论文总字数：29864字

摘 要

随着社会的发展，人类对能源的需求越来越大，传统能源已经难以满足日益增长的能源需求，大力开发绿色、无污染的能源成为近年来的热点。太阳能由于取之不尽，用之不竭，成为各国大力发展的新能源。由于太阳能发电场的发电能力与辐射关系密切，系统的最佳发电效率随辐射强度而改变，因此准确计算计算太阳辐射,对设计控制光伏发电厂具有重要的指引意义。本文在现有直射和散射模型的基础场，结合气象资料，采用修正因子的方式来研究特殊气候情况下江苏以及甘肃地区太阳能辐射情况。

了解各种情况下所有外部太阳辐射条件的时候,我通常研究户外太阳辐射计算措施,设置不同的小时在太阳方位角,计算相应的关系,研究了在阴天或多云的天气和其他不寻常的天气相对复杂的情况下,区域差异的太阳辐射计算模型,将用于晴天来确定时刻太阳辐射测量以外的任何区域。根据太阳辐射计量措施编制计量软件，计算在一个特定的区域的太阳辐射量。

经计算发现，我们发现在不同纬度及倾斜角的情况下，辐射量将具有显著差异，这将帮助我们在建造太阳能装置是有效选合适纬度区域，以及由于最佳倾斜角在不断变化的情况下，更多的考虑辐射量大时间段的最佳倾斜角。

关键词：太阳辐射；模拟计算；太阳方位

Calculation of solar radiation in a specific area

Abstract

With the development of the society, the human demand for energy is more and more big, the traditional energy sources has been difficult to meet the increasing demand for energy, vigorously develop green, pollution-free energy become the hot spot in recent years. Solar energy due to the abundant, an inexhaustible, became the various countries' develop new sources of energy. Because solar farms generating capacity is close to radiation, and the best power system efficiency with the radiation intensity and the change, so accurate calculation of solar radiation calculation, design and control of photovoltaic power plants has important guidance significance. In this paper, on the basis of existing models of direct and scattering field, combined with meteorological data, with the method of correction factor to study the special climate condition in jiangsu and gansu region of solar radiation.

Understand all kinds of all the external conditions of solar radiation, I usually study outdoor solar radiation calculation measures, set up different hours in the sun azimuth, calculate the corresponding relations, studied on cloudy days or cloudy weather and other unusual weather under the condition of relatively complex, the regional difference of solar radiation calculation model, will be used in sunny days to determine the moment any region of the solar radiation measurement. According to the solar radiation metrology measures measurement software, computing in a specific area of the solar radiation.

Key Words: Solar radiation; simulation calculation; software development;

目录

第一章 绪论 1

1.1 太阳概况 1

1.1.1太阳基本信息 1

1.1.2太阳构造 1

1.1.3太阳光球 2

1.1.4太阳色球 2

1.1.5所处位置 3

1.2太阳辐射 3

1.2.1 基本介绍 3

1.2.2相关知识 5

1.2.3太阳常数 5

1.4 研究工作的目的 7

第二章 太阳辐射基本计算方法 10

2.1 日地运动 10

2.2 天球坐标 11

2.2.1 赤道坐标系 11

2.3 太阳辐射量 13

2.3.3地标倾斜面上的小时太阳辐照量 15

2.3.4干扰因素 16

第三章 太阳辐射模拟计算 18

3.1 太阳辐射量的计算 18

3.2编写matlab估算南京和甘肃辐射量 19

第四章 总结和展望 30

4.1结论 30

4.2展望 30

致谢 31

第一章 绪论

1.1 太阳概况

1.1.1太阳基本信息

作为太阳系的中心天体,这里的绝大多数M集中在太阳这颗球体上面,并且于此是独一无二的恒星。有八颗恒星在太阳系里围绕着太阳转动着。可是太阳是以银河系为中心旋转的。热等离子体和磁场在太阳系中心混合成了一个完美的球体。 

1.1.2太阳构造

氢约占领了太阳73%、 氦约占领了太阳的25%， 其它元素只占据了2%。如果将太阳切开，从外到里我们将看到太阳大气、辐射区和对流区、核反应区。我们可高度和性质的不同将太阳的大气分成各个圈层，正如同地球一样。我们平时看见的是太阳的最外层，温度大概是六千凯文。而我们看不到太阳内部的原因是，他是不透明的。然而，经过天文学家根据物理理论和对太阳表面各种现象的研究，我们初步建立了太阳内部的基本模型。

我们可以将太阳的内部分为三个部分，他们分别是核心区 、辐射 区 和 对流区。占据太阳M的二分之一以上的是他的核心区，然而其半径却只有太阳的四分之一不到。可是正是如此，氢聚变的热核反应得以发生，正是因为其温度极高，压力非常的大。每立方厘米高达150克的太阳核心区域密度可谓是非常之高。然而他处于高温度、密度和高压力的状态是由于太阳本身的巨大自重引力。这也是太阳巨大能源的原因。在此之外是辐射层，大概区域是四分之一的太阳半径扩散到到0.71的太阳半径，由于自重的影响，这里所有的压力、密度等数据内向外逐渐减少。辐射层的体积很大，几乎占了太阳的一大块。 当然在能量传递的过程中，一定会发生对流。在发生对流的那一层我们都叫他对流层。这一层很不稳定而且有非常显而易见的对流发生。如下图所示。

1.1.3太阳光球

一般情况下我们所说的光球的半径也就是太阳半径。在所有的太阳大气层中，光球层是最靠近太阳核心的一个层面，同时也是在对流层的外面的。虽然光球的表面密度极低，并且是气态，但是他非常的厚，以至于根本不透明。通过观测我们可以发现在光球层中有许许多多的点状物，非常像一颗一颗的大米，我们都叫他米粒组织。作为激烈的太阳活动，它们的平均温度非常高并且极不稳定，所以持续时间非常短。目前，我们研究认为这种现象是由于对流引起的。

太阳黑子算是人尽皆知的太阳活动了。黑子大多看起来像是椭圆形，而且温度很高，而之所以显得比较的黑，是因为与他的周围相比。

1.1.4太阳色球

一般情况下我们很难观测到色球层，除非你运气好，赶上了日全食。色球的颜色是暗红色的，而且只有当月球完全遮蔽太阳的时候，你才能在太阳的周边观测到这美丽的色球层。由于所处位置的差异，导致色球层的密度和压力都要低上一些，相对于与他组成物质基本相同的光球层。根据我们的日常经验，热量与热源的距离成反比，而令我们费解的是，在光球相接色球的地方，温度只不过是四千多度，可是色球层最上面竟然可以达到好几万度，到了日冕层更是以百万的数量级来计量温度。对面这件事，我们的研究人员至今没有找到合适的解答。并且“日珥”这种天文现象就发生在色球层上，类似在空中飞舞的火焰。几十分钟便可以发生一次日珥。时而像是烟雾缠绕，时而像天外飞仙，时而像一弯拱桥，时而像花团景簇，真是美不胜收。日珥大概分为三大类。

1.1.5所处位置

茫茫宇宙中太阳只是一颗极为普通的恒星，然而它却是太阳系的中心也是我们生活中赖以生存的必要因素。由地球为首的八大行星是构成太阳系的主要部分，参杂着一些矮行星、彗星等小天体，在太阳引力的支撑下，他们在环绕的太阳有条不紊地运行着。太阳系实在是太大了，别的不说，光冥王星，和太阳隔了有六十亿千米，可是事实上，太阳系的范围还要比他大个几十倍。

1.2太阳辐射

1.2.1 基本介绍

太阳辐射(solar radiation)是能量的一种，同时也是太阳用电磁波的形式，发射向宇宙空间的电磁波和粒子流。该种能量被称为太阳辐射能。如果我们将太阳辐射能，按波长来区分开来，就可以得到太阳辐射光谱。

太阳向宇宙空间辐射的能量非常巨大，我们所能接收到的能量约占太阳向宇宙空间辐射总量的二十一亿分之一，然而，实际上这也是地球大气运动的主要能量来源，也是我们人类生活的主要能源来源之一。

太阳辐射穿过宇宙空间发射到地球大气层上表层上面的辐射，我们称之为天文太阳辐射量。地球在公转的过程中，当他运行至日地平均距离处，大气层上表面层与太阳光线相互垂直的单位面积，单位时间内所接受的太阳辐射的总能量，我们称之为太阳常数或者称为大气大气质量0的辐射，用单位为W/m²。1981年10月在墨西哥召开的世界气象组织仪器和观测方法委员会第八届会议通过的太阳常数的大小为

实际上，在地球公转的过程中，日地距离是变化的，所以太阳常数也稍有变化。

到达地球大气上表面的太阳辐射光谱的波长绝大多数处于 0.15～4.0um之间。太阳辐射与地面和以及大气辐射相比，波长要比他们小很多，因此，太阳辐射有一个别名叫短波辐射，与之相对应的，地面以及大气辐射，则为长波辐射。太阳活动和日地距离的变化等会引起地球大气上界太阳辐射能量的变化。

太阳辐射在到达大气层上表面后，其中一部分辐射将穿透过厚厚的大气层，直达地表，我们称之为，直接太阳辐射；另一部分辐射，则在传播的过程中，被大气的组成物质的分子、大气中的微小颗粒、小水珠和沙尘等杂质吸收、散射和反射而衰减。衰减的太阳辐射其中的一部分被反射回茫茫无尽的宇宙之中，另一部分则顺利抵达地球表面，而这一部分太阳辐射，我们称之为散射太阳辐射。两者之和为太阳总辐射。穿越过大气层之后，太阳辐射强度发生了明显的衰减，并且与此同时太阳光谱能量的分布也发生了显著的变化。分布上，紫外光谱几乎全部消失，可见光区域衰减了接近四成，红外区域则为六成。

太阳辐射到达地球表面的分布情况按年总体上来看基本上成带状，只有在低纬度区域情况有所不同。这是因为赤道地区，受始终多云天气的影响，所以辐射量并没有预想中那么大。恰恰相反，而在副热带高压带区域，尤其实在沙漠地区,以非洲东北部为代表，辐射总量尤其凸出。

1.2.2相关知识

太阳总辐射是达到地表水平面上的太阳直射辐照度和散射辐照度的总和。在全球范围内，太阳总辐射占到达大气层上表面的四点五成。总辐射量与纬度的关系为负相关，即纬度越高，辐射量越小。单日论，正午时分前后达到最大值，夜间为0。

太阳辐射试验是用来评判户外太阳光直射下使用和储存的设备承受太阳辐射的能力。

太阳辐射试验标准：

GJB 150.7-86　军用设备环境试验方法 太阳辐射试验

GB 4797.4-1989 电工电子产品自然环境条件 太阳辐射与温度

GB/T 2423.24-1995 电工电子产品环境试验

1.2.3太阳常数

由于地球的自旋产生了昼夜交替，由于地球的自转轴与其绕太阳公转的轨道的转轴所呈角度为23°27′，这使得地球在进行公转的过程中产生了四季更迭。地球围绕地轴自西向东自转一周为一昼夜，平均下来每小时地球自嗨15°。

由于地球太阳运行的轨迹为一个椭圆形，太阳与地球之间的距离随着地球的自转而不断变化着，而且在整个公转周期里，日地距离每天都不同。如你所知晓的，某一确定点所受到的辐射的强度与距辐射源的距离相关，与距离平方成反比，这表明地球大气层上表面所受到的太阳辐射会随地球围绕太阳公转的过程中因日地距离的变化而变化。然而，由于日地间距离是一个非常巨大的数字，公转所带来的差异总体上没有太大的影响，所以我们通常用一个常数表达他。因此太阳常数指以平均日地距离计算时，在地球大气层上表面垂直于太阳光线的单位面积上所承受的太阳辐射。1981年10月在墨西哥召开的世界气象组织仪器和观测方法委员会第八届会议通过的太阳常数的大小为

1.3国内外研究进展

太阳能作为地球的能量源泉，为植物光合作用提供了外来能源，促进植物的生长。由于区域的热量不平衡，导致气候带得形成，造就了地球的气候变化，出现了春夏秋冬。这些都是太阳能量被自然界直接利用的例子。

近年来，随着科技的发展，传统能源消耗日益增加，一方面导致了环境被大规模的污染，另一方面也使得传统能源日益枯竭，难以为继。所以大力发展清洁能源越来越迫切。在所有的清洁能源中，太阳能是最重要的一种清洁能源，受到世界各国的高度重视。目前利用太阳能主要通过光热，比如太阳能热水器，农业方面的大棚以及光热发电等；另外一个重要途径是光电技术，即通过光伏效应，把太阳能转变为电能。下面介绍国内外太阳能光伏技术利用的现状。

张素宁等^[1]融合了确定性模型与随机性模型，形成了太阳总辐射模型，这种模型问题主要在于需要大量的数据支撑，而且局限于水平面上的计算。 杜军等^[2]通过分析晴朗天气下和全阴天气下温室内外的辐射数据，演绎了温室模型中，其表面的太阳辐射吸收的净值。
水平面太阳辐射照度已知的前提下，佟国红等^[3]，使用模拟计算的方法，把直射太阳辐射照度和散射太阳辐照度区分出来^[4]，从而精确计算太阳辐射照度在温室表面的精确定值。 童成立等^[5]则统计了全国范围内将多个不同区域又具有典型代表的气象站点数据，粗略的建立了一种简单的大概的太阳辐照度计算模型。 周芳等^[6]的研究将重心放在了铅垂面上太阳辐射量的模拟计算方法的问题上，Perez 模型^[7]计算总体上比较准确，但是计算工程过于冗杂繁复，Hay 模型^[8]则简单明了并且十分实用。 李庆林等^[9]使用Ecotect 软件模拟了方位角和斜面角在不同情况下，分析了典型气候下上海地区太阳辐射资源分布情况。 王爱英等^[10]引入新的概念转化辐照度和辐射量的基本关系，考虑清晰度指数，再与实际测量的数据进行对照，建立有效模型并进行了检验，得到了一个相对精确的辐照度计算方法。

朱志辉^[11]以长春市地区为研究对象，总结了斜面上辐照度的特征，综合了理论方法与数据模型分析。杨卫国^[12]等人研究了太阳辐射量在竖直面上的计算方式，并且通过计算机模拟的方法，得出了昆明太阳辐射量在不同区域的分布。袁龙^[13]以太阳高度角、太阳方位角等为基础进行模型设计，在蒙特卡洛法的基础之上，完成了太阳福射的方向、大小、位置等关键算法。张嘉^[14]等通过分析光线在遮阳板上的散射光学特性，完成了精确科学的散射辐射数学模型，其设立的模型以及算法在实际应用上颇有效果。樊孝序^[15]研究的着重点在太阳能集热器上，通过研究以及模拟软件分析，在建筑物的不同位置，都可以安装太阳能集热器，这一研究成果使得太阳能集热器安装时，少了很多面积上的局限。李明，郑土逢等^[16]对阳台式太阳能集热器在不同位置所受辐照度的变化进行了研究。吴兴应，易兵^[17]等建立了太阳辐射计算的模型，通过编制程序计算，得到了以单一建筑模型讨论下不同方位时的太阳能辐射量，并对程序运算得到的结果进行了分析讨论。杨金焕^[18]等分别计算了水平面上、倾斜面上这两种情况下，不同方位的太阳辐照度。祖文超^[19]等通过太阳角、赤纬角、水平面上倾以及斜面上太阳辐射强度，并且考虑到清晰度系数建立了相应的数学模型。杜晓辉^[20]提出了一体化窗户与太阳集热器设计方案，定量研究了集热器的安装角度与窗口直射比例的关系；T.T.CHOW^[21]等人研究了高层里面集热器的节能效率。魏生贤，李明^[22]等研究了太阳辐射的遮挡问题，分析了日均遮挡因子，并根其结果以及数据进行分析，得到了相应的关系式。李永赞^[23]研究了不同倾角对太阳辐照度的影响，并归纳出了相应的关系式。毕二鹏^[24]通过编程计算了不同斜面的太阳辐照度。周芳^[25]研究太阳辐射量的计算方法主要探讨了铅锤面上的关系，并统计了相应地区的数据进行了分析比较。魏生贤^[26]则更多的将研究目标放在了太阳能与建筑相结合的方面。

Liu and Jordan^[27]主要计算了朝向赤道倾斜面上的太阳辐照度，由于计算范围相对较为狭窄，所以局限性比较大。Klein^[28]在Liu and Jordan的基础上扩大了计算的范围。Hay^[29]提出的方法降低计算效率，但使得数据可以被广泛的使用，计算的过程不再依赖于四季更替和太阳在天球上的位置。Festa and Ratto^[30]计算中以不同斜面与方位角为变量，并将计算结果与Liu and Jordan和Klein所研究出的模型进行了对比。

Li and Lam^[31]研究了如何在竖直面上，进行太阳辐射数据的测量，并对测量结果进行数据分析，并应用在节能建筑的建造上。

1.4 研究工作的目的

将以南京和甘肃作为研究目标，考虑散射及相关因素影响，建立模型计算太阳辐射，制作成简易程序。

参考文献

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[5] 童成立,张文菊,汤 阳,等.逐日太阳辐射的模拟计算[J].中国农业气象,2006,26(3):165-169.
[6] 周 芳,胡明辅,周国平.铅垂面上太阳辐射计算方法探讨[J].建筑节能,2007(5):55-59.
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