太阳辐射的特点与计算

太阳辐射是来自太阳的电磁波辐射。在地球表面上,太阳光谱的波长范围约在0.28~3.0微米之间。太阳光谱可大致划分为三个区段:紫外线(u.v)、可见光、红外线(i.r)。其中,只有0.38~0.76微米这一小部分是人眼可见的光线,起自然采光作用,小于0.38微米的波段为紫外线辐射,波长大于0.76微米者为红外线。虽然太阳辐射的最大强度(峰值)位于可见光的范围内,但半数以上的能量是以红外辐射放射出来的。

太阳辐射波普图

太阳辐射波普图

在大气层上界的太阳辐射能,随太阳与地球之间的距离以及太阳的活动情况而变化,其范围为1322-1412 W/㎡,平均值为1367 W/㎡,此值称为太阳常数。当太阳辐射透过地球的大气层时,其强度将减弱,而且光谱的分布也因大气层的吸收、反射与散射而改变。

太阳辐射按照其波长的不同而在大气层内被有选择地吸收。大部分紫外线及全部波长小于0.288微米的辐射线均被臭氧层所吸收,还有相当一部分红外线则被水汽及二氧化碳所吸收。

太阳辐射

射至地球表面一定区域上的太阳能量的日变型及年变型,取决于太阳辐射的强度及持续时间。太阳辐射的可能强度取决于日光需穿透的大气层的厚度,后者又是由地球自转、公转以及地轴与公转轨道平面之夹角等这样一些可以精确计算的条件所决定的。

但是,真正到达地面的太阳辐射量还取决于天空中云块的间隙及空气中微尘、二氧化碳和水汽的含量,即与大气的透明度有关。这些都是只能靠估算而无法精确计算的因素,常用的计算模型主要有以下几种:(1)天空各向同性模型(1942年)、(2)Klucher模型(1979年)、(3)Hay-Davies模型(1980年)、(4)Reindl模型(1990年)、(5)Muneer模型(1997年)、(6)Perez模型(1987年),(7)Perez模型(1990年)。

相比于到达地面的太阳辐射量的计算,对大气层上界的太阳辐射能(地外法向直射辐射)的计算比较精确简单,如下:

式中,Esc为太阳常数,取1367 W/m2;n为日序数,1月1日的n=1,12月31日的n=365。


参考资料:
[1] 深圳市建筑科学研究院, 《深圳市居住建筑节能设计规范》培训教材. 2004.
[2] 2013 ASHRAE Handbook Fundamentals SI Edition.

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