第1章 太陽(yáng)與太陽(yáng)能

1、第第1章章 太陽(yáng)和太陽(yáng)能太陽(yáng)和太陽(yáng)能太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用原理太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用原理 黃漢云編著黃漢云編著第第1章章 太陽(yáng)太陽(yáng)和太陽(yáng)能和太陽(yáng)能 太陽(yáng)和太陽(yáng)能太陽(yáng)和太陽(yáng)能1.1 太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1 1.1.1 .1.1 太陽(yáng)基本物理參數(shù)太陽(yáng)基本物理參數(shù) 太陽(yáng)是距地球最近的恒星。太陽(yáng)是距地球最近的恒星。 半徑：半徑： R R=6.96 =6.96 10105 5 km km ( (地球的地球的109109倍）；倍）； 體積：體積：1.41221.4122 10107 7 kmkm3 3( (地球的地球的130130萬(wàn)倍）；萬(wàn)倍）； 質(zhì)量：約為質(zhì)量：約為1.991.99101

2、02727t t（地球質(zhì)量的（地球質(zhì)量的3333萬(wàn)倍）；萬(wàn)倍）； 平均密度：平均密度：1.409g/cm1.409g/cm3 3( (地球密度的地球密度的1/4)1/4)；160g/cm160g/cm3 3( (核心核心) )； 溫度：溫度：57705770(表面表面) )，1.561.56 10107 7 (核心核心) )； 日地平均距離：日地平均距離：1.51.5 10108 8kmkm； 太陽(yáng)光到達(dá)地球表面時(shí)間：約太陽(yáng)光到達(dá)地球表面時(shí)間：約8 8 1818 ； 年齡：約年齡：約5050億年；億年； 壽命：壽命：100100億年。億年。 自轉(zhuǎn)周期：自轉(zhuǎn)周期：25-3025-30天天 距最近

3、的恒星的距離：距最近的恒星的距離：4.34.3光年光年 宇宙年：宇宙年：225225百萬(wàn)年百萬(wàn)年 總輻射功率：總輻射功率：3.833.8310102626J/sJ/s1.1.2 太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)如圖如圖1-1所示所示 1. 里三層里三層太陽(yáng)內(nèi)部太陽(yáng)內(nèi)部 核反應(yīng)區(qū)：核反應(yīng)區(qū)：0.25R內(nèi)，溫度內(nèi)，溫度1500萬(wàn)度，太陽(yáng)一半的質(zhì)萬(wàn)度，太陽(yáng)一半的質(zhì)量，壓力約量，壓力約2500億大氣壓；氫聚合時(shí)放出億大氣壓；氫聚合時(shí)放出 射線，這種射線射線，這種射線通過(guò)較冷區(qū)域時(shí)，消耗能量，增加波長(zhǎng)，變成通過(guò)較冷區(qū)域時(shí)，消耗能量，增加波長(zhǎng)，變成X射線或紫射線或紫外線及可見(jiàn)光。外線及可見(jiàn)光。 輻射區(qū)：輻射區(qū)：0.2

4、50.8R范圍，溫度范圍，溫度13萬(wàn)度，密度萬(wàn)度，密度0.079g/cm3;太陽(yáng)能量通過(guò)這個(gè)區(qū)域由輻射傳輸出去。太陽(yáng)能量通過(guò)這個(gè)區(qū)域由輻射傳輸出去。 對(duì)流區(qū)：對(duì)流區(qū)：0.81.0R范圍，溫度范圍，溫度5000度，密度度，密度10 8g/cm3；太陽(yáng)能量主要靠對(duì)流傳播。太陽(yáng)能量主要靠對(duì)流傳播。 1.1 太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1.1 太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1.1.2 太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)如圖如圖1-1所示所示 2.外三層外三層太陽(yáng)外部太陽(yáng)外部（太陽(yáng)（太陽(yáng)大氣）大氣） 光球?qū)樱汉穸裙馇驅(qū)樱汉穸?00km，溫度，溫度5700，太陽(yáng)的全部光能幾，太陽(yáng)的全部光能

5、幾乎全從這個(gè)層次發(fā)出。太陽(yáng)的連續(xù)光譜基本上就是光球的光乎全從這個(gè)層次發(fā)出。太陽(yáng)的連續(xù)光譜基本上就是光球的光譜，太陽(yáng)光譜內(nèi)的吸收線基本上也是在這一層內(nèi)形成的。譜，太陽(yáng)光譜內(nèi)的吸收線基本上也是在這一層內(nèi)形成的。太陽(yáng)黑子產(chǎn)生。太陽(yáng)黑子產(chǎn)生。 色球?qū)樱汉穸壬驅(qū)樱汉穸?000km，溫度由內(nèi)向外升高，溫度由內(nèi)向外升高，4300幾幾萬(wàn)度萬(wàn)度；邊緣產(chǎn)生日珥、耀斑（極光）等。；邊緣產(chǎn)生日珥、耀斑（極光）等。 日冕層：內(nèi)冕層高度日冕層：內(nèi)冕層高度17萬(wàn)萬(wàn)km，溫度，溫度100萬(wàn)度；外冕層高萬(wàn)度；外冕層高度在度在17萬(wàn)萬(wàn)km以上，溫度低于內(nèi)冕層。以上，溫度低于內(nèi)冕層。 太陽(yáng)大氣分層并不嚴(yán)格，實(shí)際是連續(xù)變化的。太陽(yáng)

6、大氣分層并不嚴(yán)格，實(shí)際是連續(xù)變化的。1.1 太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1.1 太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽(yáng)表面結(jié)構(gòu)太陽(yáng)表面結(jié)構(gòu)1.1 太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)極光極光日珥日珥1.1 太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽(yáng)基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1.1.3 太陽(yáng)的太陽(yáng)的成分成分氫：占太陽(yáng)體積的氫：占太陽(yáng)體積的71.2%71.2%氦：占氦：占27%27%其他：占其他：占1.8%1.8%1.2 太陽(yáng)能的來(lái)源太陽(yáng)能的來(lái)源 圖圖1 1- -3 3（1 1）太陽(yáng)結(jié)構(gòu)和能量太陽(yáng)結(jié)構(gòu)和能量傳遞方式示意圖傳遞方式示意圖1.3 太陽(yáng)能量的傳遞和輻射方式太陽(yáng)能量的傳遞和輻射方

7、式1.3.1 太陽(yáng)能量的傳遞太陽(yáng)能量的傳遞1.3 太陽(yáng)能量的傳遞和輻射方式太陽(yáng)能量的傳遞和輻射方式1.3.2 太陽(yáng)能量的輻射太陽(yáng)能量的輻射（1 1）輻射的分類）輻射的分類（2 2）影響太陽(yáng)能）影響太陽(yáng)能量輻射的因素量輻射的因素太陽(yáng)輻射能太陽(yáng)輻射能 太陽(yáng)組成太陽(yáng)組成：炙熱的氣體火球炙熱的氣體火球(氫：氫：71.3%，氦：，氦：27%，其，其它：它：1.8%) ； 太陽(yáng)能：太陽(yáng)能：核聚變反應(yīng)（氫聚變成氦）核聚變反應(yīng)（氫聚變成氦）6.571011kg/s氫氫6.53 1011kg/s氦氦 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損m=0.41010kg/s 能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換E=mc2 =3.90 1023 kW 總輻射功率：

8、總輻射功率：3.865 1026J/s(相當(dāng)于相當(dāng)于1.32 1016t標(biāo)煤能量標(biāo)煤能量/s); 地球上界輻射能：地球上界輻射能：1.77 1014 kW(二十二億分之一二十二億分之一 )； 地球表面輻射能：地球表面輻射能： 8.5 1013kW (大氣衰減大氣衰減)。（GB：標(biāo)煤燃燒值：標(biāo)煤燃燒值29305kJ/kg）1.3 太陽(yáng)能量的傳遞和輻射方式太陽(yáng)能量的傳遞和輻射方式 太陽(yáng)輻射能太陽(yáng)輻射能（地球表面輻射能）地球表面輻射能） 到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能大體分為到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能大體分為三部分三部分： 一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽s一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽s4.0 l013 kW)，使地球的平均溫度，

9、使地球的平均溫度大約保持在大約保持在l4，造成適合各種生物生存和發(fā)展的自然環(huán)，造成適合各種生物生存和發(fā)展的自然環(huán)境，同時(shí)使地球表面的水不斷蒸發(fā)，造成全球每年約境，同時(shí)使地球表面的水不斷蒸發(fā)，造成全球每年約50 1016 km3的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落在陸地上，這就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。在陸地上，這就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。 第二部分（約有第二部分（約有3.7 1013 kW）用來(lái)推動(dòng)海水及大氣的對(duì)）用來(lái)推動(dòng)海水及大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，這便是海流能、波浪能、風(fēng)能的由來(lái)。流運(yùn)動(dòng)，這便是海流能、波浪能、風(fēng)能的由來(lái)。

10、第三部分（約第三部分（約4 1012 kW ）的太陽(yáng)能被植物葉子的葉綠素）的太陽(yáng)能被植物葉子的葉綠素所捕獲，成為光合作用的能量來(lái)源所捕獲，成為光合作用的能量來(lái)源 。 1.3 太陽(yáng)能量的傳遞和輻射方式太陽(yáng)能量的傳遞和輻射方式1.4 太陽(yáng)能貯存方式太陽(yáng)能貯存方式（1 1）電能貯存）電能貯存（2 2）熱能貯存）熱能貯存（3 3）潛熱貯存）潛熱貯存（4 4）化學(xué)貯存）化學(xué)貯存（5)5)太陽(yáng)池貯存太陽(yáng)池貯存（6 6）氫能貯存）氫能貯存（7 7）機(jī)械能貯存）機(jī)械能貯存1.5 經(jīng)度和緯度的確定經(jīng)度和緯度的確定1.5.1 地球的緯線與緯度地球的緯線與緯度 地軸：地軸：地球自轉(zhuǎn)的軸線，通過(guò)地球的南北極和地球中心

11、。地球自轉(zhuǎn)的軸線，通過(guò)地球的南北極和地球中心。 赤道：赤道：地球中腰與地球中腰與赤道赤道垂直且與南北極距離相等的大圓垂直且與南北極距離相等的大圓圈。圈。 緯線：緯線：赤道的南北兩邊若干與赤道平行的圓圈，即緯赤道的南北兩邊若干與赤道平行的圓圈，即緯圈，構(gòu)成緯圈的線段，稱為緯線。圈，構(gòu)成緯圈的線段，稱為緯線。 緯度：緯度：赤道南、北各有赤道南、北各有90 ，規(guī)定赤道為緯度，規(guī)定赤道為緯度0 ，分別向，分別向兩極排列，南、北極分別為南、北緯兩極排列，南、北極分別為南、北緯90 。緯圈越小，緯度。緯圈越小，緯度越高。緯度的高低標(biāo)志氣候的冷熱。越高。緯度的高低標(biāo)志氣候的冷熱。 030 ，低緯度區(qū)；，低緯

12、度區(qū)； 3060 ，中緯度區(qū)；，中緯度區(qū)； 6090 ，高緯度區(qū)。，高緯度區(qū)。1.5.2 地球的經(jīng)線與經(jīng)度地球的經(jīng)線與經(jīng)度 經(jīng)線：經(jīng)線：南北極間若干南北方向的且與赤道垂直的大圓南北極間若干南北方向的且與赤道垂直的大圓圈，即圈，即“經(jīng)圈經(jīng)圈”，構(gòu)成經(jīng)圈的線段稱為經(jīng)線，即地面上連構(gòu)成經(jīng)圈的線段稱為經(jīng)線，即地面上連接南北極的線，表示南北方向，所有經(jīng)線長(zhǎng)度相等。接南北極的線，表示南北方向，所有經(jīng)線長(zhǎng)度相等。 經(jīng)度：經(jīng)度：計(jì)算經(jīng)度（計(jì)算經(jīng)度（0 ）的起始線，通過(guò)倫敦格林尼治天文）的起始線，通過(guò)倫敦格林尼治天文臺(tái)原址的經(jīng)線，規(guī)定為臺(tái)原址的經(jīng)線，規(guī)定為0 經(jīng)線，即經(jīng)線，即本初子午線，它是確定地本初子午線，它

13、是確定地球經(jīng)度和全球時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)參考線。子午線總長(zhǎng)度球經(jīng)度和全球時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)參考線。子午線總長(zhǎng)度40008km。1.5.3 二十四節(jié)氣二十四節(jié)氣 1.5 經(jīng)度和緯度的確定經(jīng)度和緯度的確定1.6.1 太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù) 太陽(yáng)常數(shù)是指在日地平均距離處，地球大氣層外（大氣太陽(yáng)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(yáng)光線的平面上，單位時(shí)間、單位面積內(nèi)上界）垂直于太陽(yáng)光線的平面上，單位時(shí)間、單位面積內(nèi)所接受的所有波長(zhǎng)的太陽(yáng)總輻射能量值，它基本上是一個(gè)所接受的所有波長(zhǎng)的太陽(yáng)總輻射能量值，它基本上是一個(gè)常數(shù)，所以這個(gè)輻照度稱為常數(shù)，所以這個(gè)輻照度稱為太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)。 太陽(yáng)常數(shù)值被世界氣象組織

14、確定為：太陽(yáng)常數(shù)值被世界氣象組織確定為：I0（1367 7）W/m2 對(duì)于不是垂直照射的情況，到達(dá)水平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)對(duì)于不是垂直照射的情況，到達(dá)水平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與太陽(yáng)常數(shù)之間存在著下面的關(guān)系：度與太陽(yáng)常數(shù)之間存在著下面的關(guān)系：I= I0sinh （2-11）式中，式中，h為太陽(yáng)高度角；為太陽(yáng)高度角； I0為太陽(yáng)常數(shù)；為太陽(yáng)常數(shù)；I為投射到大氣上界為投射到大氣上界水平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。水平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。1.6 太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜 地球繞太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律地球繞太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律 地球自轉(zhuǎn)：地球繞著通過(guò)它本身南極和北極的地球自轉(zhuǎn)：地球繞著通過(guò)它本身南極和北極的“地軸地軸”

15、自自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)一周（西向東轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)一周（360 ）為一晝夜，一晝夜又分為）為一晝夜，一晝夜又分為24h（實(shí)際一個(gè)恒星日為（實(shí)際一個(gè)恒星日為23小時(shí)小時(shí)56分分4.0905秒），所以地球秒），所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)每小時(shí)自轉(zhuǎn)15 。 地球公轉(zhuǎn)：地球繞太陽(yáng)循地球公轉(zhuǎn)：地球繞太陽(yáng)循著偏心率很小的橢圓形軌道著偏心率很小的橢圓形軌道(黃道黃道)上運(yùn)行，稱為上運(yùn)行，稱為“公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)”。其周期為一年，一年為其周期為一年，一年為365天天（實(shí)際一個(gè)恒星年為（實(shí)際一個(gè)恒星年為365天天6小時(shí)小時(shí)6分分9秒）。秒）。1.6 太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜 地球繞太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律地球繞太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律 地球的自

16、轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面（黃道面）的法線傾地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面（黃道面）的法線傾斜成斜成23 27 的夾角（的夾角（黃赤交角黃赤交角），而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其自轉(zhuǎn)軸），而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。的方向始終不變，總是指向天球的北極。圖圖1-4 地球繞太陽(yáng)運(yùn)行及其影響地球繞太陽(yáng)運(yùn)行及其影響1.6 太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜1.6 太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng) 地球上人們觀察到的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡，稱地球上人們觀察到的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡，稱太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)（The sun looks at motion），實(shí)質(zhì)是相對(duì)運(yùn)動(dòng)。），實(shí)質(zhì)是

17、相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 圖圖1-5a觀察者在南緯或北緯觀察者在南緯或北緯35 時(shí)所觀察到的太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)時(shí)所觀察到的太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)（ 是地球自轉(zhuǎn)平面是地球自轉(zhuǎn)平面(赤道平面赤道平面)與地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)平面與地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)平面(黃道平面黃道平面)之間的夾角之間的夾角( 23 2723. 45 ) ） 1.6 太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜1.6 太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜1.6.2 太陽(yáng)光譜太陽(yáng)光譜（1 1）太陽(yáng)光譜的定）太陽(yáng)光譜的定（2 2）光譜的分類）光譜的分類1.6 太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)發(fā)射的電磁輻射能量在太陽(yáng)發(fā)射的電磁輻射能量在大氣上界大氣上

18、界隨波長(zhǎng)的分布，稱隨波長(zhǎng)的分布，稱為太陽(yáng)為太陽(yáng)輻射光譜輻射光譜（能（能譜譜）。太陽(yáng)以光輻射的形式將能量傳）。太陽(yáng)以光輻射的形式將能量傳送到地球表面，但由于地送到地球表面，但由于地球大氣層的存在，到達(dá)地球大氣層的存在，到達(dá)地面的太陽(yáng)光譜與大氣上界面的太陽(yáng)光譜與大氣上界的太陽(yáng)光譜有所不同，其的太陽(yáng)光譜有所不同，其輻射光譜分布如圖輻射光譜分布如圖2-9所示。所示。圖中陰影部分，表示太陽(yáng)圖中陰影部分，表示太陽(yáng)輻射被大氣所吸收的部分。輻射被大氣所吸收的部分。太陽(yáng)輻射的光譜分布太陽(yáng)輻射的光譜分布1.6 太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射能量隨波長(zhǎng)的分布，稱為太陽(yáng)輻射能量隨

19、波長(zhǎng)的分布，稱為太陽(yáng)光譜太陽(yáng)光譜（能譜）能譜）。 發(fā)射光譜：連續(xù)光譜；明線光譜發(fā)射光譜：連續(xù)光譜；明線光譜 吸收光譜：太陽(yáng)光譜屬于吸收光譜。吸收光譜：太陽(yáng)光譜屬于吸收光譜。 地球上界的太陽(yáng)輻射光譜：地球上界的太陽(yáng)輻射光譜：波長(zhǎng)波長(zhǎng)0.154.0 m的光，的光，99%； 0.40.76 m(可見(jiàn)光可見(jiàn)光)，40.3%； 0.76 m(紅外光紅外光)，51.4%；最大輻射能量最大輻射能量波長(zhǎng)波長(zhǎng)，0.475 m.太陽(yáng)輻射的光譜分布太陽(yáng)輻射的光譜分布1.6 太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜太陽(yáng)常數(shù)和太陽(yáng)光譜 1.7.1太陽(yáng)高度角和方位角定義太陽(yáng)高度角和方位角定義太陽(yáng)高度角太陽(yáng)高度角，太陽(yáng)中心直射到地面的光線與當(dāng)?shù)?/p>

20、水平面，太陽(yáng)中心直射到地面的光線與當(dāng)?shù)厮矫骈g夾角間夾角(h)，表示太陽(yáng)的高度，日出日落為，表示太陽(yáng)的高度，日出日落為0 ，正午為，正午為90 。太陽(yáng)高度角是地面獲得太陽(yáng)能強(qiáng)弱的重要因素。太陽(yáng)高度太陽(yáng)高度角是地面獲得太陽(yáng)能強(qiáng)弱的重要因素。太陽(yáng)高度角隨緯度和時(shí)間變化，正午太陽(yáng)高度角角隨緯度和時(shí)間變化，正午太陽(yáng)高度角（h）計(jì)算公式：計(jì)算公式：sinh=sin sin +cos cos cos t式中，式中， 為觀測(cè)點(diǎn)地理緯度為觀測(cè)點(diǎn)地理緯度； 為太陽(yáng)赤緯角；為太陽(yáng)赤緯角； 為地球自轉(zhuǎn)為地球自轉(zhuǎn)角速度；角速度；t為地方時(shí)。為地方時(shí)。 可視為常數(shù)可視為常數(shù)(15 /h)，則有，則有sinh=sin s

21、in +cos cos =cos() 太陽(yáng)方位角，太陽(yáng)方位角，太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€正南方的夾角正南方的夾角( )，向西為正，向東為負(fù)，變化范圍，向西為正，向東為負(fù)，變化范圍 180 ；它表示它表示太陽(yáng)的方位，決定太陽(yáng)光的入射方向。它表示它表示太陽(yáng)的方位，決定太陽(yáng)光的入射方向。1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 太陽(yáng)的太陽(yáng)的視位置視位置，用太陽(yáng)的，用太陽(yáng)的高度角高度角和和方位角方位角表示，如圖表示，如圖1-9所示。所示。 圖圖1-9 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 Z-天頂；天頂；n-

22、傾斜面法線；傾斜面法線；S-指向太陽(yáng)的向量；指向太陽(yáng)的向量； -傾斜面與水平面的夾角；傾斜面與水平面的夾角； z-天頂角，指向太陽(yáng)的向量天頂角，指向太陽(yáng)的向量S與天頂與天頂Z的夾角；的夾角；h-太陽(yáng)高度角，指向太陽(yáng)太陽(yáng)高度角，指向太陽(yáng)的向量的向量S與地平面的夾角；與地平面的夾角； -太陽(yáng)方位角，指向太陽(yáng)的向量太陽(yáng)方位角，指向太陽(yáng)的向量S在地面上的在地面上的投影與南北方向線間夾角；投影與南北方向線間夾角； T-指向太陽(yáng)的向量指向太陽(yáng)的向量S與傾斜面法線與傾斜面法線n的夾角；的夾角； n-法線法線n在地面上的投影與南北方向線的夾角在地面上的投影與南北方向線的夾角 太陽(yáng)角的定義太陽(yáng)角的定義（與地平面

23、呈（與地平面呈 角的一角的一個(gè)傾斜面與太陽(yáng)輻射的個(gè)傾斜面與太陽(yáng)輻射的幾何關(guān)系）幾何關(guān)系）1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 太陽(yáng)的太陽(yáng)的時(shí)角時(shí)角 太陽(yáng)的時(shí)角太陽(yáng)的時(shí)角用用 表示，它定義為：在正午時(shí)表示，它定義為：在正午時(shí) 0，每隔，每隔1小時(shí)增小時(shí)增15 ，上午為正，下午為負(fù)。，上午為正，下午為負(fù)。 例如：例如： 上午上午11時(shí)，時(shí)， +15 ； 上午上午8時(shí)，時(shí)， 15(12 8)=60 ； 下午下午1時(shí)，時(shí)， -15 ； 下午下午3時(shí)，時(shí)， -153-45 。 1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 太陽(yáng)高度角、方位角、日照時(shí)間的計(jì)算太陽(yáng)高度角、方位角、日照時(shí)間的計(jì)算 太陽(yáng)

24、赤緯角庫(kù)珀方程太陽(yáng)赤緯角庫(kù)珀方程 太陽(yáng)光線與地球赤道面的交角就是太陽(yáng)的太陽(yáng)光線與地球赤道面的交角就是太陽(yáng)的赤緯角赤緯角，以，以 表表示（見(jiàn)圖示（見(jiàn)圖2-8）。在一年當(dāng)中，太陽(yáng)赤緯每天都在變化，但）。在一年當(dāng)中，太陽(yáng)赤緯每天都在變化，但不超過(guò)不超過(guò) 23 27 的范圍。夏天最大變化到夏至日的的范圍。夏天最大變化到夏至日的+23 27 ，冬天最小變化到冬至日的冬天最小變化到冬至日的 23 27 。 太陽(yáng)赤緯按庫(kù)珀太陽(yáng)赤緯按庫(kù)珀(Cooper)方程計(jì)算方程計(jì)算式中，式中，n為一年中從元旦算起的日期序號(hào)，如在春分，為一年中從元旦算起的日期序號(hào)，如在春分，n=81,則則 =0。 自春分日起的第自春分日起

25、的第d天的太陽(yáng)赤緯為天的太陽(yáng)赤緯為365284360sin45.23n3652sin45.23d1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 太陽(yáng)赤緯角太陽(yáng)赤緯角 一年中一年中太陽(yáng)赤緯角的變化規(guī)律太陽(yáng)赤緯角的變化規(guī)律1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 （1）太陽(yáng)高度角）太陽(yáng)高度角h 太陽(yáng)中心直射到地面的光線與當(dāng)?shù)厮矫骈g夾角太陽(yáng)中心直射到地面的光線與當(dāng)?shù)厮矫骈g夾角(h)，表，表示太陽(yáng)的高度。示太陽(yáng)的高度。在天文學(xué)中，太陽(yáng)高度角的計(jì)算公式為在天文學(xué)中，太陽(yáng)高度角的計(jì)算公式為sinh=sin sin +cos cos cos （2-3）式中，式中， 為觀測(cè)點(diǎn)地理緯度；為觀測(cè)點(diǎn)地理緯度；

26、 為當(dāng)日觀測(cè)時(shí)刻的太陽(yáng)赤緯為當(dāng)日觀測(cè)時(shí)刻的太陽(yáng)赤緯角；角； 為觀測(cè)時(shí)刻的太陽(yáng)時(shí)角。其中單位均以度（為觀測(cè)時(shí)刻的太陽(yáng)時(shí)角。其中單位均以度（ ）計(jì)。）計(jì)。 正午時(shí)，正午時(shí)， 0，cos =1，式（，式（2-3）可簡(jiǎn)化為）可簡(jiǎn)化為sinh=sin sin +cos cos =cos()因?yàn)橐驗(yàn)閏os()sin90()，所以，所以，sinh= sin90() （2-4） 1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 （1）太陽(yáng)高度角）太陽(yáng)高度角h 正午時(shí)，若太陽(yáng)在天頂以南，即正午時(shí)，若太陽(yáng)在天頂以南，即 ，取，取sin90 ()，從而有從而有 h=90 若太陽(yáng)在天頂以北，即若太陽(yáng)在天頂以北，即 ，取，

27、取sin90 ()，從而有，從而有h=90 在南北回歸線上，有時(shí)正午時(shí)太陽(yáng)正對(duì)天頂，則在南北回歸線上，有時(shí)正午時(shí)太陽(yáng)正對(duì)天頂，則 ，從而有從而有h90 。 注意：注意：地理緯度地理緯度 ，北半球取正值，南半球取負(fù)值；太陽(yáng)，北半球取正值，南半球取負(fù)值；太陽(yáng)赤緯角赤緯角 ，太陽(yáng)位于赤道以北時(shí)取正值，位于赤道時(shí)，太陽(yáng)位于赤道以北時(shí)取正值，位于赤道時(shí) =0，位于赤道以南時(shí)取負(fù)值。位于赤道以南時(shí)取負(fù)值。1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 （1）太陽(yáng)高度角）太陽(yáng)高度角h例例1 計(jì)算夏至日南回歸線上的正午太陽(yáng)高度角。計(jì)算夏至日南回歸線上的正午太陽(yáng)高度角。 解：解：夏至日正午太陽(yáng)赤緯角夏至日正午太陽(yáng)

28、赤緯角 =23 27 ； 南回歸線緯度南回歸線緯度 = 23 27 。 所以太陽(yáng)高度角為所以太陽(yáng)高度角為h=90 ()=90 (66 33 0 )=23 27 1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 （2）太陽(yáng)方位角）太陽(yáng)方位角 太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€正南方的夾角太陽(yáng)光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€正南方的夾角( )，向西為正，向東為負(fù)，變化范圍，向西為正，向東為負(fù)，變化范圍 180 ；它表示它表示它表示它表示太陽(yáng)的方位，決定太陽(yáng)光的入射方向。太陽(yáng)的方位，決定太陽(yáng)光的入射方向。 由圖由圖2-8的幾何關(guān)系，太陽(yáng)方位角計(jì)算公式為的幾何關(guān)系，太陽(yáng)方位角計(jì)算公式為 也可用下式計(jì)算也

29、可用下式計(jì)算 根據(jù)地理緯度、太陽(yáng)赤緯及觀測(cè)時(shí)間，利用根據(jù)地理緯度、太陽(yáng)赤緯及觀測(cè)時(shí)間，利用上面式子上面式子中中任一個(gè)可以求出任何地區(qū)、任何季節(jié)某一時(shí)刻任一個(gè)可以求出任何地區(qū)、任何季節(jié)某一時(shí)刻的太陽(yáng)方位角。的太陽(yáng)方位角。coscoshsinsinsinhcoscoshsincossin1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 （3）日照時(shí)間）日照時(shí)間 太陽(yáng)在地平線的出沒(méi)瞬間，其太陽(yáng)高度角太陽(yáng)在地平線的出沒(méi)瞬間，其太陽(yáng)高度角h0，若不考，若不考慮地表面曲率及大氣折射的影響，根據(jù)式（慮地表面曲率及大氣折射的影響，根據(jù)式（2-3），可得出），可得出日出日沒(méi)時(shí)角的表達(dá)式日出日沒(méi)時(shí)角的表達(dá)式cos t

30、an tan 式中，式中， 為日出或日沒(méi)時(shí)角，以度表示；正為日沒(méi)時(shí)角，為日出或日沒(méi)時(shí)角，以度表示；正為日沒(méi)時(shí)角，負(fù)為日出時(shí)角。負(fù)為日出時(shí)角。 對(duì)于北半球，當(dāng)對(duì)于北半球，當(dāng) 1 tan tan 1，由式，由式上式上式可得可得 arccos( tan tan ) 因?yàn)橐驗(yàn)閏os = cos( )，所以，所以 出出 ， 沒(méi)沒(méi) 。1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 （3）日照時(shí)間）日照時(shí)間 由由前面式子前面式子可求得任何季節(jié)、任何緯度上的晝長(zhǎng)。求出可求得任何季節(jié)、任何緯度上的晝長(zhǎng)。求出時(shí)角時(shí)角 后，日出日沒(méi)時(shí)間用后，日出日沒(méi)時(shí)間用 求出，一天中可能的求出，一天中可能的日照時(shí)間日照時(shí)間T（晝長(zhǎng)

31、）可由下式給出（晝長(zhǎng)）可由下式給出 ht/15)tantanarccos(152T1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 例例2-3 計(jì)算上海地區(qū)計(jì)算上海地區(qū)9月月22日中午日中午12時(shí)和下午時(shí)和下午2時(shí)的太陽(yáng)時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角，以及該地區(qū)冬至日的日出日沒(méi)時(shí)角及全高度角和方位角，以及該地區(qū)冬至日的日出日沒(méi)時(shí)角及全天日照時(shí)間。天日照時(shí)間。 解：解：上海地區(qū)的緯度上海地區(qū)的緯度 31.12 。 9月月22日距春分日的時(shí)間日距春分日的時(shí)間n265，則當(dāng)日的赤緯角為，則當(dāng)日的赤緯角為 正午正午12時(shí)的時(shí)角時(shí)的時(shí)角 0 ，下午，下午2時(shí)的時(shí)角時(shí)的時(shí)角 15 230 。 中午中午12時(shí)的太陽(yáng)高度

32、角：由于時(shí)的太陽(yáng)高度角：由于 ，則，則h=90 9031.12 ( 0.6 )58.28 6 . 0365265284360sin45.23365284360sin45.23n1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 下午下午2時(shí)的太陽(yáng)高度角：時(shí)的太陽(yáng)高度角： Sinhsin sin +cos cos cos sin31.12 sin( 0.6 )cos31.12 cos( 0.6 )cos30 0.7359 h47.38 下午下午2時(shí)的太陽(yáng)方位角時(shí)的太陽(yáng)方位角由此可得由此可得 47.6 。738. 038.47cos30sin)6 . 0cos(coshsincossin1.7 太陽(yáng)高度

33、角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 冬至日的太陽(yáng)赤緯角冬至日的太陽(yáng)赤緯角 23.45 ，則，則cos tan tan tan31.12 tan( 23.45 )0.2619因此，上海地區(qū)冬至日的日出時(shí)角因此，上海地區(qū)冬至日的日出時(shí)角 出出 74.82 ，日落時(shí)，日落時(shí)角角 沒(méi)沒(méi)74.82 ，全天日照時(shí)間，全天日照時(shí)間h98. 9h1582.742h152)tantanarccos(152T1.7 太陽(yáng)高度角和方位角太陽(yáng)高度角和方位角 到達(dá)地球表面上的太陽(yáng)輻射能到達(dá)地球表面上的太陽(yáng)輻射能 到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射一部分以平行光的方式直接到達(dá)，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射一部分以平行光的方式直接到達(dá)，稱為稱為直接輻射直

34、接輻射；另一部分是太陽(yáng)光線經(jīng)大氣散射，投射到；另一部分是太陽(yáng)光線經(jīng)大氣散射，投射到地面的稱為地面的稱為散射輻射散射輻射；直接輻射與散射輻射的總和為地球；直接輻射與散射輻射的總和為地球接受到的太陽(yáng)接受到的太陽(yáng)總輻射能量總輻射能量。 大氣對(duì)太陽(yáng)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響輻射的影響1.8 太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射 （1）影響地球表面上太陽(yáng)輻射能的因素）影響地球表面上太陽(yáng)輻射能的因素 天文因素：日地距離；太陽(yáng)赤緯角；太陽(yáng)時(shí)角。天文因素：日地距離；太陽(yáng)赤緯角；太陽(yáng)時(shí)角。 地理因素：地理位置；海拔高度。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(yáng)輻射面的表面

35、物理物理因素：大氣透明度；接受太陽(yáng)輻射面的表面物理化學(xué)性質(zhì)，包括表面涂層性質(zhì)?；瘜W(xué)性質(zhì)，包括表面涂層性質(zhì)。 幾何因數(shù)：接收太陽(yáng)輻射面的傾斜度和方位角。幾何因數(shù)：接收太陽(yáng)輻射面的傾斜度和方位角。 大氣對(duì)太陽(yáng)大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響輻射的影響1.8 太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射 （2）大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減作用）大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減作用大氣衰減大氣衰減 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)在于大氣層中的各種氣體、水滴、塵埃等雜質(zhì)對(duì)太陽(yáng)光的作用對(duì)太陽(yáng)光的作用，形成大氣層對(duì)太陽(yáng)光線是一種不透明介形成大氣層對(duì)太陽(yáng)光線是一種不透明介質(zhì)，主要質(zhì)，主要衰減作用

36、衰減作用： 吸收作用；吸收作用； 散射作用；散射作用； 漫反射作用。漫反射作用。 大氣衰減與太陽(yáng)光線大氣衰減與太陽(yáng)光線經(jīng)過(guò)大氣的路徑長(zhǎng)短有經(jīng)過(guò)大氣的路徑長(zhǎng)短有關(guān)，路徑越長(zhǎng)，衰減越關(guān)，路徑越長(zhǎng)，衰減越厲害。厲害。（與太陽(yáng)高度（與太陽(yáng)高度相關(guān)）相關(guān)） 大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的影響1.8 太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射 （3）大氣質(zhì)量）大氣質(zhì)量m 為了能夠方便地研究太陽(yáng)輻射受地球大氣衰減作用的影為了能夠方便地研究太陽(yáng)輻射受地球大氣衰減作用的影響，將太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣的厚度稱為大氣質(zhì)量響，將太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣的厚度稱為大氣質(zhì)量（air-mass，AM），其，其確切

37、確切定義定義是：是：太陽(yáng)太陽(yáng)光線通過(guò)大氣的實(shí)際距離光線通過(guò)大氣的實(shí)際距離與與大大氣的垂直厚度氣的垂直厚度之比，它是一個(gè)無(wú)量綱的量，用之比，它是一個(gè)無(wú)量綱的量，用m表示。表示。 大氣質(zhì)量示意圖大氣質(zhì)量示意圖1.8 太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射 海平面上太陽(yáng)光線垂直入射（太陽(yáng)高度角海平面上太陽(yáng)光線垂直入射（太陽(yáng)高度角h90 ）時(shí)，）時(shí)，m=1，記為，記為AM1；大氣層上界的大氣質(zhì)量；大氣層上界的大氣質(zhì)量m=0（AM0）；）；m=1.5，寫(xiě)成，寫(xiě)成AM1.5，表示太陽(yáng)，表示太陽(yáng)光線通過(guò)大氣的實(shí)際距離為光線通過(guò)大氣的實(shí)際距離為大氣垂直厚度的大氣垂直厚度的1.5倍倍。 大

38、氣質(zhì)量越大，說(shuō)明太陽(yáng)光線經(jīng)過(guò)大氣的路徑越長(zhǎng)，受大氣質(zhì)量越大，說(shuō)明太陽(yáng)光線經(jīng)過(guò)大氣的路徑越長(zhǎng)，受到的衰減越多，到達(dá)到的衰減越多，到達(dá)地面的能量就越少地面的能量就越少 。 大氣質(zhì)量計(jì)算公式大氣質(zhì)量計(jì)算公式 大氣質(zhì)量示意圖大氣質(zhì)量示意圖sinh1seczAM1.8 太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射h：太陽(yáng)高度角：太陽(yáng)高度角z：天頂角天頂角 落在傾斜表面上的輻射落在傾斜表面上的輻射 落在水平面上的直射成分落在水平面上的直射成分S需要轉(zhuǎn)換成在相對(duì)水平面傾角需要轉(zhuǎn)換成在相對(duì)水平面傾角為為 的斜面上的直射成分的斜面上的直射成分S ，如圖所示。，如圖所示。 h 90 -南半球緯度，

39、適用于南半球緯度，適用于位于南半球，朝北的太位于南半球，朝北的太陽(yáng)能組件；陽(yáng)能組件； h90+ -北半球緯度，適用于北半球緯度，適用于位于北半球，朝南的太位于北半球，朝南的太陽(yáng)能組件。陽(yáng)能組件。 光線落在與水平面成光線落在與水平面成 角的斜面上角的斜面上 hsin)hsin(SS1.8 太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射太陽(yáng)直接輻射、散射輻射和總輻射1.12 太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度 2.平均日照時(shí)數(shù)和峰值日照時(shí)數(shù)平均日照時(shí)數(shù)和峰值日照時(shí)數(shù) 日照時(shí)間日照時(shí)間是指太陽(yáng)光在一天當(dāng)中從日出到日落實(shí)際的是指太陽(yáng)光在一天當(dāng)中從日出到日落實(shí)際的照射時(shí)間。照射時(shí)間。 日照時(shí)數(shù)日照時(shí)數(shù)是指在某一地點(diǎn)，一天當(dāng)中

40、太陽(yáng)光達(dá)到一定是指在某一地點(diǎn)，一天當(dāng)中太陽(yáng)光達(dá)到一定的輻照度（一般以氣象臺(tái)測(cè)定的的輻照度（一般以氣象臺(tái)測(cè)定的120W/m2為標(biāo)準(zhǔn)）時(shí)開(kāi)始為標(biāo)準(zhǔn)）時(shí)開(kāi)始記錄，直到小于此輻照度時(shí)停止記錄，期間所經(jīng)過(guò)的小時(shí)記錄，直到小于此輻照度時(shí)停止記錄，期間所經(jīng)過(guò)的小時(shí)數(shù)。日照時(shí)數(shù)小于日照時(shí)間。數(shù)。日照時(shí)數(shù)小于日照時(shí)間。 平均日照時(shí)數(shù)平均日照時(shí)數(shù)是指某一地點(diǎn)一年或若干年的日照時(shí)數(shù)是指某一地點(diǎn)一年或若干年的日照時(shí)數(shù)總和的平均值。例如，某地總和的平均值。例如，某地1985年到年到1995年實(shí)際測(cè)量的年年實(shí)際測(cè)量的年平均日照時(shí)數(shù)是平均日照時(shí)數(shù)是2053.6h，日平均日照時(shí)數(shù)就是，日平均日照時(shí)數(shù)就是5.63h。 1.13 日照時(shí)間和日照時(shí)數(shù)日照時(shí)間和日照時(shí)數(shù) 峰值日照時(shí)數(shù)峰值日照時(shí)數(shù)是指將當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射量，折算成標(biāo)準(zhǔn)是指將當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射量，折算成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（輻照度測(cè)試條件（輻照度1000W/m2）下的時(shí)數(shù)。）下的時(shí)數(shù)。 峰值日照時(shí)數(shù)峰值日照時(shí)數(shù)=斜面日輻射量斜面日輻射量/3600（h） 1.13 日照時(shí)間和日照時(shí)數(shù)日照時(shí)間和日照時(shí)數(shù) 太陽(yáng)能輻射量太