太阳能光伏发电应用技术2太阳辐射

14:52:1012.1太阳概况一些数据：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139万公里,比地球的直径大109.3倍。太阳的体积约1.4122×107km3,比地球的体积大130万倍。太阳与地球的平均距离约1.5亿公里。太阳的表面温度约57000C,中心高达2×1070C,压力约为2000多亿个大气压。太阳的质量约1.9892×1027t,相当于地球质量的333400倍。太阳的平均密度为1.41g/cm3,仅为地球密度的1/4。太阳每秒钟释放出的能量是3.865×1026J，相当于每秒钟燃烧1.32×1016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173×104亿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%(81×104亿KW)。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%。

14:52:1022.1太阳概况太阳外貌14:52:1032.1太阳概况太阳构造太阳从中心到边缘可以分为：核反应区——太阳热能产生的基地。辐射区——太阳能先通过这里传播出去。对流区——太阳能经过这里向太阳表层传播，是“输送带”。太阳大气——大致可分为光球、色球、日冕等层次。14:52:1042.1太阳概况14:52:1052.1太阳概况太阳核：0-0.25rs，30%-50%ms

构成

宇宙原始成分

（H96%He4%）

较高的重元素含量（H50%重元素50%）辐射区：0.25-0.86rs，13万度气体完全电离对流区：0.86-1rs，温度5000K

能量主要靠对流传播太阳大气：光球、色球、日冕14:52:1062.1太阳概况太阳光谱分布能量分配：紫外线占7％可见光占50％红外线占43％太阳辐射波长范围紫外线（7﹪）：0.15—0.4微米可见光（50﹪）：0.4----0.76微米（红橙黄绿青蓝紫）红外线（43﹪）：0.76---4微米14:52:1072.1太阳概况太阳能量在大气层中的吸收情况：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%。14:52:1082.2日地运动

近日点日距1.47×108千米(每年1月3日左右)

远日点日距1.52×108千米(每年7月4日前后)

平均日距1个天文单位(pc)

赤道半径6378.137千米

极半径6356.752千米

赤道周长40075.7千米

表面积5.1亿平方千米

质量5.976e24千克

密度5.52克/立方厘米

重力加速度1G(9.8米/秒)

公转周期365.2422平均太阳日

公转行程9.4亿千米

自转周期23小时56分1.09秒(平均太阳时)地球形状大小参数14:52:1092.2日地运动

据人造卫星轨道参数分析，地球北极比标淮的旋转椭球体要凸出约10m，南极则凹进约30m；北半球的中纬度区稍稍凹进，在南半球则稍稍凸出。据此可有两点推论：

1)地球非严格的旋转椭球体；

2)这一不规则的形态表明地球内部物质在分布上具有显著不均匀性。

由于物质密度分布上的差异、弹、塑性变形及自转的影响，地球更为准确的表面形态略似于一个“梨形”（严格地说宽度应大于高度）：14:52:10102.2日地运动14:52:10112.2日地运动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。14:52:10122.3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。2.3.1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P和球面上的太阳(Sθ)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Sθ由下列两个坐标决定:Q’QP’P(北天极)天赤道BSθOδω14:52:10132.3天球坐标14:52:10142.3天球坐标2.3.1赤道坐标系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ω表示，它的数值等于离正午的时间(小时)乘以150。b.赤纬角相对于圆弧，从天赤道起算，通常以δ表示。对于太阳来说，春分和秋分日的δ=00,向北天极由00变化到夏至日的+23027′；向南天极由00变化到冬至日的–23027′。Q’QP’P(北天极)天赤道BSθOδω14:52:10152.3天球坐标太阳赤纬可用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:δ=-0.60与地区无关。14:52:10162.3天球坐标2.3.2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。a.天顶角θZ

太阳光线OP与地平面法线QP之间的夹角。b.高度角αs

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αs表示高度角与天顶角的关系是:

θZ+αs=900S南西东太阳QOgPθZαSγSc.方位角γs

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γs。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。14:52:10172.3天球坐标2.3.3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，

ω=0，可简化为:当正午太阳在天顶以南，即Φ>δ时:αs=900–Φ+δ当正午太阳在天顶以北，即Φ<δ时:

αs=900+Φ–δ例题2.计算上海地区9月22日正午12时和下午3时的太阳高度角.

解:上海地区的纬度是31.120，由例题1得到:

δ=-0.60；正午12时的时角:

ω=0；

下午3时的时角:

ω=3×15=450

正午12时的太阳高度角:由于Φ>δ时:

αs=900–Φ+δ

=900–

31.120+(–0.60)

=58.280

下午3时的太阳高度角:

sinαs=sin31.12sin(–0.6)+cos31.12cos(–0.6)cos45=0.5998

αs=36.86014:52:10182.3天球坐标2.方位角γs的计算方位角与赤纬、高度角、纬度及时角的关系是:例题3.计算上海地区9月22日14时的太阳方位角γs

解:由例题1可知:

δ=–0.60，φ=31.120，ω=2×15=300先求高度角:sinαs=sin31.12×sin(–0.6)+cos31.12×cos(–0.6)×cos30=0.7359

αs=47.380

代入:γs=47.60014:52:10192.3天球坐标3.日出日落时角ω0

日出日落时太阳高度角为0，可得到:cosω0=–tanφ×tanδ

由于cosω0=cos(–

ω0

)ω0日出

=–

ω0；

ω0日落

=ω0

以度表示，负值为日出时角，正值为日落时角。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。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φ=31.120,冬至日的太阳赤纬δ=–23.450,代入公式得:

cosω0=–tanφ×tanδ=–tan31.12×tan(–23.45)=0.2619

ω0

=74.820

全天日照时间

N=2×74.82/15=9.98小时14:52:10202.3天球坐标5.日出日落时的方位角日出日落时太阳高度角为αs=0所以:cosαs=1；

sinαs=0代入:cosγs,0=–sinδ/sinφ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(0~23.450)和北温带(23.450~66.550)两个气候带。当太阳赤纬δ>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)；δ<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)。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φ=31.120,9月22日太阳赤纬:δ=-0.60

代入:cosγs,0=-sinδ/sinφ=-sin(-0.60)/sin31.120

=0.01223

γs,0=89.300;或γs,0=-89.300γs,0出

=-89.300;γs,0落

=89.300全天日照时间:小时14:52:10212.4太阳辐射量单位时间内,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)。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=3.6MJ1卡=4.1868J=1.16278mwh1MJ/m2=23.889卡/cm2=27.8mwh/cm21kwh/m2=85.98卡/cm2=3.6MJ/m2=100mwh/cm214:52:10222.4太阳辐射量2.4.1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，垂直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=1367±7w/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。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ωs

—日出、日落时间

δ—太阳赤纬角γ—日-地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量的修正值:14:52:10232.4太阳辐射量3.大气质量（AM）

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AM=1。因此大气层上界的大气质量AM=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。

地面光伏应用中统一规定此值为1.5时，通常写成AM1.5。大气层上界为AM0。14:52:10242.4太阳辐射量在光伏系统工程计算中，可采用下式计算：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。太阳高度为90°时，到达地面紫外线占4%，可见光占46%，红外线占50%

30°3%，44%，53%

更低时0，30%，大气质量越大，光线经过大气的路程越长，受到衰减越多，到达地面的能量越少。14:52:10252.4太阳辐射量2.4.2到达地表的太阳辐射度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。根据布克-兰贝特定律，波长为λ的太阳辐射Iλ，经过厚度为dm的大气层后，辐射衰减为:将上式积分得:式中:Iλ,n—到达地表的法向太阳辐射光谱强度

Iλ,0—大气层上世界的太阳辐射光谱强度

Cλ

—大气的消光系数

m

—大气质量此式也可写成：式中，称为单色光谱透明度14:52:10262.4太阳辐射量将上式从波长0到∞的整个波段积分,就可得到全色太阳辐射: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，为日地距离修正值；

为复合透明系数，表征大气对太阳辐射能的衰减程度。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，必须将大气透明度修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值修正到大气质量为2的大气透明度P2。式中:γ

—日-地变化修正值.Isc

—太阳常数.订正到m=2时的Pm值.14:52:10272.4太阳辐射量3.水平面上太阳直接辐射水平面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，αs

—太阳高度角，

θz

—太阳天顶角因此:将上式从日出到日落的时间内积分,得到:式中:Hb为水平面直接辐射日总量.将式中的dt改用时角ω表示,即:则有:式中:T

—

昼夜长(一天为1440分钟);

ω0—日出日落时角14:52:10282.4太阳辐射量4.水平面上的散射辐照度晴天时，到达地表水平面的散射辐照度，主要取决于太阳高度和大气透明度，可用下式表示式中，为散射辐照度；为散射辐照度；为太阳高度角；为日出日落时角。5.水平面上的太阳总辐射度太阳总辐射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6.清晰度指数有时还可以用清晰度指数KT作为衡量太阳通过大气层时的衰减情况，定义为地表水平面上的太阳总辐射照度与大气层外太阳辐照度之比，在不同周期内，数值并不相同。水平面上月平均太阳辐照量与大气层外太阳辐照量之比为月平均清晰度指数，表达为14:52:10292.4太阳辐射量同样，水平面上日平均太阳辐照量与大气层外太阳辐照量之比为日平均清晰度指数，表达为在某个小时内，其水平面上的太阳总辐照量与大气层外太阳辐照量之比为小时清晰度指数，表达为清晰度指数越大，表示大气越透明，衰减得越少，到达地面的太阳辐射强度越大。7.散射辐照量与总辐照量之比即使两地的太阳总辐照量相同，其直射辐照量与散射辐照量所占比例通常也并不同，如青藏高原地区的直射辐照分量就比较大。影响直射辐照量与散射辐照量所占比例的因素很复杂，如无实际测量数据，可以根据近似公式来确定。下面给出不同时间段的近似计算方法。14:52:10302.4太阳辐射量（1）小时散射辐照量与总辐照量的比值1982年Erbs等人提出了计算小时散射辐照度与总辐照量的近似公式式中，为小时清晰度指数。（2）日散射辐照量与总辐照量的比值Erbs等人在小时散射辐照量与总辐照量比值的基础上，提出了日散射辐照量与总辐照量的比值，关系式如下：对于对于14:52:10312.4太阳辐射量（3）月散射辐照量与总辐照量的比值在太阳能应用系统设计中，常常需要知道当地的月平均太阳总辐射量和散射辐照量。但有时可能只有月平均太阳总辐照量的数据，这就要设法找到各月直射辐照量和散射辐照量各占多少比例，通常可用以下经验公式：对于全天空（即全部覆盖云层的天空）的月平均散射辐照量，NASA于2011年9月6日发布了具体计算方法，详见教材。14:52:10322.4太阳辐射量2.4.3地表倾斜面上的小时太阳辐照量太阳照射到地表倾斜面上时，定义太阳入射光线与倾斜面法线之间的夹角为太阳入射角，由此可得到太阳入射角与其他角度之间的几何关系：并且有：对于北半球朝向赤道的倾斜面对于南半球朝向赤道的倾斜面如果在水平面14:52:10332.4太阳辐射量2.倾斜面上的小时太阳直射辐照量

IT,b/In=cos

θT

IT,b

=In

cos

θT其中:θT为倾斜面上的太阳光线入射角式中:β—倾斜面与水平面之间的夹角；φ—地理纬度；δ—太阳赤纬；

ω—时角；γn—倾斜面的方位角3.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:14:52:10342.4太阳辐射量由天顶角:对北半球，朝向赤道的倾斜面,可以得到倾斜面上太阳光线的入射角:代入得到:对南半球，朝向赤道的倾斜面,可以得到倾斜面上太阳光线的入射