作者：高援朝,沙永玲,王建新
出版社：人民邮电出版社
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太阳能热利用技术与施工试读：
前言
能源是人类生存和社会发展的重要物质基础。随着中国经济的快速发展，能源需求将出现一个持续增长的态势。
太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。
自20世纪70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。自20世纪90年代以来，联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。在这样的背景下，1992年联合国在巴西召开了“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》、《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作得到加强。
我国政府对环境与发展十分重视，提出开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源，制定了《中国21世纪议程》，明确了重点发展项目。1995年，国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》，提出我国在1996～2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业的发展发挥了重要作用。1996年，联合国在津巴布韦召开了“世界太阳能高峰会议”，会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》，表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，其特点是：太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同为实现世界太阳能发展战略而努力。
2009年12月7日，联合国气候变化大会在丹麦首都哥本哈根召开，此次会议有154个国家的元首、政府首脑亲临，将大会变成了峰会，这本身就具有很大的象征意义，表明这些元首已经把气候变化看作很重要的问题，需要认真对待。保护地球，发展低碳经济成为全球人的共识。国际能源机构（IEA）提供的数据显示，全球变暖问题多拖一年，全球将多花费500亿美元用于减少二氧化碳的排放。因此，加大太阳能源利用的研究和应用，将会为低碳经济和节能减排做出重要贡献。
太阳能热利用的设备必须讲究与建筑的结合，这是构筑中国太阳能热利用大市场的重要举措。近几年来，全国各地开展了太阳能热水器利用技术与建筑一体化的试验研究和示范工程，收到了很好的效果。在建筑业高速发展、生态建筑和建设节能成为潮流的今天，符合“节能、节地、节水、治污”要求的太阳能产品将具有更广阔的市场前景。
本书由高援朝、沙永玲、王建新编著。在编写过程中，作者收集并参考了大量信息资料，并得到了人民邮电出版社的大力支持和帮助，肖立宁、杨文杰、李瑞江、韩晓雨、石戎华、杨秀珍和蒋凡也做了大量工作，在此，谨向相关人员表示谢意。由于时间紧促，作者编写水平有限，书中难免存在疏漏，敬请读者批评指正。编者第1章太阳辐射基础知识1.1能源及其分类1.1.1 能源的概念
能源指人类获取能量的来源，是可以直接或通过转换提供人类所需的有用能的资源，包括已开采出来可供使用的自然资源与经过加工或转换的能量来源。
人类利用自己体力以外的能源是从用火开始的。世界上一切形式的能量的初始来源是核聚变、核裂变、放射性源以及太阳系行星的运行。太阳的热核反应释放出极其巨大的能量，射到地球大气层的辐射14能量为7.28×10kJ，这种辐射能实际上为地球和太空提供了用之不竭的能源。太阳的热效应产生风能、水能和海洋能，煤炭、石油、天然气等化石燃料也间接来自太阳能；生物质能是植物通过光合作用吸收的太阳能经过转换得来的；太阳系行星的运行相互之间的引力产生潮汐能。1.1.2 能源的分类
世界上的能源可以分为10余种类型：化石能源（煤炭、石油、天然气）、水能、电能、太阳能、生物质能、风能、海洋能、地热能、原子能、氢能、潮汐能和受控热核聚变能等，这些是能源的基本形式。根据管理和研究工作的需要，可以从不同的角度对能源进行分类，如表1-1所示。表1-1 能源分类表1．可再生能源与不可再生能源
在自然界中可以不断再生并有规律地得到补充的能源称为可再生能源。经过亿万年形成的、短期内无法恢复的能源称为不可再生能源，它随着大规模地开采，储量越来越少，总有枯竭之时。2．常规能源与非常规能源（新能源）
在一定历史时期和技术水平下，已经被人们广泛应用的能源称为常规能源。许多古老的传统能源和太阳能、风能、生物质能等，若采用先进的方法加以广泛利用，以及用新发展的先进技术利用的能源，如氢能等，称为新能源。3．商品能源与非商品能源（传统能源）
商品能源与非商品能源以经济流通领域中的地位加以区分。商品能源是指进入市场用货币进行交易的能源，如煤炭、石油及其制品、焦炭、电力等。非商品能源是指那些一般不通过市场的能源，如秸秆、薪柴、牲畜粪便等传统能源，虽然它们有时在当地市场上也有买卖，但规模很小，也未将其列入正式商品。4．一次能源与二次能源
自然界现成存在，可直接取得而又不改变其基本形态的能源称为一次能源，或称初级能源。由一次能源经过加工转变成另一种形态的能源产品叫二次能源，也称次级能源。5．农村能源
农村能源这个名词不是能源分类学上的一个概念，它是能源管理工作上的一种划分，其研究对象和内容是农村当地各种自然资源的开发和利用，包括农村地区商品能源的供应和消费，能源技术应用、推广，能源使用中的管理以及能源技术和产品的服务社会化和市场化问题等。因此，农村能源是个涵义很广的概念。1.1.3 能源的利用1．能源的计量单位
能源统计要反映多种能源的相互关系，就必须用共同的单位去计量不同的能源。不同的对象能找到一种通用的度量单位的先决条件是这些被研究对象必须要有共同的属性。
各种能源的共同属性之一是都有货币形式表现的价值，所以，能源价格可以作为能源的一种通用度量单位。这一属性是所有社会产品所共有的性质，因此，在整个国民经济的综合平衡投入—产出分析中常采用价值表现形式。但是在能源统计分析中用这种通用单位并不理想，一方面因为各种能源的价格是在不断变化的，变化的比例还常常不同；另一方面它也不反映能源系统内各种技术工艺过程的相互联系，以及能源使用与相互替代所依据的基本属性。
各种能源的另一个共同的属性是都含有能，在一定的条件下都可以转化为热。这就是各种能源使用、替代及相互间进行物理或化学转化过程时所依据的基本属性。所以，很自然地选用各种能源所含的热量作为统计计量的通用单位。
在用热量作为通用单位时有两种方法：一种是直接用热量单位，另一种是折合成某种燃料当量作为通用单位。因为我国能源中以煤为主，所以称为“标准煤”或“标煤”，多年来均沿用此单位。我国规定每千克煤当量为29.3MJ。
实际应用的通用单位还是比较复杂的。燃料的热值又有总热量和净热量（在我国称它们为高位热值与低位热值）之分。卡（cal）是很多国家能源计量单位的基础，但它所包含的能量大小却随它的定义不同而稍有差异。
1969年，国际计量委员会建议废除卡作为热量单位，采用国际单位制（SI）中的J （焦耳）作为能、功和热的单位，其定义为1国际安培电流在1国际欧姆电阻上1s内消耗的电能。采用国际统一单位，在保证信息传递的一致性和准确性方面有很大好处，可以避免混乱，节省大量人力物力。为了向国际标准单位过渡，许多国家和国际组织在采用其他单位的同时，也应用了这个单位。我国国家标准总局发布的国家标准（GB—2586至2589—81）中对此也做了相应规定。我国现已正式推行以国际单位制的单位为基础，同时选用了一些非国际单位制的单位构成了“中华人民共和国法定计量单位”（简称法定单位）。法定单位中的能量单位为J（焦，焦耳）。2．燃料的发热量—热值
完全燃烧一个单位的燃料所发出的热量称为燃料的发热量或热值。燃料的发热量分高位发热量和低位发热量。高位发热量指燃料的最大可能发热量。由于燃料中含有的水和燃料燃烧后生成的水都要吸收热量汽化，汽化的水蒸气将随排烟进入大气，汽化潜热就不可能被利用，因此，在高位发热量中扣除汽化潜热后就是低位发热量。在计算中，一般都用低位发热量作为燃料的热值。
燃料发热量的大小取决于燃料中碳、氢的含量，其数值一般由试3验测定。热值的单位用kJ/kg、kJ/m或标准煤等。1.1.4 全球能源状况
现代经济社会的发展建立在高水平物质文明的基础之上，要实现高水平的物质文明，就要有现代化的农业、工业和交通物流，以及现代化的生活设施和服务体系，这些都需要以能源为基础。能源是人类生存和发展的重要物质基础，没有能源作为支撑，就没有现代社会和现代文明。所以能源已经成为当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。
人类能源利用经历了从薪柴时代到煤炭时代，再到石油时代的演变，社会在发展，能源利用总量在不断增加，能源结构也在不断变化。但是，随着化石能源的使用数量占的比重逐渐增加，能源对人类社会经济发展的制约和对资源环境的影响也越来越明显。
据经济学家和科学家估计，到本世纪中叶，即2050年左右，石油资源将会开采殆尽，其价格升到很高，不再是大众普遍使用的能源。未来的能源危机将席卷全球，最严重的状态是使工业大幅度萎缩，甚至会引发抢占石油资源的战争。因此，客观的现实要求地球重建新的能源体系。1．能源问题已成为世界重大战略问题
能源是世界经济增长的动力，工业化时代的经济增长与能源的消耗呈近似线性的关系。据国际能源机构（IEA）的预测，在未来25年里，世界能源需求总量将增加1倍，而能源的供给形势却不容乐观。据该机构估计，石油储量大约在2050年宣告枯竭；天然气的储备估1111393计为1.318×10～1.529×10m，若年开采量维持在2.3×10m，天11然气将在57～65年内枯竭；煤的储量约为5.6×10t，可以供应169年；4铀的开采量目前为每年6×10t，而核聚变到2050年还没有实现的可能。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧。
对于中国而言，能源问题更是不容忽视。2003年中国已经成为世界第一煤炭消费大国，世界第二石油电力消费大国，同时消耗了占世界当年消耗总量近50%的水泥、35%的铁矿石、20%的氧化铝和铜。能源对经济发展的制约作用已经开始显现。当前，我国正面临新一轮的经济增长，要实现以能源翻一番保障GDP翻两番的目标，面临的挑战巨大。中央、国务院高度重视能源问题，将其视为关系我国经济发展、社会稳定、国家安全的重大问题。2．国际可再生能源发展状况
提高能源效率和发展可再生能源已经成为全球能源可持续发展的两个年轮，世界终将转入可再生能源的永续利用。国际上可再生能源的利用状况如下。（1）水电能。
目前，经济发达国家水能资源已基本开发完毕，水电建设主要集中在发展中国家。水力发电是目前最成熟的可再生能源发电技术。到82005年年底，全世界水电装机容量约为8.5×10kW。（2）生物质能。
生物质能是指植物叶绿素将太阳能转化为化学能储存在生物质内部的能量，目前开发利用的主要技术有：通过热化学转化技术将固体生物质转化成可燃气体、焦油等，通过生物化学转换技术将生物质在微生物的发酵作用下转换成沼气、酒精等，通过压块细密成型技术将生物质压缩成高密度固体燃料等。
现在生物质能的发展方向是高效清洁利用，将生物质能转化为优质能源，包括电力、燃气、液体燃料和固体成型燃料等。到2005年7年底，全世界生物质发电总装机容量约为5×10kW，主要集中在北欧7和美国；生物燃料乙醇年产量约3×10t，主要集中在巴西、美国；生6物柴油年产量约2×10t，主要集中在德国。沼气已是成熟的生物质能利用技术，在欧洲、中国和印度等地已建设了大量沼气工程和分散的户用沼气池。（3）风电能。
风能是利用风力机械将风能转化为电能、热能、机械能等各种形式的能量，用于发电、提水、助航、制冷和制热等。风力发电是目前最成熟的风能开发利用方式。
风电包括离网运行的小型发电机组和大型并网发电机组，技术已7经基本成熟。到2005年年底，全世界装机容量已达6×10kW，最近5年来平均年增长率达30%。风电场已从陆地向海上发展，目前，欧洲的德国、西班牙、希腊等国的技术比较成熟，我国也在大力发展风能。（4）太阳能。
太阳能利用包括太阳能光伏发电、太阳能光热发电以及太阳能热水器和太阳房等热利用方式。光伏发电最初作为独立的分散电源使用，近年来并网光伏发电的发展速度加快，市场容量已超过独立使用的分6散光伏电源。2005年，全世界光伏电池产量为1.2×10kW，累计已安6装6×10kW；太阳能热发电已经历了较长时间的试验运行，基本上可5以达到商业运行要求，目前总装机容量约为4×10kW;2005年全世界82太阳能热水器总面积已达到约1.4×10m。（5）地热能。
地热能是指来自地下的热能资源。我们生活的地球是一个巨大的26地热库，仅地下10km厚的一层，储热量就达1.05×10J，相当于9.9515×10t标准煤所释放的热量。地热能在世界上很多地区应用相当广泛。
地热能利用包括发电和热利用两种方式，技术都比较成熟。到62005年年底，全世界地热发电总装机容量约9×10kW，主要应用于美国、冰岛、意大利等国家。近5年来，全世界地热能热利用年平均增长约13%。（6）海洋能。
海洋能通常指蕴藏在海洋中的可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能和海水盐差能等。海洋能蕴藏丰富，但能量密度低，地域性强，开发有一定的困难和局限。
潮汐发电、波浪发电和洋流发电等海洋能的开发利用也取得了较大进展，初步形成规模的主要是潮汐发电，全世界潮汐发电总装机容5量约3×10kW。1.2太阳与地球
太阳能取之不尽，用之不竭，既无污染，又不需运输，是理想和洁净的可再生能源，也是人类可利用能量的最大源泉之一。但太阳能又是一种低能流密度的能源，太阳辐射能在到达人类居住的地面上时，还受到日夜和气候变化的影响，所以，要有效地利用太阳能，进行太阳能利用装置的设计、安装、使用和维护，应了解有关地球与太阳的运动规律、地球大气层的气象变化规律以及太阳辐射的基础知识。1.2.1 地球与太阳的运动规律
众所周知，地球每天绕着地轴自西向东地自转一周。每转一周（360°）为一昼夜，一昼夜又分为24小时，所以地球每小时自转15°。
地球除了自转外，还围绕着太阳循着偏心率很小的椭圆轨道（黄道）运行，称为“公转”，地球在黄道上公转一周为一太阳年。
地球在黄道面上绕太阳运行时，地轴与黄道面的法线成23°27′的夹角，而地球的自转轴在公转时在空间的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运行轨道的不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，这就使得太阳光线有时直射赤道，有时偏北，有时偏南，形成地球的四季变化。
地球公转一周，形成四季，四季的重要特征有两点：一是气温高低不同，二是昼夜长短互异。四季的形成主要是由赤纬角δ的变化引起的。太阳光线与地球赤道平面夹角称为太阳赤纬角，简称赤纬，用δ 表示，它是以年为周期的变化量，并规定以北为正值。图1-1（a）表示地球绕太阳运行的4个典型的季节日的地球公转行程，图1-1（b）表示对应于上述4个典型季节日地球受到太阳照射的情况。图1-1 地球公转及日照变化示意图
由于地球绕太阳公转，每天地球都处在运转轨道的不同点，即每天太阳光线直射在地球上的纬度都不相同。例如，太阳光线在夏天最大变化到夏至日（约6月21日），正午时投射于北纬23°27′；冬天最小变化到冬至日（约12月22日），正午时投射于南纬23°27′；在春分日（约3月21日）正午垂直投射于赤道0°；在秋分日（约9月23日）正午再次垂直投射于赤道0°。太阳的赤纬角随季节在南纬23°27′与北纬23°27′之间来回变动，在地理纬度上将南、北纬23°27′的两条纬线称为南、北回归线。图1-2为中纬度地区一年内太阳的运行轨迹示意图。图1-2 一年内太阳的运行轨迹示意图
某一地区随季节变化的太阳赤纬角可由式（1-1）计算。式中，n为一年中从元旦日算起的天数，如春分，n=81，则δ=0。
自春分日算起的第d天的太阳赤纬为：
由于地球绕太阳运行的轨道是一个椭圆，因此地球和太阳之间的距离在一年内是变化的：1月初，地球经过近日点，那时它离开太阳比日地平均距离短1.7%;7月初，地球经过远日点，那时它离开太阳比日地平均距离长1.7%;4月初和10月初，地球至太阳的距离接近于日地8平均距离。其中，日地平均距离约为1.495×10km。日地距离的不同会对到达地面的太阳辐照度有影响。1.2.2 太阳角的计算1．太阳的赤纬角与时角（1）赤纬角。
太阳赤纬又称赤纬角，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。赤纬角以年为周期，在+23°26′与-23°26′的范围内变化，它是划分四季的依据。每年6月21日或22日，赤纬角达到最大值+23°26′，这一日称为夏至，该日中午太阳位于地球北回归线正上空，是北半球日照时间最长、南半球日照时间最短的一天。随后赤纬角逐渐减少，至9月21日或22日减少至零时，全球的昼夜时间均相等，这一日为秋分。至12月21日或22日，赤纬减至最小值-23°26′，这一日称为冬至，此时阳光斜射北半球，北半球昼短夜长，而南半球则相反。当赤纬角又回到零度时为春分，即3月21日或22日。如此周而复始，形成四季。
因赤纬值日变化很小，一年内任何一天的赤纬角δ可用下式计算：sinδ=0.397 95cos[0.985 63（N-173）]式中，N为日数，自1月1日开始计算。（2）时角。
时角是从天球子午圈沿天赤道量至某天体所在时圈的角距离。时角以天球子午圈为零，向西为正，向东为负。其单位既可为h（时），也可为°（度）。时间与角度的换算关系为：1h=15°。
太阳时角（ω）即日面中心的时角，为从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离。2．太阳的高度角与方位角（1）太阳高度角。
太阳高度角是太阳辐射测量和太阳能利用研究中不可缺少的基本参量。在讨论地球的自转和公转对地球昼夜和四季变化的关系时，若先不考虑地球的公转，则地球每24小时自转一周，形成昼夜；因为地球由西向东自转，所以对于北半球的某一纬度来说，太阳东升西落，太阳光线与地平面之间的夹角会随着时间的不同而有所变化。太阳光线与地平面之间的夹角称为太阳高度角或简称为太阳高度，用h表示，如图1-3所示。图1-3 太阳高度角
太阳高度一天中每时每刻都在变化，在天文学中，太阳高度角h可通过式（1-3）求出。式中，φ为观测点的地理纬度，δ为当日观测时刻的太阳赤角，ω为观测时刻的太阳时角，其单位均为°（度）。
由式（1-3）可以计算出任何纬度、任何季节、任何时刻的太阳高度角。需要注意的是，在进行计算时作如下规定：北半球地理纬度取正值，南半球地理纬度取负值；太阳赤纬角在太阳位于赤道以北时取正值，位于赤道时取0°，位于赤道以南时取负值。太阳高度角也可通过简单的图算方法得到，读者可查阅有关的资料。
太阳的时角ω定义为：在正午时ω=0°，每隔一小时绝对值增大15°，上午为正，下午为负。例如：上午11时，ω=15°；上午8时，ω=15°×（12-8）=60°；下午1时， ω=-15°；下午3时ω=-15°×3=-45°。
正午时，ω=0°, cosω=1，式（1-3）可以简化为：sin h=sinφsinδ+cosφcosδ=cos（φ -δ）
因为cos（φ -δ）=sin[（90±（φ -δ））]所以
正午时，若太阳在天顶以南，即φ＞δ，取sin h=sin[90-（φ -δ）]，从而有：
在南北回归线内，有时正午太阳正对天顶，则有φ=δ，从而h=90°。（2）太阳方位角。
太阳方位角是指某一时刻，从地面某一观察点向太阳中心作连线，该连线在地平面上有一个投影，该投影与正南方的夹角为太阳方位角，用γ 表示。规定太阳方位角正南方为0°，向西为正值，向东为负值，其变化范围为-180°～+180°。图1-4为太阳方位角和高度角的示意图。图1-4 太阳方位角和高度角的示意图
太阳方位角按式（1-6）计算，也可用式（1-7）计算。
根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间，利用式（1-6）或式（1-7）即可求出任何地区、任何季节某一时刻的太阳方位角。
一天当中，太阳高度角及方位角是不断变化的，同一时刻地球上不同地点的太阳高度角和方位角也不相同。太阳在天空中的位置通常也用这两个参量来描述。掌握太阳高度角和方位角的变化规律，对有效地利用太阳能具有重要意义。（3）日照、日照时数及日照时间。
日照：一天内太阳直射光线照射地面的时间，以h（小时）为单位。
日照时数：指太阳中心从出现在一个地方的东方地平线到进入西方地平线，其直射光线在无地物、云、雾等任何遮蔽的条件下，照射到地面所经历的小时。
夏季，我国北方的日照时数多于南方。纬度越高，昼夜长短变化幅度越大，夏季越向北，昼长越长。青藏高原由于海拔高，空气稀薄，晴朗天气多，故日照时数多。与它相反的是四川盆地，虽然两者纬度差不多，但四川盆地水汽多，受地形限制云多，所以日照就少。
时差：① 平太阳时和真太阳时的差。一年之中时差是不断改变的，最大正值是+14′24″，最大负值是-16′24″，有4次等于零。② 两个地区地方时之间的差别称为时差。
地方时：随地球自转，一天中太阳东升西落，太阳经过某地天空的最高点时为此地的地方时12h，因此，不同经线上的地区具有不同的地方时。同一时区内所用的同一时间是区时（本区中央经线上的地方时），全世界所用的同一时间是世界时（0°经线的地方时）。区时经度每隔15°差1h，地方时经度每隔1°差4min。
各地的标准时间为格林尼治时间（GMT）加上（+）或减去（-）时区中所标的小时和分钟数时差。许多国家还采用夏令时（DST），比如美国每年4～9月实行夏令时，时间提前1h。
时差的计算方法：两个时区标准时间（即时区数）相减就是时差，数值大的时区时间早。比如中国是东八区（+8），美国东部是西五区（-5），两地的时差是13h，北京比纽约要早13h；如果在美国实行夏令时的时期，则相差12h。（4）时区。
1884年国际经线会议规定，全球按经度分为24个时区，每区各占经度15°。以本初子午线为中央经线的时区为零时区，由零时区向东、西各分12区，东、西12区都是半时区，共同使用180°经线的地方时。
将地球表面按经线划分为24个区域。当我们在上海看到太阳升起时，居住在新加坡的人要再过半小时才能看到太阳升起，而远在英国伦敦的居民则还在睡梦中，要再过8小时才能见到太阳呢。世界各地的人们如果各自采用当地的时间，对于日常生活、交通等会带来许许多多的不便和困难。为了使各地区的人使用方便，同时使其他地方的人容易将本地的时间换算为别的地方的时间，有关国际会议决定将地球表面按经线从东到西划成一个个区域，并且规定相邻区域的时间相差1h。在同一区域内的东端和西端的人看到太阳升起的时间最多相差不过1h。当人们跨过一个区域，就将自己的时钟校正1h（向西减1h，向东加1h），跨过几个区域就加或减几小时，这样使用起来就很方便。现今全球共分为24个时区。由于实际上1个国家或1个省份常常同时跨着两个或更多的时区，为了照顾行政上的方便，常将1个国家或1个省份划在一起。所以时区并不严格按直线来划分，而是按自然条件来划分。例如，我国幅员宽广，差不多跨5个时区，但实际上我国只用东八时区的标准时，即以北京时间为准。（5）太阳入射角。
太阳入射角是太阳直射光线与壁面法线之间的夹角。太阳入射角随太阳高度角、方位、壁面方位、壁面倾斜度的不同而改变。入射角的大小影响壁面接收到的太阳辐射量。壁面直立时，太阳入射角的计算式为cosi=coshcosε。式中，i 为太阳入射角，h 为太阳高度角，ε为壁面太阳方位角。
日照时间是指昼长的时数，即一天中可能的日出到日落的时间。由于地球自转和公转的原因，不同纬度地区的日照时间不同。夏季，北半球纬度越高，日照时间越长；冬季，北半球纬度越高，日照时间越短。
根据太阳高度角的计算公式（1-3），太阳在地平线的出没瞬间其太阳高度角h=0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，可以得出日出和日没时角的表达式：式中，ω为日出或日没时角，以度表示，正为日没时角，负为日出时角。解式（1-8）可得
因为cosω=cos（-ω），所以式（1-9）有两个解：正根对应于日落时刻，负根对应于日出时刻。
由式（1-9）还可求得任何季节、任何纬度上的昼长。求出时角ω后，一天中可能的日照时间（昼长）可由式（1-10）计算出。
由式（1-8）可知，在两分日（春分日与秋分日）, δ = 0°，则cosω = 0, ω = ±90°，相当于日出时间为早晨6时整，日落时间为晚上6时整，即日照时间为12h。另外，δ = 0°，说明两分日地球上各地的θ日出时间都相同，与地理纬度无关。而当φ = 0°时，也有cosω= 0，它表明地球赤道上一年四季的日出、日落的时间都相同。
由于云和雾的影响，地面上实际的日照时间n（可用日照计测量）一般都小于可能的日照时间N，两者的比值n/N称为相对日照（或日照百分率）。1.2.3 太阳常数o
太阳常数I的数值是指在日地平均距离时，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所接受到的太阳辐射的辐照22度。其单位一般采用kW/m（千瓦/米）。
如前所述，地球除自转外循椭圆轨道绕太阳运行，这就说明太阳至地球之间的距离不是一个常数。如1月1日是近日点，日地距离881.471×10km;7月1日是远日点，日地距离1.521×10km，一年中每天的日地距离都不一样。对于光和热来说，某一点的辐射强度与距光源（或热源）的距离平方成正比，这就意味着地球大气上界的太阳辐照度随日地距离不同而异。然而，由于日地间距很大，当日地距离等于其平均距离时，太阳张角才32′，这就是说地球大气层外的太阳辐照度几乎是一个常数。因此人们使用“太阳常数”来描述大气上界的太阳辐照度。
由于世界各地所定的太阳常数标度不统一，太阳常数的数值有差异。现在已能用气球、火箭、卫星等高新技术在空间进行测量，提高了太阳常数的测量精度。1981年10月召开的世界气象组织仪器和观2测方法委员会会议上确定了太阳常数的数值为1 367W/m。
决定太阳常数的数值具有很重要的意义，因为掌握太阳辐射在大气中减弱的规律后，就可以根据已知的太阳常数计算出地面上的太阳辐照度。1.3太阳辐射能1.3.1 太阳能资源的特点
太阳能作为一种能源，与煤炭、石油、天然气、核能等矿物燃料相比，具有以下明显的优点。（1）普遍。太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。（2）无害。开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。（3）巨大。每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于6×1710kW·h，约合74万亿吨标煤发出的能量，相当于全球总能耗的几百万倍，其总量属现今世界上可以开发的最大能源，也是地球未来的主要能源。（4）长久。根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的储量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
太阳能资源虽然具有上述几方面常规能源无法比拟的优点，但作为能源利用时，也有以下固有的缺点。（1）分散性。尽管到达地球表面的太阳辐射的总量很大，但是能流密度很低。平均来说，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的的2情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1m面积上接收到的太阳能平均为1000W 左右，这样的能流密度是很低的。因此在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。（2）不稳定性。由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴阴云雨等随机因素的影响，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竟争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量储存起来以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。（3）效率低和成本高。目前太阳能利用在有些方面理论上是可行的，技术上也是成熟的，但其利用装置效率偏低，成本较高，总的来说，其经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展主要受到经济性的制约。
至于太阳能利用中的经济性问题，还必须考虑下列两种因素。（1）世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，又不危及后代人前途的社会。因此，尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源是能源建设应该遵循的原则。随着能源形式的变化，常规能源的储量日益下降，其价格必然上涨，而在控制环境污染方面也必须增大投资。（2）我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品能源消费结构的76%，已成为我国大气污染的主要来源。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。能源问题是世界性的，向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看，太阳能利用技术及其装置的大量应用，也必然可以制约矿物能源价格的上涨。1.3.2 太阳辐射能
地球大气中的一切物理过程都伴随着能量的转换，而辐射能，尤其是太阳辐射能是地球大气最重要的能量来源。一年中整个地球可以24由太阳获得5.44×10J的辐射能量。地球和大气的其他能量来源同来自太阳的辐射能相比是极其微小的，比如来自宇宙中其他星体的辐射能仅是来自太阳辐射能的亿分之一，从地球内部传递到地面上的能量也仅是来自太阳辐射能的万分之一。
太阳所发出的巨大的光和热是其内部热核反应所产生的。根据理论计算，太阳内部小于0.23太阳半径以内的区域是一个高温、高压的7产能核心，这里的温度大约为1.5× 10℃，它占有太阳全部质量的40%、体积的15%、产生能量的90%。在此区域内，太阳拥有的最丰富的元素—氢，发生核聚变，释放出巨大的能量。
太阳不停地向宇宙空间各个方向均匀地发射其内部产生的能量，2616其总量达平均每秒4.05×10J，相当于每秒烧掉1.32×10t标准煤所放出的热量。太阳不断地辐射能量，也不断地消耗氢，但是太阳中氢的含量极为丰富，按目前太阳热核聚变的耗氢速率估计，足够维持上百亿年，所以太阳称得上是一个取之不尽、用之不竭的永久性能源库。
根据理论推算，地球大气上界每秒所接受的太阳能仅为太阳总辐17射能的22亿分之一。尽管如此，每秒也有1.765×10J之多，折合标617煤约6×10t，相当于1.723×10W的功率。由此可知，地球每年接受18来自太阳的能量约为1.51×10kW，此数值是目前全世界每年消耗的总能量的数万倍。但实际上，真正到达地球表面的太阳辐射能只有168.5 ×10W左右。
到达地球表面的太阳辐射能大体分为3个部分：一部分转变为热16能（约4.0×10W），使地球的平均温度大约保持在13℃，造成适合各种生物生存和发展的自然环境，同时使地球表面的水不断蒸发，造163成全球每年约50×10km的降水量；太阳辐射能中还有一小部分14（约有3.7×10W）用来推动海水及大气的对流运动，这便是海流13能、波浪能、风能的由来；还有更少一部分（约4×10W）的太阳能被植物叶子的叶绿素所捕获，成为光合作用的能量来源。
太阳在单位时间内以辐射形式发射出的能量称为太阳的辐射功率，也叫辐射通量，它的单位是W（瓦特）。2
投射到单位面积上的辐射通量叫辐照度，单位是W/m（瓦/平方米）。2
从单位面积上接收到的辐射能称为曝辐射量，单位为J/m（焦耳/平方米）。
辐射能是通过电磁波的方式传输的。电磁波的波长范围很广，从-10波长10μm的宇宙射线，到波长达几千米的无线电波。肉眼看得见的是波长为0.4～0.76μm的电磁波，这部分电磁波称为可见光。可见光经三棱镜分光后，成为一条由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色组成的光带，其中红光波长最长，紫光波长最短，其他各色光的波长则依次介于其间。波长长于红色光波的有红外线和无线电波，波长短于紫色光波的有紫外线、X射线和γ射线等，这些射线虽然不能被肉眼看见，但是用仪器可以测量出来。气象学着重研究的是太阳、地球和大气的热辐射，它们的波长范围在0.15～120μm之间。在气象学中，通常以J（焦耳）作为辐射能的单位。单位时间内通过单位面2积的辐射能量称辐射通量密度（E），单位是W/m。1.3.3 太阳辐射光谱
太阳以光辐射的形式将能量传送到地球表面，但由于地球大气层的存在，到达地面的太阳光谱与大气上界的太阳光谱有所不同，其辐射光谱分布如图1-5所示。图中阴影部分表示太阳辐射被大气所吸收的部分。图1-5 太阳辐射的光谱分布图（a）大气外（b）6000K的黑体辐射（c）海平面上
太阳的光辐射是由不同波长的光波组成的。根据波长，太阳的光谱大至可以分为以下3个光区。（1）紫外光谱。
不可见光，波长小于0.4μm，有杀菌作用，但大量波长短于0.3μm的紫外线对植物生长有害。紫外光谱约占太阳光辐射能量的8.3%。（2）可见光谱。
可见光谱又分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种单色光谱，波长为0.4～0.76μm，植物生长（光合作用）取决于可见光谱部分，可见光谱区的能量约占太阳光辐射能量的40.3%。（3）红外光谱。
红外光谱波长大于0.76μm，波长超过0.8μm的红外线不能引起光化学反应（光合作用），而仅能提高植物的温度并加速水分的蒸发。红外光谱区的能量约占太阳光辐射能量的51.4%。
太阳辐射能主要分布在0.4～3.0μm之间，即集中在可见光和红外光谱区，表1-2列出了各种不同颜色光的波长，表1-3列出了不同光区的太阳辐射能量数值。表1-2 各种不同颜色光的波长表1-3 不同光区的太阳辐射能量数值1.3.4 到达地球表面的太阳辐射能
地球大气外的太阳辐射能基本上是一个常数，经过大气层后，受到一系列因素的影响，实际到达地球表面上的太阳辐射能将有所衰减。一般来说，晴朗天气，赤道上空直射时的太阳辐射能只有大气外的60%～70%；而阴雨下雪天，地球表面只能接受到一些散射光。据估计，反射回宇宙的能量约占总量的30%，被吸收的约占23%，其余47%左右的能量才能到达地球的陆地和海洋表面，如图1-6所示。图1-6 大气对太阳辐射的影响1．影响地球表面上太阳辐射能的因素（1）天文因素：包括日地距离、太阳赤纬角和太阳时角。（2）地理因素：包括地理位置（即地区的纬度和经度）和海拔高度。（3）物理因素：包括大气透明度和接受太阳辐射面的表面物理化学性质（包括表面涂层性质）。（4）几何因素：包括接收太阳辐射面的倾斜度和接收太阳辐射面的方位角。2．大气层对太阳辐射的衰减作用
太阳辐射光要通过大气圈到达地表。在地球大气层上表面太阳辐2射的强度约为1 370W/m，该值被称为太阳辐射常数。由于大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面，因此在地球表面所获得的太阳辐射强度要比1 2370W/m小。
图1-7所示为太阳辐射光谱穿过大气时受到减弱的情况。其中，曲线1是大气上界太阳辐射光谱；曲线2是臭氧层下的太阳辐射光谱；曲线3是同时考虑到分子散射作用的光谱；曲线4是进一步考虑到粗粒散射作用后的光谱；曲线5是将水汽吸收作用也考虑在内的光谱，它也可近似地看成是地面所观测到的太阳辐射光谱。对比曲线1和5可以看出，太阳辐射光谱穿过大气后的主要变化有：总辐射能有明显地减弱，辐射能随波长的分布变得极不规则，波长短的辐射能减弱得更为显著。产生这些变化的原因有以下几方面。图1-7 太阳辐射光谱穿过大气时的变化（1）大气对太阳辐射的吸收。
太阳辐射穿过大气层时，大气中某些成分具有选择吸收一定波长辐射能的特性。大气中吸收太阳辐射的成分主要有水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质等。太阳辐射被大气吸收后变成了热能，因而使太阳辐射减弱。
水汽虽然在可见光区和红外区都有不少吸收带，但吸收最强的是在红外区0.93～2.85μm之间的几个吸收带。最强的太阳辐射能是短波部分，因此水汽从进入大气中的总辐射能量中吸收的能量并不多。据估计，太阳辐射因水汽的吸收可以减弱4%～15%，所以大气因直接吸收太阳辐射而引起的增温并不显著。
大气中的主要气体是氮和氧，只有氧能微弱地吸收太阳辐射。在波长小于0.2μm处为一个宽吸收带，吸收能力较强；在0.69μm和0.76μm附近各有一个窄吸收带，吸收能力较弱。
臭氧在大气中含量虽少，但对太阳辐射能量的吸收很强。在0.2～0.3μm处为一个强吸收带，这使得小于0.29μm的辐射由于臭氧的吸收而不能到达地面；在0.6μm 附近又有一个宽吸收带，虽然吸收能力不强，但因位于太阳辐射最强烈的辐射带里，所以吸收的太阳辐射量相当多。
二氧化碳对太阳辐射的吸收总的来说是比较弱的，仅对红外区4.3μm附近的辐射吸收较强，但这一区域的太阳辐射很微弱，被吸收后对整个太阳辐射的影响不大。
此外，悬浮在大气中的水滴、尘埃等杂质也能吸收一部分太阳辐射，但其量甚微。只有当大气中尘埃等杂质很多（如有沙暴、烟幕或浮尘）时，吸收才比较显著。
由以上分析可知，大气对太阳辐射的吸收具有选择性，因而使穿过大气后的太阳辐射光谱变得极不规则。由于大气中主要吸收物质（臭氧和水汽）对太阳辐射的吸收带都位于太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因而对太阳辐射的减弱作用不大。也就是说，大气直接吸收的太阳辐射并不多，特别是对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。（2）大气对太阳辐射的散射。
太阳辐射通过大气，遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。但散射并不像吸收那样把辐射转变为热能，而只是改变辐射的方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播，如图1-8所示。经过散射，一部分太阳辐射就到不了地面。如果太阳辐射遇到直径比波长小的空气分子，则辐射的波长愈短，散射得愈强。对于一定大小的分子来说，散射能力与波长的4次方成反比，这种散射是有选择性的，称为分子散射，也叫蕾利散射[图1-8（a）]。例如，波长为0.7μm时的散射能力为1，那么波长为0.3μm时的散射能力就为30。因此，在太阳辐射通过大气时，由于空气分子散射的结果，波长较短的光被散射得较多。雨后天晴，天空呈青蓝色，就是因为太阳辐射中青蓝色波长较短，容易被大气散射的缘故。分子散射还有一个特点是质点散射对于其光学特性来说是对称的球形，在光线射入的方向（φ = 0°）及在相反的方向（φ = 180°）上的散射量比垂直于射入光线方向上（φ = 90°及φ = 270°）的散射量大1倍。图1-8（a）中由极点到外围曲线的向径长度，以假定的比例，表示此方向上所散射的总能量。图1-8 大气对太阳辐射的散射
如果太阳辐射遇到直径比波长大一些的质点，辐射虽然也要被散射，但这种散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样地被散射，这种散射称粗粒散射，也称米散射[图1-8（b）]。例如当空气中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长短波都被同样地散射，使天空呈灰白色。这一结论，在图1-7的曲线3和曲线4中表现得很清楚。如果太阳辐射遇到粗粒，粗粒散射就失去对称的形式，而于射入光方向伸长。图1-8（b）所示是粗粒（水滴）散射的一种常见形式。在此种粗粒散射下，在射入光方向上的散射能量分别超过了在射入光线的相反方向上及其垂直方向上能量之2.37及2.85倍。散射质点愈大，这种偏对称的程度就愈大。（3）大气的云层和尘埃对太阳辐射的反射。
大气中云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中一部分能量反射到宇宙空间去。其中云的反射作用最为显著，太阳辐射遇到云时被反射一部分或大部分。反射对各种波长没有选择性，所以反射光呈白色。云的反射能力随云状和云的厚度的不同而不同，高云反射率约为25%，中云为50%，低云为65%，稀薄的云层也可反射10%～20%的太阳辐射。反射随着云层增厚而增强，厚云层反射率可达90%，一般情况下，云的平均反射率为50%～55%。
上述3种方式中，反射作用最重要，尤其是云层对太阳辐射的反射最为明显，另外还包括大气散射回宇宙以及地面反射回宇宙的部分；散射作用次之，形成了到达地面的散射辐射；吸收作用对太阳辐射的影响相对最小。以全球平均而言，太阳辐射约有30%被散射和漫射回宇宙，称之为行星反射率，20%被大气和云层直接吸收，50%到达地面被吸收。
大气的存在是使地面太阳辐射衰减的主要原因，它对太阳辐射的衰减可归结成以下3种作用的结果。（1）吸收作用：太阳光谱中的X射线及其他一些超短波在电离层被氮、氧等大气成分强烈地吸收，大气中的臭氧对于紫外区域的选择性吸收，大气中的气体分子、水汽、二氧化碳对于波长大于0.69μm的红外区域的选择性吸收以及大气中悬浮的固体微粒和水滴对于太阳辐射中各种波长射线的连续性吸收。（2）散射作用：大气中悬浮的固体微粒和水滴对于太阳辐射中波长大于0.69μm的红外区域的连续性散射。（3）漫反射作用：大气中悬浮的各种粉尘对太阳光的漫反射，它与大气被污染而变混浊的程度有关。
上述现象就称为大气衰减，大气衰减与太阳光线经过大气的路径长短有关，路径越长，衰减越厉害，随着太阳在地面上方的高度不同，经过路径的长度也不同。图1-9表明了太阳光线在太阳不同高度时经过地面上方大气的情况。
图中A 为海平面，O 为大气层上界，S′、S 表示太阳的不同位置。当太阳位于天顶S 时，它在海平面上方的高度角为90°，太阳光到达海平面所经过的路程最短，受大气衰减作用的影响也最小，这就是为什么中午太阳光最强的原因。
为了能够方便地研究太阳辐射受地球大气衰减作用的影响，将太阳辐射通过大气的厚度称为大气质量，用m表示，并且把垂直于海平面的整个大气厚度定义为“1个大气质量”，即m=1。如图1-9所示，A 为地球海平面上的一点，O是太阳在天顶位置时大气层上的点，S′是太阳的实际位置，它通过大气层上界的O′点射到A点，这时的大气质量为：图1-9 大气质量示意图其中，h为太阳高度角。1.4太阳辐射强度计算1.4.1 辐射通量密度与辐射强度
辐射通量密度没有限定辐射方向，辐射接收面可以垂直于射线或与之成某一角度。如果指的是投射来的辐射，则称为入射辐射通量密度；如果指的是自物体表面射出的辐射，则称为放射辐射通量密度。辐射通量密度数值的大小反映物体放射能力的强弱，故称之为辐射能力或放射能力。
单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位面积（对球面坐标系，即单位立体角）的辐射能，称为辐射强度（I），其单位是W/2m。
辐射强度与辐射通量密度有密切关系，在平行光辐射的特殊情况下，辐射强度与辐射通量密度的关系为式中，θ为辐射体表面的法线方向与选定方向间的夹角。1.4.2 物体对辐射的吸收、反射和透射
不论何种物体，在它向外放出辐射的同时，必然会接收到周围物体向它投射过来的辐射，但投射到物体上的辐射并不能全部被吸收，其中一部分被反射，一部分可能透过物体，如图1-10所示。图1-10 物体对辐射的吸收、反射和透oa
设投射到物体上的总辐射能为Q，被吸收的为Q，被反射的为rdQ，透过的为Q。根据能量守恒原理o将上式等号两边除以Q，得式中，左边第1项为物体吸收的辐射与投射于其上的辐射之比，称为吸收率（a）；第2项为物体反射的辐射与投射于其上的辐射之比，称为反射率（r）；第3项为透过物体的辐射与投射于其上的辐射之比，称为透射率（d），则a、r、d都是0～1之间变化的无量纲量，分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力。
物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。例如，干洁空气对红外线是近似透明的，而水汽对红外线却能强烈地吸收；雪面对太阳辐射的反射率很大，但对地面和大气的辐射则几乎能全部吸收。1.4.3 辐射的基本定律1．基尔霍夫（Kirchhoff）定律λTb
设有一个真空恒温器（T）放出黑体辐射I。在其中用绝热线悬挂一个非黑体物体，它的温度与容器温度一样亦为T，它的辐射强度λTλT为I，吸收率为K。这样非黑体和器壁之间将要达到辐射平衡。器壁放射的辐射能、非黑体放射的辐射能和未被吸收的非黑体反射辐射能，三者达到平衡，则λTb两边同时除以I，得从放射率的定义得所以
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