Chapter1 太阳能基础知识

生物的生长水的运动煤石油第1章太阳能基础知识1.1太阳能的利用光热利用太阳能发电：太阳能热动力发电、太阳能光伏发电光化学利用，如太阳能制氢光生物利用太阳能采暖1.太阳能光热利用太阳能提供建筑用热（低温热源60℃以下有商业价值）太阳能提供建筑光源（传统光源，通过窗户。新的方法）太阳能提供建筑用冷（以热制冷，研究中）太阳能提供建筑用电（以热产电和光电池，研究中）太阳能通风和调湿（研究中）1.太阳能光热利用1.太阳能热利用太阳能集热器1.太阳能光热利用游泳池太阳能加热系统太阳能加热游泳池是一项成熟的技术，具有较好的节能和经济效益。美国、欧洲70％的太阳能热水系统应用在游泳池池水的加热。游泳池水温度低，太阳能利用效率高1.太阳能光热利用1.太阳阳能能光光热热利利用用太阳阳能能干干燥燥近年年来来世世界界各各国国对对太太阳阳能能干干燥燥进进行行了了许许多多研研究究。。太太阳阳能能干干燥燥不不但但可可以以节节约约燃燃料料，，缩缩短短干干燥燥时时间间，，而而且且由由于于采采用用专专门门的的干干燥燥室室，，因因此此干干净净卫卫生生，，必必要要时时还还可可采采用用杀杀虫虫灭灭菌菌措措施施，，既既可可提提高高产产品品质质量量，，又又可可延延长长产产品品贮贮存存时时间间。。太阳阳能能干干燥燥按按干干燥燥器器（（或或干干燥燥室室））获获得得能能量量的的方方式式可可分分为为：：集集热热器器型型干干燥燥器器，，温温室室型型干干燥燥器器，，集集热热器器—温室室型型干干燥燥器器1.太阳阳能能光光热热利利用用太阳阳能能海海水水淡淡化化世界界上上第第一一座座太太阳阳能能海海水水蒸蒸馏馏器器是是由由瑞瑞典典工工程程师师威威尔尔逊逊设设计计，，1872年在在北北智智利利建建立立的的，，面面积积为为44504m2，日日产产淡淡水水17.7t。这这座座太太阳阳能能蒸蒸馏馏海海水水淡淡化化装装置置一一直直工工作作到到1910年1.太阳阳能能光光热热利利用用太阳阳能能热热动动力力发发电电2.太阳阳能能发发电电太阳阳能能热热动动力力发发电电2.太阳能发发电太阳能热热动力发发电2.太阳能发发电太阳能光光利用最最成功的的是用光光—电转换原原理制成成的太阳阳电池（（又称光光电池））。太阳阳电池1954年诞生于于美国贝贝尔实验验室，随随后1958年被用作作“先锋锋1号”人造造卫星的的电源上上了天。。全国太阳阳光伏电电池年生生产能力力达15MW，累计拥拥有量53MW，预计2015年太阳能能电池发发电系统统市场拥拥有量达达到320MW。太阳能光光伏发电电2.太阳能发发电太阳能光光伏发电电2.太阳能发发电太阳能光光伏发电电2.太阳能发发电太阳能汽汽车太阳能电电话亭太阳能光光伏发电电2.太阳能发发电太阳能发发电与电电解水制制氢太阳能热热化学分分解水和和生物质质制氢太阳能光光电化学学与光催催化分解解水制氢氢生物质超超临界水水气化制制氢研究究氢气产产量最高高可达到到生物质质原料中中含氢量量的150%太阳能制制氢3.光化学制制氢1.2太阳和太太阳能基基础知识识太阳的基基本物理理参数及及结构太阳能的的来源太阳能量量的传送送太阳光谱谱关于太阳阳辐射的的基本知知识太阳基本本物理参参数及结结构一、太阳阳基本物物理参数数1、直径：：1392000公里（地地球直径径的109倍）半径：696000（696295、696265千米）2、体积：：1.412×10^27立方米（（地球的的130万倍）球的体积积：4/3ππR＾3（R是半径））3、平均密密度：1.409g/cm3（地球的的四分之之一）4、质量：：1.989×10^30千克（地地球的332946倍）5、距离太太阳最近近的是恒恒星是比邻星。比邻星星是半人人马座α三合星的的第三颗颗星，依依拜耳命命名法也也称为半半人马座座α星C。它是离离太阳最最近的一一颗恒星星（4.22光年）。从它它发出的的光大约约花4.22年才能到到达地球球。6、宇宙年年（cosmicyear）：整个太太阳系绕绕银河系系中心运运动，速速度约为为250千米/秒，转一一周经历历2.25~2.5亿年，称称之为1个宇宙年年。宇宙年：：225百万年（（2.25*10^8年）7、自转会会合周期期：赤赤道＝26.9天，极极区＝31.1天（31.3d）8、温度：：约6000K(表面)，1560万K(核心)，5百万K（日冕））9、日地平平均距离离1.5*10^11m(1.5亿千米)，近日点点1.471亿千米，，远日点点1.521亿千米，，平均1.49598020亿千米。。10、太阳常常数f＝1.97卡·(厘米^2·分)^-1太阳常数数(solarconstant)，表征的的是到达达大气顶顶(大气层上界)的总太阳阳能量(即包含整整个太阳光谱谱)值。定义：在日地地平均距距离(一天文单位位）处，与与太阳光光束方向向垂直的的单位面面积上，，单位时时间内所所接受到到的太阳阳总辐射射能。所所使用的的单位为为W/m2，或卡/平方厘米米/分钟（cal/cm2/min)。1卡=4.185851820846焦耳1焦耳=0.23889999999997卡总辐射功功率：3.83×10^26焦耳/秒8.24J/(cm2.min)思考：太太阳常数数与实际际到达地地表的太太阳辐射射强度哪哪个更大大？为什什么？不考虑地地球大气气的作用用，1小时到达达地球表表面的太太阳辐射射能量有有多少焦焦耳？相相当于多多少度电电？8.24x3.14x(6.371x108)2x60约＝6.30x1020焦探究与计计算：约＝1.75×1014（度）8.24J/(cm2.min)探究与计计算：太阳辐射射一小时时到达地地表的能能量相当当于我国国2006年发电总总量的63倍；相当当于同时时燃烧1.86×1014升汽油释释放的能能量。每台南方方125摩托每百百公里油油耗约为为3升，计算算一小时时到达地地表的太太阳辐射射能量能能同时供供多少台台南方125摩托跑100公里？1.86×1014/3＝6.2××1013台11、太阳活活动周期期，或称为为太阳磁磁活动周周期，是是太阳黑黑子数及及其他现现象的准准周期变变化，大大约11年为一个个周期。。它会引引起空气气中、地地面上一一些物质质的变化化，甚至至可能改改变气候候。把太太阳黑子子最多的的年份称称之为““太阳活活动高峰峰年”，，把太阳阳黑子最最少的年年份称之之为“太太阳活动动低峰年年”。太阳活动动周期：：11.04年太太阳阳年龄：：约4.57×10^9年（50亿年）12、星等：表示星星体光度度。星等的数数值越大大，代表表这颗星星的亮度度越暗。。相反星等等的数值值越小，，代表这这颗星越越亮。有有些光亮亮的星，，它的星星等甚至至是负数数，如全全天最亮亮的恒星--天狼星，，它的亮亮度是-1.45等。目视视星等＝＝－26.74等，绝对对目视星星等＝4.83等，热星星等＝-26.82等，绝绝对热星星等＝4.75等。13、太阳表表面重力力加速度度＝2.74×10^2米／秒^2(为地球表表面重力力加速度度的27.9倍)太阳表面面脱离速速度＝618公里／秒秒地地球附近近太阳风风的速度度：450公里／秒秒太阳：表表面重力力加速度度2.74×10^2米/秒^2(为地球表表面重力力加速度度的27.9倍)月球：赤赤道重力力加速度度1.62m/s2(地球的1/6)水星：表表面(赤道)3.701米/秒2，逃逸速速度：4.435千米/秒金星：表表面引力力加速度度：8.78m/s2地球：赤赤道表面面重力加加速度9.7801m/s^2（0.99732g）火星：赤赤道地表表重力加加速度：：3.72m/sec2木星：表表面重力力加速度度：23.12米每二次次方秒土星：赤赤道引力力(地球=1)1.08，逃逸速速度(公里/秒)35.6天王星：：赤道表表面重力力加速度度：8.69m/s^2;（0.886g）海王星：：表面重重力加速速度比地地球的略略大，在在两极为为1180cm/s2，在赤道道上约为为1100cm/s2太阳的结构太阳是一个炽炽热的大气球球。可以分为为里三层和外外三层。里三层（由内内向外）：核反应区、、辐射区、对对流区。外三层（由里里到外）：光球层、色色球层、日冕冕层。太阳的内部主主要可以分为为三层：核心区、辐射射区和对流区区。核心区：半径径是太阳半径径的1/4，约为整个太太阳质量的一半以上。太阳核核心的温度极极高，达到1500万℃，压力也也极大，相当当于2500亿个大气压，，使得由氢聚聚变为氦的热热核反应得以以发生，从而而释放出极大大的能量。这这些能量再通通过辐射层和和对流层中物物质的传递，，才得以传送送到达太阳光光球的底部，，并通过光球球向外辐射出出去。太阳中中心区的物质质密度非常高高。每立方厘厘米可达160克。太阳在自自身强大重力力吸引下，太太阳中心区处处于高密度、、高温和高压压状态，是太太阳巨大能量量的发祥地。。太阳中心心区产生的能能量的传递主主要靠辐射形形式。辐射层，范围是从热热核中心区顶顶部的0.25个太阳半径向向外到0.71个太阳半径，，这里的温度度、密度和压压力都是从内内向外递减。。从体积来说说，辐射层占整个个太阳体积的的绝大部分。这一层的气气体也处在高高温高压状态态下(但低于核心区区),粒子间的频繁繁碰撞,使得在核心区区产生的能量量经过很久(几百万年)才能穿过这一一层到达对流流区。太阳内内部能量向外外传播除辐射射，还有对流流过程。对流层，范围从太阳阳0.71个太阳半径向向外到达太阳阳大气层的底底部。这一层层气体性质变变化很大，很很不稳定，形形成明显的上上下对流运动动。这是太阳阳内部结构的的最外层。能能量在对流区区的传递要比比辐射区快的的多.这一层中的大大量气体以对对流的方式向向外输送能量量.(有点像烧开水水,被加热的部分分向上升,冷却了的部分分向下降.)对流产生的气气泡一样的结结构就是我们们在太阳大气气的光球层中中看到的"米粒组织"。光球层：属太阳大气层层中的最低层层或最里层，，光球层的厚厚度约500公里，其平均均温度约5700K左右色球层：主要由氢、、氦、钙等例例子构成，厚厚度各处不同同，平均约为为2000km，温度比光球球层要高，从从光球顶部的的4600K，到色球顶部部温度可增加加到几万度，，但它发出的的可见光的总总量却不及光光球层日冕层：日冕是太阳阳大气的最外外层。日冕中中的物质也是是等离子体，，它的密度比比色球层更低低，而它的温温度反比色球球层高，可达达上百万摄氏氏度。日全食食时在日面周周围看到放射射状的非常明明亮的银白色色光芒即是日日冕。太阳的外层结结构：光球层层、色球层、、日冕层太阳的成分主要成分：氢氢和氦。氢占占71.3%，氦占27%太阳的一生是是从星云开始始的，最后一一直到红巨星星、白矮星，，成为太阳的的死骸，这一一过程大约要要经过100亿年，也就是是说再过50亿年将是太阳阳的死期，而而我们人类生生活的地球将将在太阳变成成膨胀的红巨巨星时被其吞吞掉。如果我我们人类能生生存到那个时时代的话，就就只能飞到其其他星球上去去生活了。太阳能的来源源太阳能温度与与射线分布氢变为氦的核核聚变太阳能一般指指太阳光的辐辐射能量。在在太阳内部进进行的由“氢氢”聚变成““氦”的原子子核反应，不不停地释放出出巨大的能量量，并不断向向宇宙空间辐辐射能量，这这种能量就是是太阳能。太阳能量的传传递方式：辐射。辐射有两种：：电磁波辐射、微粒辐射太阳下地面变变热是热辐射射还是热传递递？热量有三种传传递方式：热热辐射，热传传导，对流。。1.辐射：物体之之间利用放射射和吸收彼此此的红外线，，而不必有任任何介质，就就可以达成温温度平衡。2.传导：物体之之间直接接触触，热能直接接以原子振动动，由高温处处传递到低温温处。3.对流：物体之之间以流体为为介质，利用用流体的热胀胀冷缩和可以以流动的特性性，传递热能能。显然，，太阳能量传传递到地球，，是利用热辐辐射。热辐辐射是能量远远距离传送递递的主要方式式，中间不需需要任何介质质。太阳能量的传传送太阳能量的传传送到达地球陆地地表面的太阳阳辐射能约为为17×104亿千瓦，占10%，太阳能利用用潜力巨大到达地球范围围内的太阳总总辐射能量约约173×104亿千瓦，其中中：被大气吸收的的太阳辐射能能约占23%；被大气分子和和尘粒反射回回宇宙空间的的太阳辐射能能占30%；穿过大气层达达到地球表面面的太阳辐射射能占47%。太阳光谱定义：太阳辐射经色色散分光后按按波长大小排排列的图案。。太阳光谱包包括无线电波波、红外线、、可见光、紫紫外线、X射线、γ射线等几个波波谱范围。太阳电磁辐射射中99．9%的能量集中在在红外区、可可见光区和紫紫外区。太阳光谱属于于吸收光谱、短波辐辐射。太阳光谱太阳辐射的能能量主要集中中在波长0.15-4微米之间在到达地球表表面的太阳光光辐射中，紫紫外区光线占占8.03%，可见区光线线占46.43%，红外区光线线占45.54%14十一月月202241关于太阳辐射射的基本知识识太阳辐射通量量：单位面积积单位时间内内所截获的太太阳辐射能，，I，W/m2。太阳常数：当当日地距离为为一个天文单单位距离时，，在地球大气气层上界，垂垂直于太阳辐辐射的截面上上的太阳辐射射通量，I0，I0=1353W/m2。太阳常数的修修正：n为从一月一日日算起到该计计算日的天数数14十十一一月月202242地球球表表面面上上的的太太阳阳辐辐射射大气气层层对对太太阳阳辐辐射射的的削削弱弱作作用用大气气质质量量m：太太阳阳辐辐射射到到达达地地面面时时在在地地球球大大气气中中穿穿行行的的相相对对距距离离。。简化计算（偏偏于保守）：：推荐计算公式式：14十十一一月202243大气透透明度度P:P1表示一一个大大气质质量时时的大大气透透明度度，即即太阳阳辐射射穿过过一个个大气气质量量之后后的辐辐射通通量I1和大气气上界界的辐辐射通通量I0之比m个大气气质量量时的的大气气透明明度:太阳辐辐射穿穿过m个大气气质量量之后后的辐辐射通通量:在一般般的情情况下下，最最好的的晴天天可取取P1=0.85，较好的的晴天取取P1=0.80，中等的的晴天取取P1=0.65，较差的的晴天取取P1=0.5314十十一月202244地理几何何因素对对太阳辐辐射的影影响日地之间间的关系系太阳高度度角:即太阳与与观察者者的连线线与水平平面之间间的夹角角太阳方位位角：太阳阳与观察察者之间间的连线线在水平平面上的的投影和和正南方方的夹角角，规定定太阳方方位角在在正南以以东为正正，以西西为负。。1.3我国太阳阳能资源源就全球而而言，美美国西南南部、非非洲、澳澳大利亚亚、中国国西藏、中东等等地区的的全年总总辐射量量或日照照总时数数最大，，为世界界太阳能能资源最最丰富的的地区。。我国是太太阳能资资源丰富富的国家家，全国国总面积积2/3以上地区区年日照照时数大大于2000小时。我我国西藏藏、青海海、新疆疆、甘肃肃、内蒙蒙古高原原的总辐辐射量和和日照时时数均为为全国最最高，属属世界太太阳能资资源丰富富的地区区之一，，四川盆盆地、西西湖地区区、秦巴巴山地是是太阳能能资源低低值区，，我国东东部、南南部、及及东北为为资源中中等区。。我国陆地地地区每每年太阳阳能辐射射能的总总量分布布1.3我国太阳阳能资源源优点1.普遍：太阳光普普照大地地，没有有地域的的限制无无论陆地地或海洋洋，无论论高山或或岛屿，，都处处处皆有，，可直接接开发和和利用，，且无须须开采和和运输。。1.4太阳阳能能与与化化石石能能源源比比较较遍地地的的阳阳光光长长长的的运运输输沉重重的的设设备备轻便便的的太太阳阳能能板板VS2.无害害：：开发发利利用用太太阳阳能能不不会会污污染染环环境境，，它它是是最最清清洁洁的的能能