太陽(yáng)輻射的組成及熱量分配？

【專家解說(shuō)】：1.1 太陽(yáng)能簡(jiǎn)介 太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1367kw/m2。地球赤道的周長(zhǎng)為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173,000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kw/m2，地球表面某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kw/m2，相當(dāng)于有102,000TW 的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地?zé)崮苜Y源除外）雖然太陽(yáng)能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬(wàn)多倍，但太陽(yáng)能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是開發(fā)利用太陽(yáng)能面臨的主要問題。太陽(yáng)能的這些特點(diǎn)會(huì)使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到一定的限制。 太陽(yáng)是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無(wú)盡的能源。盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量（約為3.75×1026W）的22億分之一，但已高達(dá)173,000TW，也就是說(shuō)太陽(yáng)每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500萬(wàn)噸煤。下圖是地球上的能流圖。從圖上可以看出，地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來(lái)源于太陽(yáng)；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說(shuō)也是遠(yuǎn)古以來(lái)貯存下來(lái)的太陽(yáng)能，所以廣義的太陽(yáng)能所包括的范圍非常大，狹義的太陽(yáng)能則限于太陽(yáng)輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。 地球上的能流圖（單位106MW） 太陽(yáng)能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無(wú)需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染。但太陽(yáng)能也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是能流密度低；二是其強(qiáng)度受各種因素（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）的影響不能維持常量。這兩大缺點(diǎn)大大限制了太陽(yáng)能的有效利用。 人類對(duì)太陽(yáng)能的利用有著悠久的歷史。我國(guó)早在兩千多年前的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽(yáng)光來(lái)點(diǎn)火；利用太陽(yáng)能來(lái)干燥農(nóng)副產(chǎn)品。發(fā)展到現(xiàn)代，太陽(yáng)能的利用已日益廣泛，它包括太陽(yáng)能的光熱利用，太陽(yáng)能的光電利用和太陽(yáng)能的光化學(xué)利用等。 1.2 太陽(yáng)的構(gòu)造 太陽(yáng)是一個(gè)熾熱的氣態(tài)球體，它的直徑約為1.39×106km，質(zhì)量約為2.2×l027t，為地球質(zhì)量的3.32×105倍，體積則比地球大1.3×106倍，平均密度為地球的1/4。其主要組成氣體為氫（約80％）和氦（約19％）。由于太陽(yáng)內(nèi)部持續(xù)進(jìn)行著氫聚合成氦的核聚變反應(yīng)，所以不斷地釋放出巨大的能量，并以輻射和對(duì)流的方式由核心向表面?zhèn)鬟f熱量，溫度也從中心向表面逐漸降低。由核聚變可知，氫聚合成氦在釋放巨大能量的同時(shí)，每1g質(zhì)量將虧損0.00729。根據(jù)目前太陽(yáng)產(chǎn)生核能的速率估算，其氫的儲(chǔ)量足夠維持600億年，因此太陽(yáng)能可以說(shuō)是用之不竭的。 太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)如上圖所示。在太陽(yáng)平均半徑23％（0.23R） 的區(qū)域內(nèi)是太陽(yáng)的內(nèi)核，其溫度約為8×106～4×107K，密度為水的80～100倍，占太陽(yáng)全部質(zhì)量的40％，總體積的15％。這部分產(chǎn)生的能量占太陽(yáng)產(chǎn)生總能量的90％。氫聚合時(shí)放出γ射線，當(dāng)它經(jīng)過(guò)較冷區(qū)域時(shí)由于消耗能量，波長(zhǎng)增長(zhǎng)，變成X射線或紫外線及可見光。從0.23～0.7R的區(qū)域稱為“輻射輸能區(qū)”，溫度降到1.3×105K，密度下降為0.079g/ cm3。0.7～1.0R之間稱為“對(duì)流區(qū)”，溫度下降到5×103K，密度下降到10-8g/cm3。 太陽(yáng)的外部是一個(gè)光球?qū)?，它就是人們?nèi)庋鬯吹降奶?yáng)表面，其溫度為5762K，厚約500km，密度為10-6g/cm3，它是由強(qiáng)烈電離的氣體組成，太陽(yáng)能絕大部分輻射都是由此向太空發(fā)射的。光球外面分布著不僅能發(fā)光，而且?guī)缀跏峭该鞯奶?yáng)大氣， 稱之為“反變層”，它是由極稀薄的氣體組成，厚約數(shù)百公里，它能吸收某些可見光的光譜輻射?！胺醋儗印钡耐饷媸翘?yáng)大氣上層，稱之為“色球?qū)印?，厚約1～1.5×104km，大部分由氫和氦組成?！吧?qū)印蓖馐巧烊胩盏你y白色日冕，溫度高達(dá)1百萬(wàn)度，高度有時(shí)達(dá)幾十個(gè)太陽(yáng)半徑。 從太陽(yáng)的構(gòu)造可見，太陽(yáng)并不是一個(gè)溫度恒定的黑體，而是一個(gè)多層的有不同波長(zhǎng)發(fā)射和吸收的輻射體。不過(guò)在太陽(yáng)能利用中通常將它視為一個(gè)溫度為6000K，發(fā)射波長(zhǎng)為0.3～3μm的黑體。 2.1 太陽(yáng)常數(shù) 晝夜是由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，而季節(jié)是由于地球的自轉(zhuǎn)軸與地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道的轉(zhuǎn)軸呈23°27′的夾角而產(chǎn)生的。地球每天繞著通過(guò)它本身南極和北極的“地軸” 自西向東自轉(zhuǎn)一周。每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15°。地球除自轉(zhuǎn)外還循偏心率很小的橢圓軌道每年繞太陽(yáng)運(yùn)行一周。地球自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道面的法線始終成23．5°。地球公轉(zhuǎn)時(shí)自轉(zhuǎn)軸的方向不變，總是指向地球的北極。因此地球處于運(yùn)行軌道的不同位置時(shí)，太陽(yáng)光投射到地球上的方向也就不同，于是形成了地球上的四季變化（見下圖）。每天中午時(shí)分，太陽(yáng)的高度總是最高。在熱帶低緯度地區(qū)（即在赤道南北緯度23°27′之間的地區(qū)），一年中太陽(yáng)有兩次垂直入射，在較高緯度地區(qū)，太陽(yáng)總是靠近赤道方向。在北極和南極地區(qū)（在南北半球大于90°~23°27′），冬季太陽(yáng)低于地平線的時(shí)間長(zhǎng)，而夏季則高于地平線的時(shí)間長(zhǎng)。 地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的示意圖 由于地球以橢圓形軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行，因此太陽(yáng)與地球之間的距離不是一個(gè)常數(shù)，而且一年里每天的日地距離也不一樣。眾所周知，某一點(diǎn)的輻射強(qiáng)度與距輻射源的距離的平方成反比，這意味著地球大氣上方的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度會(huì)隨日地間距離不同而異。然而，由于日地間距離太大（平均距離為1.5 x 108km），所以地球大氣層外的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度幾乎是一個(gè)常數(shù)。因此人們就采用所謂 “太陽(yáng)常數(shù)”來(lái)描述地球大氣層上方的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。它是指平均日地距離時(shí)，在地球大氣層上界垂直于太陽(yáng)輻射的單位表面積上所接受的太陽(yáng)輻射能。近年來(lái)通過(guò)各種先進(jìn)手段測(cè)得的太陽(yáng)常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為1353w／m2。一年中由于日地距離的變化所引起太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化不超過(guò)上3.4％。 2.2 到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射 太陽(yáng)照射到地平面上的輻射或稱“日射”由兩部分組成——直達(dá)日射和漫射日射。太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層而到達(dá)地面時(shí)，由于大氣中空氣分子、水蒸氣和塵埃等對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射，不僅使輻射強(qiáng)度減弱，還會(huì)改變輻射的方向和輻射的光譜分布。因此實(shí)際到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通常是由直射和漫射兩部分組成。直射是指直接來(lái)自太陽(yáng)其輻射方向不發(fā)生改變的輻射；漫射則是被大氣反射和散射后方向發(fā)生了改變的太陽(yáng)輻射，它由三部分組成：太陽(yáng)周圍的散射 （太陽(yáng)表面周圍的天空亮光），地平圈散射（地平圈周圍的天空亮光 或暗光），及其他的天空散射輻射。另外，非水平面也接收來(lái)自地面的反射輻射。直達(dá)日射、漫射日射和反射日射的總和即為總?cè)丈浠颦h(huán)球日射?？梢砸揽客哥R或反射器來(lái)聚焦直達(dá)日射。如果聚光率很高， 就可獲得高能量密度，但卻損耗了漫射日射。如果聚光率較低，也可以對(duì)部分太陽(yáng)周圍的漫射日射進(jìn)行聚光。漫射日射的變化范圍很大，當(dāng)天空晴朗無(wú)云時(shí)，漫射日射為總?cè)丈涞?0％。但當(dāng)天空 烏云密布見不到太陽(yáng)時(shí)，總?cè)丈鋭t等于漫射日射。因此聚式收集 器采集的能量通常要比非聚式收集器采集的能量少得多。反射日射一般都很弱，但當(dāng)?shù)孛嬗斜└采w時(shí)，垂直面上的反射日射可達(dá)總?cè)丈涞?0％。 到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射主要受大氣層厚度的影響。大氣層越厚，對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射就越嚴(yán)重，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射就越少。此外大氣的狀況和大氣的質(zhì)量對(duì)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射也有影響。顯然太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層的路徑長(zhǎng)短與太陽(yáng)輻射的 方向有關(guān)。參看下圖，A為地球海平面上的一點(diǎn)，當(dāng)太陽(yáng)在天頂位置S時(shí)，太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層到達(dá)A點(diǎn)的路徑為OA。城陽(yáng)位于S點(diǎn)時(shí)，其穿過(guò)大氣層到達(dá)A點(diǎn)的路徑則為0A。 O，A與 OA之比就稱之為“大氣質(zhì)量”。它表示太陽(yáng)輻射穿過(guò)地球大氣的路徑與太陽(yáng)在天頂方向垂直入射時(shí)的路徑之比，通常以符號(hào)m表示，并設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和O℃時(shí)海平面上太陽(yáng)垂直入射時(shí)，大氣質(zhì)量m＝1。從下圖可知： 式中，h為太陽(yáng)的高度角。 大氣質(zhì)量示意圖 顯然地球上不同地區(qū)、不同季節(jié)、不同氣象條件下到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度都是不相同的。下表給出了熱帶、溫帶和比較寒冷地帶的太陽(yáng)平均輻射強(qiáng)度。 通常根據(jù)各地的地理和氣象情況已將到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度制成各種可供工程使用的圖表，它們不但對(duì)太陽(yáng)能利用，而且對(duì)建筑物的采暖、空調(diào)設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的數(shù)據(jù)。 2.3 波長(zhǎng)分布 太陽(yáng)能的波長(zhǎng)分布可以用一個(gè)黑體輻射來(lái)模擬，黑體的溫度為5800K。太陽(yáng)能波長(zhǎng)分布在紫外光、可見光和紅外光波段。這些波段受大氣衰減的影響程度各不相同?？梢姽廨椛涞拇蟛糠挚傻竭_(dá)地面，但是上層大氣中的臭氧卻吸收了大部分紫外光輻射。 近年來(lái)，由于臭氧層變薄，特別是南極和北極地區(qū)，到達(dá)地面的紫外光輻射越來(lái)越多。入射的紅外光輻射，有一部分被二氧化碳、水蒸氣和其他氣體吸收，而在夜間來(lái)自地球表面的較長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外輻射大部分則傳到了外空。這些溫室氣體在上層大氣中的積累，可能會(huì)使大氣吸收能力增加，從而導(dǎo)致全球氣候變暖和天氣變得多云。雖然臭氧減少對(duì)太陽(yáng)能集熱器的影響甚微，但溫室效應(yīng)可能會(huì)增大散射輻射，并可能嚴(yán)重影響太陽(yáng)能集熱器的作用。