第2章太阳与太阳能

1、第2章 太阳与太阳能太阳概况太阳概况日地运动日地运动天球坐标天球坐标太阳辐射量太阳辐射量- 基本参数- 基本结构- 大气层外的太阳辐射- 到达地表的太阳辐射照度- 地表倾斜面上太阳辐照量计算主要主要内容内容太阳与地球相对运动的特点和规律- 赤道坐标系- 地平坐标系-太阳角、日照时间的计算第2章 太阳与太阳能掌握了解 一、太阳概况 半径： R=6.96 105 km (地球的109倍）； 体积：1.4122107 km3(地球的130万倍）； 质量：约为1.991027t（地球质量的33万倍）； 平均密度：1.409g/cm3(比水大一些，约为地球密度的1/4)；160g/cm3(核心，比钢的密

2、度还大近20倍)； 温度：5700(表面)，2107 (核心)； 一、太阳概况 中心压强：2000多亿个大气压； 日地平均距离：1.5108km； 太阳光到达地球表面时间：约818； 年龄：约50亿年；寿命：100亿年。 一、太阳概况里三层太阳内部核反应区、辐射区、对流区外三层太阳外部光球层、色球层、日冕层太阳大气分层并不严格，实际是连续变化的 一、太阳概况色球层日冕层 二、日地运动国际大地测量与地球物理联合会（1980） 赤道半径：6378.137km； 两极半径：6356.752km； 平均半径：6371.012km； 扁率：1/298.257； 赤道周长：40075.7km； 子午线周长

3、：40008.08km； 表面积：5.101108km2 ； 体积：10832108km3； 二、日地运动地球绕太阳循称为黄道的椭圆形轨道（长轴1.52108km，短轴1.47108km，平均日地距离1.496108km）公转。地球的自转轴与公转运转运行的轨道面（黄道面）的法线倾斜成23.27夹角。 南、北回归线 二、日地运动 二、日地运动太阳的视运动（地球上人们观察到的太阳运动轨迹）利用相关的天文学公式可以算出任意时间太阳在天空中的位置，对预测太阳能光伏电池组件附近物体的遮光效应特别有用观察者在南纬35时所观察到的太阳的视运动？思考题？思考题 二、日地运动太阳的视运动（地球上人们观察到的太阳

4、运动轨迹）看动画演示 三、天球坐标地理坐标系地理坐标是表明地球上某一位置（M点）的坐标系。它以地球为基本圈，以地心为原心，以地球的自转轴为中心轴，用纬度和经度表示地球上该点的位置。在地理坐标上，地轴与地球表面的两个交点分别称为南极、北极；由地心做垂直于地轴的大圆的圆周线称为地球的赤道； 三、天球坐标地理坐标系纬度：由地球上任意点做平行于赤道的圆周线称为地理坐标的纬度线纬度；经度：由地球上任意点过南北极，做垂直于赤道的圆周线称为地理坐标的经度线（子午线）经度L； 三、天球坐标天球坐标系天球坐标是表明太阳所处位置（S点）的坐标系。由于天球以地球的地心作为球心，它实质就是套在地球外面的一个以日-地平

5、均距离为半径的同心大球。天球坐标系上许多物理量都和地理坐标系上的定义相对应，通过延长或平行放大的方式即可直接获得。 三、天球坐标天球坐标系赤道天赤道；南北极南北天极；地轴天轴；纬度赤纬度；子午线天子午线天球坐标系分赤道坐标系和地平坐标系 三、天球坐标赤道坐标系和地平坐标系的关系由地球上任意观察点到地心的铅直线，向上延伸至天球的交点称为天顶，它处于观察者的头顶上方；天球上与天顶方向相反的对称点称为天底，它处于观察者的脚底下方；经过地心O做与ZZ间连线相垂直的大圆平面称为真地平，地平坐标以真地平为基本圈，赤道坐标以赤道为基本圈 两者互差一个角度（只有在南北极点，两者才重合）地平赤道不同地点的地平圈

6、不同，即地平坐标随观测地点而异。但天赤道是唯一的 三、天球坐标赤道坐标系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，P、P分别为北天极和南天极。通过P和球面上的太阳（S）的半圆与天赤道的交点为B。 三、天球坐标赤道坐标系在赤道坐标系中，太阳的位置S由时角h和赤纬角两个坐标决定。时角h ：相对于圆弧QB，从Q点（太阳的正午）算起，顺时针方向为正，逆时针方向为负，即上午为负，下午为正。赤纬角：太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹角。 三、天球坐标时角h 、赤纬角的计算时角 h ：数值等于离正午的时间（小时）乘以15例：计算上海地区上午9点和下午4点的时角。解：以上海地区正

7、午12时的时角（ h =0）为基准 上午9点时角： h =（9-12）15=-45； 下午4点时角： h =（16-12）15=+60注意：不同地区以当地正午12点时刻为基准点 三、天球坐标时角h 、赤纬角的计算赤纬角：对于太阳来说，春分日和秋分日的=0，向北天极由0变化到夏至日的+23.45；向南天极由0变化到夏至日的-23.45。赤纬角是时间的连续函数，其变化率在春分日和秋分日最大，大约是一天变化0.5。赤纬角仅仅与一年中的哪一天有关，而与地点无关，即同一天地球上任何位置的赤纬角都是相同的。 三、天球坐标时角h 、赤纬角的计算例：计算9月22日的赤纬角。解：9月22日，n=265，代入库珀

8、方程得28426523.45 sin 360365 28423.45 sin 360,365nnn，元旦为 =1为一年中的日期序号库珀(Cooper)方程 三、天球坐标时角h 、赤纬角的计算更精确的算法：3124123423.45 sin2NNNN式中：N1=92.975为从春分日到夏至日的天数；1为从春分日开始计算的天数；N2=93.629为从夏至日到秋分日的天数；2为从夏至日开始计算的天数；N3=89.865为从秋分日到冬至日的天数；3为从秋分日开始计算的天数；N4=89.012为从冬至日到春分日的天数；4为从冬至日开始计算的天数； 三、天球坐标地平坐标系以真地平为水平基本圈，以天顶Z为基

9、本极，以天子午线和真地平线的交点S（南点）为原点的天球坐标系。在地平坐标系中太阳S的位置用太阳天顶角z （或高度角）和太阳方位角s这两个具有相互垂直关系的角度或圆弧标定。 三、天球坐标地平坐标系天顶角z ：地心与太阳中心连线与地心到天顶连线之间的夹角高度角 ：地心与太阳中心连线与其在真地平面上的投影线之间的夹角方位角s ：地心到南点的连线与上述投影线之间的夹角 三、天球坐标太阳运行轨迹及太阳角度示意太阳运行路径涉及太阳赤纬角、地面观察点的纬度、太阳时角h、太阳高度角和太阳方位角s等变量，它们分别决定了计算对象所处的日期、地区、时间及太阳所在的位置。 三、天球坐标高度角、方位角s、日照时间N 的

10、计算 高度角：太阳正午时：h=0，上式可简化为：当，即正午太阳在天顶以南时：当0（夏半年）时，太阳升起和降落都在北面的象限（第一、二象限）；，则正午12时 ， ；下午2时的太阳高度角： sin=sin31.12sin(0.6)+cos31.12cos(0.6)cos30=0.7359 =47.38； 0.6 高度角、方位角s、日照时间N 的计算 三、天球坐标909031.12( 0.6 ) 58.28+ 下午2时的太阳方位角： 由此可得s=47.6； 冬至日的太阳赤纬角=23.45，则 coshtantantan31.12tan(23.45)0.2619 因此，上海地区冬至日的日出时角hr=7

11、4.82，日落时角hs= 74.82，全天日照时间： 高度角、方位角s、日照时间N 的计算 三、天球坐标hscos sincos( 0.6 )sin30sin0.738coscos47.38274.82arccos( tantan )29.981515T小时 补充内容：光伏电池板安装角度的设定课后作业如何计算光伏阵列附近建筑物的阴影长度？“遮光效应”赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，袁立强. 太阳能光伏发电及其应用. 北京：科学出版社，2005. P55-57 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）； 6.571011kg/s 氢 6

12、.531011kg/s 氦 质量亏损m=0.41010kg/s 能量转换E=mc2 =3.901023kW 总辐射功率：3.8651026J/s (相当于1.321016t标煤能量/s); 地球上界（地球大气层上边缘）辐射能1.771014kW(二十二亿分之一 )； 最后到达地球表面辐射能：8.51013kW (大气衰减)，相当于全世界发电量的几十万倍； 四、太阳辐射量太阳辐射能概况到达地球表面的太阳辐射能大体转化为三部分： 第一部分转变为热能，使地球的平均温度大约保持在14，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501016km3的降水量，其中大部分

13、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 。 四、太阳辐射量太阳辐射能的转化 四、太阳辐射量地球上的能流图太阳辐射太阳辐射173000 单位：单位：106 MW短波的直接反射短波的直接反射52000直接转换为直接转换为热能热能81000121000长波辐射长波辐射40000光合作用光合作用40化石燃料化石燃料风、波浪风、波浪370蒸发、降雨蒸发、降雨39590衰变衰变潮汐潮汐3地热地热32 单位时间内，太阳以辐射形式发射的

14、能量称太阳辐射功率或辐射通量，单位是瓦特(W=J/s)； 太阳投射到单位面积上的辐射通量叫辐照度或辐射度，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照量，单位是千瓦时/(平方米日(月、年) (kWh/(m2d(m、y)； 四、太阳辐射量太阳辐射量的度量单位换算：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，定义为将1克水在1大气压下提升1所需要的热量。卡路里（calorie）是能量单位，现在仍被广泛使用在营养计量和健身手册上 四、太阳辐射量太阳辐射量的度量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有所不同。 四、太阳辐射量太阳辐射光谱意义 四、太阳辐射量太阳辐射光谱紫外光谱、可见光谱、红外光谱？思考题？思考题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

16、与散射辐射的总和为地球接受到的太阳总辐射能量。 四、太阳辐射量到达地球表面上的太阳辐射能构成（1）影响地球表面上太阳辐射能的因素 天文因素：日地距离、太阳赤纬角、太阳时角； 地理因素：地理位置、海拔高度； 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； 几何因数：接收太阳辐射面的倾斜度和方位角； 四、太阳辐射量到达地球表面上的太阳辐射能构成 四、太阳辐射量（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：吸收作用、散射作用、漫反射作用； 到达地球表面上的太阳

17、辐射能构成太阳辐射穿过地球大气时，由于大气层对太阳光谱的吸收和散射，太阳光谱范围和能量分布发生了变化；当太阳高度角为90时，到达地面上的紫外线约占4%，可见光占46%，红外线占50%；太阳高度低至30时，相应地比例分别是3%、44%、53%；当太阳高度角更低时，紫外线能量几乎为零，可见光部分的能量减少到30%，红外线的能量约占70%，红外线的能量占主要地位，这是由于空气分子对短波部分强烈散射而引起的。 四、太阳辐射量到达地球表面上的太阳辐射能构成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，

18、它基本上是一个常数。太阳常数或称为大气质量0（AM0）的辐射。1981年10月，世界气象组织将太阳常数值确定为：I0（13677）W/m2。 四、太阳辐射量到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算1. 太阳常数对于不垂直照射的情况，到达水平面上的太阳辐射强度与太阳常数之间存在如下关系：I= I0sin 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太阳辐射强度在远日点和近日点的太阳辐射强度与太阳常数有一定差异 四、太阳辐射量到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算2. 大气质量AM 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-ma

19、ss，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。 四、太阳辐射量AM越大，说明光线经过大气的路径越长，受到衰减越多到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算规定在1个标准大气压和0时，海平面上太阳光线垂直入射时的路径为AM=1。太阳在其它位置时，大气质量都大于1。我国规定AM1.5为测试硅太阳电池标称输出功率的标准条件之一。 四、太阳辐射量到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算AM1.5对应太阳天顶角z=48.19 四、太阳辐射量太阳处于任意位置时的大气质量AM值可近似由下式计算得出：01AMsinPP式中： 太阳高度角； P 当地大气压； P0

20、 海平面大气压；到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算近似公式忽略了折射和地面曲率等影响，当太阳高度角较小时会产生较大误差。在光伏系统工程计算中，可采用如下公式计算： 四、太阳辐射量 2AM1229614sin614sin到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算3. 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重要参数。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；天空中云雾或风沙、灰尘多时，大气透明度低，到达地面的太阳辐射能就少。 四、太阳辐射量到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算 四、太阳辐射量到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算到达地表法向太阳辐照度I

21、n为：mn0mII P 日地距离修正值；Pm 复合透明系数，表征了大 气对太阳辐射能的衰减程度； m 大气质量；4. 水平面上的太阳直射辐照度一般情况下，当太阳高度角为时，光伏电池板安装位置所在水平面上的太阳直射辐照度Ib为： 四、太阳辐射量到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算mbn0msinsinIII P4. 水平面上的太阳直射辐照度将该式从日出到日落的时间内积分，得水平面直射辐照日总量Hb： 四、太阳辐射量到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算hshrmmb0m0mhh0sin dtsinsincoscoscosd2tTHI PIP式中：T为昼夜时长（一天为1440min），hr、

22、hr分别为日出、日落时角5. 水平面上的散射辐照度 晴天时，到达地表水平面上的散射辐照度Id，主要取决于太阳高度和大气透明度，可用下式表示： 式中：c1、c2为经验系数；6. 水平面上的太阳总辐照度 太阳总辐照度是到达地表水平面上的太阳直射辐照度和散射辐照度的总和，即： 四、太阳辐射量到达地球表面（水平面）上的太阳辐射量计算2d1sincIcbdIII1. 太阳入射角T太阳入射线与倾斜面法线间夹角为太阳入射角T，由三角关系可得： 四、太阳辐射量到达倾斜表面（光伏电池板）上的太阳辐射量计算TThhh90cossinsincossincossincoscoscoscoscoscos sinsinc

23、os coscos sinsin sin 四、太阳辐射量到达倾斜表面（光伏电池板）上的太阳辐射量计算式中， 为倾斜面的方位角。对于北半球朝向赤道的倾斜面（=0），简化为：对于南半球朝向赤道的倾斜面（=180），简化为：ThcoscoscoscossinsinThcoscoscoscossinsin例：计算北京地区在2月13日上午10:30，倾角45、方位角15的倾斜面上的太阳入射角。解：北京地区在2月13日的n=44，=-14，上午10:30的时角h=-22.5， =45， =15。北京地区的纬度=39.48，代入计算公式可得 此时的太阳入射角为T=34 四、太阳辐射量到达倾斜表面（光伏电池板

24、）上的太阳辐射量计算Tcossin14 sin39.48 cos45sin14cos39.48 sin45 cos15cos14cos39.48 cos45 cos22.5cos14 sin39.48 sin45 cos15 cos22.5cos14 sin45 sin15 sin22.5 2. 倾斜面上的小时太阳直射辐照量IT,b根据右图的三角关系，可得3. 倾斜面上的小时散射辐照量IT,d式中，Id为水平面上的小时散热辐照量 四、太阳辐射量到达倾斜表面（光伏电池板）上的太阳辐射量计算T,bnTcosIIT,dd1 cos2II4. 地面反射辐照量IT, 假设地面反射是各向同性的，利用角系数

25、的互换定律，可得 ：地面反射率，与地表的覆盖状况有关，一般取=0.2 四、太阳辐射量到达倾斜表面（光伏电池板）上的太阳辐射量计算T,bd1 cos1 cos22IIII 四、太阳辐射量到达倾斜表面（光伏电池板）上的太阳辐射量计算5. 倾斜面上的小时太阳总辐照量IT倾斜面上的小时太阳总辐照量由三部分组成：太阳直射辐照量、散射辐照量和地面反射辐照量。 天空各向同性模型 Liu和Jordan在1963年最早提出，在天空太阳散射辐射是各向同性的，他们认为倾斜面上的小时太阳总辐照量为 四、太阳辐射量到达倾斜表面（光伏电池板）上的太阳辐射量计算bTdb1 cosc21os2II RII式中，Rb 倾斜面和

26、水平面上小时直射辐照量的比值； 天空各向异性模型天空各向同性模型并不精确。实际上，环绕太阳的散射辐射和倾斜面上的地面亮度并不是各个方向都相同的。在北半球，南面天空的平均散射辐射显然要比北面天空大。 各向异性模型（HDKR模型、Perez模型） 四、太阳辐射量到达倾斜表面（光伏电池板）上的太阳辐射量计算 清晰度指数KT 散射辐照量与总辐照量之比 小时散热辐照量与总辐照量的比值 日散射辐照量与总辐照量的比值 月散射辐照量与总辐照量的比值 地表倾斜面上的月平均太阳辐照量 天空各向同性模型 天空各向异性模型I.Klein和Thcilaker方法；II.RETScreen方法； 四、太阳辐射量其它几个重要指标在太阳能应用系统设