太阳能基础ppt课件(完整版)

1、1 绪论绪论2.1 太阳和太阳辐太阳和太阳辐射能射能 第2.1节 太阳和太阳辐射能1 1 太阳能来源太阳能来源2 2 太阳常数太阳常数3 3 太阳光谱太阳光谱4 4 太阳高度角和方位太阳高度角和方位角角5 5 太阳直接辐射和散射辐太阳直接辐射和散射辐射射6 6 太阳能的吸收、转换和储存太阳能的吸收、转换和储存7 7 我国太阳能资源我国太阳能资源8 8 太阳能利用的广阔前太阳能利用的广阔前景景 1 太阳能的来源 太阳科普知识太阳是一颗自己会发光的恒星，它源源不断地把光和热送给地球，使世界上的作物生长，是地球上生命和能量的来源。我们生活的地球，围着太阳运动，形成了日、夜和四季。太阳是一个大火球，日

2、珥是喷出太阳表现的巨大红色火焰；黑子是炽热的气体漩涡，因为温度比周围低，所以看起来暗些。而日食的形成则是当地球、月亮和太阳处于一条直线上，月亮的阴影将太阳遮住而出现的天文现象。太 阳太阳概况4.太阳辐射对地球和人类有什么影响?1.什么是太阳辐射?2.太阳辐射的能量有多大?3.为什么太阳有如此巨大的能量? 太阳是一个巨大炽热的气体球，主要成分是氢和氦，表面温度约为6000K 。 在日地平均距离条件下，在地球大气上界，垂直于太阳光线的1平方厘米面积上，1分钟接受到的太阳辐射能量，称为太阳常数。 太阳辐射大约只有二十二亿分之一到达地球。 太阳辐射太阳的作用是很大的：第一，太阳能的蕴藏量可以说是用不完

3、，而且不会产生废气污染环境。第二，皮肤需要阳光，日光浴对身体有好处，小孩老人孕妇都需要晒太阳，阳光中的紫外线也有杀菌能力。第三，太阳能带来光照，使地球的大气循环，使日夜四季的轮替，使地球冷暖产生变化。 1 太阳能的来源 1 太阳能的来源 一、太阳的构造内球：内球的外层是出于对流之中的流体区域太阳大气太阳光球层：平常能看见的部分色球层：最外面一层密度很小的 日冕，形状不规则。太阳系 太 阳 是离地球最近的一颗恒星，也是太阳系的中心天体，位于离银河系中心约3万光年。它的质量占太阳系总质量的99.865%。太阳系太 阳 也 是太 阳 系 里唯 一 自 己发 光 的 天体 ， 它 给地 球 带 来光

4、和 热 。没 有 太 阳光的辐射，地 面 的 温度 将 很 快地 降 低 到接 近 绝 对零度。太阳 太 阳 是 一 个主要由氢和氦组成的炽热的气体火球半径：6.96x105km（地球半径的109倍）质量：约为1.99x1027t（地球质量的33万倍）表面有效温度：5762K中心区域温度：几千万度 太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应，每秒有6.57x1011kg的氢聚合生成6.53x1011kg的氦，连续产生3.90 x1023kW的能量。 这 些 能量以电磁波的 形 式 以3x105km/s的速度穿越太空射向四面八方。地球只接收到总辐射的22亿分之一。太阳的结构太阳的结构内部分为核心层

5、（日核）、辐射层、对流层大气层又分为光球层、色球层及日冕由内向外太阳的结构核 反 应区辐射区对流区太 阳 大气太阳的结构1、核反应区 太阳半径25%（即0.25R）的区域内，是太阳的核心，集中了太阳一半以上的质量。温度：约1500万 K压力：约2500亿atm密 度 ： 约 1 5 8 g/cm3占 总 能 量 的99%对流辐射向外辐射太阳的结构2、辐射区 在核反应区外面，所属范围从0.250.8R，温度下降到13万度，密度下降为0.079 g/cm3，在太阳核心产生的能量通过这个区域由辐射传输出去。3、对流区 在辐射区外面，所属范围从0.81.0R，温度下降为5000K，密度为10-8 g/

6、cm3，能量主要靠对流传播。对流区及其里面的部分是看不见的，它们的性质只能靠同观测相符合的理论计算来确定。太阳的结构4、太阳大气光球：太阳大气最底层，厚度约为500km。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，太阳光谱内地吸收线基本上也是在这一层内形成。色球：太阳大气的中层，是光球向外延伸到几千公里高度。日冕：太阳大气最外层，为极端稀薄的气体壳，可延伸到几个太阳半径之远。该分层仅有形式意义，各层之间并不存在明显界限。太阳大气环太阳内部太阳大气层光球层黑子色球层耀斑，日珥日冕层太阳风太阳大气结构及太阳活动示意图 1 太阳能的来源 1 太阳能的来源 1 太阳能的来源

7、 1 太阳能的来源 太阳外部结构表层层次次位位置置概念概念厚厚度度亮亮度度温温度度太阳活动太阳活动光光球球由由里里到到外外明亮发光的明亮发光的太阳表面太阳表面逐逐渐渐变变厚厚逐逐渐渐变变弱弱逐逐渐渐变变高高黑子黑子太太阳阳活活动动主主要要标标志志色色球球光球外呈玫光球外呈玫瑰色的大气瑰色的大气耀斑耀斑日珥日珥太阳活动对地球的影太阳活动对地球的影响响活动活动形式形式太阳太阳大气大气层层对地球的影响对地球的影响黑子黑子耀斑、耀斑、日珥日珥太阳太阳风风光球层太阳活动高峰年、太阳活动低峰年，11年为周期。地球气候变化。色球层磁暴，影响短波通讯，干扰电子设备，甚至威胁宇航器。日冕层极光太阳活动对地球的影

8、响出现时出现时间间太阳活动的影响太阳活动的影响产生原因产生原因黑子、黑子、耀斑增耀斑增多时多时无线电短波受干无线电短波受干扰甚至中断扰甚至中断太阳活动发射的太阳活动发射的电磁波扰动地球电磁波扰动地球大气层大气层( (其中的其中的电离层电离层) )出现出现“磁暴磁暴”现现象象太阳大气抛出的太阳大气抛出的高能带电粒子扰高能带电粒子扰动地球磁场动地球磁场两极高空出现极两极高空出现极光光太阳大气抛出的太阳大气抛出的高能带电粒子与高能带电粒子与极地高空大气碰极地高空大气碰撞产生撞产生 1 太阳能的来源 二、太阳的主要成分太阳的主要成分氢：78氦 :20地球除自转外并以椭圆形轨道绕太阳运行地球与太阳之间的

9、距离不是一个常数地球大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同 由于日地间的距离很大，其相对变化量是很小的，由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过3.4%。这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。太阳常数 2 太 阳 常 数 太阳常数Isc：在平均日地距离时，地球大气层上界垂直于太阳光线表面的单位面积上单位时间内所接收到的太阳辐射能。其参考值为Isc = (13677) W/m2。0scsc210.034cos365nIII r Isc：平均日地距离时的太阳辐射强度I0：大气层上界某一任意时刻的太阳辐射强度n：距离1月1日地天数r：日地间距引起的修正值 2 太 阳 常 数 太

10、阳辐射和太阳常数太阳常数由于地球是沿一椭圆轨道围绕太阳公转的，所以太阳到地球的距离是随时间也就是随地球在椭圆轨道上的位置不同而有所差异的，如下图所示。 2 太 阳 常 数 2 太 阳 常 数 由此可见，在一年当中，日地之间的距离变化可达千米，这个数字的绝对值虽然很大，但是与日地之间的平均距离相比，却只有的变化，如图所示。 因此，这种距离变化所引起的到达地球大气上界的太阳能的变化量最多也只有。 2 太 阳 常 数 此外，太阳本身的活动也会引起太阳辐射能的波动。但是，多年来在世界各地的观测结果表明，太阳活动峰值年比太阳活动宁静年的辐射量只不过增大左右。因此，在一般情况下，可以认为太阳辐射量是比较稳

11、定的，从而提出了“太阳常数”这一概念。 所谓太阳常数，就是指在日地平均距离处垂直于太阳光线的平面上，在单位时间内单位面积上所接收到的太阳辐射能。它的单位可以用毫瓦厘米或者瓦米。 2 太 阳 常 数 1957年，国际辐射委员建议在整个国际地球物理年观测资料中，将太阳常数的值取为.毫瓦厘米或者瓦米。随着测量技术的不断提高，太阳常数的观测值也越来越精确了。 近年来，利用人造卫星、火箭和高空气球观测的结果，已将太阳常数的值测定为.毫瓦厘米或者瓦米。 上述结果表明，太阳常数只具有平均值的意义，而并非通常意义下的“常数”。太阳光谱：太阳发射的电磁辐射在大气顶上随波长度分布叫做太阳光谱。到达地面的太阳辐射光

12、谱分布是地外太阳光谱和大气成分的函数，它对于地面太阳电池系统及其他一些应用是十分重要的。 3 太 阳 光 谱 太阳光谱是连续的，且辐射特性与绝对黑体辐射近似；能量各波段所占比例不同，近紫外、可见光、近红外和中红外部分约占太阳总辐射的84.62%；X射线、射线、远紫外、远红外及微波波段的总能量不到1%。地表接受的太阳辐射曲线与大气外的曲线不同，差异主要由大气引起。吸收：水、氧、臭氧、二氧化碳等；散射。 3 太 阳 光 谱 太阳辐照度分布曲线教材参考1calcm-2min-1m-1 = 697.8 Wm-2表1-2：太阳光谱辐 照度的积分值表1-3：没有大气时地表水平面上 太阳辐照日总量月平均值

13、3 太 阳 光 谱 任何物体当处于绝对温度(K)零度(即-273oC)以上时，具有内外辐射热能的能力；同时也在吸收来自其他物体的辐射热能。物体辐射能力的强弱，取决于物体本身温度的高低。即斯特藩-玻耳兹曼(Stefan-Boltzmann)光辐射定律：黑体辐射的能量正比于其绝对温度的四次方：E = T4E 单位时间辐射的能量 斯特藩-玻耳兹曼常数 5.669710-8W/K4m2T 绝对温度。辐射的波长范围十分宽广，从波长10-10m的宇宙射线到波长达几千米的无线电波。物体辐射最大能力的波长与其温度成反比；温度愈高，辐射最大能力的波长就愈短，反之亦然。 3 太 阳 光 谱 实线是大气上界的太阳辐

14、射光谱； 虚 线 是 温 度 在6000K时的黑体辐射光谱。太阳辐射能随波长的分布曲线。太阳辐射波长的范围很广，波长从0。不同波长的辐射能力差异很大。波长在很长和很短的部分内，能量都很小，绝大部分能量集中在0.204m之间，占太阳辐射总能量的99。 3 太 阳 光 谱 月份大气层外太阳辐射(W/m2)大气层外太阳辐射能与月份变化规律 3 太 阳 光 谱 地球外太阳辐射光谱 (太阳常数1353W/m2) 3 太 阳 光 谱 太阳辐射光谱及波长范围与能量比率 3 太 阳 光 谱 3 太 阳 光 谱 色彩波长范围紫0.400.43m蓝0.430.47m青0.470.50m绿0.500.56m黄0.5

15、60.59m橙0.590.62m红0.620.76m不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围红外线微波名称波长范围紫外线1000.4m可见光0.4m0.76m近红外0.76m3.0m中红外3.0m6.0m远红外6.0m15m超远红外15m1mm毫米波110毫米厘米波110厘米分米波10厘米1米 3 太 阳 光 谱 紫 蓝 青 绿 黄 橙 赤0.4 微米 0.76微米 你能从图中获得哪些信息？太阳辐射最强的波段为？ 3 太 阳 光 谱 太阳辐射是电磁辐射的一种，它是物质的一种形式，既具有波动性，也具有粒子性，在本质上与无线电波没有什么差异，只是波长和频率不同而已。太阳辐射光谱的主要波长范围为.微米

16、，而地面和大气辐射的主要波长范围则为微米。在气象学中，就根据波长的不同，常把太阳辐射叫做短波辐射，而把地面和大气辐射叫做长波辐射。 太阳辐射的光谱可以划分为几个波段。波长短于.微米的称为紫外波段，从.微米到.7微米的称为可见光波段，而波长长于.微米的则称为红外波段， 它还可以细分为近红外.微米和远红外微米两个波段。 在可见光谱的波长范围内，不同波长的电磁辐射对于人眼产生不同的颜色感觉。 3 太 阳 光 谱 3 太 阳 光 谱 表列出了各种颜色的波长及其光谱范围。 1957年，国际辐射委员建议在整个国际地球物理年观测资料中，将太阳常数的值取为毫瓦厘米或者瓦米。随着测量技术的不断提高，太阳常数的观

17、测值也越来越精确了。近年来，利用人造卫星、火箭和高空气球观测的结果，已将太阳常数的值测定为毫瓦厘米或者瓦米。上述结果表明，太阳常数只具有平均值的意义，而并非通常意义下的“常数”。 4 太阳高度角和方位角 日照的基本原日照的基本原理理日照的作用与建筑对日照的要求日照的作用与建筑对日照的要求 日照日照: :就是物体表面被太阳光直接照就是物体表面被太阳光直接照射的现象射的现象 . . 日照时数日照时数: :是表示太阳照射的时数是表示太阳照射的时数 . . 日照率日照率: :是以实际日照时数与同时间是以实际日照时数与同时间内内 ( (如年、月、日等如年、月、日等) )的最大可照时的最大可照时数的百分比

18、。数的百分比。 日照的作用日照的作用: :促进生物机体的新陈代促进生物机体的新陈代谢谢; ;防病防病; ;杀菌杀菌; ;供热供热; ;立体立体. . 建筑对日照的要求：是根据建筑的不建筑对日照的要求：是根据建筑的不同使用性质而定同使用性质而定 .2h;3h.2h;3h 4 太阳高度角和方位角 地球绕太阳运行的规律地球绕太阳运行的规律 公转公转: :地球按一定的轨道绕太阳的地球按一定的轨道绕太阳的运动运动 . . 黄道面黄道面: :地球公转轨道地球公转轨道. .由于地轴是由于地轴是倾斜的，它与黄道面约成倾斜的，它与黄道面约成6666。3333的交角的交角. . 太阳赤纬角太阳赤纬角:太阳光线与地

19、球赤太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角来表示道面所夹的圆心角来表示 . . 4 太阳高度角和方位角 时时角角:地球自转一周为地球自转一周为360360o o，因而，因而每小时的时角为每小时的时角为15 15 o o . .即时角即时角=15t, t=15t, t表示时数表示时数 . . 4 太阳高度角和方位角 计算太阳角高度、方位角、日照时间 4 太阳高度角和方位角 太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以表示。在一年当中，太阳赤纬角每天都在变化，但不超过23o27的范围。夏天最大变化到夏至日的+23o27；冬天最小变化到冬至日的-23o27。太阳赤纬随季节变化，即库珀（Cooper）方程

20、：28423.45sin 360365n 式中，n为一年中的天数，如：在春分，n=81，则=0，自春分日起的第d天地太阳赤纬为：223.45sin365d 4 太阳高度角和方位角 太阳角的计算太阳SnThZnZ北东倾斜面水平面太阳角的定义天顶角Z：指向太阳的向量 与天顶Z的夹角。S 太阳高度角h：向量 与地平面的夹角。S 太阳方位角： 在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角。S 太阳的时角：在正午时=0，每隔一小时增15o，上午为正，下午为负。太阳角的计算1、太阳高度角sinh = sin sin + cos cos 地理纬度 太阳赤纬 太阳时角2、太阳方位角sin sinsincoscos

21、coshh cossinsincosh 或 根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间可求出任何地区、任何季节某一时刻的太阳方位角。太阳角的计算3、日照时间 太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角h=0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，根据太阳高度角公式，可得出日出日没时角表达式：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。太阳角的计算24节气太阳赤纬及日变化值 对于地球上的某个地点，太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角,专业上讲太阳高度角是指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角。 太阳高度角和方位角的确定太阳高度角和方位角的确定 太阳光

22、线与地平面间的太阳光线与地平面间的 夹角夹角h hs s称为太阳高度角称为太阳高度角. . 太阳光线在地平面上的太阳光线在地平面上的 投射线与地平面正南线投射线与地平面正南线 所夹的角所夹的角AsAs称为太阳方称为太阳方 位角位角。 4 太阳高度角和方位角 太阳高度角的计算太阳高度角的计算 4 太阳高度角和方位角 4 太阳高度角和方位角 地方时与标准时地方时与标准时 4 太阳高度角和方位角 散射辐射：接收到的被大气层反射和散射后方向改变的太阳辐射地面太阳辐射直接辐射：直接接收到的、不改变方向的太阳辐射 太阳辐射穿过地球大气层时，不仅受到大气层中的空气分子、水汽及灰尘所散射，而且受到大气中氧、臭

23、氧、水和CO2的吸收，所以经过大气而达到地面的太阳直接辐射显著衰减。 5 太阳直接辐射和散射辐射 到达地面的太阳到达地面的太阳辐射辐射有两部分：有两部分：直接辐射直接辐射：太阳以平行光线的形式：太阳以平行光线的形式直直 接投射到地面上。接投射到地面上。散射辐射散射辐射：经过散射辐射后自天空：经过散射辐射后自天空投射到地面上。投射到地面上。二者之和称为二者之和称为总辐射总辐射。 5 太阳直接辐射和散射辐射 1、直接辐射：太阳高度（角）、大气透明度（1）太阳高度角（h）：太阳光线与水平面间的 夹角；h不同，地表单位面积上所获得的太阳辐射也就不同。a，h越小，等量的太阳辐射散越小，等量的太阳辐射散布

24、的面布的面 积就越大，地表单位积就越大，地表单位面积上所获得的太阳辐射就面积上所获得的太阳辐射就越小。越小。B ACSSh 设AB单位面积上每分钟所受到的太阳辐射能为 I 垂直 I则 IS = IS而 S/S = AC/AB = sinh所以 I = S/S I = I sinh 朗伯（白）特定律I 一定，地面获得的辐射量大小I 与 h 有关。b，h越小，太阳辐射穿过的大气层越厚地球O点的地平线OACh2h1h1 h2AO CO太阳辐射被减弱也较多（吸收、反射、散射等），到达地面的直接辐射就较少。 一个大气质量：地面为标准气压（1013hpa）时，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积的空

25、气柱的质量。 h 不同，大气质量数不同；大气质量数随h减小而增大。不同太阳高度角时的大气质不同太阳高度角时的大气质量数量数h90 60 30 10 5310 m11.152.05.610.415.427.035.4太阳辐射在大气中的衰减 5 太阳直接辐射和散射辐射 1、吸收作用 氧、臭氧、水汽和CO2气体成分气体成分强吸收波段强吸收波段弱吸收波段弱吸收波段氧氧200nm的紫外光的紫外光690760nm的可的可见光见光臭氧臭氧200320nm的紫外的紫外光光600nm的可见光的可见光水汽水汽9301500nm的红外的红外光光（三个强吸收带）（三个强吸收带）600700nm的可的可见光见光（三个弱

26、吸收带）（三个弱吸收带） 主要的吸收成分 各成分的吸收波段 5 太阳直接辐射和散射辐射 2、散射作用 由入射辐射波长与散射质点的相对大小r，将散射分为瑞利（Rayleigh）散射、米氏（Mie）散射和无选择性散射。 r 时，无选择性散射（Non-selective Scattering） 5 太阳直接辐射和散射辐射 由大气中原子、分子，如氮、二氧化碳、臭氧和氧分子等引起。(1) 瑞利散射条件：粒子直径比波长小很多。特点：散射强度与波长的四次方成反比，即 I-4入射光波长越短，散射能力越强。瑞利散射强度与波长的关系 5 太阳直接辐射和散射辐射 大气中的微粒如烟、尘埃、小水滴及气溶胶等引起的散射，

27、这种散射的强度受气候影响大。(2) 米氏散射条件：粒子直径与辐射的波长相当。特点：散射强度与波长的平次方成反比，即 I-2且散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向性较明显。云、雾的粒子大小与红外线的波长（0.7615m）接近，所以云雾对红外线的散射以米氏散射为主。 5 太阳直接辐射和散射辐射 当 大 气 混 浊（ 质 点 半 径 10m），大气粒子的直径比辐射波长大得多时。散射的特点是散射强度与波长无关，即任何波长的散射强度相同，散射系数不再随波长改变，也称之为漫射。(3) 无选择性散射 5 太阳直接辐射和散射辐射 大气质量大气质量：是一个无量纲量，它是太阳光线穿过地球大气的路径与太阳

28、光线在天顶角方向时穿过大气路径之比，并假定在标准大气压（1atm）和气温（0oC）时，海平面上太阳光线垂直入射的路径为1。显然，地球大气上界的大气质量为零。当天顶角为60oC时，m=2。在各太阳高度时的大气质量h(度)906030105310m11.152.05.610.415.427.035.4 大气质量m随太阳高度的增高而减小，当太阳高度低时，m值的增大特别迅速。大气质量大气质量示意图A为地球海平面上一点，O，O为大气上界的点。太阳在天顶位置时，太阳光线路程OA为大气质量。太阳位于S点时，大气质量为：Z1( )secsinOAm hOAh 上式是从三角函数关系推导出来，是以地表为水平面，忽

29、略了大气的曲率及折射因素的影响。大气质量h30o时，计算值与大气质量的观测值非常接近，其精度达0.01；当h30o时，由于折射和地面曲率的影响增大，计算结果不准确。在太阳电池应用系统工程计算中，可采用下式计算：1/22( )1229(614sin )614sinm hhh 在中国日射观测站，当h20o时，采用教材表1-4查算大气质量m值。大气质量温度对m的影响一般可以忽略不计；对于海拔高度较大的地区，应对大气压力进行订正，即( )( , )( )760P zm z hm h z 观测地点 的海拔高度P(z) 观测地点 的大气压(Pa)大气透明度 由于太阳辐射观测站很稀疏，靠观测站提供的资料远不

30、能满足需要。所以借助理论计算是十分必要的。有人提出用下式计算太阳辐射通过大气后的强度：I = ISCpmp 大气透明度m 大气质量大气透明度p：透过一个大气质量(m1)后的太阳辐射强度 (S1)与透过前的太阳辐射强度(S0)之比，即：110mmSSpSS 影响因素： 海拔、水汽、微尘、云雾大气透明度布克-兰贝特(Bonguer-Lambert)定律 当波长为的太阳辐射Io,经过dm厚的大气层后，辐射衰减量为：I = I0,e -amI = I0, pm积分得：或dI = -aI0,dm(a为大气消光系数) p 单色光谱的透明度或“透明系数”Io, 波长为的辐射的初始强度 I 通过大气的波长为的

31、太阳辐射强度大气透明度 设投射到地表法向单色光的光谱辐射强度为In,，则对全色太阳光（即波长从0）有：1/scmnmIprI pm与m有着复杂的关系，它表征着大气对太阳辐射能的衰减程度。参考教材表1-5：各种大气透明度下太阳直接辐射的平均强度与大气质量的关系。mo,0dmnIprI (pm为整个太阳辐射光谱范围内单色透明度的平均值)大气透明度大气透明度 用用透明系数（透明系数（p p）表示表示 指透过一个大气质量的辐射强度与进入该指透过一个大气质量的辐射强度与进入该大气的辐射强度之比。大气的辐射强度之比。 即当太阳位于天顶处，在大气上界太阳辐即当太阳位于天顶处，在大气上界太阳辐射通量为射通量为

32、I I0 0，而到达地面后为，而到达地面后为I I，则：，则： p = I / Ip = I / Io o P P 表明辐射通过大气后的削弱程度，如：表明辐射通过大气后的削弱程度，如：p = 0.7p = 0.7，表示削弱了，表示削弱了30%30% P P决定于大气中所含决定于大气中所含水汽水汽、水汽凝结物水汽凝结物和和尘粒杂质尘粒杂质的多少；多，大气透明度差，的多少；多，大气透明度差， P P小，太阳辐射被减弱得多，到达地面的太小，太阳辐射被减弱得多，到达地面的太阳辐射相应减少。阳辐射相应减少。 直接辐射有明显的年变化、日直接辐射有明显的年变化、日变化和随纬度的变化。变化和随纬度的变化。 主

33、要由主要由 h h 决定：决定： 随纬度的变化随纬度的变化：低纬地区一年：低纬地区一年四季四季 h h 都很大，地表得到的直都很大，地表得到的直接辐射比中、高纬地区大得多。接辐射比中、高纬地区大得多。 日变化日变化：日出、日落时，：日出、日落时，h h最小，最小，直接辐射最弱；中午，直接辐射最弱；中午，h h最大，最大，直接辐射最强。直接辐射最强。 年变化年变化：夏季最强，冬季最弱。：夏季最强，冬季最弱。垂直于太阳光线的地 表上的直接辐射强度 为了简化，通常将大气透明度订正到某一给定的大气质量，如将pm修正到m=2的透明度p2，这时，计算垂直于太阳光表面的直接辐射强度Ib,n公式为：Ib,n

34、= rIsc p2m 对于大多数地区而言，直接根据日射观测资料来确定p2是可能的。只要近似地确定p2值，便可计算出到达地表法线方向入射的太阳辐射强度 为了应用方便，将m换成太阳高度角。参考教材表1-6：各种大气透明度下太阳直接辐射强度与太阳高度角的关系。水平面上的直接太阳辐射CABzInhz水平面 AB面代表水平面，AC面代表垂直于太阳光线的表面，H代表太阳直接入射到AC和AB平面上的能量，IH,b代表水平面上太阳直接辐射强度。IH,b = Ib,nsinh = Ib,ncosz = rIsc pmmsinh从日出至日没对时间进行积分,scm0sin dtmH bHrI ph t scm0(s

35、in sincos coscos)dtmrIpt 直接太阳辐射强度与太阳高度角的关系水平面上的直接太阳辐射00H,bscm(sin sincos coscos)d2mTHrIp 若dt用时角来表示，dd2Tt 则，T 昼夜长，24h；0，-0 日出和日没时角 上式只是一种数学表达式。实际上，由于pmm很复杂，不便直接积分，所以通常的办法是按一个小时一个小时计算，而每个小时内的直接太阳辐射总通量可根据其平均太阳高度角查表通过计求得。日总量年总量月总量散射辐射散射辐射：太阳高度角、大气太阳高度角、大气透明度透明度 天空散射辐射就是大气对空中的太阳直接天空散射辐射就是大气对空中的太阳直接辐射进行散射

36、及反射而产生的。辐射进行散射及反射而产生的。 h 大大，到达近地面的直接辐射增强，散射，到达近地面的直接辐射增强，散射辐射也相应增辐射也相应增强强；h小小，弱弱。（与直接辐。（与直接辐射射同向同向） 大气透明度，大气透明度，不好不好，参与散射作用的质点，参与散射作用的质点增多，散射辐射增多，散射辐射增强增强；好好，减弱减弱。（与直。（与直接辐射接辐射反向反向） 云：能强烈地增大散射辐射。云：能强烈地增大散射辐射。P29图图211 日、年变化，也主要决定于日、年变化，也主要决定于h的变化，一的变化，一日内正午前后最强，一年内夏季最强。日内正午前后最强，一年内夏季最强。总辐射 变化规律，比太阳直接

37、辐射和散射辐射要复杂些，它是二者变化规律的综合。但在晴朗的日子里，它的强弱主要由太阳直接辐射决定。年变化与直接辐射基本一致，夏季最大，冬季最小。 日变化日出前：散射辐射日出后：h增大，直接辐射和散射辐射 逐渐增加，直接辐射增加快h=8o： 直接辐射=散射辐射h=50o ： 散射辐射：1020%； 直接辐射：8090%中午： 直接辐射和散射辐射均达最大值中午后；二者按相反次序变化云的影响可使这种规律受到破坏。工程中常用的计算太阳辐射的方法 5 太阳直接辐射和散射辐射 斜面太阳辐射量 确定朝向赤道倾斜面上的太阳辐射量，通常采用Klein提出的计算方法：倾斜面上的太阳辐射总量Ht由直接太阳辐射量Hb

38、t、天空散射辐射量Hdt和地面反射辐射量Hrt三部分所组成，即Ht = Hbt + Hdt + Hrt 对于确定的地点，知道全年各月水平面上的平均太阳辐射资料（总辐射量、直接辐射量或散射辐射量）后，便可算出不同倾斜角的斜面上全年各月的平均太阳辐射量。斜面太阳辐射量Rb为倾斜面上直接辐射量Hbt与水平面上Hb直接辐射量之比bcos()cossinsin()sin180cos cossinsin sin180ssssshhsRhh s为光伏阵列倾角；为太阳赤角；hs为水平面上日落时角；hs为倾斜面上日落时角；为光伏供电系统的当地纬度。斜面太阳辐射量倾斜面上日落时角hs的表达式： 1smin,cos

39、 tan()tan shhs 天空散射Hay模型：倾斜面上天空散射辐射量是由太阳光盘的辐射量和其余天空穹顶均匀分布的散射辐射量两部分组成，可表达为：bbdtdboo0.5 1(1cos )HHHHRsHH Hb和Hd分别为水平面上直接和散射辐射量；Ho为大气层外水平面太阳辐射量。斜面太阳辐射量s0scs2243601 0.033coscos cos sinsin sin365360hnHIh 大气层外水平面上太阳辐射量Ho计算公式：Isc为太阳常数，可以取Isc = 1367 W/m2对于对面反射辐射量Hrt，其公式如下：Hrt = 0.5H(1-coss)H为水平面上总辐射量；为地物表面反射

40、率。一般情况下，地面反射辐射量很小，只占Ht的百分之几，参加教材表1-7。斜面太阳辐射量因此，倾斜面上太阳辐射量公式可总结为：bbtbbdboo0.5 1(1 cos )0.5(1 cos )HHHH RHRsHsHH 根据该公式可将水平面上的太阳辐射数据转化成斜面上太阳辐射数据，基本计算步骤如下： (1) 确定所需的倾角s和系统所在地的纬度。 (2) 找到按月平均的水平面上的太阳能辐射资料Ho。 (3) 确定每个月中有代表性的一天的水平面上日落时间角hs和倾斜面上的日落时间角hs，这两个几何参量只和纬度和日期有关。斜面太阳辐射量 (4) 确定地球外水平面上的太阳辐射，也就是大气层外的太阳辐射

41、Ho，该参量取决于地球绕太阳运行的轨道。 (5) 计算倾斜面与水平面上直接辐射量之比Rb。 (6) 计算直接太阳辐射量Hbt。 (7) 计算天空散射辐射量Hdt。 (8) 确定地物表面反射率，计算地面反射辐射量Hrt。 (9) 将直接太阳辐射量Hbt、天空散射辐射量Hdt和地面反射辐射量Hrt相加得到太阳辐射总量Ht。2.2 热传递基本知识热传递基本知识2.3 太阳能集热器太阳能集热器4.3真空管型太阳能集热器的结构尺寸和产品命名4.3.3全玻璃真空太阳集热管技术要求1.空晒性能参数 定义：空晒温度与环境温度之差与太阳辐照度的比值。 本参数表示在特定的日照强度（太阳辐照度G800W/m2，并在

42、15分钟内，太阳辐照度变化不大于30W/m2）和特定的环境温度（8Ta30）下，真空集热管内不充水空晒，即以空气为传热工质，在规定的时间（每隔5分钟记录一次，共记录4次，取平均值）内，温度的升高与辐照量的比值。公式：空晒性能Y=(Ts-Ta)/G；国标GB/T170492005规定：Y190m2/kW。空晒性能参数在一定程度上表示集热性能的高低。空晒性能参数Y值大于或等于190m2/kW，方为合格，Y值越大越好。 2.闷晒太阳辐照量 定义：充满真空集热管的水的温度升高一定温度范围所需的太阳辐照量。 本参数的测量是在特定的太阳辐照度G800W/m2，并在15分钟内，太阳辐照度变化不大于30W/m

43、2下，真空集热管内充满水，当真空集热管内水温从低于环境温度的条件下开始逐步升温，并在达到环境温度时开始测量。当真空集热管内水温升高35时，其所需的太阳辐照量为该测量管的H值。也就是说，H值所表示的是该真空集热管内水温升高35所需的太阳辐照量。当然，所需的太阳辐照量越少越好。因此，在某种意义上说，H值表示的就是与真空集热管的集热效能有关的参数，H值越低，集热效能就越好。 5.5 家用太阳能热水器安装5.5.1 平板单机太阳能热水器安装 设计知识设计知识主要内容主要内容1 1、太阳热水系统的组成、太阳热水系统的组成2 2、太阳热水系统的分类、太阳热水系统的分类3 3、太阳热水系统的设计的主要方面、

44、太阳热水系统的设计的主要方面4 4、太阳热水系统的设计的详细内容、太阳热水系统的设计的详细内容太阳热水系统的组成太阳热水系统的组成 设备与管道支架设备与管道支架 太阳集热器太阳集热器 贮水箱贮水箱 管路、泵、阀管路、泵、阀 设备防腐与保温设备防腐与保温 自动控制系统自动控制系统 辅助能源设备辅助能源设备特征特征类型类型类型1类型2类型3有无辅助热源纯太阳能加热式太阳能预热式太阳能加辅助热源式按储水箱水被加热方式直接式间接式按传热工质与大气相通敞开式开口式封闭式按集热器内介质状况充满式回流式排放式按加热工质循环动力自然循环强制循环按加热工质流动方式循环式直流式接集热器与储水箱位置分离式紧凑式闷晒

45、式太阳热水系统设计的主要方太阳热水系统设计的主要方面面 1 1、用户情况与要求、用户情况与要求 2 2、系统运行方式确定、系统运行方式确定 3 3、太阳集热器选型、太阳集热器选型 4 4、太阳集热器面积确定、太阳集热器面积确定 5 5、贮水箱设计、贮水箱设计 6 6、辅助热源选择与系统设计、辅助热源选择与系统设计 7 7、系统布局、系统布局 8 8、太阳集热器倾角与前后排间距确定、太阳集热器倾角与前后排间距确定 9 9、泵、阀及管路选型与管路系统设计、泵、阀及管路选型与管路系统设计 1010、电气控制系统设计、电气控制系统设计 11 11、管路与设备的保温与防冻、管路与设备的保温与防冻 121

46、2、系统安全防护（防雷、系统安全防护（防雷/ /防雨防雨/ /防漏电防漏电/ /防腐蚀防腐蚀/ /抗抗风雪等）风雪等） 用户情况与要求（用户情况与要求（1 1） -原始资料收集原始资料收集 （1 1）用户所处地理位置和环境条件）用户所处地理位置和环境条件 （2 2）水源情况）水源情况 （3 3）电力供应情况）电力供应情况 （4 4）安装场地情况）安装场地情况 获取以上资料的方法：获取以上资料的方法：与客户勾通，向用户了解有无特殊情况；（如安装现场与客户勾通，向用户了解有无特殊情况；（如安装现场是否在风口、易发生雷击的地方等）是否在风口、易发生雷击的地方等）查阅当地气象资料；查阅当地气象资料；实

47、地勘察现场。实地勘察现场。用户情况与要求用户情况与要求 -太阳能系统的要求太阳能系统的要求（1 1）安装太阳能系统的用途：）安装太阳能系统的用途： 用于生活热水供应用于生活热水供应/工业用热水工业用热水/游泳池加热游泳池加热/采暖、制冷等。采暖、制冷等。 太阳能全年工作太阳能全年工作/季节性工作。季节性工作。 （2 2）用水方式：）用水方式： 定时用热水定时用热水/ /全天全天24 24 小时用热水小时用热水用水温度用水温度/ /全天总用水量全天总用水量/ /用水流量用水流量/ /用水压力。用水压力。（3 3）辅助能源情况）辅助能源情况 ：是否要求配置辅助能源是否要求配置辅助能源/ /配置辅助

48、能源的种类（电配置辅助能源的种类（电/ /燃油燃油/ /燃气燃气/ /蒸汽蒸汽/ /暖气暖气/ /热泵等）热泵等）如果使用原有的辅助能源设备，应了解设备的型号、类别，供热方式等。如果使用原有的辅助能源设备，应了解设备的型号、类别，供热方式等。（4 4）其它要求）其它要求 ： 管理方式，有无专人管理管理方式，有无专人管理/ /是否要求全自动控制是否要求全自动控制/ /是否要求自动计是否要求自动计量计费等。量计费等。 用户情况与要求用户情况与要求-原始资料核实原始资料核实太阳能系统的技术性相对比较专业，用户可能不能全面、太阳能系统的技术性相对比较专业，用户可能不能全面、清楚地表达其要求清楚地表达其

49、要求。有些用户所表达的要求与其实际上真正有些用户所表达的要求与其实际上真正的需要不一致的需要不一致;有些用户所提的要求可能无法实现。有些用户所提的要求可能无法实现。设计人员必须对用户所提供的情况进行分析判断，或者进设计人员必须对用户所提供的情况进行分析判断，或者进行现场考察核实，以便掌握真实客观的第一手资料。行现场考察核实，以便掌握真实客观的第一手资料。在了解了实际情况后，设计人员应将其了解的情况向用户在了解了实际情况后，设计人员应将其了解的情况向用户反馈。双方认可后，设计人员才能根据双方已经确认的设反馈。双方认可后，设计人员才能根据双方已经确认的设计条件和要求进行设计。计条件和要求进行设计。

50、 用户情况与要求用户情况与要求-正确处理客户要求正确处理客户要求客户要求是我们设计太阳热水系统的依据之一，有些要客户要求是我们设计太阳热水系统的依据之一，有些要求尽量去实现，求但有的是无法实现，应细仔地沟通解释，求尽量去实现，求但有的是无法实现，应细仔地沟通解释，不能一味答应。不能一味答应。要引导用户，公正客观地向用户解释太阳热水系统所能要引导用户，公正客观地向用户解释太阳热水系统所能实现的效果。实现的效果。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式 -基本的运行方式基本的运行方式按工质的流动方式分类：自然循环系统自然循环系统强制循环系统强制循环系统直流系统直流系统太阳热水系统在实际应用

51、中是以上某一种基本运太阳热水系统在实际应用中是以上某一种基本运行方式或某种方式为主的为主的多种运行方式的组行方式或某种方式为主的为主的多种运行方式的组合，根据现场的情况不同和用户的具体要求，在设合，根据现场的情况不同和用户的具体要求，在设计中要灵活应用，以实现太阳能热水系统的经济、计中要灵活应用，以实现太阳能热水系统的经济、节能的目的。节能的目的。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式-自然循环系统自然循环系统自然循环系统类型1 由水箱、支架、管路和多个集热器由水箱、支架、管路和多个集热器等部件在工程现场连接成一个较大的自等部件在工程现场连接成一个较大的自然循环系统。然循环系统。类型

52、2 以多台家用太阳热水器组成的热水系以多台家用太阳热水器组成的热水系统。由于每台家用太阳热水器实际上也是统。由于每台家用太阳热水器实际上也是一个小型的自然循环系统，因此，这种设一个小型的自然循环系统，因此，这种设计方式也属于以自然循环系统中的一类。计方式也属于以自然循环系统中的一类。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式 -自然循环系统自然循环系统(1-1)(1-1)1、多个集热器与一个水箱连接组成的系统、多个集热器与一个水箱连接组成的系统自然循环系统自然循环系统是不需要外来动力，依靠系统流体本身的是不需要外来动力，依靠系统流体本身的密度差实现自动循环的太阳能系统。密度差实现自动循环

53、的太阳能系统。自然循环系统的循环水箱底必须高于太阳集热器顶自然循环系统的循环水箱底必须高于太阳集热器顶0.30m0.30m至至0.5m0.5m；由于系统流体本身的密度差形成的动力很小，因此必须采由于系统流体本身的密度差形成的动力很小，因此必须采取多种措施减小系统循环阻力（如：选用较大的管径，管路取多种措施减小系统循环阻力（如：选用较大的管径，管路尽量短，尽量少拐弯）；尽量短，尽量少拐弯）；防止出现反坡，造成气堵等；防止出现反坡，造成气堵等；自然循环系统的规模一般较小，较大规模的自然循环系自然循环系统的规模一般较小，较大规模的自然循环系统常常分解成多个并联的小系统统常常分解成多个并联的小系统 。

54、太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式-自然循环系统自然循环系统(1-2)(1-2)落水使用的系统落水使用的系统水 箱自 来 水集 热 器在白天太阳能加热期间，由在白天太阳能加热期间，由于水箱内的水温达不到使用温于水箱内的水温达不到使用温度，所以不能使用。度，所以不能使用。储热水箱上部水温高，下部储热水箱上部水温高，下部水温低，若水箱下部水温未达水温低，若水箱下部水温未达到使用温度，则使用热水时，到使用温度，则使用热水时，需将下部未达到温度的温水放需将下部未达到温度的温水放掉，才能用上部达到温度的热掉，才能用上部达到温度的热水，因此存在能量和水资源的水，因此存在能量和水资源的浪费问题

55、。浪费问题。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式-自然循环系统自然循环系统(1-3)(1-3)顶水使用的系统顶水使用的系统自 来 水水 箱补 水 箱集 热 器使用时，冷水从水箱下部进入水使用时，冷水从水箱下部进入水箱，而将热水从上部顶出。箱，而将热水从上部顶出。避免了落水系统的缺点，可以随避免了落水系统的缺点，可以随时使用热水，而且冷水上水也是自时使用热水，而且冷水上水也是自动完成，因此管理也很方便。动完成，因此管理也很方便。如果冷水供应慢，热水下水快，如果冷水供应慢，热水下水快， 就会造成断断续续出热水就会造成断断续续出热水如果没有冷水，就无法将热水顶如果没有冷水，就无法将热水顶

56、出。出。存在冷热水混水问题，造成热水存在冷热水混水问题，造成热水使用率下降。使用率下降。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式 -自然循环系统自然循环系统(1-4)(1-4)自来水循环水箱M储水箱补水箱集热器感温头定温放水式定温放水式 当太阳能贮水箱上部水温当太阳能贮水箱上部水温达到设定温度时，热水出水管达到设定温度时，热水出水管上的电磁阀自动打开，热水自上的电磁阀自动打开，热水自动流入另外一个储热水箱，同动流入另外一个储热水箱，同时，冷水自动补入循环水箱下时，冷水自动补入循环水箱下部；当水箱上部水温低于设定部；当水箱上部水温低于设定温度时，电磁阀自动关闭。温度时，电磁阀自动关闭。这

57、种系统必须解决储热水箱这种系统必须解决储热水箱水满溢流的问题水满溢流的问题 ；适用于全天供热水要求。适用于全天供热水要求。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式 -自然循环系统自然循环系统(1-5)(1-5)水箱M自来水蒸汽电加热锅炉感温头集热器带辅助加热的系统带辅助加热的系统当阴雨天或太阳能不足时，用当阴雨天或太阳能不足时，用辅助能源将水箱内的水加热到所辅助能源将水箱内的水加热到所需温度。辅助能源系统可以用电需温度。辅助能源系统可以用电加热，加热， 也可以用蒸汽加热，也可以用蒸汽加热， 还还可以用燃油（气）锅炉加热。可以用燃油（气）锅炉加热。带辅助加热的自然循环系统，带辅助加热的自

58、然循环系统，可以解决仅靠太阳能加热存在的可以解决仅靠太阳能加热存在的热水供应受天气影响的问题，达热水供应受天气影响的问题，达到天天有热水供应到天天有热水供应 。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式 -自然循环系统自然循环系统(1-6)(1-6)自来水水箱集热器集热器共一个贮热水箱的系统共一个贮热水箱的系统可以解决因一个系统采光面积过大，造成管径过大、可以解决因一个系统采光面积过大，造成管径过大、循环管过长、不便安装的问题。循环管过长、不便安装的问题。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式 -自然循环系统自然循环系统(2-1)(2-1)多台家用热水器组成的系统多台家用热水器

59、组成的系统优点：优点：1、安装简单，施工方便，不需要大型号储热水箱，省去了因储热水箱的承重、安放、吊装或制作带来的麻烦；2、工程成本相对较低。缺点：缺点：1、多个小储热水箱带来的管理和用水不便，故障点多；2、多个小储热水箱单位体积的散热面积是大水箱的好几倍甚至十几倍，在同等保温条件下，小水箱的散热量明显较大，系统总热效率低；3、辅助加热系统不便与整个系统匹配等。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式 -自然循环系统自然循环系统(2-2)(2-2)多台家用热水器并联组成的落水系统多台家用热水器并联组成的落水系统自来水家用热水器水箱上部水温高，下部水温低，若水箱下部水温未达到使用水箱上部

60、水温高，下部水温低，若水箱下部水温未达到使用温度，需将下部未达到温度的温水放掉，才能用上部的热水，温度，需将下部未达到温度的温水放掉，才能用上部的热水，存在能量和水资源的浪费问题存在能量和水资源的浪费问题. 各个独立热水器上冷水时的水力不易平衡，会出现有些热水各个独立热水器上冷水时的水力不易平衡，会出现有些热水器溢流。器溢流。太阳能系统常见的运行方式太阳能系统常见的运行方式 -自然循环系统自然循环系统(2-3)(2-3)多台家用热水器并联组成的顶水系统多台家用热水器并联组成的顶水系统自来水补水箱 a) 如果冷水供应慢，热水下水快，就会造成断断续续出热水； b) 如果没有冷水，就无法将热水顶出。