1.2　地球上的太陽能

在太陽能利用中，人們關注地球上某處采光面所能截獲的太陽輻照度。太陽輻照度的大小取決于以下四個方面。

①日-地距離；

②太陽對地球上某處某時刻的相對位置；

③太陽輻射進入大氣層的衰減情況；

④太陽能接收表面的方位和傾角。

1.2.1　地球大氣層上界的太陽能

1.2.1.1　太陽常數

地球的平均半徑只有6.37×103km，相對于日-地平均距離（約為1.50×108km）來說，幾乎可視為一個點，它與直徑為1.39×106km的太陽形成32'的平面張角（見圖1-2），其立體角Ωs為：

式中，Rs為太陽半徑；Ds-e為日-地距離。

地球大氣層上界表面上單位立體角中的太陽輻照度為

式中，σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，5.6697×10-8W/（m2·K4）；Ts為太陽表面的平均溫度，K。

故大氣層上界Ωs立體角中與太陽光線垂直的單位表面積上的太陽輻照度Isc為：

　　 （1-1） 　　

由式（1-1）可知，σ、Rs、Ts都是常數，故Isc僅是Ds-e的函數。因地球繞太陽運行的橢圓形軌道的長短軸偏心率僅為3％，即Ds-e一年中也只是略有變化，所引起的Isc的變化僅為年平均值的±3.5％，故將Isc視為常數來定義，即定義在日-地平均距離處地球大氣層上界垂直于太陽光線的表面上，單位面積、單位時間內所接收到的太陽輻射能量為太陽常數。1981年，世界氣象組織（WMO）公布的太陽常數值為

Isc=1368W/m2=8.21J/（cm2·min）

當然，太陽本身的活動也會引起太陽輻射能的波動。但多年來，世界各地觀察結果表明，太陽活動峰值年的輻射量與太陽活動寧靜年相比只有2.5％左右的增大而已。所以，可以認為太陽常數就是地球上所接收到的太陽輻照度的最大極限值。

1.2.1.2　太陽輻射光譜分布

太陽輻射是一種電磁波輻射，即有波動性，也有粒子性。其光譜的主要波長范圍為0.15～4μm，而地面和大氣輻射的主要波長范圍則為3～120μm。在氣象學中，根據波長的不同，通常把太陽輻射稱為短波輻射，而把地面和大氣輻射稱為長波輻射。

太陽輻射的光譜依波長劃分波段：波長小于0.4μm為紫外波段；從0.4～0.75μm為可見光波段；波長大于0.75μm的則為紅外波段。在可見光譜的波長范圍內，不同波長的電磁輻射對人眼產生不同的顏色感覺。表1-1列出了各種顏色的波長及其光譜范圍。

以輻射能量為縱坐標，波長為橫坐標所繪制的太陽光譜能量分布曲線如圖1-3所示。由圖可知，盡管太陽輻射的波長范圍較寬，但絕大部分的能量卻集中在0.22～4.0μm的波段內，占總能量的99％。其中，可見光波段約占43％，紅外波段約占48.3％，紫外波段約占8.7％。能量分布最大值所對應的波長則是0.475μm，屬于藍綠光。

1.2.2　地球表面上的太陽能

1.2.2.1　太陽輻射在大氣層中的衰減

太陽輻射發射至地球，不但要經過遙遠的旅程，并且還要遇到各種阻攔，受到各種影響。地球表面被對流層、平流層和電離層大氣緊緊地包圍。其總厚度在1200km以上。當太陽從1.5×108km的遠方將其光熱和微粒流以3×105km/s的速度向地球輻射時，將受到地球大氣層的干擾和阻擋。

地球是個大磁體。在它周圍形成了一個很大的磁場。磁場控制的1000km以上直至幾萬千米，甚至高達幾十萬千米的廣大區域，叫做地球的磁層。當太陽微粒輻射射向地球時，其受磁層阻擋而不能到達地面。即使有少數微粒闖入，往往也被磁層內部的磁場俘獲。這是地球對太陽輻射所設置的“第一道防線”。

在地球磁層下面的地球大氣層中，對流層、平流層和電離層都對太陽輻射有吸收、反射和散射作用。其中，電離層不僅可以將太陽輻射中的無線電波吸收掉或反射出去，而且會使有害的紫外線部分和X射線部分在這里受阻。這就是“第二道防線”。

在距地球水平面24km左右的大氣平流層中，有一個臭氧特別豐富的層次，叫做臭氧層。臭氧層的作用很大，可以將進入這里的絕大部分紫外線吸收掉。因此，臭氧層又構成了“第三道防線”。由于地球設置了以上“三道防線”，因此可以把太陽輻射中的有害部分消除，從而使得人類和各種生物得以保護。

由于大氣層的存在和影響，到達地球表面的太陽輻射可分成兩個部分：一部分為直接輻射，這是不改變方向的太陽輻射；另一部分則為散射輻射，這是被大氣層或云層反射和散射后改變了方向的太陽輻射。兩者之和稱為總輻射。一般來說，晴朗的白天直接輻射占總輻射的比例大，而陰雨天散射輻射占總輻射的比例大。利用太陽能，實際上是利用太陽總輻射。但是，對于多數太陽能利用設備來說，特別是聚光集熱裝置，則是利用直接輻射部分。

總之，據觀測和計算，到達地球大氣層上界的太陽輻射功率為1.77×1017W，經過大氣層后受到衰減。其中，被大氣分子和塵埃反射回宇宙空間的太陽輻射功率為5.2×1016W，約占30％；被大氣所吸收的部分為4.0×1016W，約占23％；因此，穿過大氣層到達地球表面的太陽輻射功率則為8.1×1016W，約占47％。也就是說，能穿過大氣到達地球表面的太陽能還不及到達地球大氣層上界的一半。此外，地球表面的海洋面積占79％，這樣，到達陸地表面的太陽輻射功率僅占到達整個地球表面的太陽輻射功率的21％，即大約為1.785×1016W。

1.2.2.2　影響地面太陽輻照度的因素

影響地面太陽輻照度的因素很多，某一具體地點的太陽輻照度大小由下述因素的綜合結果決定。

（1）太陽高度角

對于地球上的某一點，太陽高度角是指太陽光的入射方向和地平面之間的交角，即某地太陽光線與該地作垂直于地心的地表切線的夾角，簡稱太陽高度。

由于地球大氣層對太陽輻射有吸收、反射和散射作用，因此，紅外線、可見光和紫外線在光射線中所占的比例也隨著太陽高度角的變化而變化。當太陽高度角為90°時，在太陽光譜中，紅外線占50％，可見光占46％，紫外線占4％；當太陽高度為5°時，紅外線占72％，可見光占28％，紫外線則為近于0。

一天中，太陽高度角是不斷變化的；同時，在一年中也是不斷變化的。對于某處地平面來說，太陽高度角較低時，光線穿過大氣的路程較長，輻射能衰減得就較多。同時，又因為光線以較小的角投射到該地平面上，所以到達地平面的能量就較少。反之，則較多。

（2）大氣質量

太陽輻射能受到衰減作用的大小，與太陽輻射穿過大氣路程的長短有關。路程越長，能量損失的就越多；路程越短，能量損失的越少。大氣質量就是太陽輻射通過大氣層的無量綱路程，將其定義為太陽光通過大氣層的路徑與太陽光在天頂方向時射向地面的路徑之比。令海平面上太陽光垂直入射的路徑為1，即無量綱距為m=1。大氣質量示意見圖1-4。由圖可知，當太陽高度角大于或等于30°時，無量綱距的計算公式為

　　 （1-2） 　　

式中，αs為太陽高度角。

太陽高度角與大氣質量的關系見表1-2。

（3）大氣透明度

在大氣層上界與光線垂直的平面上，太陽輻射度基本上是一個常數。但是在地球表面上，太陽輻照度卻是經常變化的。這主要是由大氣透明程度不同所引起的。大氣透明度是表征大氣對于太陽光線透過程度的一個參數。在晴朗無云的天氣，大氣透明度高，到達到面的太陽輻射能就多。天空云霧很多或風沙灰塵很大時，大氣透明度很低，到達地面的太陽輻射能就較少。可見，大氣透明度是與天空中云量的多少以及大氣中所含灰塵等雜質的多少密切相關的。為了考慮大氣透明度對太陽輻射的影響，經繁瑣的公式推導后，將其制成表1-3。從表1-3中可查出不同太陽高度角和大氣透明度下的太陽直接輻照度。

（4）地理緯度

太陽輻射能量是由低緯度向高緯度逐漸減弱的。假定不同緯度地區的大氣透明度是相同的。在這樣的條件下進行比較，如圖1-5所示，春分中午時刻的太陽垂直照射到地球赤道F點上，設同一經度上有另外兩點B、D，且B點緯度比D點緯度高。由圖1-5可知，陽光射到B點所需經過大氣層的路程AB比陽光射到D點所經過大氣層的路程CD長。所以，B點的垂直輻射能量將比D點的小。在赤道上F點垂直輻射通量最大，因為陽光在大氣層中經過的路程EF最短。例如，地處高緯度的俄羅斯的圣彼得堡（北緯60°），每年1cm2的面積上，只能獲得335kJ的熱量。而在我國首都北京，地處中緯度（北緯39°67'），則可得到586kJ的熱量，在低緯度的撒哈拉沙漠地區則可得到921kJ的熱量。

（5）日照時間

日照時間也是影響地面太陽輻照度的一個重要因素。如果某地區某日白天有14h，若其中陰天時間≥6h，而出太陽的時間小于或等于8h，那么，就可稱該地區那一天的日照時間是8h。日照時間越長，地面所獲得的太陽總輻射量就越多。

（6）海拔高度

海拔越高，大氣透明度越好，從而太陽的直接輻射量也就越高。中國西藏高原地區，由于平均海拔高達4000m以上，且大氣潔凈、空氣干燥、緯度又低，因此太陽總輻射量多介于6000～8000MJ/m2，直接輻射比重大。

此外，日地距離、地形、地勢等對太陽輻照度也有一定的影響。在同一緯度上，盆地氣溫要比平川高，陽坡氣溫要比陰坡高等。