1 绪论

　　1.1课题的研究背景

　　几乎所有的人类活动都存在大量的化石燃料的开采，由此造成的大气和环境污染已经导致了一些不良现象，而这些现象是人类有史以来还未经历过的。它们各有不同，自1970年以来，通过实验和研究，人们已经科学的认识到这些现象与化石燃料的使用密切相关，因为它们会释放出如二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)这样的温室气体，这些气体会阻止地面放出的长波辐射到外太空，从而导致地球的对流层变得更热。为避免这些现象的进一步影响，有两个主要的备选方案，要么提高化石燃料的质量从而减少其对大气排放有害气体，要么尽可能用环保、清洁的可再生能源取代化石燃料的使用，这点比提高化石燃料的质量更为重要。在这些替代能源中，太阳能是位列榜首的，因为与其他的可再生能源(如风能、地热、水电能、生物质能、波浪能和朝夕能)相比，太阳能资源丰富且更为均衡的分布在自然界中。从长远来看，已知的化石燃料有限，这迫使全人类共同努力使其逐渐被可再生能源取代而不是提高化石能源的质量。

　　随着世界能源需求的急速增长，传统的化石能源日益紧缺，其带来的环境污染等问题也越来越严重，新能源和可再生能源的开发利用便成为全球研究领域的热点和解决能源危机问题的重要途径。太阳能作为最有前途的洁净能源，得到了全世界的普遍关注，近年来获得了飞速发展。随着国家对新能源和可再生能源的日益重视，国内掀起了新能源的研究热潮。太阳能利用行业的研究人员逐渐增多，太阳能研究和开发利用队伍逐渐壮大，而利用太阳能的首要任务是去接触太阳能的基础知识、去了解太阳能、去理解如何对太阳辐射进行建模和估算，只有在此基础上才能更好地去利用太阳能。太阳辐射通常是生成各种不同可再生能源不可或缺的一部分，但与其他构成部分相比，其特点在于它来自太阳的主要能源和持续性能源，而太阳几乎是取之不尽用之不竭的。可以预计，太阳能在未来将起到非常重要的作用，尤其是在发展中国家，并且在发达国家也极具潜力。

　　1.2太阳能资源研究的现状

　　1.2.1国外太阳能资源研究的现状：

　　在太阳能发电技术方面比较领先的是德国，它的衍生产品——太阳能汽车在好多国家已经下线，正在完善当中，比如在我国的台湾省、日本等。同样是能源技术领头羊的美国也于2014在加利福尼亚州实现了三座太阳能热发电站的并网运行，该项目为美国新增太阳能热发电装机767 MW。根据最新发布的2014年美国太阳能市场调查报告显示，通过以上项目加州将成为美国第一个太阳能装机容量达到10 GW的自治州，可满足250万户家庭的用电需要，进一步巩固了其作为美国太阳能行业领导者的地位。

　　1.2.2我国太阳能资源研究的现状：

　　目前我们国家太阳能的利用主要有两个方面：

　　利用光热效应，即把太阳光的辐射能转换为热能，太阳能热水器及太阳灶的利用就是光热利用的典型例子。我国太阳能热利用较为成熟，已经形成较为完整的产业体系，太阳能光热产业的核心技术遥遥领先于世界水平，其自主知识产权率达到了95%以上。我国已经成为世界上太阳能集热器最大的生产和使用国家。

　　利用光生伏特效应(简称光伏效应)，将太阳能的辐射能直接转变为电能，太阳电池就是具有这种性能的半导体器件。由于太阳电池是利用光伏效应的原理来工作的，所以太阳能电池又被称为光伏器件。受国际大环境的影响和国际项目、政府项目的启动与市场的拉动，我国光伏发电方面进展明显，形成了我国的光伏发电产业。

　　1.3 本文研究内容

　　本论文借助LabVIEW软件来估算太阳辐射的强度。在许多太阳能设计应用中都需要水平面瞬时(或每小时、每天、每月)全天辐射和漫射的长期平均值。在一些地方可获得这些参数的估量值。在有些地方没有进行测量，实际采用的方法是通过理论或实验模型来进行估算，这些模型是以测量数据为基础发展而来的[4]。知道到达地球表面的太阳辐射量，对研究太阳能系统设计的工程师和科学家们来说是非常重要的。特别地，对热能和光伏发电系统的许多设计方法中，为了预测一个月系统的能量生产能力，都要求输入水平表面的月平均时辐射量[4]。再对太阳能辐射强度计算编程之前，需要扎实掌握相关概念及计算公式，本论文在第2章进行介绍相关知识。

　　2. 太阳辐射强度的概念及计算

　　2.1太阳辐射强度的概念

　　太阳辐射强度：表示太阳辐射强弱的物理量，单位。

　　2.1.1太阳辐射的分类及影响因素

　　1.太阳辐射按方向分为：直射辐射、散射辐射。

　　直射辐射：(又称直达辐射或束辐射)接受到的、直接来自太阳而不改变方向的太阳辐射[1]。

　　散射辐射：(又称扩散辐射或天空辐射)接收到的、受大气散射影响而改变了方向的太阳辐射[1]。

　　太阳总辐射：接收到的太阳辐射总和，等于直射辐射加散射辐射。

　　2.影响到达地球表面的太阳能辐射能的因素包括：天文、地理、几何、物理等多个方面，如表2.1和2.2所示：

　　表2.1 影响太阳辐射强度的主要因素

影响太阳能辐射的因素

天文因素 譬如：日地距离、太阳赤纬角、太阳时角等。 地理因素 譬如：经度、纬度、海拔高度等。 几何因素 譬如：太阳高度、接受辐射面的倾角、方位角等。 物理因素 譬如：太阳光谱、太阳辐照度、大气的吸收、散射等。

影响因素	影响后果
纬度位置	纬度低则正午太阳高度角大，太阳辐射经过大气的的路程短，被大气削弱得少，到达地面的太阳辐射就强；反之，则弱。这是太阳辐射从低纬向两极递减的原因之一。
天气状况	晴朗的天气，由于云层少且薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；阴雨的天气，由于云层厚且多，大气对太阳辐射的削弱作用强，到达地面的太阳辐射就弱。
海拔高低	海拔高，空气稀薄，大气对太阳辐射的削弱作用弱，到达地面的太阳辐射就强；反之，则弱。如青藏高原成为我国太阳辐射最强的地区，主要就是这个原因。
日照长短	日照时间长，获得太阳辐射强，日照时间短，获得太阳辐射弱。夏半年，高纬地区白昼时间长，弥补太阳高度角低损失的能量。

　　表2.2 太阳辐射强度的部分影响因素及影响后果

　　2.1.2太阳辐射计算的方法

　　太阳能辐射量是太阳能系统设计中最重要的数据。对于没有实测辐射数据的地方，一是根据邻近地区的实测值用插值法推算;二是用相对容易测量的太阳持续时间(日照百分率)或云量等数据推算。有气象台站的地方，通常是测量水平面上的总辐射[1]。

　　2.2 太阳时与太阳位置方程

　　2.2.1 太阳时的计算

　　时角的概念及计算方法

　　时角是天体相对于子午圈的角距离，用表示，单位为度。地球每小时自转的角度为，因此可以采用一天中地球自转的角度来表示时间。规定正午时角为零，上午时角为负值，下午时角为正值。

　　(2.1)

　　式中 ——每日时间。

　　太阳时(真太阳时)与标准时的换算关系

　　地球绕自身轴线自转的同时，又环绕太阳进行公转，在公转的时候地球在黄道平面上所扫过的面积不同。

　　(2.2)

　　式中 Lat——真太阳时;

　　——标准时;

　　——当地经度;

　　——时差，单位为分钟;

　　——标准时间子午圈的经度。

　　上式中，符号是相对于穿过英国格林威治的0度子午线的西(东)面。式(2.2)中所有的时间都要用小时来表示。

　　我国以北京时间为标准时，所以式(2.2)可以写成

　　(2.3)

　　(2.4)

　　式中

　　(2.5)

　　是所求日期在一年中的天数，。

　　2.2.2太阳角度

　　赤纬角

　　地球到太阳的连线与赤道平面之间的夹角称为太阳赤纬角，简称赤纬，用表示。

　　(2.6)

　　式中 ——日序，取值范围为1到365或366,1月1日取日序为1;

　　——单位为度。

　　取赤道以北为正方向，以南为负方向，赤纬变化范围在到之间。

　　太阳高度角

　　太阳直射辐射光线与所考虑场所的地平(水平)平面间的夹角，用表示。

　　(2.7)

　　(2.8)

　　式中 ——太阳赤纬角(与太阳直射点纬度相等);

　　——观测地地理纬度(赤纬角与地理纬度均是北纬为正，南纬为负);

　　——地方时角(时角)。

　　正午时，太阳高度角为

　　太阳方位角

　　太阳光线在地面上的投影与当地子午线的夹角，用表示。通过当地的经线，即正南方和正北方的连线称为子午线。

　　(2.9)

　　(2.10)

　　式中 ——太阳方位角;

　　——太阳赤纬角(北纬为正，南纬为负);

　　——时角;

　　——太阳高度角。

　　2.2.3 日照时数的计算

　　日出日落时间

　　日出时角用表示，日落时角用表示。

　　日出日没时角，表示太阳太阳高度角，即

　　(2.11)

　　根据三角函数的取值范围为，即

　　因

　　故有两个解：，

　　当时，。正午时出现;

　　当时，无解，即无日出亦无日落：极昼;

　　当时，，。只在那一瞬间出现;

　　当时，即无日出亦无日落：极昼。

　　当太阳高度角时，

　　讨论：当时，太阳直射北半球，太阳起落均偏北;

　　当时，太阳直射南半球，太阳起落均偏南;

　　当时，，。日出在正东，日落在正西。

　　一天的昼长：

　　式中15表示，2表示从和两部分;。

　　可照时数

　　在没有天气气象影响的条件下，日出到日落太阳的可能光照时数就是可照时数。其变化规律为，在北半球，夏季可照时数随着纬度增加而增加，冬季则相反。计算公式如下:

　　式中 —— 一日可照时数，单位为h;

　　—— 半日可照时数，单位为h;

　　4.峰值日照时数

　　峰值日照时数为将当地的太阳辐射量折算成标准测试条件(辐照度1000W/m2)下的小时数。

　　式中 ——一段时间的峰值日照时数，单位为;

　　——一段时间的总辐射曝辐量，在气象站的测量单位是MJ/m2，计算时先将其转换为，。

　　2.3 太阳辐射量的计算

　　2.3.1大气质量数

　　大气对地球表面接受太阳光的影响程度被称为大气质量。太阳辐射路径上单位截面积空气柱的质量称为大气质量数。标准状况下(气压为汞柱，气温为0℃)，太阳光垂直照射到地面所经路程中，单位截面积空气柱的质量称为一个大气质量数。

　　大气质量数是一个无量纲数，大气上界的大气质量数为，当太阳高度角在之间时，地面上任意一点的大气质量数为

　　对不同海拔高度，大气质量数应作气压订正。

　　式中 ——观测点气压;

　　——海平面气压。

　　上式仅适用于太阳高度角较大时计算大气质量数。