2.1　太陽能的來源與太陽常數

2.1.1　太陽能的來源

太陽是太陽系的核心恒星，也是離地球最近的一個恒星。它的直徑大約為139萬公里，是地球直徑的109倍，它的體積是地球的130萬倍，而它的質量為地球的33萬倍。太陽是一個主要由氫和氦組成的熾熱的氣態球，其中氫約占78%，氦約占20%。太陽內部不斷進行著熱核反應，因而釋放出巨大的能量。太陽內部的中心區域溫度達幾千萬攝氏度，壓力為3000億個大氣壓（1atm=101325Pa），表面平均溫度約6000K。太陽內部的熱核反應，最主要的是氫核聚合成氦核的反應，每克氫變為氦時，質量損失0.0072g。太陽每秒鐘將6億多噸氫變為氦，損失質量427萬噸，這些質量轉化為能量發射出來，總功率相當于3.9×10²⁰MW。盡管太陽的發射功率如此巨大，但是，太陽的質量畢竟太大了，照這樣消耗下去，仍然能夠維持幾十億年。

太陽內部熱核反應產生的巨大能量以電磁波的形式向外傳遞，但由于日-地距離極遠，太陽與地球之間的平均距離約為1.5億公里，地球大氣上界只能接收到其中的二十億分之一。而這是地球上人類所用各種能源功率總和的5萬～6萬倍。由于穿越大氣層時的衰減，最后約有8.5×10¹³kW的能量到達地球表面，這個數量相當于全世界發電量的數十萬倍。

2.1.2　地面所截獲的太陽輻射能

地球上某處采光面上所截獲的太陽輻射能量的大小主要取決于以下幾點。

（1）太陽對地球上某處、某時刻的相對位置　由于地球繞著自己的地軸不斷地自西向東自轉，因而使得地球表面上向陽的半球是白天，背陽的半球是黑夜，產生了晝夜交替的現象（圖2-1）。因地球是一個球體，太陽雖然在同一時間照亮了半個地球，卻只直射了地球表面上的一個點。如軌道面和赤道面的交角為零，那么太陽將永遠直射在赤道上，雖有公轉但不能有季節的變化（只有晝夜的區別）。由于軌道面與赤道面成23°27'交角（圖2-2），故太陽直射點在地球表面上的位置在北緯23°27'和南緯23°27'之間來回移動，而產生四季交替的現象。例如春、夏、秋、冬各季中幾個特征日期時——春分、夏至、秋分、冬至、地球與太陽相對位置的變化。春分和秋分日，太陽直射赤道，赤道地區的中午太陽剛好在頭頂上，赤道地區，出現相對比較熱的天氣，這一天除兩極外，地球上所有各地正好晝夜各12小時；夏至日，陽光垂直照射在北緯23°27'地面上，在南極圈中，整天不見太陽。在北極圈內則整天太陽不落。在北半球出現相對比較熱的天氣。而在南半球出現相對比較冷的天氣；夏至這一瞬間以后，直射太陽光線又開始南移；冬至日，陽光垂直照射在南緯23°27'的地面上，北極圈內，整天不見陽光，南極圈內，則整天太陽不落。冬至這一瞬間以后，太陽直射光線又開始北移。地球上特別是中緯度各地，這種明顯的季節變化即春、夏、秋、冬。冬季晝短夜長，夏季晝長夜短，春秋兩季晝夜相仿的原因是兩個旋轉和一個傾斜，即地球的自轉和地軸與軌道面以成66°33'傾斜方向不變的交角進行的公轉。同時，由于地球繞太陽逆時針旋轉時，其運行軌道接近橢圓形，太陽所居位置有所偏心，因此太陽與地球之間的距離也逐日在變化。

（2）太陽能接收表面的方位和傾角　太陽光線和地平線的夾角即入射角，常用θ來表示。入射角大，太陽高度高，輻照度也大；反之，入射角小，太陽高度低，輻照度也小。太陽高度在一天中是不斷變化的。早晨日出時最低，為0°；以后逐漸增加，到正午時最高，入射角最大為90°；下午，又逐漸減小，到日落時，入射角又降低到0°。地球上某處采光面上，太陽入射角在一年中也是不斷化的。這是由于地球不僅在自轉，而且又在圍繞著太陽公轉的緣故。上半年，太陽從低緯度到高緯度逐日升高，直到夏至日正午，達到最高點90°。從此以后，則逐日降低，直到冬至日，降低到最低點。

（3）太陽輻射進入大氣層的衰減情況　太陽能輻射線進入大氣層的衰減情況取決于太陽能射線的入射角大小、太陽輻射能穿過大氣路程的長短、大氣透明度及地理緯度等。對于某一地平面來說，當太陽高度低時，光線穿過大氣的路程較長，所以能量被衰減得就較多。通常把太陽處于天頂即垂直照射地面時，光線所穿過的大氣的路程，稱為1個大氣質量。太陽在其他位置時，大氣質量都大于1。例如在早晨8～9點鐘時，有2～3個大氣質量。大氣質量越多，說明太陽光線經過大氣路程就越長，受到衰減就越多，到達地面的能量也就越少。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，它與天空中云量的多少以及大氣中所含灰塵等雜質的多少關系也很大。在晴朗無云的天氣，大氣透明度高，到達地面的太陽輻射能就多些；在天空中云霧很多或風沙灰塵很多時，大氣透明度很低，到達地面的太陽輻射能就較少。太陽輻射能量是由低緯度向高緯度逐漸減弱的，假定高緯度地區和低緯度地區的大氣透明度是相同的，取春分中午時刻，此時太陽垂直照射到地球赤道上，而處于同一經度上的其他地區，則隨緯度的上升陽光所需經過的大氣層的路程越長，地面所獲得的太陽能輻射能量越少。例如地處高緯度的圣彼得堡（北緯60°），每年在1cm²的面積上，只能獲得335kJ的熱量；而在我國首都北京，由于地處中緯度（北緯39°57'），則可得到586kJ的熱量，在低緯度的撒哈拉地區，則可得到高達921kJ的熱量。

此外，日照時間、日地距離、海拔高度、地形、地勢等，對太陽輻照度也有影響。例如地球在近日點要比遠日點的平均氣溫高4℃。又如在同一緯度上，盆地要比平川氣溫高，陽坡要比陰坡熱。

總之，影響地面太陽輻照度的因素很多，但是某一具體地區的太陽輻照度的大小，則是由上述這些因素的綜合所決定的。例如：當我國是冬季時，地球雖是近日點，可是我國位于北半球，此時，陽光垂直照射在南半球上，陽光和北半球地平面的夾角較小，陽光在一天中照射在北半球上的時間也較短，所以，太陽總輻射量較少，氣溫也較低；夏季情況則相反。

2.1.3　太陽常數

雖然太陽與地球之間的距離不是一個常數，地球大氣層上界的太陽輻射強度隨日-地距離的變化而變，然而日-地間距在一年中的變化值與日地平均距離相比很小，以致地球大氣層外的太陽輻射強度幾乎不變。因此人們用“太陽常數”來描述大氣層上界的太陽輻射強度。

太陽常數是指在日地平均距離處（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。20世紀60年代根據美國航空和航天局與美國材料及試驗學會測定，太陽常數為1353W/m²。20世紀70年代末，通過大量實測結果，發現太陽常數有所變化。1981年10月，世界氣象組織儀器和觀測方法委員會在墨西哥召開的第八屆會議上，建議確定太陽常數為（1367±7）W/m²。對于太陽能利用技術的研究和開發來說，完全可以把它當作一個常數來處理，可以取太陽常數為1367W/m²。

2.1.4　太陽光譜

太陽表面的溫度既然高達6000K，因而太陽物質不可能是固體或液體，而是高溫氣體，它發射出連續光譜。所謂連續光譜，就是說它發射的光是由連續變化的不同波長的光混合而成。只要用三棱鏡，就能把這種光束分解成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫連續排列的各色光，也就是按波長分解成連續排列的各色光。由此可見，太陽的白光是由許多不同的單色光組合起來的。上面談到的由各種顏色排列起來的光，都是人的眼睛可以看得見的，所以叫做可見光譜，它的波長范圍是從0.38～0.78μm。在可見光中，波長較長的部分相當于紅光，波長較短的部分相當于紫光，中間各色光排列的次序，如前面列舉的那樣。其實，可見光只占太陽光譜中一個極窄的波段。波長比紅光更長的光叫做紅外線，波長比紫光更短的光叫做紫外線。整個太陽光譜波長范圍是非常寬廣的，從零點幾納米到幾十米。

雖然太陽光譜的波長范圍很寬，但是輻射能的大小按波長的分配卻是不均勻的。其中輻射能量最大的區域在可見光部分，是在波長0.46μm附近。輻射能從最大值處向長波方向減弱較慢，向短波方向減弱較快。實際上，從0.2～2.6μm這一波段的能量，幾乎代表了太陽輻射的全部能量，這一部分光譜分布如圖2-3的曲線所示。太陽光的輻射波長在0.2～3μm，屬于短波輻射，它能穿過玻璃、塑料薄膜等透明材料。