南京地区的太阳能辐射特性

黄 静，陈志鹏，李存霖，娄清辉，唐菲菲，王培红

（东南大学能源与环境学院，南京 210096）

0 引言

太阳能的瞬时辐射强度及其年分布是太阳能槽式直接蒸汽发电系统设计及运行的重要基础，与当地的地理位置、大气气候条件等多种因素有关。我国太阳能辐射资源的详细资料很少，并且文献给出的大部分为全年总辐射量或月总辐射量，不能满足太阳能槽式直接蒸汽发电系统设计及运行的需要。

本文将根据南京地区太阳能全年辐射强度的统计数据，建立逐时太阳能强度的计算模型，利用模型按小时计算的南京太阳能辐射强度全年分布，并根据计算结果分析太阳能辐射强度规律，供太阳能热利用系统设计、性能分析以及系统方案论证的参考。

1 太阳能辐射强度计算模型

太阳辐射强度与大气气候条件紧密相联，而气候条件则由时间、空间、地理位置等因素决定。太阳的总辐射可分为直射辐射、散射辐射；太阳能集热器所获得的是直射能量，取决于太阳入射角θ，与太阳赤纬角δ、地理纬度φ、集热器倾斜角β、方位角γ以及太阳时角ω。

根据文献［1］的统计，南京地区1996—1999年各月的太阳能辐射量如表1所示。

表1 南京地区1996—1999年各月太阳能辐射量MJ／m2

一年中某月的典型日辐射量，是指该月辐射总量与有日照天数的商。

一天中的辐射强度分布的计算，可以采用经验公式：

式中：rt为一天中各小时太阳能辐射量与全天辐射量之比；I为每小时的辐射量，J／h；H为典型日辐射量，J；ω为太阳时角（上午取负、正午取0、下午取正，太阳时角每小时移动15°），（°）；ωs为日落时角，（°）；n为所计算典型日在全年中的日数，各月典型日有固定的计算日期；φ为地理纬度，南京为32.04°。

利用式（1）计算晴天太阳能辐射具有很好的精度，对于主要接收集热器来说，计算的结果基本上反映了晴天抛物面槽式太阳能投射到集热器上太阳直射辐射能的辐射状况。

文献［2］推荐的每月典型日及其对应的赤纬角如表2所示。

表2 各月典型日及对应赤纬角

由辐射强度经验公式可以得到一天中各小时太阳能辐射量与全天辐射量之比rt，因此各小时辐射量可表示为：

认为同一个小时内的各个瞬时辐射强度近似相等，那么瞬时辐射强度可以表示为：

式中：Ib为瞬时太阳辐射强度，W／m2。

2 南京太阳能辐射强度分布

南京地处长江中下游地区，雨量充沛，阴雨天气较多，根据上述模型计算南京当地太阳能辐射强度，并进一步统计不同辐射强度的时长分布情况。文献［3］提供了每月平均降雨天数，见表3。根据表1和表3，可以得到南京当地平均日辐射量见表4。

表3 南京的全年各月降雨和日照天数天

表4 南京平均日辐射量MJ／m2

表5 南京日落时间

根据每月太阳赤纬角和南京地理纬度，计算所得南京每月日落时间如表5所示。

从表5可以看出，南京当地日落时间从1月到6月逐渐延后，经过6月份夏至节气后，日落时间逐渐提前。

从表5还可以看出，南京夏季每天的日照时间约为14h，冬季每天的日照时间约为1个h，而春秋季每天的日照时间约为13h。

依照上述模型，分别计算各小时辐射量与全天辐射量之比，得到每月日照天数内各小时辐射量及瞬时辐射强度，如表6所示。

表6 南京各时间段太阳辐射强度W／m2

3 南京地区太阳能辐射强度分布规律

南京地区整体太阳能辐射强度呈现不同季节相差较大的趋势。夏季7月和8月份正午时分的最高辐射强度均高于900W／m2，而冬季12月和1月份正午的最高辐射强度只略高于400W／m2；南京地区太阳能辐射强度分布规律如图1和图2所示。

图1 南京每月各时间段内太阳辐射强度

图2 南京全年太阳辐射强度分布情况

可以看出，从1月到12月份，正午时刻的太阳辐射强度大体上是先逐渐增加后逐渐降低，但5月和6月因为梅雨天气等阴雨天较多，因此从总量上计算的太阳辐射强度分布峰值较低，反映出了天气变化的影响。此外，从南京全年太阳辐射强度分布图上也可以看出，中、低辐射区间内时长较长，南京全年太阳辐射强度主要分布在中、低辐射强度区间内，高辐射强度的时长较短，太阳能资源不是十分理想。

［1］太阳能辐射日照表［EB／OL］.http：／／wenku.baidu.com／view／4f9b680103d8ce2f00662310.html.

［2］张鹤飞.太阳能热利用原理与计算机模拟［M］.西安：西北工业大学出版社，2007.

［3］中国主要城市气候资料［EB／OL］.http：／／wenku.baidu.com／view／f1387af4f61fb7360a4c6505.html？from＝rec＆pos＝0＆weight＝33＆lastweight＝14＆count＝5.