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第二章 太阳辐射基础 29 2.1太阳的基本知识 29 2.1.1太阳的构造 29 2.1.2太阳常数 30 2.1.3太阳辐射 30 2.2太阳位置角 30 2.2.1地球公转与自转的基本概念 30 2.2.2太阳角的计算 31 2.3太阳辐射强度的计算 34 2.3.1直射辐射、散射辐射和总辐射 34 2.3.2地球表面上的太阳辐射 34 2.3.3地球表面的太阳辐射强度计算 36 2.3.4月平均太阳辐射日总量的计算 38 2.4太阳辐射的透过、吸收、反射及光谱选择性材料 41 2.4.1透过、吸收和反射现象 41 2.4.2光谱选择性材料 45 第二章 太阳辐射基础 2.1太阳的基本知识 2.1.1太阳的构造 太阳能是指太阳辐射出的能量在地球上，除了原子核能和地热能外，太阳是各种能量的来源。太阳是一个炽热的气态体球，如图-1为太阳的结构图，它的直径约为1.39×10 km，质量约为2.2×10吨，为地球质量的3.32×105倍，体积则比地球大1.3×106倍，平均密度为地球的l／4。其主要组成气体为氢（约80%）和氦（约19%），它表面的有效温度约为6000K，中心温度估计在800~4000万度之间，压力约为1.96×1013kPa。在高温高压下，太阳内部持续不断地进行着核聚变反应，所以不断地释放出巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。这正是太阳向空间辐射出巨大能量的源泉。由核聚变可知，氢聚合成氦在释放巨大能量的同时，每1 g质量将亏损0.0072 g。根据目前太阳产生核能的速率估算，其氢的储量足够维持100亿年，因此太阳能可以说是用之不竭的。 太阳外部有“外三层”依次为光球层、色球层和日冕层。人们肉眼可见的明亮表面就是光球层，我们所见到太阳的可见光，几乎全是由光球发出的。光球层厚约500 km，温度为5762 K，密度为10 g/cm3，它是由强烈电离的气体组成，太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中，通常将它视为一个温度为6000 K，发射波长为0.3～3μm的黑体。 太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量（约为3.75×1026W）的22亿分之一，但已高达173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。但太阳能也有两个主要缺点：一是能流密度低；二是其强度受各种因素的影响不能维持常量。这两大缺点大大限制了太阳能的有效利用。由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5×108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们就采用所谓“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度它是指平均日地距离时，在地球大气层上界垂直于太阳辐射的单位表面积上所接受的太阳辐射能。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为13w／m2。一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过3.4％。 太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直射和漫射两部分组成。直射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射漫射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射。到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响大气层越厚，对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重，到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响，太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关，地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。 太阳每三天向地球辐射的能量，就相当于地球所有矿物燃料能量的总和。广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。 美国《科学美国人》杂志在1971年7月刊登的“地球的能量资源”一文中提供了