2.1 太阳能的来源与太阳常数
2.1.1 太阳能的来源
太阳是太阳系的核心恒星，也是离地球最近的一个恒星。它的直径大约为139万公里，是地球直径的109倍，它的体积是地球的130万倍，而它的质量为地球的33万倍。太阳是一个主要由氢和氦组成的炽热的气态球，其中氢约占78%，氦约占20%。太阳内部不断进行着热核反应，因而释放出巨大的能量。太阳内部的中心区域温度达几千万摄氏度，压力为3000亿个大气压（1atm=101325Pa），表面平均温度约6000K。太阳内部的热核反应，最主要的是氢核聚合成氦核的反应，每克氢变为氦时，质量损失0.0072g。太阳每秒钟将6亿多吨氢变为氦，损失质量427万吨，这些质量转化为能量发射出来，总功率相当于3.9×1020MW。尽管太阳的发射功率如此巨大，但是，太阳的质量毕竟太大了，照这样消耗下去，仍然能够维持几十亿年。
太阳内部热核反应产生的巨大能量以电磁波的形式向外传递，但由于日-地距离极远，太阳与地球之间的平均距离约为1.5亿公里，地球大气上界只能接收到其中的二十亿分之一。而这是地球上人类所用各种能源功率总和的5万～6万倍。由于穿越大气层时的衰减，最后约有8.5×1013kW的能量到达地球表面，这个数量相当于全世界发电量的数十万倍。
2.1.2 地面所截获的太阳辐射能
地球上某处采光面上所截获的太阳辐射能量的大小主要取决于以下几点。
（1）太阳对地球上某处、某时刻的相对位置 由于地球绕着自己的地轴不断地自西向东自转，因而使得地球表面上向阳的半球是白天，背阳的半球是黑夜，产生了昼夜交替的现象（图2-1）。因地球是一个球体，太阳虽然在同一时间照亮了半个地球，却只直射了地球表面上的一个点。如轨道面和赤道面的交角为零，那么太阳将永远直射在赤道上，虽有公转但不能有季节的变化（只有昼夜的区别）。由于轨道面与赤道面成23°27'交角（图2-2），故太阳直射点在地球表面上的位置在北纬23°27'和南纬23°27'之间来回移动，而产生四季交替的现象。例如春、夏、秋、冬各季中几个特征日期时——春分、夏至、秋分、冬至、地球与太阳相对位置的变化。春分和秋分日，太阳直射赤道，赤道地区的中午太阳刚好在头顶上，赤道地区，出现相对比较热的天气，这一天除两极外，地球上所有各地正好昼夜各12小时；夏至日，阳光垂直照射在北纬23°27'地面上，在南极圈中，整天不见太阳。在北极圈内则整天太阳不落。在北半球出现相对比较热的天气。而在南半球出现相对比较冷的天气；夏至这一瞬间以后，直射太阳光线又开始南移；冬至日，阳光垂直照射在南纬23°27'的地面上，北极圈内，整天不见阳光，南极圈内，则整天太阳不落。冬至这一瞬间以后，太阳直射光线又开始北移。地球上特别是中纬度各地，这种明显的季节变化即春、夏、秋、冬。冬季昼短夜长，夏季昼长夜短，春秋两季昼夜相仿的原因是两个旋转和一个倾斜，即地球的自转和地轴与轨道面以成66°33'倾斜方向不变的交角进行的公转。同时，由于地球绕太阳逆时针旋转时，其运行轨道接近椭圆形，太阳所居位置有所偏心，因此太阳与地球之间的距离也逐日在变化。
图2-1 地球绕日运行示意图
图2-2 地轴与轨道平面相对位置图
（2）太阳能接收表面的方位和倾角 太阳光线和地平线的夹角即入射角，常用θ来表示。入射角大，太阳高度高，辐照度也大；反之，入射角小，太阳高度低，辐照度也小。太阳高度在一天中是不断变化的。早晨日出时最低，为0°；以后逐渐增加，到正午时最高，入射角最大为90°；下午，又逐渐减小，到日落时，入射角又降低到0°。地球上某处采光面上，太阳入射角在一年中也是不断化的。这是由于地球不仅在自转，而且又在围绕着太阳公转的缘故。上半年，太阳从低纬度到高纬度逐日升高，直到夏至日正午，达到最高点90°。从此以后，则逐日降低，直到冬至日，降低到最低点。
（3）太阳辐射进入大气层的衰减情况 太阳能辐射线进入大气层的衰减情况取决于太阳能射线的入射角大小、太阳辐射能穿过大气路程的长短、大气透明度及地理纬度等。对于某一地平面来说，当太阳高度低时，光线穿过大气的路程较长，所以能量被衰减得就较多。通常把太阳处于天顶即垂直照射地面时，光线所穿过的大气的路程，称为1个大气质量。太阳在其他位置时，大气质量都大于1。例如在早晨8～9点钟时，有2～3个大气质量。大气质量越多，说明太阳光线经过大气路程就越长，受到衰减就越多，到达地面的能量也就越少。大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数，它与天空中云量的多少以及大气中所含灰尘等杂质的多少关系也很大。在晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射能就多些；在天空中云雾很多或风沙灰尘很多时，大气透明度很低，到达地面的太阳辐射能就较少。太阳辐射能量是由低纬度向高纬度逐渐减弱的，假定高纬度地区和低纬度地区的大气透明度是相同的，取春分中午时刻，此时太阳垂直照射到地球赤道上，而处于同一经度上的其他地区，则随纬度的上升阳光所需经过的大气层的路程越长，地面所获得的太阳能辐射能量越少。例如地处高纬度的圣彼得堡（北纬60°），每年在1cm2的面积上，只能获得335kJ的热量；而在我国首都北京，由于地处中纬度（北纬39°57'），则可得到586kJ的热量，在低纬度的撒哈拉地区，则可得到高达921kJ的热量。
此外，日照时间、日地距离、海拔高度、地形、地势等，对太阳辐照度也有影响。例如地球在近日点要比远日点的平均气温高4℃。又如在同一纬度上，盆地要比平川气温高，阳坡要比阴坡热。
总之，影响地面太阳辐照度的因素很多，但是某一具体地区的太阳辐照度的大小，则是由上述这些因素的综合所决定的。例如：当我国是冬季时，地球虽是近日点，可是我国位于北半球，此时，阳光垂直照射在南半球上，阳光和北半球地平面的夹角较小，阳光在一天中照射在北半球上的时间也较短，所以，太阳总辐射量较少，气温也较低；夏季情况则相反。
2.1.3 太阳常数
虽然太阳与地球之间的距离不是一个常数，地球大气层上界的太阳辐射强度随日-地距离的变化而变，然而日-地间距在一年中的变化值与日地平均距离相比很小，以致地球大气层外的太阳辐射强度几乎不变。因此人们用“太阳常数”来描述大气层上界的太阳辐射强度。
太阳常数是指在日地平均距离处（这个平均距离大约为1亿5千万公里），地球大气层外，垂直于太阳光线的平面上，单位面积、单位时间内所接收到的太阳辐射能。20世纪60年代根据美国航空和航天局与美国材料及试验学会测定，太阳常数为1353W/m2。20世纪70年代末，通过大量实测结果，发现太阳常数有所变化。1981年10月，世界气象组织仪器和观测方法委员会在墨西哥召开的第八届会议上，建议确定太阳常数为（1367±7）W/m2。对于太阳能利用技术的研究和开发来说，完全可以把它当作一个常数来处理，可以取太阳常数为1367W/m2。
2.1.4 太阳光谱
太阳表面的温度既然高达6000K，因而太阳物质不可能是固体或液体，而是高温气体，它发射出连续光谱。所谓连续光谱，就是说它发射的光是由连续变化的不同波长的光混合而成。只要用三棱镜，就能把这种光束分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫连续排列的各色光，也就是按波长分解成连续排列的各色光。由此可见，太阳的白光是由许多不同的单色光组合起来的。上面谈到的由各种颜色排列起来的光，都是人的眼睛可以看得见的，所以叫做可见光谱，它的波长范围是从0.38～0.78μm。在可见光中，波长较长的部分相当于红光，波长较短的部分相当于紫光，中间各色光排列的次序，如前面列举的那样。其实，可见光只占太阳光谱中一个极窄的波段。波长比红光更长的光叫做红外线，波长比紫光更短的光叫做紫外线。整个太阳光谱波长范围是非常宽广的，从零点几纳米到几十米。
虽然太阳光谱的波长范围很宽，但是辐射能的大小按波长的分配却是不均匀的。其中辐射能量最大的区域在可见光部分，是在波长0.46μm附近。辐射能从最大值处向长波方向减弱较慢，向短波方向减弱较快。实际上，从0.2～2.6μm这一波段的能量，几乎代表了太阳辐射的全部能量，这一部分光谱分布如图2-3的曲线所示。太阳光的辐射波长在0.2～3μm，属于短波辐射，它能穿过玻璃、塑料薄膜等透明材料。
图2-3 地球大气层外的太阳光谱