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太阳能辐射能传递机理二
太阳作为我们这个星系的中心，每时每刻都在热核聚变的强烈冲击下，翻滚着滔天的溶浆巨浪，同时发射着和吸收着太阳内部在热核状态下所产生的不同波长的可见光或电磁'流辐射。在对太阳辐射能的开发研究与实际利用中，为了排除那些我们暂时还不掌握的，随机变化无常的非线性影响因素，也为了抓住主要矛盾，科学设定我们开发研究太阳辐射能的初始基准条件，科学家们约定，将太阳简化为一个表面平均温度为6 000K,不断以0.3-3p-m的强烈电磁波，向宇宙空间源源不断辐射府可见光或电磁流辐射能量的黑体。尽管太阳的平均密度仅为地球密度的l/4但由于其体积极其庞大，为地球体积的l.3 ×10。倍总质量为地球质力t的3.32 ×105倍地球作为太阳系仅次于水星、金星之后，第·个最靠近太阳的行星，在一条长半径为l.52 × 108km，短半径为1.47 × 10 8 km偏心率约为3%的一条椭圆形轨道上，以每年365.24219天(即365天5小时48分46秒)的恒定周期统太阳公转。科学家们将地球绕太阳公转椭圆形轨道的日地平均距离l.495 x lo'km定义为一个天文单位。地球在这个以一个天文单位为半径的球面上，以自身的圆截面投影面积，截获到太阳帽射到整个宇宙空间中总能址22亿分之一的太阳辐射能。如果我们以太阳表面平均温度6 000K I卜算，地球圆截而投影范围内可能获得的太阳辐射能，每年高达1.73 × 10"kwh。经科学观测，这些辐照能总量的34%被地球大气云层反射到宇宙空间中去了19%被地球大气层所吸收，并形成了所谓的。气象能。；由于地球表面的?i%被大洋所覆盖，所以真正能到达地球表面的太阳辐射能的功率仅约为8.5 × 10"kw实际到达地面，并被收集到的太阳辐射能量密度其实还更低。尽管如此，一年之内到达地面上的太阳辐射能总能量，仍然高达10"kwh，相当于地球上全部矿物燃料资源所释放能量的十余倍。事实上，地球上的风能(空气动能)、水能、海洋的波浪能和温差能，部分潮汐能以及地球上的生物质能，都直接或1司接地来自太阳及其辐射能。有人计算过如果将五平方公里地面上，一天之内的太阳辐射能全部收集起来，其可获得的能量，就相当于颗两万吨级TNT的原子弹爆炸所释放出来的能量。我国全国太阳能的理论资源总量约为1. 47 × 10 8 亿 kwh/a.地球在自己轨道上，在围绕自己恒定的自转轴由西向东自转的同时，也在围绕太阳的椭圆轨道上进行绕日公转。地球自转一周为一昼夜(24h)从几何关系角度来说，地球相对太阳每小时自转动的角度，即。太阳时角。(aJ)每小时由东向西自转15°，由于地球的自转轴与绕日公转的椭圆轨道面又称。黄道平面。存在着一个66°33'的夹角，而且地球自转轴在宇宙空间中所指向的方位(即北斗星方向)始终不变，因此造成地球的赤道平面与黄道平面之间，存在一个恒定为23 027·的夹角。也就是说，我们虚拟的地心与太阳中心的连线，即相当于当地正午时分，太阳直射到地球上的光线，一年之中会在地球南、北回归线(即纬度土23.5o)之间，进行周期性的来回扫动该角即称为。太阳赤纬角。(占)。在地球表面上，平均每个月太阳赤纬角(6)的直射点，在地球南、北方向的回归带纬度线上(来回)移动8。而在东、西方向的经度线上每天移动360。。地球在每年公历的1月1日，处于绕日公转椭圆轨道的。近地点。(1.471 ×10 8 km)上7月1日到达。远地点。(l.52×108km)6月21日太阳光正晒北半球北回归线(夏至日)12月22日太阳光正晒南半球南回归线(冬至日)。而在每年的3月21日和9月23日太阳光正晒赤道(即春分和秋分时节)，此时的太阳赤纬角(6)为零，由于太阳公转的椭圆轨道存在3%的偏差，因此需要通过平年和闰年来对日历进行必要的。微调。在太阳能利用中，我们需要对日地相互之间，就有关太阳光辐射的几何角度、相对空1司位置及对太阳辐射强度的影响因素等一系列数学物理特性，有一个清晰的空间概念和彼此之加」相II关系的初步认识，1偷山【我1r圧经初步认以了地球。办道平珀1。口。黄道平面。的关系及南、北回归线的割分；观了l(我们还衞要参只引边的(l譬ll,I)和(图l.2)，进一步认识下列各角度之同的儿何关系地川!纬度角hp)了li太旧1能利川中，系指太阳能应川装置所处的地理纬度(角)太阳赤亡1唷1(子)1lif山I已定义过，系指太阳光与地球赤道平面之间的夹角(子)一年之中每天的。太1中1赤士1清1。(吕)，我们lrf山下式求得6 23, 45=in136o ° x (284 + n365] ; ( 1. 1, 1 )式中n为测算日期，在一年之中所处的日历天数太阳时角(tu)以当地正午12时太阳光正晒为0度太阳时角上午时角为正数，下午时角为负数每小时国一15o m一15 ×(12-1)其中T,=真太阳时(即24小时的时钟值)太阳入射角(o)即太阳入射光线与太阳能集收装置表面的法线之间的夹角(e)，也称为太阳光的直射角。cose = sin6sinqcosp-sin6cosqsinpcosy, + COSicosqcospcos{O +cos6sinqsinpcos ◆ cosy, + cosBsinpsiny. sinto ( 1. 1. 2)太阳方位角(孔)太阳人射光线在水平面上的投影线与地面正南方向(即子午线)之间的夹角(了。)太阳方位角以正南向为0。起止点，其向西为正，向东为负，范围土180°cosy,-(sinasinq-sin6ycosacosp ( 1. 1. 3)太阳高度角(a)太阳入射光线与地面水平线之间的夹角(a)称为太阳高度角地球上任意一点在某一时刻的太阳高度角(a)，可通过下式求得sina-sinqsin6 + cosqcoslicosa) (0° a < 90°) ( 1. 1. 4)式中a为太阳高度角沪为当地地理纬度角门匕半球取正值，南半球取负值)子为太阳赤纬角够为太阳时角(当地正午12时矽一0。上午为负，下午为正每小时时角为15。例如上午9时m一-45°下午2时矽一+30。如此类推)。太阳天顶角(o。)太阳人射光线与地面垂直线(z轴)之间的夹角(e。)，即称为太阳天顶角。【具体内容如图：】
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