Chapter ２太陽和太陽能

2.1 巨大的火球2.2 無比的能量2.3 太陽能量的傳送2.4 彩色的光譜2.5 太陽輻照度及特點2.6 中國的太陽能資源

2.1 巨大的火球

太陽大氣的結構，有 3 個層次，最裡層為光球層，中間為色球層，最外面為日冕層（見圖2-1 ）。 1. 光球層2. 色球層3. 日冕層

圖 2-1 　太陽大氣結構示意圖

2.2 無比的能量 太陽的內部具有無比的能量，一刻也不停息地向外發射著巨大的光和熱。 太陽是一顆熊熊燃燒著的大火球，它的溫度極高。眾所周知，水燒到 100℃ 就會沸騰；煉鋼爐裏的溫度達到 1000℃ ，鐵塊就會化成火紅的鐵水，如果再繼續加熱到 2450℃ 以上，鐵水就會變成氣體。太陽的溫度比煉鋼爐裏的溫度高多了。太陽的表面溫度為 5770K ，或 5497℃ 。可以說，不論什麼東西在那裏都將化為氣體。太陽內部的溫度，那就更高了。天體物理學的理論計算告訴我們，太陽的中心，溫度高達 1500 萬～ 2000 萬攝氏度，壓力高達 340 多億兆帕，密度高達 160g/cm3 。這真是一個駭人聽聞的高溫、高壓、高密度的世界。

太陽核心的結構，可以分為產能核心區、輻射輸能區和對流區 3 個範圍非常廣闊的區帶，如圖 2-2 所示。太陽上不斷進行著的這種熱核反應，就像氫彈爆炸一樣，會產生巨大能量。其所產生的能量，相當於 1 秒鐘內爆炸 910 億個 100 萬噸 TNT 級

的氫彈，總輻射功率達 3.75×1026W 。

圖 2-2 太陽內部結構示意圖

2.3 太陽能量的傳送

太陽一刻也不停息地把它巨大的能量源源不斷地傳送到地球上來。它是如何傳送的呢？ 熱量的傳播有傳導、對流和輻射 3 種形式。太陽主要是以輻射的形式向廣闊無垠的宇宙傳播它的熱量和微粒的。這種傳播的過程，就稱做太陽輻射。

2.4 彩色的光譜 太陽光的本質是什麼，它有哪些特點呢？ 現代物理學認為，各種光，包括太陽光在內，都是物質的一種存在的形式。光，既具有波動性，又具有粒子性，這叫做光的波粒二象性。 人們眼睛所能看見的太陽光，叫可見光，呈白色。但是科學實踐證明，它不是單色光，而是由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫 7 種顏色的光所組成的，是一種複色光。 各種顏色的光都有相應的波長範圍。紅色光的波長為700nm ，光譜範圍為 640 ～ 750nm ；橙色光的波長為 620nm ，光譜範圍為 600 ～ 640nm ；黃色光的波長為 580nm ，光譜範圍為 550 ～ 600nm ；綠色光的波長為 510nm ，光譜範圍為 480

～ 550nm ；藍色光的波長為 470nm ，光譜範圍為 450 ～ 480nm ；紫色光的波長為 420nm ，光譜範圍為 400 ～ 450nm 。通常人們把太陽光的各色光按頻率或波長大小的次序排列成的光帶圖，叫做太陽光譜。 太陽不僅發射可見光，同時還發射許多人眼看不見的

光，整個太陽光譜包括紫外區、可見區和紅外區 3 個部分。即能量很強的骨幹部分，是由 0.3 ～ 3.0μm 的波長所組成的。其中，波長小於 0.4μm 的紫外區和波長大於0.76μm 的紅外區，則是人眼看不見的紫外線和紅外線；波長為 0.4 ～ 0.76μm 的可見區，就是我們所看到的白光。在到達地面的太陽光輻射中，紫外區的光線占的比例很小，大約為 8.03%；主要是可見區和紅外區的光線，分別占 46.43% 和45.54%。

2.5 太陽輻照度及特點

介紹幾個太陽能的常用單位如下。 輻射通量。太陽以輻射形式發射出的功率稱輻射功率，也叫做輻射通量，常用 ψ 表示，單位為 W 。 輻照度。投射到單位面積上的輻射通量叫做輻照度，常用 E 表示，單位為 W/m2 。 曝輻射量。從單位面積上接收到的輻射能稱曝輻射量，常用 H 表示，單位為 J/m2 。 什麼叫太陽常數呢？即地球在單位面積上於單位時間內能夠接收多少太陽能。在地球大氣層的上界，由於不受大氣的影響，太陽輻射能有一個比較恒定的數值，它指的

是在平均日地距離時，在地球大氣層的上界，在垂直於太陽光線的平面上，單位時間內在單位面積上所獲得的太陽總輻射能的數值。常用單位為W/m2 。

太陽輻照度，是指太陽以輻射形式發射出的功率投射到單位面積上的多少而言的。影響的主要因素。1. 太陽高度2. 大氣質量 大氣質量定義為太陽光線通過大氣路程與太陽在天頂時太陽光線通過大氣路程之比。例如該此值為 1.5 時，就稱大氣質量為 1.5 ，通常寫為 AM1.5 。在大氣層外，大氣質量為 0 ，通常寫為 AM0 。3. 大氣透明度

4.地理緯度 太陽輻射能量是由低緯度向高緯度逐漸減弱的。這是什麼原因呢？如圖 2-3 所示。取春分中午時刻，此時太陽垂直照射到地球赤道 F 點上，設同一經

度上有另外兩點 B 、 D 。 B 點緯度比 D 點緯度高，由圖中可明顯的看出陽光射到 B 點所需經過的大氣層的路程AB 比陽光射到 D 點所需要經過的大氣層的路程 CD 更長，所以 B 點的垂直輻射通量將比 D 點的小。在赤道上 F 點的垂直輻射通量最大，因為陽光在大氣層中經過的路途EF 最短。

圖 2-3 太陽輻射通量與地理緯度的關係

5. 日照時間6. 海拔高度

2.6 中國的太陽能資源

資源帶號 資源帶分類 年曝輻射量／ (MJ/m2)

Ⅰ 資源豐富帶 ≧6700

Ⅱ 資源較豐富帶 5400 ～ 6700

Ⅲ 資源一般帶 4200 ～ 5400

Ⅳ 資源缺乏帶 ＜ 4200

表 2-1 中國 4個太陽能資源帶的年曝輻射量

圖 2-4 中國太陽能資源分佈圖 (100MJ/m2)