黃 靜，陳志鵬，李存霖，婁清輝，唐菲菲，王培紅

（東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096）

0 引言

太陽能的瞬時(shí)輻射強(qiáng)度及其年分布是太陽能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，與當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?、大氣氣候條件等多種因素有關(guān)。我國(guó)太陽能輻射資源的詳細(xì)資料很少，并且文獻(xiàn)給出的大部分為全年總輻射量或月總輻射量，不能滿足太陽能槽式直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行的需要。

本文將根據(jù)南京地區(qū)太陽能全年輻射強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，建立逐時(shí)太陽能強(qiáng)度的計(jì)算模型，利用模型按小時(shí)計(jì)算的南京太陽能輻射強(qiáng)度全年分布，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析太陽能輻射強(qiáng)度規(guī)律，供太陽能熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)、性能分析以及系統(tǒng)方案論證的參考。

1 太陽能輻射強(qiáng)度計(jì)算模型

太陽輻射強(qiáng)度與大氣氣候條件緊密相聯(lián)，而氣候條件則由時(shí)間、空間、地理位置等因素決定。太陽的總輻射可分為直射輻射、散射輻射；太陽能集熱器所獲得的是直射能量，取決于太陽入射角θ，與太陽赤緯角δ、地理緯度φ、集熱器傾斜角β、方位角γ以及太陽時(shí)角ω。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］的統(tǒng)計(jì)，南京地區(qū)1996—1999年各月的太陽能輻射量如表1所示。

表1 南京地區(qū)1996—1999年各月太陽能輻射量MJ／m2

一年中某月的典型日輻射量，是指該月輻射總量與有日照天數(shù)的商。

一天中的輻射強(qiáng)度分布的計(jì)算，可以采用經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：rt為一天中各小時(shí)太陽能輻射量與全天輻射量之比；I為每小時(shí)的輻射量，J／h；H為典型日輻射量，J；ω為太陽時(shí)角（上午取負(fù)、正午取0、下午取正，太陽時(shí)角每小時(shí)移動(dòng)15°），（°）；ωs為日落時(shí)角，（°）；n為所計(jì)算典型日在全年中的日數(shù)，各月典型日有固定的計(jì)算日期；φ為地理緯度，南京為32.04°。

利用式（1）計(jì)算晴天太陽能輻射具有很好的精度，對(duì)于主要接收集熱器來說，計(jì)算的結(jié)果基本上反映了晴天拋物面槽式太陽能投射到集熱器上太陽直射輻射能的輻射狀況。

文獻(xiàn)［2］推薦的每月典型日及其對(duì)應(yīng)的赤緯角如表2所示。

表2 各月典型日及對(duì)應(yīng)赤緯角

由輻射強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式可以得到一天中各小時(shí)太陽能輻射量與全天輻射量之比rt，因此各小時(shí)輻射量可表示為：

認(rèn)為同一個(gè)小時(shí)內(nèi)的各個(gè)瞬時(shí)輻射強(qiáng)度近似相等，那么瞬時(shí)輻射強(qiáng)度可以表示為：

式中：Ib為瞬時(shí)太陽輻射強(qiáng)度，W／m2。

2 南京太陽能輻射強(qiáng)度分布

南京地處長(zhǎng)江中下游地區(qū)，雨量充沛，陰雨天氣較多，根據(jù)上述模型計(jì)算南京當(dāng)?shù)靥柲茌椛鋸?qiáng)度，并進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)不同輻射強(qiáng)度的時(shí)長(zhǎng)分布情況。文獻(xiàn)［3］提供了每月平均降雨天數(shù)，見表3。根據(jù)表1和表3，可以得到南京當(dāng)?shù)仄骄蛰椛淞恳姳?。

表3 南京的全年各月降雨和日照天數(shù)天

表4 南京平均日輻射量MJ／m2

表5 南京日落時(shí)間

根據(jù)每月太陽赤緯角和南京地理緯度，計(jì)算所得南京每月日落時(shí)間如表5所示。

從表5可以看出，南京當(dāng)?shù)厝章鋾r(shí)間從1月到6月逐漸延后，經(jīng)過6月份夏至節(jié)氣后，日落時(shí)間逐漸提前。

從表5還可以看出，南京夏季每天的日照時(shí)間約為14h，冬季每天的日照時(shí)間約為1個(gè)h，而春秋季每天的日照時(shí)間約為13h。

依照上述模型，分別計(jì)算各小時(shí)輻射量與全天輻射量之比，得到每月日照天數(shù)內(nèi)各小時(shí)輻射量及瞬時(shí)輻射強(qiáng)度，如表6所示。

表6 南京各時(shí)間段太陽輻射強(qiáng)度W／m2

3 南京地區(qū)太陽能輻射強(qiáng)度分布規(guī)律

南京地區(qū)整體太陽能輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)不同季節(jié)相差較大的趨勢(shì)。夏季7月和8月份正午時(shí)分的最高輻射強(qiáng)度均高于900W／m2，而冬季12月和1月份正午的最高輻射強(qiáng)度只略高于400W／m2；南京地區(qū)太陽能輻射強(qiáng)度分布規(guī)律如圖1和圖2所示。

圖1 南京每月各時(shí)間段內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度

圖2 南京全年太陽輻射強(qiáng)度分布情況

可以看出，從1月到12月份，正午時(shí)刻的太陽輻射強(qiáng)度大體上是先逐漸增加后逐漸降低，但5月和6月因?yàn)槊酚晏鞖獾汝幱晏燧^多，因此從總量上計(jì)算的太陽輻射強(qiáng)度分布峰值較低，反映出了天氣變化的影響。此外，從南京全年太陽輻射強(qiáng)度分布圖上也可以看出，中、低輻射區(qū)間內(nèi)時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，南京全年太陽輻射強(qiáng)度主要分布在中、低輻射強(qiáng)度區(qū)間內(nèi)，高輻射強(qiáng)度的時(shí)長(zhǎng)較短，太陽能資源不是十分理想。

［1］太陽能輻射日照表［EB／OL］.http：／／wenku.baidu.com／view／4f9b680103d8ce2f00662310.html.

［2］張鶴飛.太陽能熱利用原理與計(jì)算機(jī)模擬［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

［3］中國(guó)主要城市氣候資料［EB／OL］.http：／／wenku.baidu.com／view／f1387af4f61fb7360a4c6505.html？from＝rec＆pos＝0＆weight＝33＆lastweight＝14＆count＝5.