第2章 太陽與太陽能

1、第2章 太陽與太陽能太陽概況太陽概況日地運動日地運動天球坐標(biāo)天球坐標(biāo)太陽輻射量太陽輻射量- 基本參數(shù)- 基本結(jié)構(gòu)- 大氣層外的太陽輻射- 到達(dá)地表的太陽輻射照度- 地表傾斜面上太陽輻照量計算主要主要內(nèi)容內(nèi)容太陽與地球相對運動的特點和規(guī)律- 赤道坐標(biāo)系- 地平坐標(biāo)系-太陽角、日照時間的計算第2章 太陽與太陽能掌握了解 一、太陽概況 半徑： R=6.96 105 km (地球的109倍）； 體積：1.4122107 km3(地球的130萬倍）； 質(zhì)量：約為1.991027t（地球質(zhì)量的33萬倍）； 平均密度：1.409g/cm3(比水大一些，約為地球密度的1/4)；160g/cm3(核心，比鋼的密

2、度還大近20倍)； 溫度：5700(表面)，2107 (核心)； 一、太陽概況 中心壓強(qiáng)：2000多億個大氣壓； 日地平均距離：1.5108km； 太陽光到達(dá)地球表面時間：約818； 年齡：約50億年；壽命：100億年。 一、太陽概況里三層太陽內(nèi)部核反應(yīng)區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)外三層太陽外部光球?qū)印⑸驅(qū)?、日冕層太陽大氣分層并不?yán)格，實際是連續(xù)變化的 一、太陽概況色球?qū)尤彰釋?二、日地運動國際大地測量與地球物理聯(lián)合會（1980） 赤道半徑：6378.137km； 兩極半徑：6356.752km； 平均半徑：6371.012km； 扁率：1/298.257； 赤道周長：40075.7km； 子午線周長

3、：40008.08km； 表面積：5.101108km2 ； 體積：10832108km3； 二、日地運動地球繞太陽循稱為黃道的橢圓形軌道（長軸1.52108km，短軸1.47108km，平均日地距離1.496108km）公轉(zhuǎn)。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)運行的軌道面（黃道面）的法線傾斜成23.27夾角。 南、北回歸線 二、日地運動 二、日地運動太陽的視運動（地球上人們觀察到的太陽運動軌跡）利用相關(guān)的天文學(xué)公式可以算出任意時間太陽在天空中的位置，對預(yù)測太陽能光伏電池組件附近物體的遮光效應(yīng)特別有用觀察者在南緯35時所觀察到的太陽的視運動？思考題？思考題 二、日地運動太陽的視運動（地球上人們觀察到的太陽

4、運動軌跡）看動畫演示 三、天球坐標(biāo)地理坐標(biāo)系地理坐標(biāo)是表明地球上某一位置（M點）的坐標(biāo)系。它以地球為基本圈，以地心為原心，以地球的自轉(zhuǎn)軸為中心軸，用緯度和經(jīng)度表示地球上該點的位置。在地理坐標(biāo)上，地軸與地球表面的兩個交點分別稱為南極、北極；由地心做垂直于地軸的大圓的圓周線稱為地球的赤道； 三、天球坐標(biāo)地理坐標(biāo)系緯度：由地球上任意點做平行于赤道的圓周線稱為地理坐標(biāo)的緯度線緯度；經(jīng)度：由地球上任意點過南北極，做垂直于赤道的圓周線稱為地理坐標(biāo)的經(jīng)度線（子午線）經(jīng)度L； 三、天球坐標(biāo)天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)是表明太陽所處位置（S點）的坐標(biāo)系。由于天球以地球的地心作為球心，它實質(zhì)就是套在地球外面的一個以日-地平

5、均距離為半徑的同心大球。天球坐標(biāo)系上許多物理量都和地理坐標(biāo)系上的定義相對應(yīng)，通過延長或平行放大的方式即可直接獲得。 三、天球坐標(biāo)天球坐標(biāo)系赤道天赤道；南北極南北天極；地軸天軸；緯度赤緯度；子午線天子午線天球坐標(biāo)系分赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系 三、天球坐標(biāo)赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系的關(guān)系由地球上任意觀察點到地心的鉛直線，向上延伸至天球的交點稱為天頂，它處于觀察者的頭頂上方；天球上與天頂方向相反的對稱點稱為天底，它處于觀察者的腳底下方；經(jīng)過地心O做與ZZ間連線相垂直的大圓平面稱為真地平，地平坐標(biāo)以真地平為基本圈，赤道坐標(biāo)以赤道為基本圈 兩者互差一個角度（只有在南北極點，兩者才重合）地平赤道不同地點的地平圈

6、不同，即地平坐標(biāo)隨觀測地點而異。但天赤道是唯一的 三、天球坐標(biāo)赤道坐標(biāo)系赤道坐標(biāo)系是以天赤道QQ為基本圈，以天子午圈的交點Q為原點的天球坐標(biāo)系，P、P分別為北天極和南天極。通過P和球面上的太陽（S）的半圓與天赤道的交點為B。 三、天球坐標(biāo)赤道坐標(biāo)系在赤道坐標(biāo)系中，太陽的位置S由時角h和赤緯角兩個坐標(biāo)決定。時角h ：相對于圓弧QB，從Q點（太陽的正午）算起，順時針方向為正，逆時針方向為負(fù)，即上午為負(fù)，下午為正。赤緯角：太陽中心和地心的連線與赤道平面的夾角。 三、天球坐標(biāo)時角h 、赤緯角的計算時角 h ：數(shù)值等于離正午的時間（小時）乘以15例：計算上海地區(qū)上午9點和下午4點的時角。解：以上海地區(qū)正

7、午12時的時角（ h =0）為基準(zhǔn) 上午9點時角： h =（9-12）15=-45； 下午4點時角： h =（16-12）15=+60注意：不同地區(qū)以當(dāng)?shù)卣?2點時刻為基準(zhǔn)點 三、天球坐標(biāo)時角h 、赤緯角的計算赤緯角：對于太陽來說，春分日和秋分日的=0，向北天極由0變化到夏至日的+23.45；向南天極由0變化到夏至日的-23.45。赤緯角是時間的連續(xù)函數(shù)，其變化率在春分日和秋分日最大，大約是一天變化0.5。赤緯角僅僅與一年中的哪一天有關(guān)，而與地點無關(guān)，即同一天地球上任何位置的赤緯角都是相同的。 三、天球坐標(biāo)時角h 、赤緯角的計算例：計算9月22日的赤緯角。解：9月22日，n=265，代入庫珀

8、方程得28426523.45 sin 360365 28423.45 sin 360,365nnn，元旦為 =1為一年中的日期序號庫珀(Cooper)方程 三、天球坐標(biāo)時角h 、赤緯角的計算更精確的算法：3124123423.45 sin2NNNN式中：N1=92.975為從春分日到夏至日的天數(shù)；1為從春分日開始計算的天數(shù)；N2=93.629為從夏至日到秋分日的天數(shù)；2為從夏至日開始計算的天數(shù)；N3=89.865為從秋分日到冬至日的天數(shù)；3為從秋分日開始計算的天數(shù)；N4=89.012為從冬至日到春分日的天數(shù)；4為從冬至日開始計算的天數(shù)； 三、天球坐標(biāo)地平坐標(biāo)系以真地平為水平基本圈，以天頂Z為基

9、本極，以天子午線和真地平線的交點S（南點）為原點的天球坐標(biāo)系。在地平坐標(biāo)系中太陽S的位置用太陽天頂角z （或高度角）和太陽方位角s這兩個具有相互垂直關(guān)系的角度或圓弧標(biāo)定。 三、天球坐標(biāo)地平坐標(biāo)系天頂角z ：地心與太陽中心連線與地心到天頂連線之間的夾角高度角 ：地心與太陽中心連線與其在真地平面上的投影線之間的夾角方位角s ：地心到南點的連線與上述投影線之間的夾角 三、天球坐標(biāo)太陽運行軌跡及太陽角度示意太陽運行路徑涉及太陽赤緯角、地面觀察點的緯度、太陽時角h、太陽高度角和太陽方位角s等變量，它們分別決定了計算對象所處的日期、地區(qū)、時間及太陽所在的位置。 三、天球坐標(biāo)高度角、方位角s、日照時間N 的

10、計算 高度角：太陽正午時：h=0，上式可簡化為：當(dāng)，即正午太陽在天頂以南時：當(dāng)0（夏半年）時，太陽升起和降落都在北面的象限（第一、二象限）；，則正午12時 ， ；下午2時的太陽高度角： sin=sin31.12sin(0.6)+cos31.12cos(0.6)cos30=0.7359 =47.38； 0.6 高度角、方位角s、日照時間N 的計算 三、天球坐標(biāo)909031.12( 0.6 ) 58.28+ 下午2時的太陽方位角： 由此可得s=47.6； 冬至日的太陽赤緯角=23.45，則 coshtantantan31.12tan(23.45)0.2619 因此，上海地區(qū)冬至日的日出時角hr=7

11、4.82，日落時角hs= 74.82，全天日照時間： 高度角、方位角s、日照時間N 的計算 三、天球坐標(biāo)hscos sincos( 0.6 )sin30sin0.738coscos47.38274.82arccos( tantan )29.981515T小時 補(bǔ)充內(nèi)容：光伏電池板安裝角度的設(shè)定課后作業(yè)如何計算光伏陣列附近建筑物的陰影長度？“遮光效應(yīng)”趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，袁立強(qiáng). 太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用. 北京：科學(xué)出版社，2005. P55-57 太陽組成：炙熱的氣體火球(氫：71.3%，氦：27%，其它：1.8%) ； 太陽能：核聚變反應(yīng)（氫聚變成氦）； 6.571011kg/s 氫 6

12、.531011kg/s 氦 質(zhì)量虧損m=0.41010kg/s 能量轉(zhuǎn)換E=mc2 =3.901023kW 總輻射功率：3.8651026J/s (相當(dāng)于1.321016t標(biāo)煤能量/s); 地球上界（地球大氣層上邊緣）輻射能1.771014kW(二十二億分之一 )； 最后到達(dá)地球表面輻射能：8.51013kW (大氣衰減)，相當(dāng)于全世界發(fā)電量的幾十萬倍； 四、太陽輻射量太陽輻射能概況到達(dá)地球表面的太陽輻射能大體轉(zhuǎn)化為三部分： 第一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，使地球的平均溫度大約保持在14，造成適合各種生物生存和發(fā)展的自然環(huán)境，同時使地球表面的水不斷蒸發(fā)，造成全球每年約501016km3的降水量，其中大部分

13、降水落在海洋中，少部分落在陸地上，這就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。 第二部分用來推動海水及大氣的對流運動，這便是海流能、波浪能、風(fēng)能的由來。 第三部分的太陽能被植物葉子的葉綠素所捕獲，成為光合作用的能量來源 。 四、太陽輻射量太陽輻射能的轉(zhuǎn)化 四、太陽輻射量地球上的能流圖太陽輻射太陽輻射173000 單位：單位：106 MW短波的直接反射短波的直接反射52000直接轉(zhuǎn)換為直接轉(zhuǎn)換為熱能熱能81000121000長波輻射長波輻射40000光合作用光合作用40化石燃料化石燃料風(fēng)、波浪風(fēng)、波浪370蒸發(fā)、降雨蒸發(fā)、降雨39590衰變衰變潮汐潮汐3地?zé)岬責(zé)?2 單位時間內(nèi)，太陽以輻射形式發(fā)射的

14、能量稱太陽輻射功率或輻射通量，單位是瓦特(W=J/s)； 太陽投射到單位面積上的輻射通量叫輻照度或輻射度，單位是瓦/平方米 (W/m2)； 在一段時間內(nèi)（如每小時、日、月、年等）太陽投射到單位面積上的輻射能量稱為輻照量，單位是千瓦時/(平方米日(月、年) (kWh/(m2d(m、y)； 四、太陽輻射量太陽輻射量的度量單位換算：1kWh=3.6MJ 1cal=4.1868J=1.16278mWh 1MJ/m2=23.889cal/cm2=27.8mWh/cm2 1kWh/m2=85.98cal/cm2=3.6MJ/m2=100mWh/cm2 1cal/cm2=0.0116kWh/m2 1MJ/m

15、2=0.2778kWh/m2cal：卡路里，定義為將1克水在1大氣壓下提升1所需要的熱量?？防铮╟alorie）是能量單位，現(xiàn)在仍被廣泛使用在營養(yǎng)計量和健身手冊上 四、太陽輻射量太陽輻射量的度量太陽發(fā)射的電磁輻射能量在大氣上界隨波長的分布，稱為太陽輻射光譜（能譜）。太陽以光輻射的形式將能量傳送到地球表面，但由于地球大氣層的存在，到達(dá)地面的太陽光譜與大氣上界有所不同。 四、太陽輻射量太陽輻射光譜意義 四、太陽輻射量太陽輻射光譜紫外光譜、可見光譜、紅外光譜？思考題？思考題到達(dá)地面的太陽輻射一部分以平行光的方式直接到達(dá)，稱為直接輻射；另一部分是太陽光線經(jīng)大氣散射，投射到地面的稱為散射輻射；直接輻射

16、與散射輻射的總和為地球接受到的太陽總輻射能量。 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面上的太陽輻射能構(gòu)成（1）影響地球表面上太陽輻射能的因素 天文因素：日地距離、太陽赤緯角、太陽時角； 地理因素：地理位置、海拔高度； 物理因素：大氣透明度、接受太陽輻射面的表面物理化學(xué) 性質(zhì)，包括表面涂層性質(zhì)； 幾何因數(shù)：接收太陽輻射面的傾斜度和方位角； 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面上的太陽輻射能構(gòu)成 四、太陽輻射量（2）大氣層對太陽輻射的衰減作用大氣衰減 大氣衰減在于大氣層中的各種氣體、水滴、塵埃等雜質(zhì)對太陽光的作用，形成大氣層對太陽光線是一種不透明介質(zhì)，主要衰減作用：吸收作用、散射作用、漫反射作用； 到達(dá)地球表面上的太陽

17、輻射能構(gòu)成太陽輻射穿過地球大氣時，由于大氣層對太陽光譜的吸收和散射，太陽光譜范圍和能量分布發(fā)生了變化；當(dāng)太陽高度角為90時，到達(dá)地面上的紫外線約占4%，可見光占46%，紅外線占50%；太陽高度低至30時，相應(yīng)地比例分別是3%、44%、53%；當(dāng)太陽高度角更低時，紫外線能量幾乎為零，可見光部分的能量減少到30%，紅外線的能量約占70%，紅外線的能量占主要地位，這是由于空氣分子對短波部分強(qiáng)烈散射而引起的。 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面上的太陽輻射能構(gòu)成1. 太陽常數(shù) 太陽常數(shù)是指：在日地平均距離處，地球大氣層外（大氣上界）垂直于太陽光的平面上，單位時間、單位面積內(nèi)所接受的所有波長的太陽總輻射能量值，

18、它基本上是一個常數(shù)。太陽常數(shù)或稱為大氣質(zhì)量0（AM0）的輻射。1981年10月，世界氣象組織將太陽常數(shù)值確定為：I0（13677）W/m2。 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算1. 太陽常數(shù)對于不垂直照射的情況，到達(dá)水平面上的太陽輻射強(qiáng)度與太陽常數(shù)之間存在如下關(guān)系：I= I0sin 為太陽高度角；I0為太陽常數(shù)；I為投射到大氣上界水平面上太陽輻射強(qiáng)度在遠(yuǎn)日點和近日點的太陽輻射強(qiáng)度與太陽常數(shù)有一定差異 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算2. 大氣質(zhì)量AM 為了能夠方便地研究太陽輻射受地球大氣衰減作用的影響，將太陽輻射通過大氣的厚度稱為大氣質(zhì)量（air-ma

19、ss，AM），其確切定義是：太陽光線通過大氣的實際距離與大氣的垂直厚度之比，它是一個無量綱的量。 四、太陽輻射量AM越大，說明光線經(jīng)過大氣的路徑越長，受到衰減越多到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算規(guī)定在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和0時，海平面上太陽光線垂直入射時的路徑為AM=1。太陽在其它位置時，大氣質(zhì)量都大于1。我國規(guī)定AM1.5為測試硅太陽電池標(biāo)稱輸出功率的標(biāo)準(zhǔn)條件之一。 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算AM1.5對應(yīng)太陽天頂角z=48.19 四、太陽輻射量太陽處于任意位置時的大氣質(zhì)量AM值可近似由下式計算得出：01AMsinPP式中： 太陽高度角； P 當(dāng)?shù)卮髿鈮海?P0

20、 海平面大氣壓；到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算近似公式忽略了折射和地面曲率等影響，當(dāng)太陽高度角較小時會產(chǎn)生較大誤差。在光伏系統(tǒng)工程計算中，可采用如下公式計算： 四、太陽輻射量 2AM1229614sin614sin到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算3. 大氣透明度 大氣透明度是表征大氣對于太陽光線透過程度的一個重要參數(shù)。在晴朗無云的天氣，大氣透明度高，到達(dá)地面的太陽輻射能就多；天空中云霧或風(fēng)沙、灰塵多時，大氣透明度低，到達(dá)地面的太陽輻射能就少。 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算到達(dá)地表法向太陽輻照度I

21、n為：mn0mII P 日地距離修正值；Pm 復(fù)合透明系數(shù)，表征了大 氣對太陽輻射能的衰減程度； m 大氣質(zhì)量；4. 水平面上的太陽直射輻照度一般情況下，當(dāng)太陽高度角為時，光伏電池板安裝位置所在水平面上的太陽直射輻照度Ib為： 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算mbn0msinsinIII P4. 水平面上的太陽直射輻照度將該式從日出到日落的時間內(nèi)積分，得水平面直射輻照日總量Hb： 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算hshrmmb0m0mhh0sin dtsinsincoscoscosd2tTHI PIP式中：T為晝夜時長（一天為1440min），hr、

22、hr分別為日出、日落時角5. 水平面上的散射輻照度 晴天時，到達(dá)地表水平面上的散射輻照度Id，主要取決于太陽高度和大氣透明度，可用下式表示： 式中：c1、c2為經(jīng)驗系數(shù)；6. 水平面上的太陽總輻照度 太陽總輻照度是到達(dá)地表水平面上的太陽直射輻照度和散射輻照度的總和，即： 四、太陽輻射量到達(dá)地球表面（水平面）上的太陽輻射量計算2d1sincIcbdIII1. 太陽入射角T太陽入射線與傾斜面法線間夾角為太陽入射角T，由三角關(guān)系可得： 四、太陽輻射量到達(dá)傾斜表面（光伏電池板）上的太陽輻射量計算TThhh90cossinsincossincossincoscoscoscoscoscos sinsinc

23、os coscos sinsin sin 四、太陽輻射量到達(dá)傾斜表面（光伏電池板）上的太陽輻射量計算式中， 為傾斜面的方位角。對于北半球朝向赤道的傾斜面（=0），簡化為：對于南半球朝向赤道的傾斜面（=180），簡化為：ThcoscoscoscossinsinThcoscoscoscossinsin例：計算北京地區(qū)在2月13日上午10:30，傾角45、方位角15的傾斜面上的太陽入射角。解：北京地區(qū)在2月13日的n=44，=-14，上午10:30的時角h=-22.5， =45， =15。北京地區(qū)的緯度=39.48，代入計算公式可得 此時的太陽入射角為T=34 四、太陽輻射量到達(dá)傾斜表面（光伏電池板

24、）上的太陽輻射量計算Tcossin14 sin39.48 cos45sin14cos39.48 sin45 cos15cos14cos39.48 cos45 cos22.5cos14 sin39.48 sin45 cos15 cos22.5cos14 sin45 sin15 sin22.5 2. 傾斜面上的小時太陽直射輻照量IT,b根據(jù)右圖的三角關(guān)系，可得3. 傾斜面上的小時散射輻照量IT,d式中，Id為水平面上的小時散熱輻照量 四、太陽輻射量到達(dá)傾斜表面（光伏電池板）上的太陽輻射量計算T,bnTcosIIT,dd1 cos2II4. 地面反射輻照量IT, 假設(shè)地面反射是各向同性的，利用角系數(shù)

25、的互換定律，可得 ：地面反射率，與地表的覆蓋狀況有關(guān)，一般取=0.2 四、太陽輻射量到達(dá)傾斜表面（光伏電池板）上的太陽輻射量計算T,bd1 cos1 cos22IIII 四、太陽輻射量到達(dá)傾斜表面（光伏電池板）上的太陽輻射量計算5. 傾斜面上的小時太陽總輻照量IT傾斜面上的小時太陽總輻照量由三部分組成：太陽直射輻照量、散射輻照量和地面反射輻照量。 天空各向同性模型 Liu和Jordan在1963年最早提出，在天空太陽散射輻射是各向同性的，他們認(rèn)為傾斜面上的小時太陽總輻照量為 四、太陽輻射量到達(dá)傾斜表面（光伏電池板）上的太陽輻射量計算bTdb1 cosc21os2II RII式中，Rb 傾斜面和

26、水平面上小時直射輻照量的比值； 天空各向異性模型天空各向同性模型并不精確。實際上，環(huán)繞太陽的散射輻射和傾斜面上的地面亮度并不是各個方向都相同的。在北半球，南面天空的平均散射輻射顯然要比北面天空大。 各向異性模型（HDKR模型、Perez模型） 四、太陽輻射量到達(dá)傾斜表面（光伏電池板）上的太陽輻射量計算 清晰度指數(shù)KT 散射輻照量與總輻照量之比 小時散熱輻照量與總輻照量的比值 日散射輻照量與總輻照量的比值 月散射輻照量與總輻照量的比值 地表傾斜面上的月平均太陽輻照量 天空各向同性模型 天空各向異性模型I.Klein和Thcilaker方法；II.RETScreen方法； 四、太陽輻射量其它幾個重要指標(biāo)在太陽能應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)