时间太阳在天空中的位置,在地球上的位置，以及太阳光强度。为了确定在任何地点存在的晴天和阴天条件下的日平均日照量，需要长期测量阳光照射水平表面以获得足够的数据。

7.1太阳光谱

当然，光照的来源是太阳——那是巨大的140万公里直径的热核聚变炉，将氢原子熔合成氦，可以把质量损失转换为MW的电磁能从太阳表面向外辐射到太空中。每个物体都会发出以与其温度相关的辐射能量。描述物体发射多少辐射的常用方法是将它与一个称为黑体的理论抽象进行比较，黑体被定义成为完美的发射器以及完美的吸收器。作为一个完美的发射器，它每单位表面积的能量辐射比相同温度下的任何实际物体都多。作为完美的吸收体，它吸收撞击它的所有辐射; 也就是说，没有任何东西被反映出来，没有任何东西通过它传播。黑体发射的波长取决于普朗克定律所描述的温度：

(7.1)

其中是黑体每单位面积的发射功率（W/m*2mu;m），T是物体的绝对温度（K），lambda;是波长（mu;m）。假设地球本身为288 K（）的黑体，其发射谱图如图7.1所示。任何两个波长之间的普朗克曲线下的面积就是辐射的功率，所以曲线下的总面积即是总辐射的功率。这个总数很容易用斯特藩-玻尔兹曼定律表达辐射能量：

(7.2)

其中E是黑体总发射率（W），sigma;是斯特藩-玻尔兹曼常数，T是黑体的绝对温度（K），A是黑体表面积（）。维恩给出了黑体辐射曲线的另一个特征位移法则，它告诉我们辐射到达的最大波长：

(7.3)

其中波长为微米（mu;m），温度为开尔文。

Area:面积 Total are:总面积 Intensity:强度 Wavelength:波长

图7.1 288 K黑体的光谱发射功率

例7.1地球频谱。考虑地球是一个黑体，平均表面温度15℃，面积5.1times;1014。求地球辐射能量的速率和最大波长电力辐射。将此峰值波长与5800 K的黑体（太阳）峰值波长进行比较。

解： 使用（7.2），地球辐射：

（5.3）给出了最大功率发射的波长：

对于5800 K的太阳，

值得注意的是，地球大气层对地球表面发射的波长中较长的波长（图7.1）的反应与对太阳到达的短波长的反应截然不同（图7.2）。这个差异是根本造成温室效应的因素。

而太阳内部的温度估计有K左右，从太阳表面发出的辐射光谱分布与5800K黑体的普朗克定律预测的光谱分布非常接近。 图7.2显示了实际太阳光谱与5800 K黑体的完美匹配。黑体下的总面积曲线已被缩放为1.37 kW/，这是地球大气层外的太阳辐射。图7.2还显示了实际太阳光谱下的区域，其对应于紫外UV（7％），可见光（47％）和红外IR（46％）部分光谱内的波长。 可见光谱位于UV和IR之间，范围从0.38mu;m（紫色）至0.78mu;m（红色）。随着太阳辐射向地球表面的方向发射的过程中，其中一些被大气中的各种成分吸收，从而使地面光谱形成不规则，颠簸的形状。地面频谱还取决于辐射必须通过多少大气才能到达地表。太阳光通过大气时所经过的路径h2的长度除以太阳直接在上方时出现的最小可能路径长度h1，称为空气质量比m。如图7.3所示，

Ultraviolet=紫外线 Visible=可见光 Infrared=红外线 Intensity=强度 Wavelength=波长

Extraterrestrial solar flux=地外太阳通量 5800 K Blackbody=5800K黑体

图7.2 太阳与5800 K黑体对比光谱

在简单的平地球假设下，空气质量比可以表示为

空气质量比 (7.4)

其中=太阳直接通过大气的路径长度，h2 =穿过大气的路径长度以达到表面上的一个点，并且beta;=太阳的高度角（见图7.3）。

top' of atmosphere:大气顶部

图7.3 对于太阳直接在头顶上，空气质量比率m是太阳光线必须通过以到达地球表面的大气量的量度, m = 1。

因此，空气质量比为1（表示为“AM1”）意味着太阳直接在上方。 按照惯例，AM0意味着没有大气; 也就是说，这是外星太阳光谱。通常情况下，假设地球表面的平均太阳光谱的空气质量比为1.5。对于AM1.5，2％的入射太阳能在光谱的紫外线部分，54％处于可见光区域，44％处于红外线。图7.4显示了大气对各种空气质量比对太阳辐射的影响。当太阳光通过更多的大气层时，更少的能量到达地球表面，光谱向更长的波长转移。

Outside the atmosphere:大气之外 At the earth#39;s surface sea level:在地球海平面上

Direct solar radiation intensity at normal incidence:正常入射时的直接太阳辐射强度

Wavelength:波长 microns:微米

图7.4太阳直接在天顶（m = 1）和太阳在低空的地面，m = 5的地外（m = 0）的太阳光谱。

7.2地球的轨道

地球以椭圆形轨道围绕太阳旋转，每365.25天进行一次旋转。 实际上，椭圆的偏心率很小，轨道几乎是圆形的。1月2日，地球离太阳最近的地方发生了近日点，在这一点上，它离我们的距离超过了1.47亿公里。 在另一极端，7月3日发生的远日点，地球距离太阳约1.52亿公里。 距离的这种变化由以下关系描述：、

(7.5)

其中n是日数，1月1日为第1天，而12月31日为第365天。表7.1提供了每月第一天的简单日数列表。应该指出的是，（7.5）和本章中涉及三角函数的所有其他方程都使用角度度量而不是弧度。

表7.1每个月的第一天的天数

每一天，当地球围绕自己的轴旋转时，它也沿着椭圆移动。如果地球一天只能旋转360°，那么在6个月后，我们的时钟将会变慢12个小时; 也就是说，在第一天的中午，这将是一天的中午，但是6个月之后，太阳正午会在午夜发生。为了保持同步，地球每年需要旋转一圈，这意味着在24小时内地球实际旋转360.99°，这对我们大多数人来说都有点令人意外。

如图7.5所示，地球在其轨道上扫过的平面称为黄道平面。地球的旋转轴相对于黄道平面目前倾斜23.45°，这个倾斜就是导致出现季节变化的原因。在3月21日和9月21日，从太阳中心到地球中心的一条直线穿过赤道，在地球上的任何地方我们都有12个小时的白天和12个小时的夜间，因此称之为春分（相当于白天和夜晚）。12月21日，北半球的冬至，北极的倾角达到了远离太阳（23.45°）的最高角度，而在6月21日则出现了相反的情况。顺便说一句，为了方便起见，尽管每年的实际天数略有不同，但是为了方便起见，我们正在使用月份的二十一日作为至日和分点。

Ecliptic plane:黄道平面

Vernal Equinox Mar 21:3月21日春分 Summer Solstice June 21:6月21日夏至

Autumnal Equinox Sept 21:9月21日秋分 Winter Solstice Dec 21:12月21日冬至

图7.5地球自转轴相对于黄道面的倾斜是导致我们季节的原因

“冬季”和“夏季”是北半球冬至的名称。

对于太阳能的应用，首先地球轨道的特性被认为是不变的，但是经过数千年测量的较长时间，轨道变化对于气候显着影响极其重要。 轨道的形状从椭圆振荡到更接近圆形，周期为10万年（偏心率）。地球相对于黄道面的倾角从21.5°变化到24.5°，周期为41,000年（倾角）。最后，与地球自旋轴的岁差有关的是23000年。例如，这种进动决定了在某个半球的夏天发生在地球轨道的哪个位置。轨道上的变化会影响阳光照射地球的数量以及地理和季节方面的阳光分布。这些变化被认为对冰期和间冰期的来临时间有影响。事实上，仔细分析全球气温的历史记录确实显示出约10万年的冰期发生的初级循环，以及与这些轨道变化相匹配的23,000年和41,000年的次级波动。轨道变化与气候之间的这种关系最早在20世纪30年代由一位名叫米卢廷米bull;兰科维奇的天文学家提出，轨道周期现在称为米兰科维奇振荡。将人类活动对气候的影响与由米兰科维奇振荡等自然变化引起的影响区分开来是当前气候变化讨论的重要组成部分。

7.3在正午时间太阳的高度角

我们都知道，太阳在东方升起，在西方落山，并在一天中的某个时候达到最高点。在许多情况下，能够准确预测在一年中任何一天的任何时间，太阳将在哪个时间在哪里。例如，我们可以知道这些信息，例如设计一个突出部分，让太阳从窗户进来，帮助在冬天为房子加热，同时在夏天遮挡太阳。例如，在光伏领域，可以利用太阳角度知识帮助我们为模型选择最佳的倾斜角度，以使其暴露在最大的日照下。

虽然图7.5正确地显示了围绕太阳旋转的地球，但很难直接通过这个图确定从地球表面看到的各种时刻太阳角度。图7.6显示了另一种（和古代的）透视图，其中地球是固定的，围绕其南北轴旋转; 太阳坐在太空中的某个地方，随着季节的进展慢慢地上下移动。 6月21日（夏至），太阳达到最高点，当时从太阳中心到地球中心的射线与地球赤道成23.45°角。在那一天，太阳直接在北纬23.45度的北回归线上空。在两个分点处，太阳直接穿过赤道。 12月21日，太阳位于赤道下方23.45°，这就是被称为摩羯座北回归线的纬度。

如图7.6所示，赤道平面与从太阳中心到地球中心的线所形成的角度称为太阳赤纬delta;。它在plusmn;23.45°两个极值之间变化，变化存在简单的正弦关系，假定一年为365天，在第81天的春分点非常符合太阳赤纬的近似值。年度出版物“美国星历表”和“航海年鉴”中可以找到赤纬的具体数值，每年略有不同。

(7.6)

表7.2给出了每个月21日的太阳赤纬的计算值。

Tropic of Cancer Latitude:北回归线纬度 Equator:赤道

图7.6具有固定地球和太阳上下移动的替代视图

太阳和赤道之间的角度称为太阳赤纬delta;

表7.2太阳赤纬delta;为每个月的第二十一天（度）

虽然图7.6没有捕捉到与地球轨道相关的细微之处，但它完全足以可视化各种纬度和太阳角度。例如，从图中可以很容易理解日光时数的季节变化。 如图7.7所示

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