白昼长度和高度角：地球倾斜与太阳轨道

您曾经学过，地球围绕太阳旋转，每365天完成一圈。如图2-8所示，地球轨道是椭圆，所以到太阳的距离是变化的。冬天时，地球到太阳最近而夏天时距离最远。显然，并非是到太阳的距离决定着我们的季节以及到达地球的阳光的多少，而是地球的倾斜。

图2-8 任何一个学校的学生都知道，这是地球围绕太阳的轨道。其轨道不是圆的，而是椭圆的。请注意，地球的轴线是倾斜的，夏天的时候距离太阳最远。由于北半球的角度朝向太阳，所以我们的夏天是炎热的。

如图2-9所示，地球的轴线倾斜23.5°。地球围绕太阳旋转的一年中，始终保持这个角度。仔细观察图2-8，可以看到角度是保持固定的——几乎就像是地球被拴在一根线上，而线的那头拴在外太空的一个固定点上。由于地球的倾斜是恒定的，冬天时北半球就向远离太阳的方向倾斜。于是，太阳射线进入和穿过地球大气层时的角度非常小。阳光以小角度穿进来，就要经过更多的大气层，因此被尘埃和水蒸气吸收或散射，如图2-3所示。这反过来就降低了辐射照度，也减少了太阳能阵列的发电量。

图2-9 地球沿着其旋转轴倾斜，一个简单的事实而对于在地球上使用太阳能却具有深远的含义，如文中所述

辐射照度降低的另一个原因是，当阳光以某个角度（如前所述）照射到地球表面时，其密度被降低了。如图2-2所示，与太阳射线垂直的表面吸收的太阳能比倾斜的表面更多（当太阳射线逐渐移动，与表面不再垂直时，表面所截取的能量就减少了）。于是，冬季的小角度阳光为每平方米表面传递的能量远远少于夏季的那几个月。

冬季太阳能的获取量也会减少，因为白天的时间较短——也就是说，冬季的几个月里白昼的小时数较少。白昼的长度取决于地球与太阳形成的角度。当北半球是冬季时，大部分的太阳射线落到南半球。

这三方面的原因共同作用，减少了PV系统冬天获得的太阳能，这也是秋季、冬季和早春时温度较低的原因，而这三个阶段会提高太阳能发电模块的效率，所以这反过来又稍微弥补了被降低的太阳能获取量。

夏季，地球的北半球向太阳倾斜，如图2-8和图2-10所示，这引起几个关键的变化。其一是太阳在空中的位置更高，于是到达北半球的阳光束穿过的大气层较少，减少了被吸收和散射的情况。这会增加太阳的辐射照度，增加PV阵列的发电量。由于一个垂直于太阳射线的平面吸收的太阳能比倾斜平面的要多，所以在夏天地球表面可以截获更多的能量。换句话说，大角度位置的太阳比冬季的时候传送的每平方米表面的能量要多得多。这些因素都会提高阵列的发电量，但是夏季炎热的天气则稍微抵消掉一些这些增量（在给定的辐射照度水平下，温度升高则阵列的发电量下降）。

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图2-10 夏至冬至。可以看出，夏至时节的北半球沐浴在阳光下，因为地球向太阳倾斜。而冬季时，北半球向远离太阳的方向倾斜。

图2-11所示给出了一年中不同时间当太阳在天空“移动”时的位置，这是地球和太阳之间关系变化的结果。这张图表明，夏季太阳在空中“开创”了一条高的路径，就像刚刚讨论过的那样。它在6月21日到达最高的弧线，这是一年中最长的白天，也叫做夏至。图2-11所示也给出了12月21日最低的弧线，这是一年中最短的一天，也就是冬至。一天中任意时刻太阳与地平线之间的夹角被称为高度角。

如图2-11所示，从夏至到冬至，高度角不断减小。冬至之后，高度角则增大，每天增加一点，直到夏至再次到来。白昼的长度随着高度角变化，从夏至到冬至的六个月缩短，接着一直增加直到夏至再次来临。

在夏至和冬至之间六个月的中点就叫做昼夜平分点。昼夜平分点的英文单词是equinox，这个词来源于拉丁语equus（相等）和nox（夜晚）。在昼夜平分点，白昼的小时数与黑夜的小时数近乎相等。春分大约在3月20日出现，秋分大约在9月22日出现，这些日期分别标志着夏天和秋天的开始。

图2-11 太阳路径。这张图显示了夏至、冬至、春分和秋分时太阳在天空中的位置，绘制了太阳能窗口——您希望始终不被遮挡的区域，能见到太阳以便发出太阳能电力。

在一天中的任意给定时刻，太阳的高度角也取决于地球绕其轴线的旋转。从图2-11中可以看出，在日出和中午之间高度角不断变大，然后到日落时又减小到零。除了太阳高度角的变化外，太阳在空中的位置相对于某个固定点（如PV阵列）来说，也在时刻发生变化。科学家们用方位角来定位太阳相对于某个固定点的空中位置。如图2-12所描绘的，正南被赋予0°的值，东为90°，西为-90°，北为180°。太阳和0°南（参考点）之间的夹角称为太阳方位角。如果太阳由南向东，方位角就落在0°～180°区间；如果太阳由南向西，方位角就落在0°～-180°之间。与高度角类似，方位角也是地球围绕自己的轴线旋转的结果。

图2-12 高度角和方位角：高度角是从地平线到太阳的角度，当地球旋转时，它时时刻刻都在变化。它每天也在发生变化。方位角是真南方与太阳之间的角度。