太陽輻射基礎知識太陽輻射基礎知識1

第一節能源及其分類太陽輻射基礎知識課件2一、能源的概念能源指人類獲取能量的來源，是可以直接或通過轉換提供人類所需的有用能的資源，包括已開采出來可供使用的自然資源與經過加工或轉換的能量來源。一、能源的概念能源指人類獲取能量的來源，是可以直3二、能源的分類世界上的能源可以分為10余種類型：化石能源（煤炭、石油、天然氣）、水能、電能、太陽能、生物質能、風能、海洋能、地熱能、原子能、氫能、潮汐能和受控熱核聚變能等。這是能源的基本形式二、能源的分類世界上的能源可以分為10余種類型：化41．可再生能源與不可再生能源

在自然界中可以不斷再生并有規律地得到補充的能源，稱之為可再生能源。經過億萬年形成的、短期內無法恢復的能源，稱之為不可再生能源，它隨著大規模地開采，儲量越來越少，總有枯竭之時。1．可再生能源與不可再生能源在自然界中可以不斷52．常規能源與非常規能源（新能源）在一定歷史時期和技術水平下，已經被人們廣泛應用的能源，稱之為常規能源。許多古老的傳統能源和太陽能、風能、生物質能等若采用先進的方法加以廣泛利用，以及用新發展的先進技術利用的能源，如氫能等稱之為新能源。2．常規能源與非常規能源（新能源）在一定歷史時期和63．商品能源與非商品能源（傳統能源）以經濟流通領域中的地位加以區分。商品能源是指進入市場用貨幣進行交易的能源，如煤炭、石油及其制品、焦炭、電力等。非商品能源是指那些一般不通過市場的能源，如某些傳統能源，秸稈、薪柴、牲畜糞便等。3．商品能源與非商品能源（傳統能源）以經濟流通領域74．一次能源與二次能源

自然界現成存在，可直接取得而又不改變其基本形態的能源稱為一次能源，或稱初級能源，由一次能源經過加工轉變成另一種形態的能源產品叫二次能源，也稱次級能源。4．一次能源與二次能源自然界現成存在，可直接取85．農村能源農村能源這個名詞不是能源分類學上的一個概念，它是能源管理工作上的一種劃分。其研究對象和內容是指農村當地各種自然資源的開發和利用，包括農村地區商品能源的供應和消費；能源技術應用、推廣；能源使用中的管理；能源技術和產品的服務社會化和市場化問題等等5．農村能源農村能源這個名詞不是能源分類學上的一個9

第二節太陽與地球

10一、太陽能

太陽是地球上能源的根本。除了核能和地熱能，地球上幾乎所有的能源形式都直接或間接地和太陽有關。通俗地講，離地球約1.5億公里的太陽就是一個火球。太陽從質量組成而言，主要是由地球上最輕的元素氫組成，占78.7%；此外，氦占19.8%，剩余的1.5%由種類繁多的金屬和其他元素組成。太陽直徑139公里，總質量約1.99×1027t,因此太陽的平均密度為1.4g/cm3。一、太陽能太陽是地球上能源的根本。除11太陽結構上由大氣和內部兩大部分組成，太陽大氣自里向外分為光球、色球和日冕3個層次；內部向外則分為對流層、中介層和核心3個層次。在太陽核心部分，氦占到65%,而氫則下降到35%。太陽內部溫度高達1500萬度，壓力有3400多個標準大氣壓，物質在這個條件下呈等離子體狀態。太陽核心和太陽大氣之間存在很大的壓力和溫度梯度，由于太陽核心強大的重力吸引，使得太陽外層能緊密和核心連在一起。太陽結構上由大氣和內部兩大部分組成，太陽大氣自里向外分為光球12太陽的能量通過太陽核心在高溫高壓下得核聚變反應產生。每秒鐘從太陽表面輻射出的能量約3.8×1023KJ。太陽的預測壽命是100億年，迄今太陽的年齡大約45億年。由于地球上人類的生存依賴于太陽輻射，因此，如果太陽輻射大大減弱甚至消失，人類將不能存活。由此人們說太陽能是相對于地球取之不盡用之不竭的綠色可再生能源。太陽的能量通過太陽核心在高溫高壓下得核聚變反應產生。13二、地球與太陽的運動規律眾所周知，地球每天繞著地軸，自西向東地自轉一周。每轉一周（360）為一晝夜，一晝夜又分為24小時，所以地球每小時自轉15。地球除了自轉外，還圍繞著太陽循著偏心率很小的橢圓軌道（黃道）運行，稱為“公轉”，地球在黃道上公轉一周為一太陽年.二、地球與太陽的運動規律眾所周知，地球每天繞著地軸141、四季的形成地球在黃道面上繞太陽運行時，地軸與黃道面的法線成2327的夾角。而且地球的自轉軸公轉時在空間的方向始終不變，總是指向天球的北極。因此，地球處于運行軌道的不同位置時，陽光投射到地球上的方向也就不同，這就使得太陽光線有時直射赤道，有時偏北，有時偏南，形成地球的四季變化。1、四季的形成地球在黃道面上繞太陽運行時，地軸與152、太陽赤緯角地球公轉一周，形成四季，四季的重要特征有兩點：一是氣溫高低不同；二是晝夜長短互異。四季的形成主要是由赤緯角的變化而引起的。太陽光線與地球赤道平面夾角稱為太陽赤緯角，簡稱赤緯，以“”表示，它是以年為周期的變化量，并規定以北為正值。2、太陽赤緯角地球公轉一周，形成四季，四季的重163、地球公轉行程圖3、地球公轉行程圖174、地球受太陽照射的變化4、地球受太陽照射的變化185、南北回歸線太陽的赤緯角隨季節在南緯2327與北緯2327之間來回變動，在地理緯度上將南、北緯2327的兩條緯線稱為南、北回歸線。5、南北回歸線太陽的赤緯角隨季節在南緯232719對于在某一地區隨季節變化的太陽赤緯角，可由下式計算:式中，n-----一年中從元旦日算起的天數，如春分，n=81，則=0。自春分日算起的第d天的太陽赤緯為：

對于在某一地區隨季節變化的太陽赤緯角，可由下式計算:20三、太陽和地球的關系三、太陽和地球的關系21我們居住的地球直徑是12720km,從地球上看太陽，太陽圓盤存在0.5°的張角。地球圍繞太陽轉動（公轉），每圈約365天多一點；地球自身也自轉，24小時一圈。地球自轉軸指向北極星，它和公轉平面法線之間存在一個23.5°的夾角。正是由于這個夾角的存在，地球上同一個地方才會存在一天中離太陽距離的變化，給我們帶來四季的氣候變化，如此周而復始。我們居住的地球直徑是12720km,從地球上看太陽，太陽圓盤22令人驚奇的是，由于地球自轉軸相對于公轉軸的傾斜角，在地球極地夏天接收的太陽輻射要高于赤道地區，而在熱帶地區卻沒有明顯的四季之分，在極地地區夏天接收的太陽輻射要高于赤道地區，而在熱帶地區卻沒有明顯的四季之分，在極地地區夏天和冬天存在長時間的日照或者極短的日照這兩種極端情況。令人驚奇的是，由于地球自轉軸相對于公轉軸的傾斜角，在地球極地231、太陽的高度角與方位角

太陽高度角是太陽輻射測量和太陽能利用研究中不可缺少的基本參量。在討論地球的自轉和公轉對地球上晝夜和四季變化的關系時，若先不考慮地球的公轉，則地球每24小時自轉一周，形成晝夜；因為地球由西向東自轉，所以從北半球的某一緯度來說，看到太陽東升西落，太陽光線與地平面之間的夾角，隨著時間的不同而有所變化。太陽光線與地平面之間的夾角，就稱為太陽高度角或簡稱太陽高度，用h表示。1、太陽的高度角與方位角太陽高度角是太陽輻射測量24

太陽高度一天中每時每刻都在變化，在天文學中，太陽高度角h可通過下式求出sinh=sinsin+coscoscos式中，為觀測點的地理緯度；為當日觀測時刻的太陽赤角；為觀測時刻的太陽時角。其中單位均以度計。太陽輻射基礎知識課件25太陽的時角定義為：在正午時=0，每隔一小時絕對值增大15，上午為正，下午為負。

例如：上午11時，=15；上午8時，=15×（12－8）=60；下午1時，=－15；下午3時=－15×3=－45。太陽的時角定義為：在正午時=0，每隔一小時絕對26

正午時，=0，cos=1。太陽高度角計算可以簡化為：

sinh=sinsin+coscos=cos(-)

因為cos(-)=sin[(90(-))所以sinh=sin[90(-)]

正午時，=0，cos=1。27正午時，若太陽在天頂以南，即，取sinh=sin[90-(-)]，從而有：h=90-－＋

在南北回規線內，有時正午，太陽正對天頂，則有=，從而，h=90

。需要注意的是，在進行計算時作如下規定：對于北半球，地理緯度取正值；太陽赤緯角在太陽位于赤道以北時取正值，位于赤道時取00，位于赤道以南時取負值。太陽高度角也可通過簡單的圖算方法得到，可查閱有關的資料。正午時，若太陽在天頂以南，即，取282、太陽方位角

太陽方位角是指某一時刻，從地面某一觀察點向太陽中心作連線，該連線在地平面上有一投影，該投影與正南方的夾角為太陽方位角。并規定正南方為0，向西為正值，向東為負值，其變化范圍為180。方位角以表示。2、太陽方位角太陽方位角是指某一時刻，從地面某一觀293、太陽方位角計算太陽方位角按下式計算：也可用下式計算：

3、太陽方位角計算太陽方位角按下式計算：30

根據地理緯度、太陽赤緯及觀測時間，利用式或中的一個即可求出任何地區、任何季節某一時刻的太陽方位角。一天當中，太陽高度角及方位角是不斷變化的，同一時刻地球上不同地點的太陽高度角和方位角也不相同。太陽在天空中的位置，通常也用這兩個參量來描述。掌握太陽高度角和方位角的變化規律，對有效地利用太陽能具有重要意義。

314、太陽入射角

太陽入射角是太陽直射光線與壁面法線之間的夾角。太陽入射角隨太陽高度角、方位、壁面方位、壁面傾斜度的不同而改變。入射角的大小影響壁面接收到的太陽輻射量。壁面直立時太陽入射角的計算式cosi=coshcosε式中：I為太陽入射角；h為太陽高度角；ε為壁面太陽方位角。4、太陽入射角太陽入射角是太陽直射光線32四、太陽常數

太陽常數Io的數值是指在日地平均距離（即1.495×108km）時，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積上在單位時間內所接受到的太陽輻射的輻照度。其單位一般采用千瓦／米２。四、太陽常數太陽常數Io的數值是指在日地平均距離（33如前所述，地球除自轉外并循橢圓軌道繞太陽運行，這就說明太陽至地球之間的距離不是一個常數。然而，由于日地間距很大，當日地距離等于其平均距離時，太陽張角才32，這就是說，地球大氣層外的太陽輻照度幾乎是一常數。因此人們使用“太陽常數”來描述大氣上界的太陽輻照度。如前所述，地球除自轉外并循橢圓軌道繞太陽34

由于世界各地所定的太陽常數標度不統一，太陽常數的數值有不少差異。現在已能用氣球、火箭、衛星等高新技術在空間進行測量，提高了太陽常數的測量精度。1981年10月召開的世界氣象組織儀器和觀測方法委員會會議上確定太陽常數的數值為1367瓦/米2。由于世界各地所定的太陽常數標度不統一，太陽常數的35五、太陽輻射光譜太陽以光輻射的形式將能量傳送到地球表面，但由于地球大氣層的存在，到達地面的太陽光譜與大氣上界的太陽光譜有所不同，其輻射光譜分布如圖所示。圖中陰影部分，表示太陽輻射被大氣所吸收的部分。太陽輻射能主要分布在0.4－3.0微米之間，即集中在可見光和紅外光譜區。

五、太陽輻射光譜太陽以光輻射的形式將能量傳送到地球表36太陽輻射的光譜分布圖

（a，大氣外；b，6000K的黑體輻射；c，海平面上）

太陽輻射的光譜分布圖

37不同光區的太陽輻射能量數值光區紫外光區可見光區紅外區波長范圍（微米）相應的輻射能流密度（瓦/米2）所占總能量的百分數（%）0—0.4958.30.40—0.7664040.30—0.461851.4不同光區的太陽輻射能量數值光區紫外光區可見光區紅外區波38五、到達地球表面上的太陽輻射能

覆蓋地球的大氣層主要由氮氣（78%）和氧氣（21.9%）組成，還有其他氣體包括二氧化碳和一些稀有氣體等組成。大氣中還有塵埃。地球大氣外的太陽輻射能基本上是一個常數，經過大氣層后，要受到一系列因素的影響，實際到達地球表面上的太陽輻射能將有所衰減。五、到達地球表面上的太陽輻射能覆蓋地球的大氣層主要39一般說來，晴朗天氣，赤道上空直射時的太陽輻射能只有大氣外的60%－70%。而陰雨下雪天，地球表面只能接受到一些散射光。據估計，反射回宇宙的能量約占總量的30%左右，被吸收的約占23%，其余47%左右才能到達地球的陸地和海洋表面。一般說來，晴朗天氣，赤道上空直射時的太陽輻射能只有大氣外的640太陽輻射基礎知識課件41大氣質量示意圖大氣質量示意圖42大氣質量與太陽高度角的關系為了能夠方便地研究太陽輻射受地球大氣衰減作用的影響，將太陽輻射通過大氣的厚度稱為大氣質量，以m表示。并且把垂直于海平面的整個大氣厚度定義為“一個大氣質量”，即m=1，如上頁圖，A為地球海平面上的一點，O是太陽S在天頂位置時大氣層上的點，S′是太陽的實際位置，它通過大氣層上的界的Q′點射到A點，這時的大氣質量為：（h為太陽高度角）

大氣質量與太陽高度角的關系為了能夠方便地43六、直接、間接與總輻射

到達地面的太陽輻射有兩部分：一是太陽以平行光線的形式直接投射到地面上的，稱為太陽直接輻射；一是經過散射后自天空投射到地面的，稱為散射輻射，兩者之和稱為總輻射。六、直接、間接與總輻射到達地面的太陽輻441、直接輻射

太陽直接輻射的強弱和許多因子有關，其中最主要的有兩個，即太陽高度角和大氣透明度。太陽高度角不同時，地表面單位面積上所獲得的太陽輻射也就不同。這有兩方面的原因：（1）太陽高度角愈小，等量的太陽輻射散布的面積就愈大；（2）太陽高度角愈小，太陽輻射穿過的大氣層愈厚。1、直接輻射太陽直接輻射的強弱和許多因子45影響直接輻射的因素直接輻射有顯著的年變化、日變化和隨緯度的變化。這種變化主要由太陽高度角決定。在一天當中，日出、日沒時太陽高度最小，直接輻射最弱；中午太陽高度角最大，直接輻射最強。同樣道理，在一年當中，直接輻射在夏季最強，冬季最弱。以緯度而言，低緯度地區一年各季太陽高度角都很大，地表面得到的直接輻射較中、高緯度地區大得多。影響直接輻射的因素直接輻射有顯著的年變化、日變化462.散射輻射

散射輻射的強弱也與太陽高度角及大氣透明度有關。太陽高度角增大時，到達近地面層的直接輻射增強，散射輻射也就相應地增強；相反，太陽高度角減小時，散射輻射也弱。大氣透明度不好時，參與散射作用的質點增多，散射輻射增強；反之，減弱。云也能強烈地增大散射輻射。同直接輻射類似，散射輻射的變化也主要決定于太陽高度角的變化。一日內正午前后最強，一年內夏季最強。2.散射輻射散射輻射的強弱也與太陽高度角及大氣透47太陽輻射基礎知識課件483.總輻射

日出以前，地面上總輻射的收入不多，其中只有散射輻射；日出以后，隨著太陽高度的升高，太陽直接輻射和散射輻射逐漸增加。但前者增加得較快，即散射輻射在總輻射中所占的成分逐漸減小；當太陽高度升到約等于8°時，直接輻射與散射輻射相等；當太陽高度為50°時，散射輻射值僅相當總輻射的10％—20％；到中午時太陽直接輻射與散射輻射強度均達到最大值；中午以后二者又按相反的次序變化。

3.總輻射日出以前，地面上總輻射的收49

云的影響可以使這種變化規律受到破壞。例如，中午云量突然增多時，總輻射的最大值可能提前或推后，這是因為直接輻射是組成總輻射的主要部分，有云時直接輻射的減弱比散射輻射的增強要多的緣故。在一年中總輻射強度（指月平均值）在夏季最大，冬季最小。總輻射與云的影響云的影響可以使這種變化規律受到破壞。例50總輻射與緯度關系總輻射隨緯度的分布一般是，緯度愈低，總輻射愈大。反之就愈小。下表是根據計算得到的北半球年總輻射緯度分布的情況，其中可能總輻射是考慮了受大氣減弱之后到達地面的太陽輻射；有效總輻射是考慮了大氣和云的減弱之后到達地面的太陽輻射。由于赤道附近云多，太陽輻射減弱得也多，因此有效輻射的最大值并不在赤道，而在20°N。總輻射與緯度關系總輻射隨緯度的分布一51太陽輻射基礎知識課件52太陽輻射能分布據研究，我國年輻射總量最高地區在西藏，為212.3—252.1W/㎡。青海、新疆和黃河流域次之，為159.2—212.3W/㎡。而長江流域與大部分華南地區則反而減少，為119.4—159.2W/㎡。這是因為西北、華北地區晴朗干燥的天氣較多，總輻射也較大。長江中、下游云量多，總輻射較小，西藏海拔高度大，總輻射量也大。太陽輻射能分布據研究，我國年輻射總量最53太陽輻射基礎知識太陽輻射基礎知識54

第一節能源及其分類太陽輻射基礎知識課件55一、能源的概念能源指人類獲取能量的來源，是可以直接或通過轉換提供人類所需的有用能的資源，包括已開采出來可供使用的自然資源與經過加工或轉換的能量來源。一、能源的概念能源指人類獲取能量的來源，是可以直56二、能源的分類世界上的能源可以分為10余種類型：化石能源（煤炭、石油、天然氣）、水能、電能、太陽能、生物質能、風能、海洋能、地熱能、原子能、氫能、潮汐能和受控熱核聚變能等。這是能源的基本形式二、能源的分類世界上的能源可以分為10余種類型：化571．可再生能源與不可再生能源

在自然界中可以不斷再生并有規律地得到補充的能源，稱之為可再生能源。經過億萬年形成的、短期內無法恢復的能源，稱之為不可再生能源，它隨著大規模地開采，儲量越來越少，總有枯竭之時。1．可再生能源與不可再生能源在自然界中可以不斷582．常規能源與非常規能源（新能源）在一定歷史時期和技術水平下，已經被人們廣泛應用的能源，稱之為常規能源。許多古老的傳統能源和太陽能、風能、生物質能等若采用先進的方法加以廣泛利用，以及用新發展的先進技術利用的能源，如氫能等稱之為新能源。2．常規能源與非常規能源（新能源）在一定歷史時期和593．商品能源與非商品能源（傳統能源）以經濟流通領域中的地位加以區分。商品能源是指進入市場用貨幣進行交易的能源，如煤炭、石油及其制品、焦炭、電力等。非商品能源是指那些一般不通過市場的能源，如某些傳統能源，秸稈、薪柴、牲畜糞便等。3．商品能源與非商品能源（傳統能源）以經濟流通領域604．一次能源與二次能源

自然界現成存在，可直接取得而又不改變其基本形態的能源稱為一次能源，或稱初級能源，由一次能源經過加工轉變成另一種形態的能源產品叫二次能源，也稱次級能源。4．一次能源與二次能源自然界現成存在，可直接取615．農村能源農村能源這個名詞不是能源分類學上的一個概念，它是能源管理工作上的一種劃分。其研究對象和內容是指農村當地各種自然資源的開發和利用，包括農村地區商品能源的供應和消費；能源技術應用、推廣；能源使用中的管理；能源技術和產品的服務社會化和市場化問題等等5．農村能源農村能源這個名詞不是能源分類學上的一個62

第二節太陽與地球

63一、太陽能

太陽是地球上能源的根本。除了核能和地熱能，地球上幾乎所有的能源形式都直接或間接地和太陽有關。通俗地講，離地球約1.5億公里的太陽就是一個火球。太陽從質量組成而言，主要是由地球上最輕的元素氫組成，占78.7%；此外，氦占19.8%，剩余的1.5%由種類繁多的金屬和其他元素組成。太陽直徑139公里，總質量約1.99×1027t,因此太陽的平均密度為1.4g/cm3。一、太陽能太陽是地球上能源的根本。除64太陽結構上由大氣和內部兩大部分組成，太陽大氣自里向外分為光球、色球和日冕3個層次；內部向外則分為對流層、中介層和核心3個層次。在太陽核心部分，氦占到65%,而氫則下降到35%。太陽內部溫度高達1500萬度，壓力有3400多個標準大氣壓，物質在這個條件下呈等離子體狀態。太陽核心和太陽大氣之間存在很大的壓力和溫度梯度，由于太陽核心強大的重力吸引，使得太陽外層能緊密和核心連在一起。太陽結構上由大氣和內部兩大部分組成，太陽大氣自里向外分為光球65太陽的能量通過太陽核心在高溫高壓下得核聚變反應產生。每秒鐘從太陽表面輻射出的能量約3.8×1023KJ。太陽的預測壽命是100億年，迄今太陽的年齡大約45億年。由于地球上人類的生存依賴于太陽輻射，因此，如果太陽輻射大大減弱甚至消失，人類將不能存活。由此人們說太陽能是相對于地球取之不盡用之不竭的綠色可再生能源。太陽的能量通過太陽核心在高溫高壓下得核聚變反應產生。66二、地球與太陽的運動規律眾所周知，地球每天繞著地軸，自西向東地自轉一周。每轉一周（360）為一晝夜，一晝夜又分為24小時，所以地球每小時自轉15。地球除了自轉外，還圍繞著太陽循著偏心率很小的橢圓軌道（黃道）運行，稱為“公轉”，地球在黃道上公轉一周為一太陽年.二、地球與太陽的運動規律眾所周知，地球每天繞著地軸671、四季的形成地球在黃道面上繞太陽運行時，地軸與黃道面的法線成2327的夾角。而且地球的自轉軸公轉時在空間的方向始終不變，總是指向天球的北極。因此，地球處于運行軌道的不同位置時，陽光投射到地球上的方向也就不同，這就使得太陽光線有時直射赤道，有時偏北，有時偏南，形成地球的四季變化。1、四季的形成地球在黃道面上繞太陽運行時，地軸與682、太陽赤緯角地球公轉一周，形成四季，四季的重要特征有兩點：一是氣溫高低不同；二是晝夜長短互異。四季的形成主要是由赤緯角的變化而引起的。太陽光線與地球赤道平面夾角稱為太陽赤緯角，簡稱赤緯，以“”表示，它是以年為周期的變化量，并規定以北為正值。2、太陽赤緯角地球公轉一周，形成四季，四季的重693、地球公轉行程圖3、地球公轉行程圖704、地球受太陽照射的變化4、地球受太陽照射的變化715、南北回歸線太陽的赤緯角隨季節在南緯2327與北緯2327之間來回變動，在地理緯度上將南、北緯2327的兩條緯線稱為南、北回歸線。5、南北回歸線太陽的赤緯角隨季節在南緯232772對于在某一地區隨季節變化的太陽赤緯角，可由下式計算:式中，n-----一年中從元旦日算起的天數，如春分，n=81，則=0。自春分日算起的第d天的太陽赤緯為：

對于在某一地區隨季節變化的太陽赤緯角，可由下式計算:73三、太陽和地球的關系三、太陽和地球的關系74我們居住的地球直徑是12720km,從地球上看太陽，太陽圓盤存在0.5°的張角。地球圍繞太陽轉動（公轉），每圈約365天多一點；地球自身也自轉，24小時一圈。地球自轉軸指向北極星，它和公轉平面法線之間存在一個23.5°的夾角。正是由于這個夾角的存在，地球上同一個地方才會存在一天中離太陽距離的變化，給我們帶來四季的氣候變化，如此周而復始。我們居住的地球直徑是12720km,從地球上看太陽，太陽圓盤75令人驚奇的是，由于地球自轉軸相對于公轉軸的傾斜角，在地球極地夏天接收的太陽輻射要高于赤道地區，而在熱帶地區卻沒有明顯的四季之分，在極地地區夏天接收的太陽輻射要高于赤道地區，而在熱帶地區卻沒有明顯的四季之分，在極地地區夏天和冬天存在長時間的日照或者極短的日照這兩種極端情況。令人驚奇的是，由于地球自轉軸相對于公轉軸的傾斜角，在地球極地761、太陽的高度角與方位角

太陽高度角是太陽輻射測量和太陽能利用研究中不可缺少的基本參量。在討論地球的自轉和公轉對地球上晝夜和四季變化的關系時，若先不考慮地球的公轉，則地球每24小時自轉一周，形成晝夜；因為地球由西向東自轉，所以從北半球的某一緯度來說，看到太陽東升西落，太陽光線與地平面之間的夾角，隨著時間的不同而有所變化。太陽光線與地平面之間的夾角，就稱為太陽高度角或簡稱太陽高度，用h表示。1、太陽的高度角與方位角太陽高度角是太陽輻射測量77

太陽高度一天中每時每刻都在變化，在天文學中，太陽高度角h可通過下式求出sinh=sinsin+coscoscos式中，為觀測點的地理緯度；為當日觀測時刻的太陽赤角；為觀測時刻的太陽時角。其中單位均以度計。太陽輻射基礎知識課件78太陽的時角定義為：在正午時=0，每隔一小時絕對值增大15，上午為正，下午為負。

例如：上午11時，=15；上午8時，=15×（12－8）=60；下午1時，=－15；下午3時=－15×3=－45。太陽的時角定義為：在正午時=0，每隔一小時絕對79

正午時，=0，cos=1。太陽高度角計算可以簡化為：

sinh=sinsin+coscos=cos(-)

因為cos(-)=sin[(90(-))所以sinh=sin[90(-)]

正午時，=0，cos=1。80正午時，若太陽在天頂以南，即，取sinh=sin[90-(-)]，從而有：h=90-－＋

在南北回規線內，有時正午，太陽正對天頂，則有=，從而，h=90

。需要注意的是，在進行計算時作如下規定：對于北半球，地理緯度取正值；太陽赤緯角在太陽位于赤道以北時取正值，位于赤道時取00，位于赤道以南時取負值。太陽高度角也可通過簡單的圖算方法得到，可查閱有關的資料。正午時，若太陽在天頂以南，即，取812、太陽方位角

太陽方位角是指某一時刻，從地面某一觀察點向太陽中心作連線，該連線在地平面上有一投影，該投影與正南方的夾角為太陽方位角。并規定正南方為0，向西為正值，向東為負值，其變化范圍為180。方位角以表示。2、太陽方位角太陽方位角是指某一時刻，從地面某一觀823、太陽方位角計算太陽方位角按下式計算：也可用下式計算：

3、太陽方位角計算太陽方位角按下式計算：83

根據地理緯度、太陽赤緯及觀測時間，利用式或中的一個即可求出任何地區、任何季節某一時刻的太陽方位角。一天當中，太陽高度角及方位角是不斷變化的，同一時刻地球上不同地點的太陽高度角和方位角也不相同。太陽在天空中的位置，通常也用這兩個參量來描述。掌握太陽高度角和方位角的變化規律，對有效地利用太陽能具有重要意義。

844、太陽入射角

太陽入射角是太陽直射光線與壁面法線之間的夾角。太陽入射角隨太陽高度角、方位、壁面方位、壁面傾斜度的不同而改變。入射角的大小影響壁面接收到的太陽輻射量。壁面直立時太陽入射角的計算式cosi=coshcosε式中：I為太陽入射角；h為太陽高度角；ε為壁面太陽方位角。4、太陽入射角太陽入射角是太陽直射光線85四、太陽常數

太陽常數Io的數值是指在日地平均距離（即1.495×108km）時，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積上在單位時間內所接受到的太陽輻射的輻照度。其單位一般采用千瓦／米２。四、太陽常數太陽常數Io的數值是指在日地平均距離（86如前所述，地球除自轉外并循橢圓軌道繞太陽運行，這就說明太陽至地球之間的距離不是一個常數。然而，由于日地間距很大，當日地距離等于其平均距離時，太陽張角才32，這就是說，地球大氣層外的太陽輻照度幾乎是一常數。因此人們使用“太陽常數”來描述大氣上界的太陽輻照度。如前所述，地球除自轉外并循橢圓軌道繞太陽87

由于世界各地所定的太陽常數標度不統一，太陽常數的數值有不少差異。現在已能用氣球、火箭、衛星等高新技術在空間進行測量，提高了太陽常數的測量精度。1981年10月召開的世界氣象組織儀器和觀測方法委員會會議上確定太陽常數的數值為1367瓦/米2。由于世界各地所定的太陽常數標度不統一，太陽常數的88五、太陽輻射光譜太陽以光輻射的形式將能量傳送到地球表面，但由于地球大氣層的存在，到達地面的太陽光譜與大氣上界的太陽光譜有所不同，其輻射光譜分布如圖所示。圖中陰影部分，表示太陽輻射被大氣所吸收的部分。太陽輻射能主要分布在0.4－3.0微米之間，即集中在可見光和紅外光譜區。

五、太陽輻射光譜太陽以光輻射的形式將能量傳送到地球表89太陽輻射的光譜分布圖

（a，大氣外；b，6000K的黑體輻射；c，海平面上）

太陽輻射的光譜分布圖

90不同光區的太陽輻射能量數值光區紫外光區可見光區紅外區波長范圍（微米）相應的輻射能流密度（瓦/米2）所占總能量的百分數（%）0—0.4958.30.40—0.7664040.30—0.461851.4不同光區的太陽輻射能量數值光區紫外光區可見光區紅外區波91五、到達地球表面上的太陽輻射能

覆蓋地球的大氣層主要由氮氣（78%）和氧氣（21.9%）組成，還有其他氣體包括二氧化碳和一些稀有氣體等組成。大氣中還有塵埃。地球大氣外的太陽輻射能基本上是一個常數，經過大氣層后，要受到一系列因素的影響，實際到達地球表面上的太陽輻射能將有所衰減。五、到達地球表面上的太陽輻射能覆蓋地球的大氣層主要92一般說來，晴朗天氣，赤道上空直射時的太陽輻射能只有大氣外的60%－70%。而陰雨下雪天，地球表面只能接受到一些散射光。據估計，反射回宇宙的能量約占總量的30%左右，被吸收的約占23%，其余47%左右才能到達地球的陸地和海洋表面。一般說來，晴朗天氣，赤道上空直射時的太陽輻射能只有大氣外的693太陽輻射基礎知識課件94大氣質量示意圖大氣質量示意圖95大氣質量與太陽高度角的關系為了能夠方便地研究太陽輻射受地球大氣衰減作用的影響，將太陽輻射通過大氣的厚度稱為大氣質量，以m表示。并且把垂直于海平面的整個大氣厚度定義為“一個大氣質量”，即m=1，如上頁圖，A為地球海平面上的一點，O是太陽S在天頂位置時大氣層上的點，S′是太陽的實際位置，它通過大氣層上的界的Q′點射到A點，這時的大氣質量為：（h為太陽高度角）

大氣質量與太陽高度角的關系為了能夠方便地96六、直接、間接與總輻射

到達地面的太陽輻射有兩部分：一是太陽以平行光線的