太陽輻射的組成及熱量分配？

【專家解說】：1.1 太陽能簡介 太陽能是太陽內(nèi)部連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過程產(chǎn)生的能量。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1367kw/m2。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173,000TW。在海平面上的標準峰值強度為1kw/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kw/m2，相當于有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（地熱能資源除外）雖然太陽能資源總量相當于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。 太陽是一個巨大、久遠、無盡的能源。盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量（約為3.75×1026W）的22億分之一，但已高達173,000TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當于500萬噸煤。下圖是地球上的能流圖。從圖上可以看出，地球上的風能、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源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以廣義的太陽能所包括的范圍非常大，狹義的太陽能則限于太陽輻射能的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換。 地球上的能流圖（單位106MW） 太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費使用，又無需運輸，對環(huán)境無任何污染。但太陽能也有兩個主要缺點：一是能流密度低；二是其強度受各種因素（季節(jié)、地點、氣候等）的影響不能維持常量。這兩大缺點大大限制了太陽能的有效利用。 人類對太陽能的利用有著悠久的歷史。我國早在兩千多年前的戰(zhàn)國時期就知道利用鋼制四面鏡聚焦太陽光來點火；利用太陽能來干燥農(nóng)副產(chǎn)品。發(fā)展到現(xiàn)代，太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學(xué)利用等。 1.2 太陽的構(gòu)造 太陽是一個熾熱的氣態(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％）。由于太陽內(nèi)部持續(xù)進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，每1g質(zhì)量將虧損0.00729。根據(jù)目前太陽產(chǎn)生核能的速率估算，其氫的儲量足夠維持600億年，因此太陽能可以說是用之不竭的。 太陽的結(jié)構(gòu)如上圖所示。在太陽平均半徑23％（0.23R） 的區(qū)域內(nèi)是太陽的內(nèi)核，其溫度約為8×106～4×107K，密度為水的80～100倍，占太陽全部質(zhì)量的40％，總體積的15％。這部分產(chǎn)生的能量占太陽產(chǎn)生總能量的90％。氫聚合時放出γ射線，當它經(jīng)過較冷區(qū)域時由于消耗能量，波長增長，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“對流區(qū)”，溫度下降到5×103K，密度下降到10-8g/cm3。 太陽的外部是一個光球?qū)?，它就是人們?nèi)庋鬯吹降奶柋砻妫錅囟葹?762K，厚約500km，密度為10-6g/cm3，它是由強烈電離的氣體組成，太陽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柎髿猓?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柎髿馍蠈樱Q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1百萬度，高度有時達幾十個太陽半徑。 從太陽的構(gòu)造可見，太陽并不是一個溫度恒定的黑體，而是一個多層的有不同波長發(fā)射和吸收的輻射體。不過在太陽能利用中通常將它視為一個溫度為6000K，發(fā)射波長為0.3～3μm的黑體。 2.1 太陽常數(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運行一周。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。因此地球處于運行軌道的不同位置時，太陽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）。每天中午時分，太陽的高度總是最高。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)），一年中太陽有兩次垂直入射，在較高緯度地區(qū)，太陽總是靠近赤道方向。在北極和南極地區(qū)（在南北半球大于90°~23°27′），冬季太陽低于地平線的時間長，而夏季則高于地平線的時間長。 地球繞太陽運行的示意圖 由于地球以橢圓形軌道繞太陽運行，因此太陽與地球之間的距離不是一個常數(shù)，而且一年里每天的日地距離也不一樣。眾所周知，某一點的輻射強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輻射強度會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輻射強度幾乎是一個常數(shù)。因此人們就采用所謂 “太陽常數(shù)”來描述地球大氣層上方的太陽輻射強度。它是指平均日地距離時，在地球大氣層上界垂直于太陽輻射的單位表面積上所接受的太陽輻射能。近年來通過各種先進手段測得的太陽常數(shù)的標準值為1353w／m2。一年中由于日地距離的變化所引起太陽輻射強度的變化不超過上3.4％。 2.2 到達地面的太陽輻射 太陽照射到地平面上的輻射或稱“日射”由兩部分組成——直達日射和漫射日射。太陽輻射穿過大氣層而到達地面時，由于大氣中空氣分子、水蒸氣和塵埃等對太陽輻射的吸收、反射和散射，不僅使輻射強度減弱，還會改變輻射的方向和輻射的光譜分布。因此實際到達地面的太陽輻射通常是由直射和漫射兩部分組成。直射是指直接來自太陽其輻射方向不發(fā)生改變的輻射；漫射則是被大氣反射和散射后方向發(fā)生了改變的太陽輻射，它由三部分組成：太陽周圍的散射 （太陽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，非水平面也接收來自地面的反射輻射。直達日射、漫射日射和反射日射的總和即為總?cè)丈浠颦h(huán)球日射。可以依靠透鏡或反射器來聚焦直達日射。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，也可以對部分太陽周圍的漫射日射進行聚光。漫射日射的變化范圍很大，當天空晴朗無云時，漫射日射為總?cè)丈涞?0％。但當天空 烏云密布見不到太陽時，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?shù)孛嬗斜└采w時，垂直面上的反射日射可達總?cè)丈涞?0％。 到達地面的太陽輻射主要受大氣層厚度的影響。大氣層越厚，對太陽輻射的吸收、反射和散射就越嚴重，到達地面的太陽輻射就越少。此外大氣的狀況和大氣的質(zhì)量對到達地面的太陽輻射也有影響。顯然太陽輻射穿過大氣層的路徑長短與太陽輻射的 方向有關(guān)。參看下圖，A為地球海平面上的一點，當太陽在天頂位置S時，太陽輻射穿過大氣層到達A點的路徑為OA。城陽位于S點時，其穿過大氣層到達A點的路徑則為0A。 O，A與 OA之比就稱之為“大氣質(zhì)量”。它表示太陽輻射穿過地球大氣的路徑與太陽在天頂方向垂直入射時的路徑之比，通常以符號m表示，并設(shè)定標準大氣壓和O℃時海平面上太陽垂直入射時，大氣質(zhì)量m＝1。從下圖可知： 式中，h為太陽的高度角。 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地面的太陽輻射強度都是不相同的。下表給出了熱帶、溫帶和比較寒冷地帶的太陽平均輻射強度。 通常根據(jù)各地的地理和氣象情況已將到達地面的太陽輻射強度制成各種可供工程使用的圖表，它們不但對太陽能利用，而且對建筑物的采暖、空調(diào)設(shè)計也是至關(guān)重要的數(shù)據(jù)。 2.3 波長分布 太陽能的波長分布可以用一個黑體輻射來模擬，黑體的溫度為5800K。太陽能波長分布在紫外光、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_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，由于臭氧層變薄，特別是南極和北極地區(qū)，到達地面的紫外光輻射越來越多。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，而在夜間來自地球表面的較長波長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。雖然臭氧減少對太陽能集熱器的影響甚微，但溫室效應(yīng)可能會增大散射輻射，并可能嚴重影響太陽能集熱器的作用。