南京地區的太陽能輻射特性

黃 靜，陳志鵬，李存霖，婁清輝，唐菲菲，王培紅

（東南大學能源與環境學院，南京 210096）

0 引言

太陽能的瞬時輻射強度及其年分布是太陽能槽式直接蒸汽發電系統設計及運行的重要基礎，與當地的地理位置、大氣氣候條件等多種因素有關。我國太陽能輻射資源的詳細資料很少，并且文獻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電系統設計及運行的需要。

本文將根據南京地區太陽能全年輻射強度的統計數據，建立逐時太陽能強度的計算模型，利用模型按小時計算的南京太陽能輻射強度全年分布，并根據計算結果分析太陽能輻射強度規律，供太陽能熱利用系統設計、性能分析以及系統方案論證的參考。

1 太陽能輻射強度計算模型

太陽輻射強度與大氣氣候條件緊密相聯，而氣候條件則由時間、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以及太陽時角ω。

根據文獻［1］的統計，南京地區1996—1999年各月的太陽能輻射量如表1所示。

表1 南京地區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的商。

一天中的輻射強度分布的計算，可以采用經驗公式：

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

利用式（1）計算晴天太陽能輻射具有很好的精度，對于主要接收集熱器來說，計算的結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［2］推薦的每月典型日及其對應的赤緯角如表2所示。

表2 各月典型日及對應赤緯角

由輻射強度經驗公式可以得到一天中各小時太陽能輻射量與全天輻射量之比rt，因此各小時輻射量可表示為：

認為同一個小時內的各個瞬時輻射強度近似相等，那么瞬時輻射強度可以表示為：

式中：Ib為瞬時太陽輻射強度，W／m2。

2 南京太陽能輻射強度分布

南京地處長江中下游地區，雨量充沛，陰雨天氣較多，根據上述模型計算南京當地太陽能輻射強度，并進一步統計不同輻射強度的時長分布情況。文獻［3］提供了每月平均降雨天數，見表3。根據表1和表3，可以得到南京當地平均日輻射量見表4。

表3 南京的全年各月降雨和日照天數天

表4 南京平均日輻射量MJ／m2

表5 南京日落時間

根據每月太陽赤緯角和南京地理緯度，計算所得南京每月日落時間如表5所示。

從表5可以看出，南京當地日落時間從1月到6月逐漸延后，經過6月份夏至節氣后，日落時間逐漸提前。

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

依照上述模型，分別計算各小時輻射量與全天輻射量之比，得到每月日照天數內各小時輻射量及瞬時輻射強度，如表6所示。

表6 南京各時間段太陽輻射強度W／m2

3 南京地區太陽能輻射強度分布規律

南京地區整體太陽能輻射強度呈現不同季節相差較大的趨勢。夏季7月和8月份正午時分的最高輻射強度均高于900W／m2，而冬季12月和1月份正午的最高輻射強度只略高于400W／m2；南京地區太陽能輻射強度分布規律如圖1和圖2所示。

圖1 南京每月各時間段內太陽輻射強度

圖2 南京全年太陽輻射強度分布情況

可以看出，從1月到12月份，正午時刻的太陽輻射強度大體上是先逐漸增加后逐漸降低，但5月和6月因為梅雨天氣等陰雨天較多，因此從總量上計算的太陽輻射強度分布峰值較低，反映出了天氣變化的影響。此外，從南京全年太陽輻射強度分布圖上也可以看出，中、低輻射區間內時長較長，南京全年太陽輻射強度主要分布在中、低輻射強度區間內，高輻射強度的時長較短，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算機模擬［M］.西安：西北工業大學出版社，2007.

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