太阳能发电原理及科学应用讲座太阳能

1、太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 第四章 太阳辐射 1. 太阳概况 太阳是一个巨大的炽热的气体球,其内部不 断进行着热核反应,因而释放巨大的能量。 太阳的直径约为139,比地球的直径大109.3 倍。 太阳的体积约1.4122107km3,比地球的体 积大130。 太阳与地球的平均距离约1.5亿公里。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 太阳外貌 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 太阳的表面温度约57000C,中心高达2107 0C,压力约为2000多亿个大气压。 太阳的质量约1.98921027 t,相当于地球 质量的333400倍。 太阳的平均密度为1.41g/cm3,仅为地球密

2、 度的1/4。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 太阳每秒钟释放出的能量是3.8651026J， 相当于每秒钟燃烧1.321016标准煤所发出 的能量。 太阳发出的能量大约只有1/22亿到达地球， 大约为173104亿KW。其中被大气吸收大约 19%；被大气和尘粒反射回宇宙空间大约30%； 穿过大气到达地球表面的太阳辐射能约占 51%(81104亿KW) 。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 太阳能量在大气层中的吸收 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 到达陆地表面大约只有17 104亿KW， 只占到达地球范围内太阳辐射能的10%。 17 104亿KW的能量相当于全球一年内 消耗总能

3、量的3.5万倍。 被植物吸收的仅占0.015% ，被人类作为 燃料和食物的仅占0.002%。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 2. 太阳辐照度 单位时间内,太阳以辐射形式发射的能量称为 太阳辐射功率或辐射通量,单位是瓦(W)。 太阳投射到单位面积上的辐射功率(辐射通量) 称为辐射度或辐照度,单位是瓦/平方米(W/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射量或 辐照量,单位是千瓦时/平方米日(月、年) 。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 由于历史的原因，有时还用到不同的单位 制，需要进行单位换算: 1kwh = 3.6MJ 1卡 = 4.

4、1868J = 1.16278mwh 1MJ/m2 = 23.889卡/cm2 = 27.8mwh/ cm2 1kwh/m2 = 85.98卡/cm2 = 3.6MJ/m2 =100mwh/ cm2 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 3. 日地运动 地球绕地轴自西向东旋转，自转一周即一昼 夜24小时。 地球同时绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨 道(常称黄道)上运行，称为公转，周期为一年. 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 地球公转 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 日地运动 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面) 的法线倾斜成23027夹角，而

5、且在地球公转 时自转轴的方向始终指向天球的北极，这就 使得太阳光线直射赤道的位置有时偏南，有 时偏北，形成地球上季节的变化。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 4.天球坐标 人们站在地球表面，仰望天空，平视四周所看 到的这个假想球面。按照相对运动原理，太 阳好象在这个球面上周而复始地运动。 要确定太阳在天球上的位置，最方便的方法 是采用天球坐标。 常用的天球坐标有赤道坐标系和水平坐标 系两种。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (1).赤道坐标系 是以天赤道QQ为基本圈，以天子午圈的交 点Q为原点的天球坐标系， PP 分别为北天 极和南天极。通过PP 的大园都垂直于天赤 道。显然，通过

6、P和球面上的太阳(S)的半园 也垂直于天赤道,两者相交于B点。 在赤道坐标系中，太阳的位置S由下列两个 坐标决定: 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 QQ P P( 北天极) 天赤道B S O 赤道坐标 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 a. 时角 相对于圆弧QB，从天子午圈上的Q点起算 (即从太阳的正午起算)，顺时针方向为正；逆 时针方向为负。即上午为负；下午为正。通 常以表示，它的数值等于离正午的时间(小 时)乘以150。 b. 赤纬 相对于圆弧，从天赤道起算，通常以表示。 对于太阳来说，春分和秋分日的 =00,向北天 极由00变化到夏至日的+23027；向南天极由 00变化到冬至

7、日的23027。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 太阳赤纬可用Cooper方程近似计算: 其中: n为一年中的日期序号，如元旦为n =1， 春分为n = 81。 例题1. 计算9月22日的赤纬. 解 : 9月22日时， n = 265，代入上式得: =-0.60 与地区无关。 365 284 360sin45.23 n 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (2). 地平坐标系 是人在地球上观看空中的太阳相对于地平面 的位置。这时，太阳相对地球的位置是相对 于地平面而言的。通常用高度角和方位角两 个坐标决定。 在某个时刻，由于地球上各处的位置不同， 因而各处的高度角和方位角也不相同。 太

8、阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 S 南 西 东 太阳 Q O g P Z Z S S S S 地平坐标 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 a. 天顶角Z 太阳光线OP与地平面法线QP之间的夹角。 b.高度角s 太阳光线OP与其在地平面上投影线pg之间的夹 角,它表示太阳高出水平面的角度。常用s表示 高度角与天顶角的关系是: Z+ s =900 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 c. 方位角s 太阳光线在地平面上投影和地平面上正南方 向线之间的夹角s。它表示太阳光线的水平 投影偏离正南方向的角度。 取向南方向为起始点，向西(顺时针方向 ) 为正，向东为负。 太阳能发电原理及科学应用讲

9、座太 阳能 5. 太阳角的计算 (1).太阳高度角的计算 高度角和纬度、赤纬及时角的关系是: 太阳正午时， = 0，可简化为: 当正午太阳在天顶以南，即时: s= 900+ 当正午太阳在天顶以北，即时: s= 900+=900 31. 120 +(0.60)=58.280 下午3时的太阳高度角: sins=sin31.12sin(0.6) +cos31.12cos (0.6)cos45=0.5998 s = 36.860 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (2). 方位角s的计算 方位角与赤纬、高度角、纬度及时角的关系 是: coscos sinsinsin cos s s s s s c

10、os sincos sin 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 例题3. 计算上海地区9月22日14时的太阳方位 角s 解: 由例题1可知: =0.60， =31.120， =215=300 先求高度角: sin s = sin31.12sin(0.6) +cos31.12cos (0.6) cos30 = 0.7359 s = 47.380 代入: s = 47.600 7384. 0 38.47cos 30sin)6 . 0cos( sin s 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (3). 日出日落时角0 日出日落时太阳高度角为0，可得到: c o s 0 = tantan 由于 c

11、o s 0 = c o s ( 0 ) 0日出 = 0 ； 0日落 = 0 以度表示，负值为日出时角，正值为日落时 角。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (4). 日照时间N 由于地球每小时自转150，所以日照时间N 可以用日出日落时角的绝对值之和除以150/小 时。 )tantanarccos( 15 2 15 00日出日落 N 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 例题4. 计算上海地区在冬至的日出日落时角 及全天日照时间。 解: 上海的=31.120 ,冬至日的太阳赤纬 = 23.450,代入公式得: cos0= tantan = tan31.12tan( 23.45) = 0.2

12、619 0 = 74.820 全天日照时间 N = 274.82/15 = 9.98小时 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (5). 日出日落时的方位角 日出日落时太阳高度角为s= 0 所以: coss= 1； sins= 0 代入: cos s,0 = sin/sin 上式得到的日出日落时的方位角都有两组解， 因此必须选择一个正确的解。我国所处位置 大致可划分为北热带(023.450)和北温带 (23.45066.550)两个气候带。当太阳赤纬00 时，太阳升起和降落都在北面的象限(即数学 上的第一，二象限) ；00时,太阳升起和降落 都在南面的象限(即数学上的第三，四象限) 。 太阳能

13、发电原理及科学应用讲座太 阳能 例题5. 求上海地区9月22日日出日落的方位 角及全天日照时间:. 解:由以上例题已知:上海地区的=31.120 , 9月22日太阳赤纬:=-0.60 代入: cos s,0 = -sin/sin = - sin(-0.60)/sin31.120 = 0.01223 s,0 = 89.300;或 s,0 = - 89.300 s,0出 =- 89.300; s,0落 = 89.300 全天日照时间: 小时 91.11 15 30.8930.89 N 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 6. 大气层外的太阳辐射 (1)太阳常数 在平均日地距离上，在地球大气层上界

14、， 垂直子于太阳光线的平面上，单位时间内在 单位面积上所获得太阳辐射能的数值。 根据1981年10月在墨西哥召开的世界气象 组织仪器和观测方法委员会第8届会议通过的 最新数值: Isc = 13677w/m2 实际上一年中日-地距离是变化的，因此Isc的 值也稍有变化。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (2). 到达大气层上界的太阳辐射 大气层上界水平面上的太阳辐射日总量H0可 以用下式计算: 其中: Isc 太阳常数 0 日出日落时间 太阳赤纬 日-地距离变化引起大气层上界 的太阳辐射通量的修正值: )coscoscossinsin( 24 000 sc IH 365 2 cos034

15、. 01 n 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (3). 大气质量 m 太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在 天顶方向垂直时的路径之比。并假定在1个标 准大气压和00C时，海平面上太阳光线垂直入 射时的路径为1。 因此大气层上界的大气质量 m=0。太阳在其 他位置时，大气质量都大于1。 大气质量越大，说明光线经过大气的路径越 长，受到衰减越多，到达地面的能量就越少。 例如此值为1.5时，通常写成AM1.5。 大气层上界为AM0。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 地面上的大气质量计算公式为: m = cosz= 1/sins 其中: z 太阳天顶角; s 太阳高度角 太阳能发电原理及

16、科学应用讲座太 阳能 7. 到达地表的太阳直接辐射 (1). 大气透明度 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。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。在天 空中云雾或风沙灰尘多，大气透明度低，到 达地面的太阳辐射能就少。 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 根据布克-兰贝特定律，波长为的太阳辐射I,0， 经过厚度为dm的大气层后，辐射衰减为: 将上式积分得: 式中: I,n到达地表的法向太阳辐射光谱强度 I,0大气层上世界的太阳辐射光谱 强度 C 大气的消光系数 m 大气质量 mc n eII 0 , dmICdI n0, 太阳能发电原理及科学应用讲座太

17、 阳能 上式也可写成: 式中: 称为单色光谱透明度 将上式从波长0到的整个波段积分,就可 得到全色太阳辐射: m n PII 0, c eP dPII m n 0 0, 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 采用整个太阳辐射光谱范围内的单色透明度 的平均值,上式积分后为: 或: 式中: Pm 复合透明系数 日-地距离修正值 m mscn PII m sc n m I I P 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (2). 到达地表的法向太阳直接辐射强度 为了比较不同大气质量情况下的大气透明度， 必须将大气透明度订正到某个给定的大气质 量。例如将大气质量为m的大气透明度Pm值订 正到大气质量为2

18、的大气透明度P2。 式中: 日-地变化修正值. Isc 太阳常数. 订正到m =2时的Pm值. m scn PII 2 m P 2 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (3). 水平面上太阳直接辐射 c In z s I b B 水平面 A 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 由于太阳直接辐射入射到AC和AB平面上的 能量是相等的。 式中: Ib水平面上直接辐射量 s 太阳高度角 z 太阳天顶角 因此: znsnb IIIcossin s m mscb PIIsin 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 水平面上的日总辐射量 将上式从日出到日落的时间内积分,得到: 式中:Hb为水平面直接辐

19、射日总量.将式中的dt 改用时角表示,即: ,则有: 式中: T 昼夜长(一天为1440分钟); 0 日出日落时角 dPI T H m mscb )coscoscossin(sin 2 0 dtPIdtPIH s t m mscs m m t scb sinsin 00 d T dt 2 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (4). 倾斜面上的太阳直接辐射通量 IT,b / In = cos T IT,b = In cos T 其中: T为倾斜面上 的太阳光线入射角 In IT,b 水平面 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (4). 倾斜面上的太阳直接辐射通量 式中: 倾斜面与水平面之间

20、的夹角 地理纬度 太阳赤纬 时角 n倾斜面的方位角 cossincossin coscoscossinsinsincossinsin coscoscossinsin(cos , n nn nbT II 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (5).倾斜面和水平面上直接辐射通量的比值Rb 水平面上的太阳辐射通量为: 倾斜面的太阳辐射通量为: 倾斜面和水平面上直接辐射通量的比值: TnbT IIcos , znb IIcos z T zn Tn b bT b I I I I R cos cos cos cos , 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 由天顶角: 对于朝向赤道的倾斜面,可以得到倾斜

21、面上太 阳光线的入射角: 代入得到: coscoscossinsin sin)sin(coscos)cos( b R coscoscossinsincos z coscoscossinsincos z sin)sin(coscos)cos(cos T 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (6). 倾斜面上的散射辐射 式中: IT,d倾斜面上散射辐射通量 Id 水平面上散射辐射通量 倾斜面与水平面之间夹角(倾角) ddT II 2 cos1 , 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 (7).太阳总辐射量 太阳总辐射量是到达地表水平面上的太阳 直接和散射辐射的总和 I = Ib+ Id 式中: I 太阳总辐射量 Ib 水平面上的直接辐射通量 Id 水平面上的散射辐射通量 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 到达倾斜面上太阳总辐射量的月平均值 式中: 倾斜面上总辐射日总量的月平均值 水平面上直接辐射日总量的月平均值 水平面上散射辐射日总量的月平均值 倾斜面与水平面上的直接辐射日总量月 平均值之比 ) 2 cos1 )( 2 cos1 dbdbbT HHHRHH b H d H b R T H 太阳能发电原理及科学应用讲座太 阳能 Klien S A，Theilacker J C 在1981 年发表的计算方法： 其中: 倾斜面上的太阳总辐照