倾斜面上的太阳辐射强度的计算

1、建筑工程学院市政工程系 27-Jun-211 太阳能利用太阳能利用 第一章 太阳辐射 27-Jun-21 2 1 11 1、地球的自转与公转、地球的自转与公转 1、基本概念 v地球的自转：地球绕地轴不断地自西向东旋转，其周期为24h。 由于地球的自转，产生昼夜交替的现象。 v黄道平面：地球绕太阳运行的轨道平面。地球自转轴与黄道 平面法线的夹角为2327。 27-Jun-21 3 v地球的公转：由于地球自转轴与黄道平面法线的夹角为 2327 ，并且地球的自转轴在公转时在空间的方向始终保持 不变，使得太阳光线有时直射赤道，有时偏南，有时偏北，从 而形成地球上季节的变化。 1 11 1、地球的自转与

2、公转、地球的自转与公转 春分（321）：太阳直射赤道冬至（1221）：太阳直射南回归线 夏至（621）：太阳直射北回归线 秋分（921）：太阳直射赤道 27-Jun-21 4 1 12 2、太阳角、太阳角 121、赤纬角 定义：地球中心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角。它与所 在地区无关，仅由日期决定： 365 284 360sin45.23 n 式中：赤纬角 n为一年中的日期序号。 27-Jun-21 5 122、时角 定义：每小时地球自转的角度为15，因此可采用一天中地球自转的角 度来表示时间。用来表示时间的地球自转的角度称为时角，并规定正午 时角为零，上午时间取负，下午时角为正。 v真

3、太阳时H 的规定： 以当地太阳位于正南向的瞬时为正午。 v时差e: 真太阳时与钟表指示时间（平太阳时）之间的差值。 时差产生的原因：（1）太阳与地球之间的距离和相对位置随时间变化。 （2）地球赤道平面与黄道平面成一定的夹角（ 2327 ）。 1 12 2、太阳角、太阳角 27-Jun-21 6 1 12 2、太阳角、太阳角 v全年各日的时e（单位，min）可用下式近似计算： BBBesin5 . 1cos53. 72sin87. 9 3651, 364 81360 n n B v各月21日的时差e 27-Jun-21 7 v真太阳时H与地区标准时Hs的换算： 1 12 2、太阳角、太阳角 式中

4、：Hs该地区标准时，单位为h； L当地的经度，单位为； Ls当地地区标准时所根据的经度，单位为； 对于东半球，取正，对于西半球，取负。 6015 eLL HH s s 27-Jun-21 8 例1：计算昆明地区东经102的地方6月21日真太阳时与 北京时间的关系。 v对于6月21日：e1.4; v北京时间依据东经120 所规定的，即Ls120； 1 12 2、太阳角、太阳角 18. 1 60 4 . 1 15 120102 ss HHH 因此： 27-Jun-21 9 1 12 2、太阳角、太阳角 123、太阳高度角h 定义：地球表面上某点与太阳的连线与地平面之间的夹角。可由 下式计算： 地平

5、面 南向 天顶 太阳 h z coscossinsinsinh 式中：当地纬度，单位为； 赤纬角，单位为 ； 太阳时角，单位为 27-Jun-21 1 0 v可见：太阳高度角h 随地区随地区、季节季节及每日时刻每日时刻的变化而变化。 1 12 2、太阳角、太阳角 124、天顶角Z 定义：地球表面上某点水平面的法线与太阳光线的夹角。可由下 式计算： 地平面 南向 天顶 太阳 h z hz 90 27-Jun-21 11 1 12 2、太阳角、太阳角 125、太阳方位角 定义：太阳至地面上某给定点 的连线在水平面上的投影与正 南向（当地子午线）的夹角。 规定：偏东为负，偏西为正偏东为负，偏西为正。

6、 天顶 太阳 h z 地平面 南向 27-Jun-21 1 2 1 12 2、太阳角、太阳角 太阳方位角可由下式计算： cosh sincos sin 当采用上式计算出的sin 大于大于1时，太阳方位角改用 下式计算： coscosh sinsinsinh sin 27-Jun-21 1 3 1 12 2、太阳角、太阳角 27-Jun-21 1 4 1 12 2、太阳角、太阳角 126、任意平面上的太阳入射角i v任意表面的倾斜角 定义：任意倾斜面与水平面之间的 夹角。 地平面 南向 天顶 太阳 z 倾斜面法线 对于水平面：0 对于垂直面：90 27-Jun-21 1 5 1 12 2、太阳角

7、、太阳角 v任意表面的方位角 定义：任意倾斜面的法线在水平面 上的投影与正南方向线的夹角。规定： 面向东时为负，面向西时为正面向东时为负，面向西时为正。 南向 z 太阳 天顶 地平面 倾斜面法线 27-Jun-21 1 6 1 12 2、太阳角、太阳角 v太阳入射角i 定义：太阳入射线与平面法线之间的夹角。 太阳入射角 i 可由下式计算： )cos(coshsinsinhcoscosi 式中：斜面倾角，单位为； 太阳方位角，单位为 ； 斜面方位角，单位为; h 太阳高度角。 地平面 南向 天顶 太阳 i 倾斜面法线 27-Jun-21 1 7 1 12 2、太阳角、太阳角 几种特殊的情况： v

8、对于水平面，0，则： v对于垂直面，90，则： v对于面向正南的倾斜面， 0，则： sinhcos i )cos(coshcosi sin)sin(coscos)cos(cosi 27-Jun-21 1 8 1 12 2、太阳角、太阳角 127、日出、日没时角 定义：太阳视园面中心出没地平线瞬间的时角，亦即太阳高度 角为0时的时角。 令 sinh0 )tantan(cos 1 0 coscossinsinsinh 则： v式中：正值对应日落时角，负值对应日升时角。 27-Jun-21 1 9 例2：计算昆明地区北纬25的 地方7月21日的日照时间。 v对于7月21日： 23.44 ; v北纬2

9、5的 地方：25； 1 12 2、太阳角、太阳角 )tantan(cos 1 0 0 0 01.100 则日照时间T： hT33.13 15 01.100 2 15 2 0 365 284 360sin45.23 n 27-Jun-21 2 0 1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算 131、直射辐射、散射辐射和总辐射 基本概念 v散射辐射：经过大气和云层的反射、折射、散射作用改变了 原来的传播方向达到地球表面的、并无特定方向的这部分太阳辐 射。 v直射辐射：未被地球大气层吸收、反射及折射仍保持原来的 方向直达地球表面的这部分太阳辐射。 v总太阳辐射：散射辐射与直射辐射的总和。 27

10、-Jun-21 2 1 1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算 132、太阳常数 定义：太阳与地球之间为年平均距离时，地球大气层上边界处， 垂直于太阳光线的表面上，单位面积、单位时间所接受的太阳 辐射能，以I0 表示。 v最新测量结果表明：I01367 W/m2。 27-Jun-21 2 2 1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算 各月大气层外边界处的太阳辐射强度变化 月份月份123456789101112 I0 Wm-2 141914071391136713471329132113281343136313851406 v最大月与最小月相差约7。 为什么1月份的太阳能常数最

11、大，而我国1月份的气温 却较低？ 27-Jun-21 2 3 1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算 133、大气质量m 定义：太阳光线穿过地球大气层的路程与太阳在天顶位置时光 线穿过地球大气层的路程之比。完全不同于通常所说的完全不同于通常所说的“质质 量量”。 地球平面 天顶 大气层 m=1 h m=1/sinh v规定：在海平面上，当太阳处 于天顶位置时，太阳光线垂直照 射所通过的路程为1。 忽略地球曲率的的影响，大气质量 m由下式计算： sinh 1 m 27-Jun-21 2 4 1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算 134、晴天地球表面的太阳辐射强度计算 基本概

12、念 v法向太阳辐射强度IDN：与太阳光线相垂直的表面上（即太 阳光线法线方向）的太阳直射辐射强度。 式中：I0垂直与大气层外边界处的太 阳辐射强度； P大气透明系数 ； m 光线透过的大气质量。 m DN PII 0 h IDN 水平面 27-Jun-21 2 5 1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算 v水平面直射太阳辐射强度IDH 水平面h IDN o A BIDH OBIABI DHDN sinhsinh 0 m DNDNDH pII OB AB II 在直角OAB中，有： 27-Jun-21 2 6 1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算 v水平面散射辐射强度IdH

13、 p p II m odH ln4 . 11 1 sinh 2 1 v水平面上的总辐射强度IH P P PIIII m m dHDHH ln4 . 112 1 sinh 0 27-Jun-21 2 7 1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算 135、任意倾斜面上的太阳辐射强度计算 式中：ID倾斜面上太阳直射辐射强度； Id倾斜面上太阳散射辐射强度； IR倾斜面上所获得的地面反射辐射强度。 RdD IIII v倾斜面上的总辐射强度I 27-Jun-21 2 8 直射辐射 倾斜面 水平面 ID IDN i h IDH 倾斜面法线 o A B C 1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算 v倾斜面上太阳直射辐射强度ID iII DND cos 在直角OAB中，有： 在直角OAC中，