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第1章 太阳与太阳能


太阳能光伏发电应用原理

黄汉云编著

第1章 太阳和太阳能

第1章 太阳和太阳能
太阳和太阳能

1.1 太阳基本物理参数及结构
1.1.1 太阳基本物理参数
太阳是距地球最近的恒星。 半径: R=6.96 ?105 km (地球的109倍); 体积:1.4122

?107 km3(地球的130万倍);

质量:约为1.99×1027t(地球质量的33万倍);
平均密度:1.409g/cm3(地球密度的1/4);160g/cm3(核心); 温度:5770℃(表面),1.56?107 ℃(核心); 日地平均距离:1.5?108km; 太阳光到达地球表面时间:约8?18?; 年龄:约50亿年; 寿命:100亿年。 自转周期:25-30天 距最近的恒星的距离:4.3光年 宇宙年:225百万年 总辐射功率:3.83×1026J/s

1.1 太阳基本物理参数及结构
1.1.2 太阳的结构—如图1-1所示 1. 里三层—太阳内部 ?核反应区:0.25R内,温度1500万度,太阳一半的质 量,压力约2500亿大气压;氢聚合时放出?射线,这种射线 通过较冷区域时,消耗能量,增加波长,变成X射线或紫 外线及可见光。 ?辐射区:0.25~0.8R范围,温度13万度,密度0.079g/cm3; 太阳能量通过这个区域由辐射传输出去。

?对流区:0.8~1.0R范围,温度5000度,密度10?8g/cm3;
太阳能量主要靠对流传播。

1.1 太阳基本物理参数及结构

1.1 太阳基本物理参数及结构
1.1.2 太阳的结构—如图1-1所示
2.外三层—太阳外部(太阳大气) ?光球层:厚度500km,温度5700℃,太阳的全部光能几 乎全从这个层次发出。太阳的连续光谱基本上就是光球的光 谱,太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。 太阳黑子产生。 ?色球层:厚度2000km,温度由内向外升高,4300℃~几 万度;边缘产生日珥、耀斑(极光)等。 ?日冕层:内冕层高度17万km,温度100万度;外冕层高 度在17万km以上,温度低于内冕层。 太阳大气分层并不严格,实际是连续变化的。

1.1 太阳基本物理参数及结构
太阳表面结构

1.1 太阳基本物理参数及结构
极光

日珥

1.1 太阳基本物理参数及结构
1.1.3 太阳的成分
氢:占太阳体积的71.2%

氦:占27%
其他:占1.8%

1.2 太阳能的来源

1.3 太阳能量的传递和辐射方式
1.3.1 太阳能量的传递
图1-3(1)太阳结构和能量 传递方式示意图

1.3 太阳能量的传递和辐射方式
1.3.2 太阳能量的辐射

(1)辐射的分类

(2)影响太阳能
量辐射的因素

1.3 太阳能量的传递和辐射方式
太阳辐射能
太阳组成:炙热的气体火球(氢:71.3%,氦:27%,其 它: 1.8%) ; 太阳能:核聚变反应(氢聚变成氦) 6.57× 1011kg/s氢?6.53?1011kg/s氦 质量亏损m=0.4× 1010kg/s ? 能量转换E=mc2 =3.90?1023 kW 总辐射功率:3.865?1026J/s(相当于1.32?1016t标煤能量/s); 地球上界辐射能:1.77?1014 kW(二十二亿分之一 ); 地球表面辐射能: 8.5?1013kW (大气衰减)。
(GB:标煤燃烧值29305kJ/kg)

1.3 太阳能量的传递和辐射方式
太阳辐射能(地球表面辐射能)
到达地球表面的太阳辐射能大体分为三部分: 一部分转变为热能(约4.0? l013 kW),使地球的平均温度 大约保持在l4℃,造成适合各种生物生存和发展的自然环 境,同时使地球表面的水不断蒸发,造成全球每年约50 ? 1016 km3的降水量,其中大部分降水落在海洋中,少部分落 在陆地上,这就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。 第二部分(约有3.7 ?1013 kW)用来推动海水及大气的对 流运动,这便是海流能、波浪能、风能的由来。 第三部分(约4 ?1012 kW )的太阳能被植物叶子的叶绿素 所捕获,成为光合作用的能量来源 。

1.4 太阳能贮存方式
(1)电能贮存 (2)热能贮存 (3)潜热贮存 (4)化学贮存 (5)太阳池贮存 (6)氢能贮存 (7)机械能贮存

1.5 经度和纬度的确定
1.5.1? 地球的纬线与纬度
地轴:地球自转的轴线,通过地球的南北极和地球中心。 赤道:地球中腰与赤道垂直且与南北极距离相等的大圆 圈。 纬线:赤道的南北两边若干与赤道平行的圆圈,即纬 圈,构成纬圈的线段,称为纬线。 纬度:赤道南、北各有90?,规定赤道为纬度0?,分别向 两极排列,南、北极分别为南、北纬90?。纬圈越小,纬度 越高。纬度的高低标志气候的冷热。 0~30?,低纬度区; 30~60?,中纬度区; 60~90?,高纬度区。

1.5 经度和纬度的确定
1.5.2? 地球的经线与经度
经线:南北极间若干南北方向的且与赤道垂直的大圆

圈,即“经圈”,构成经圈的线段称为经线,即地面上连
接南北极的线,表示南北方向,所有经线长度相等。 经度:计算经度(0?)的起始线,通过伦敦格林尼治天文 台原址的经线,规定为0?经线,即本初子午线,它是确定地 球经度和全球时刻的标准参考线。子午线总长度40008km。 1.5.3? 二十四节气

1.6 太阳常数和太阳光谱
1.6.1 太阳常数
太阳常数是指在日地平均距离处,地球大气层外(大气 上界)垂直于太阳光线的平面上,单位时间、单位面积内 所接受的所有波长的太阳总辐射能量值,它基本上是一个 常数,所以这个辐照度称为太阳常数。 太阳常数值被世界气象组织确定为: I0=(1367?7)W/m2 对于不是垂直照射的情况,到达水平面上的太阳辐射强 度与太阳常数之间存在着下面的关系: I= I0sinh (2-11) 式中,h为太阳高度角; I0为太阳常数;I为投射到大气上界 水平面上的太阳辐射强度。

1.6 太阳常数和太阳光谱
地球绕太阳的运行规律
?地球自转:地球绕着通过它本身南极和北极的“地轴” 自西向东转动。每转一周(360?)为一昼夜,一昼夜又分为 24h(实际一个恒星日为23小时56分4.0905秒),所以地球 每小时自转15?。 ?地球公转:地球绕太阳循 着偏心率很小的椭圆形轨道 (黄道)上运行,称为“公转”。 其周期为一年,一年为365天 (实际一个恒星年为365天6小时 6分9秒)。

1.6 太阳常数和太阳光谱
地球绕太阳的运行规律
地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)的法线倾 斜成23?27?的夹角(黄赤交角),而且地球公转时其自转轴 的方向始终不变,总是指向天球的北极。

图1-4 地球绕太阳运行及其影响

1.6 太阳常数和太阳光谱

1.6 太阳常数和太阳光谱
太阳的视运动
地球上人们观察到的太阳运动轨迹,称太阳视运动(The sun looks at motion),实质是相对运动。

图1-5a观察者在南纬或北纬35?时所观察到的太阳的视运动 (?是地球自转平面(赤道平面)与地球围绕太阳公转平面 (黄道平面)之间的夹角(?=23?27′=23. 45?) )

1.6 太阳常数和太阳光谱
1.6.2 太阳光谱

(1)太阳光谱的定 (2)光谱的分类

1.6 太阳常数和太阳光谱

1.6 太阳常数和太阳光谱
太阳辐射光谱
太阳发射的电磁辐射能量在大气上界随波长的分布,称 为太阳辐射光谱(能谱)。太阳以光辐射的形式将能量传 送到地球表面,但由于地 球大气层的存在,到达地 面的太阳光谱与大气上界 的太阳光谱有所不同,其 辐射光谱分布如图2-9所示。 图中阴影部分,表示太阳 辐射被大气所吸收的部分。
太阳辐射的光谱分布

1.6 太阳常数和太阳光谱
太阳辐射光谱
太阳辐射能量随波长的分布,称为太阳光谱(能谱)。 ?发射光谱:连续光谱;明线光谱 ?吸收光谱:太阳光谱属于吸收光谱。 ?地球上界的太阳辐射光谱: 波长0.15~4.0?m的光,99%; 0.4~0.76?m(可见光),40.3%; <0.4?m(紫外光),8.3%; >0.76?m(红外光),51.4%; 最大辐射能量波长,0.475?m.

太阳辐射的光谱分布

1.7 太阳高度角和方位角
1.7.1太阳高度角和方位角定义
太阳高度角,太阳中心直射到地面的光线与当地水平面 间夹角(h),表示太阳的高度,日出日落为0?,正午为90?。 太阳高度角是地面获得太阳能强弱的重要因素。太阳高度 角随纬度和时间变化,正午太阳高度角(h)计算公式: sinh=sin?sin?+cos?cos?cos?t 式中,?为观测点地理纬度;?为太阳赤纬角;?为地球自转 角速度;t为地方时。?可视为常数(15?/h),则有 sinh=sin?sin?+cos?cos?=cos(???) 太阳方位角,太阳光线在地平面上的投影与当地子午线 正南方的夹角(?),向西为正,向东为负,变化范围?180?; 它表示它表示太阳的方位,决定太阳光的入射方向。

1.7 太阳高度角和方位角
太阳的视位置,用太阳的高度角和方位角表示,如图1-9 所示。

图1-9 太阳高度角和方位角

1.7 太阳高度角和方位角
太阳角的定义 (与地平面呈?角的一 个倾斜面与太阳辐射的 几何关系)

Z-天顶;n-倾斜面法线;S-指向太阳的向量;?-倾斜面与水平面的夹角; ?z-天顶角,指向太阳的向量S与天顶Z的夹角;h-太阳高度角,指向太阳 的向量S与地平面的夹角;?-太阳方位角,指向太阳的向量S在地面上的 投影与南北方向线间夹角;?T-指向太阳的向量S与倾斜面法线n的夹角; ?n-法线n在地面上的投影与南北方向线的夹角

1.7 太阳高度角和方位角
太阳的时角
太阳的时角用? 表示,它定义为:在正午时?=0,每隔 1小时增15?,上午为正,下午为负。 例如: 上午11时,?=+15?; 上午8时, ?=15??(12?8)=60?; 下午1时, ?=-15?; 下午3时, ?=-15??3=-45?。

1.7 太阳高度角和方位角
太阳高度角、方位角、日照时间的计算
太阳赤纬角-库珀方程 太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角,以?表 示(见图2-8)。在一年当中,太阳赤纬每天都在变化,但 不超过?23?27?的范围。夏天最大变化到夏至日的+23?27?, 冬天最小变化到冬至日的?23?27?。 太阳赤纬按库珀(Cooper)方程计算 284 ? n ? ? ? ? δ ? 23.45 sin ? 360 ? ? 365 ? ? 式中,n为一年中从元旦算起的日期序号,如在春分,n=81, 则?=0。 自春分日起的第d天的太阳赤纬为 ? 2?d ? ? δ ? 23.45 sin ? ? ? 365 ?

1.7 太阳高度角和方位角
太阳赤纬角

一年中太阳赤纬角的变化规律

1.7 太阳高度角和方位角
(1)太阳高度角h 太阳中心直射到地面的光线与当地水平面间夹角(h),表 示太阳的高度。在天文学中,太阳高度角的计算公式为 sinh=sin?sin?+cos?cos?cos? (2-3) 式中,?为观测点地理纬度;?为当日观测时刻的太阳赤纬 角;?为观测时刻的太阳时角。其中单位均以度(?)计。 正午时,?=0,cos?=1,式(2-3)可简化为 sinh=sin?sin?+cos?cos?=cos(???) 因为cos(???)=sin[90??(???)],所以, sinh= sin[90??(???)] (2-4)

1.7 太阳高度角和方位角
(1)太阳高度角h 正午时,若太阳在天顶以南,即?>?,取sin[90?? (???)], 从而有 h=90??? ? ? 若太阳在天顶以北,即?<?,取sin[90?? (???)],从而有 h=90? ? ??? 在南北回归线上,有时正午时太阳正对天顶,则?=?, 从而有h=90?。 注意:地理纬度?,北半球取正值,南半球取负值;太阳 赤纬角?,太阳位于赤道以北时取正值,位于赤道时?=0, 位于赤道以南时取负值。

1.7 太阳高度角和方位角
(1)太阳高度角h 例1 计算夏至日南回归线上的正午太阳高度角。 解:夏至日正午太阳赤纬角? =23?27?; 南回归线纬度? = ?23?27?<?。 所以太阳高度角为 h=90?? (???)=90?? (? 23?27??23?27?)=43?06? 例2 计算春分日北极圈上的正午太阳高度角。 解:春分日正午太阳赤纬角? =0?; 北极圈纬度? = 66?33?>?。 所以太阳高度角为 h=90?? (???)=90?? (66?33??0?)=23?27?

1.7 太阳高度角和方位角
(2)太阳方位角 太阳光线在地平面上的投影与当地子午线正南方的夹角 (?),向西为正,向东为负,变化范围?180?;它表示它表示 太阳的方位,决定太阳光的入射方向。 由图2-8的几何关系,太阳方位角计算公式为 sinh sin ? ? sin ? cos? ? cosh cos? 也可用下式计算 cos ? sin ? sin ? ? cosh 根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间,利用上面式子中 任一个可以求出任何地区、任何季节某一时刻 的太阳方位角。

1.7 太阳高度角和方位角
(3)日照时间 太阳在地平线的出没瞬间,其太阳高度角h=0,若不考 虑地表面曲率及大气折射的影响,根据式(2-3),可得出 日出日没时角的表达式 cos??=?tan?tan? 式中,??为日出或日没时角,以度表示;正为日没时角, 负为日出时角。 对于北半球,当?1≤?tan?tan?≤+1,由式上式可得 ??=arccos(?tan?tan?) 因为cos??= cos(???),所以??出=???,??没=??。

1.7 太阳高度角和方位角
(3)日照时间 由前面式子可求得任何季节、任何纬度上的昼长。求出 时角??后,日出日没时间用 t ? ? ? 求出,一天中可能的 15 ? / h 日照时间T(昼长)可由下式给出

2 T ? ? arccos( ? tan ? tan δ) 15

1.7 太阳高度角和方位角
例2-3 计算上海地区9月22日中午12时和下午2时的太阳 高度角和方位角,以及该地区冬至日的日出日没时角及全 天日照时间。 解:①上海地区的纬度?=31.12?。 ② 9月22日距春分日的时间n=265,则当日的赤纬角为
284? n ? 284? 265? ? ? ? ? ? δ ? 23.45 sin? 360 ? ? ? 23.45 sin? 360 ? ? 365 ? 365 ? ? ? ③正午 ? ?012 .6?时的时角?=0?,下午2时的时角?=15?2=30?。 中午12时的太阳高度角:由于?>?,则 h=90???+?=90??31.12?+(?0.6?)=58.28?
?

1.7 太阳高度角和方位角
④下午2时的太阳高度角: Sinh=sin?sin?+cos?cos?cos? =sin31.12?sin(?0.6?)+cos31.12?cos(?0.6?)cos30? =0.7359 h=47.38? 下午2时的太阳方位角 cosδ sin ? cos(?0.6? ) sin 30? sin ? ? ? ? 0.738 ? cosh cos 47.38 由此可得?=47.6?。

1.7 太阳高度角和方位角
⑤ 冬至日的太阳赤纬角?=?23.45?,则 cos??=?tan?tan?=?tan31.12?tan(?23.45?)=0.2619 因此,上海地区冬至日的日出时角??出=?74.82?,日落时 角??没=74.82?,全天日照时间

?θ 2 74.82? T ? ? arccos(? tan? tanδ) ? 2 ? ? h ? 2 ? h ? 9.98h ? 15 15 15

1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射
到达地球表面上的太阳辐射能 到达地面的太阳辐射一部分以平行光的方式直接到达, 称为直接辐射;另一部分是太阳光线经大气散射,投射到 地面的称为散射辐射;直接辐射与散射辐射的总和为地球 接受到的太阳总辐射能量。

大气对太阳 辐射的影响

1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射
(1)影响地球表面上太阳辐射能的因素 ①天文因素:日地距离;太阳赤纬角;太阳时角。 ②地理因素:地理位置;海拔高度。 ③物理因素:大气透明度;接受太阳辐射面的表面物理 化学性质,包括表面涂层性质。 ④几何因数:接收太阳辐射面的倾斜度和方位角。

大气对太阳 辐射的影响

1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射
(2)大气层对太阳辐射的衰减作用—大气衰减 大气衰减在于大气层中的各种气体、水滴、尘埃等杂质 对太阳光的作用,形成大气层对太阳光线是一种不透明介 质,主要衰减作用: ①吸收作用; ②散射作用; ③漫反射作用。 大气衰减与太阳光线 经过大气的路径长短有 关,路径越长,衰减越 厉害。 (与太阳高度相关) 大气对太阳辐射的影响

1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射
(3)大气质量m 为了能够方便地研究太阳辐射受地球大气衰减作用的影 响,将太阳辐射通过大气的厚度称为大气质量(air-mass, AM),其确切定义是:太阳光线通过大气的实际距离与大 气的垂直厚度之比,它是一个无量纲的量,用m表示。

大气质量示意图

1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射
海平面上太阳光线垂直入射(太阳高度角h=90?)时, m=1,记为AM1;大气层上界的大气质量m=0(AM0); m=1.5,写成AM1.5,表示太阳光线通过大气的实际距离为 大气垂直厚度的1.5倍。 大气质量越大,说明太阳光线经过大气的路径越长,受 到的衰减越多,到达 地面的能量就越少 。 大气质量计算公式

1 AM ? sec ? z ? sinh
h:太阳高度角 θz:天顶角
大气质量示意图

1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射
落在倾斜表面上的辐射 落在水平面上的直射成分S需要转换成在相对水平面倾角 为?的斜面上的直射成分S?,如图所示。 h=?=90????? ?-南半球纬度,适用于 位于南半球,朝北的太 阳能组件; h=90??+? ?-北半球纬度,适用于 位于北半球,朝南的太 阳能组件。

S ? sin( h ? β ) Sβ ? sin h

光线落在与水平面成?角的斜面上

1.12 太阳能辐射强度

1.13 日照时间和日照时数
2.平均日照时数和峰值日照时数 ?日照时间是指太阳光在一天当中从日出到日落实际的 照射时间。 ?日照时数是指在某一地点,一天当中太阳光达到一定 的辐照度(一般以气象台测定的120W/m2为标准)时开始 记录,直到小于此辐照度时停止记录,期间所经过的小时 数。日照时数小于日照时间。 ?平均日照时数是指某一地点一年或若干年的日照时数

总和的平均值。例如,某地1985年到1995年实际测量的年 平均日照时数是2053.6h,日平均日照时数就是5.63h。

1.13 日照时间和日照时数
?峰值日照时数是指将当地的太阳辐射量,折算成标准 测试条件(辐照度1000W/m2)下的时数。 峰值日照时数=斜面日辐射量/3600(h)

1.14 太阳辐射能量转换关系
太阳能辐射量
太阳在单位时间内以辐射形式发射出的能量称太阳的辐 射功率,也叫辐射通量,单位是瓦特(W=J/s);投射到单位 面积上的辐射通量叫辐照度,单位是瓦/米2(W/m2);从单位 面积上接收到的辐射能称为曝辐射量,单位为焦耳/米2 (J/m2); 在一段时间内(如每小时、日、月、年等)太阳 投射到单位面积上的辐射能量称为辐照量,单位是千瓦时 /(平方米?日(月、年))(kW?h/(m2?d(m、y))。 单位换算: 1kW?h=3.6MJ 1cal=4.1868J=1.1627mW?h 1MJ/m2=23.889cal/cm2=27.8mW?h/cm2 1kW?h/m2=85.98cal/cm2=3.6MJ/m2=100mW?h/cm2

1.15 我国太阳能资源
我国的太阳能资源
1.太阳能资源分布 我国陆地每年接受的太阳能辐射量约为5.02× 1022J,相 当于1.7万亿吨标准煤的能量(标准煤的燃烧值:国标,

29305kJ/kg;行业标准,29271kJ/kg),数量是非常巨大
的。全国各地太阳年辐射总量达3350~8370MJ/m2,中值为 5860MJ/m2。

1.15 我国太阳能资源
年辐射总量:3350~8370MJ/m2,但不稳定。

(1)一类地区:日照3200~3300h/a;辐射量(6700~8370) MJ/(m2· a) ,相当于225~285kg标煤燃烧能量。 (2)二类地区:日照3000~3200h/a;辐射量(5860~6700) MJ/(m2?a) ,相当于200~225kg标煤燃烧能量。 (3)三类地区:日照2200~3000h/a;辐射量(4950~5680) MJ/(m2?a),相当于170~200kg标煤燃烧能量。 (4)四类地区:日照1400~2200h/a;辐射量(4190~5020) MJ/(m2?a) ,相当于140~170kg标煤燃烧能量。 (5)五类地区:日照1000~1400h/a;辐射量(3350~4200) MJ/(m2?a) ,相当于115~140kg标煤燃烧能量。

1.15 我国太阳能资源

中国太阳能资源分布(单位:100MJ/m2?a)

1.15 我国太阳能资源

中国太阳能资源分布

作业:1,6,13.


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