太阳辐射强度模型的建立及验证

太阳辐射强度模型的建立及验证

　第15卷第5期　2007年10月

安徽建筑工业学院学报(自然科学版)

JournalofAnhuiInstituteofArchitecture&Industry

Vol.15No.5　

Oct.2007　

太阳辐射强度模型的建立及验证

林　媛

(安徽建筑工业学院环境工程系,合肥　230601)

摘　要:通过建立太阳辐射的数学模型,推导出了任意角度采光面的太阳直射辐射和散射辐射计算公式。此外还讨论了云层对太阳辐射强度的影响,得到云遮修正系数,使非晴天的太阳辐射强度计算成为可能。通过实验验证,所采用的太阳辐射强度计算模型是较为准确的。关键词:直射辐射;散射辐射;云遮修正系数

中图分类号:TU111.3　　　文献标识码:A　　　文章编号:100624540(2007)052044203

TheModeloftheSolarRadiationEnergy’sEstablishmentandVerification

LINYuan

(Dept.ofEnvironmentalEngineering,AnhuiInstituteofArchitecture&Industry,,China)

Abstract:Afterestablishingsolarradiationmat,utingformulaofsolardirectradiationandscatteredradiationofenergyabsorberplanewasobtained.Inaddition,theimpactofintensitywasdiscussed,andover2castcompensationfactorSotradiationintensitycalculationofthedaysofnosunshineprovedtheavailabilityofthemodel.

Keywords:theradiation;thesolarofscatteredradiation;overcastcompensationfactor

　　单位面积在单位时间内接受的太阳辐射能称

为太阳辐射强度,通常以I表示,其单位为W/m2,这个数值决定着利用太阳能的可能性。由于大气层对太阳辐射的衰减作用,到达地面上的太阳辐射能有两种:一种是太阳直接辐射;另一种是由大气、灰尘、水滴等散射而来的,称为散射辐射。在天气晴朗时,到达地面的太阳能主要是直接辐射;在阴天时主要是散射辐射。此外,在海拔高度不同的地区,太阳辐射强度也不相同。海拔高的地区高于海拔低的地区。至于确定辐射量大小的方法,可以利用数学公式进行计算或者用观测法测量辐射量。

空调负荷计算中采用的太阳辐射强度可以根据气象台实测数据,用统计的方法给出具体数值。我国的有关规范多半是用这一方法得出的,其特点是按城市给出各朝向在各时刻的太阳辐射法向强度。它也叫观测法,即用观测仪器直接测出到达地面的辐射强度。本文所讨论的是用计算来确定太阳辐射强度[1～4],为了考虑同样条件下不同地方的大气条件的差异,在计算过程中引入一随地区而异的系数-大气透过率或大气透明度,它们是通过对实测数据的分析、统计后确定的[4]。

1　太阳辐射直射强度计算方法

以l表示大气层厚度,建立如图1所示的坐标系。I0表示大气层外表面接受到的太阳辐射强度,IDN表示太阳辐射到达地表平面时的强度。太阳辐射经过大气层,其强度有所衰减。根据研究,这一减弱量与通过大气层的路线长度成比例,并且还与辐射强度自身大小有关。从而对dx这一微元大气层,太阳辐射通过它后的减弱量为:

dI=-KI

αsins

(1)

其中,K为大气吸收太阳辐射能力的系数,称为

收稿日期:2007206207

作者简介:林　媛(1972-),女,讲师,硕士研究生,主要研究方向太阳能土壤源热泵。

太阳辐射强度模型的建立及验证

　第5期　　　　　　　　　林　媛:太阳辐射强度模型的建立及验证消光系数(m-1);dx为所研究的微元大气层的厚度(m);I为进入微元大气层的太阳辐射强度(W/m2);αs为太阳高度角(rad)

。

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(8)中的B值不随地点而变化,用CN来考虑不

同地点的大气透明情况。

A和B的逐月值见文献[1],A的单位是

kW/m2,B为无量纲数。

根据IDN即可算出与水平面成任意夹角的斜

面所接受的太阳辐射直射强度IB:

(9)IB=IDNcosis

其中,is为太阳直射光线与该表面法线间的夹角。

2　太阳辐射的散射强度

图1　太阳辐射直射强度示意图[1]

(1)式可改写为下式:

I

IDN

太阳辐射到达地面以后有一部分被反射,在大多数情况下,这种反射属于漫反射,加之天空散

(2)

=-K

αsins

L

射,构成对地面物体的总散射辐射强度:

ID=Ids+Idg

(10)

　　对上式进行积分:

I

I0

=-

αsins0

dx(3)

其中,IDW/m2);Ids为天空散射强度(m2);Idg(W/m2)。

,迄今为止ASHARE推荐的如下(11)ID=CIDN

其中,C是一个随月份而异的无量纲数,其具体数值见文献[1]。

对于垂直面或倾斜面,在上式中需引入该面与天空间的角系数Fs:

Ids=CIDNFs

(12)

　　即得:

αIDN=I0exp(-KL/sins)

　　令

P=exp(-4)(P,(α),s=90℃

外表面太阳辐射强度之比,即:

P=

I0

αs=90°

(6)

　　将式(5)代入式(6)得到:

IDN=I0P

(1/sinα)

s

(7)

　　用Fg表示该面与地面间的角系数,则有:

(13)Fs=1-Fg　　而Fg可用下式计算:

(14)Fg=0.5(1-cosS)

　　地面反射辐射强度Idg可用下式计算:

αIdg=ρgFg(CIDN+IDNsins)α(15)=ρgFgIDN(C+sins)

其中ρ,g为地面反射率,随地面情况和入射角(指太阳光线和地面法线间的夹角)而异。

　　到达地球大气层外表面的平均太阳辐射强度为1353(W/m2),通常称之为太阳常数。由于地球绕太阳旋转的轨道是椭圆的,各月大气层外表面接受到的太阳辐射强度I0是不同的,具体数值见文献[1]。太阳高度角αs可由公式计算得到。于是只要知道P值,就可以计算任意时期任意时刻的太阳辐射强度。P值随地点而异,即使在同一地点,P值还随时间而异。P的具体数值应通过对实测值的统计和分析来确定。

下式是引用了美国ASHARE提出的太阳辐射直射强度计算公式:

αIDN=A(CN)exp(-B/sins)

(8)

3　太阳辐射总辐射强度

由上述的计算结果即可得到任意平面接受的太阳总辐射强度It:

It=IB+ID=IB+Ids+Idg

(16)

其中,CN为大气透明系数,随地区而异。

比较式(7)和式(8),二者的形式基本是一致的。但式(7)中的exp(-KL)随地点而异,而式

4　云遮影响的确定

前面所述的太阳辐射强度计算是针对晴天进

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安徽建筑工业学院学报(自然科学版)　　　　　　　　　　第15卷

辐射强度是最基本的输入量,如何得到太阳辐射

强度数据是本文所要解决的主要问题。通过建立太阳直射辐射强度及散射辐射强度数学模型,采用ASHRAE提出的计算公式,便可得到任何时间任何地域内的太阳辐射能。另外本文还讨论了云层对太阳辐射强度的影响,得到云遮修正系数,使非晴天的太阳辐射强度计算成为可能。通过实验验证,本文采用的太阳辐射强度计算模型是较为准确的。

表1　太阳辐射计算结果及总辐射强度测量值

时间

8:309:009:3010:0010:3011:0011:30:00121314:3015:0015:3016:00It测量值

行的,然而,天气状况变化无常,天空中云层对太阳辐射的影响之大是显而易见的,这就需要对基于晴天计算的太阳辐射强度做出云遮修正。云遮修正办法很多,木村建一和D.G.Stephenson曾对此作过研究,以下介绍NBSLD程序中的实际处理办法[5]。

云遮修正系数Cc与太阳高度角α云量Cqs、和云类CT有关。云量分1～10十种情况,表明天空被覆 …… 此处隐藏：3385字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……