太阳与太阳能

第2章太阳与太阳能何道清编制2011.12

由于太阳光照射，地面温度保持在14℃左右。除原子能、地热和火山爆发的能量外，地面上大部分的能源均直接或间接与太阳有关。

原子能：来源于院子的裂变和聚变，是院子本身的属性，与太阳无关，也叫核能。（太阳能的氢聚变）

地热能：来自地球内部的放射性元素，来源于地球自身蓄积的热能，这些热能来源于史前宇宙大爆炸，即与生俱来。

火山爆发：是地下岩浆活动的结果，是地球内力作用的结果。太阳辐射属于外力作用，两者没有直接联系。2.1太阳

地球上的能源主要有三个来源第一：来源于太阳能由千万年以前的植物、动物尸体变成的煤、石油、天然气等物质所含的能量间接来自与太阳生物能、水能、风能等也是太阳能的作用。第二：来自于地球内部的能源如地热能第三：太阳、月亮等星球对地球的万有引力所带来的能量如潮汐能2.1太阳

太阳是一颗普通的恒星，目前在赫-罗图上度过了主序生涯的一半左右。光度为383亿亿亿瓦，绝对星等为4.8，他是一颗黄色G2型矮星太阳每25.4天自转一周（平均周期；赤道比高纬度自转得快），每2亿年绕银河系中心公转一周。在人类历史上，太阳一直是许多人顶礼膜拜的对象。中华民族的先民把自己的祖先炎帝尊为太阳神。而在古希腊神话中，太阳神则是宙斯(万神之王)的儿子。2.1太阳2.1太阳

其实，太阳只是一颗非常普通的恒星，在广袤浩瀚的繁星世界里，太阳的亮度、大小和物质密度都处于中等水平。只是因为它离地球最近，所以看上去是天空中最大最亮的天体。其它恒星离我们都非常遥远，即使是最近的恒星，也比太阳远27万倍，看上去只是一个闪烁的光点。

太阳的年龄约为46亿年，它还可以继续燃烧约50亿年。在其存在的最后阶段，太阳中的氦将转变成重元素，太阳的体积也将开始不断膨胀，直至将地球吞没。在经过一亿年的红巨星阶段后，太阳将突然坍缩成一颗白矮星--所有恒星存在的最后阶段。再经历几万亿年，它将最终完全冷却。

2.1太阳2.1.1太阳基本物理参数太阳是距地球最近的恒星。半径：R=6.96105km

(地球的109倍）；体积：1.4122107

km3(地球的130万倍）；质量：约为1.99×1027t（地球质量的33万倍）；

平均密度：1.409g/cm3(地球密度的1/4)；

160g/cm3(核心)；温度：5770℃(表面)，1.56107

℃(核心)；

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。

2.1太阳2.1.2太阳的结构—如图2-1所示

1.里三层—太阳内部核反应区：0.25R内，温度1500万度，太阳一半的质量，压力约2500亿大气压；氢聚合时放出射线，这种射线通过较冷区域时，消耗能量，增加波长，变成X射线或紫外线及可见光。辐射区：0.25~0.8R范围，温度13万度，密度0.079g/cm3;太阳能量通过这个区域由辐射传输出去。对流区：0.8~1.0R范围，温度5000度，密度108g/cm3；太阳能量主要靠对流传播。

2.1太阳2.1.2太阳的结构—如图2-1所示

图2-1太阳结构和能量传递方式示意图2.1太阳2.1.2太阳的结构—如图2-1所示

图2-1太阳结构示意图2.1太阳2.1.2太阳的结构—如图2-1所示

2.外三层—太阳外部（太阳大气）光球层：厚度500km，温度5700℃，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，太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。太阳黑子产生。色球层：厚度2000km，温度由内向外升高，4300℃~几万度；边缘产生日珥、耀斑（极光）等。日冕层：内冕层高度17万km，温度100万度；外冕层高度在17万km以上，温度低于内冕层。

太阳大气分层并不严格，实际是连续变化的。2.2

太阳与地球2.2.1

地球的纬线与纬度

地轴：地球自转的轴线，通过地球的南北极和地球中心。

赤道：地球中腰与赤道垂直且与南北极距离相等的大圆圈。

纬线：赤道的南北两边若干与赤道平行的圆圈，即纬圈，构成纬圈的线段，称为纬线。

纬度：赤道南、北各有90，规定赤道为纬度0，分别向两极排列，南、北极分别为南、北纬90。纬圈越小，纬度越高。纬度的高低标志气候的冷热。

0~30，低纬度区；

30~60，中纬度区；

60~90，高纬度区。2.2

太阳与地球2.2.1

地球的经线与经度

经线：南北极间若干南北方向的且与赤道垂直的大圆圈，即“经圈”，构成经圈的线段称为经线，即地面上连接南北极的线，表示南北方向，所有经线长度相等。

经度：计算经度（0）的起始线，通过伦敦格林尼治天文台原址的经线，规定为0经线，即本初子午线，它是确定地球经度和全球时刻的标准参考线。子午线总长度40008km。

2.2

太阳与地球2.2.2地球绕太阳的运行规律

地球自转：地球绕着通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东转动。每转一周（360）为一昼夜，一昼夜又分为24h（实际一个恒星日为23小时56分4.0905秒），所以地球每小时自转15。地球公转：地球绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”。其周期为一年，一年为365天（实际一个恒星年为365天6小时6分9秒）。2.2

太阳与地球2.2.2地球绕太阳的运行规律

地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾斜成2327的夹角（黄赤交角），而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。图2-5地球绕太阳运行及其影响2.2

太阳与地球2.2.3太阳的视运动

地球上人们观察到的太阳运动轨迹，称太阳视运动（Thesunlooksatmotion），实质是相对运动。

图2-6观察者在南纬或北纬35时所观察到的太阳的视运动（是地球自转平面(赤道平面)与地球围绕太阳公转平面(黄道平面)之间的夹角(＝2327′＝23.45)）

2.2

太阳与地球太阳视运动轨迹的极坐标描述图2-7观察者在南纬35°时太阳视运动轨道的极坐标图2.2

太阳与地球2.2.1太阳与地球的位置关系

1.天球与天球坐标系天球：观察者为球心，任意长度为半径的球面(图2-2)；地平面，地平圈；

天顶和天底；周日运动

南天极和北天极，天轴；

天球赤道面，天赤道；

子午圈

图2-2天球及天球坐标系

1.2

太阳与地球

2.赤道坐标系(时角坐标系)

以天赤道QQ’为基本圆，与天子午线圈交点Q为原点的天球坐标系，PP’分为为北天极和南天极，通过PP‘的大圆都垂直于天赤道，通过P和球面上太阳的半圆也垂直于天赤道，两者相交于D点，在赤道坐标系中，太阳的位置B由时角ω和赤纬角δ两个坐标决定。1.2

太阳与地球

2.赤道坐标系(时角坐标系)

（1）时角ω

相对于圆弧QD从天子午圈上的Q点起算（即从太阳的正午算起），时角是用角度表示时间，每15为一小时，上午为正，下午为负，正午时

=0，例如：上午11时，

=+15；上午8时，

=15(128)=60；下午1时，

=-15；下午3时，

=-153＝-45。1.2

太阳与地球

2.赤道坐标系(时角坐标系)（2）赤纬角δ

通常将太阳直射点的纬度即太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹角称为赤纬角，以δ表示。地球上太阳赤纬角的变化如图所示。在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过2327’的范围。夏天最大变化到夏至日的+2327’

，冬天最小变化到冬至日的-2327’

。太阳赤纬按库珀(Cooper)方程计算式中，n为一年中从元旦算起的日期序号，如在春分，n=81,则δ=0。

赤纬角仅仅与一年中的哪一天有关，而与地点无关，即地球上任何位置，同一天的赤纬角相同1.2

太阳与地球

2.赤道坐标系(时角坐标系)（2）赤纬角δ

赤纬角在一年中的0到23.45之间变化，但这个近似公式不能得到春分日、秋分日δ值同时等于0的结果，更为精确的近似公式为式中，N1=92.795（春分日到夏至日的天数），a1为从春分日开始计算的天数N2=93.629（夏至日到秋分日的天数），a2为从夏至日开始计算的天数N3=89.865（秋分日到冬至日的天数），a3为从秋分日开始计算的天数N4=89.012（冬至日到春分日的天数），a4为从冬至日开始计算的天数春分日a1=0，以此类推。计算精度提高了5倍1.2

太阳与地球

太阳赤纬角一年中太阳赤纬角的变化规律1.2

太阳与地球

3.地平坐标系

以地平圈为基本圆，天顶为基本点，南点为原点的天球坐标系，人在地球上观看空中的太阳相对于地平面的位置时，通常用高度角h和方位角γ两个坐标决定。

天顶角θz就是太阳光线与地平面法线之间的夹角。

高度角h是太阳光线与其在地平面上的投影线之间的夹角，它表示太阳高出水平面是高度。

h+θz=90

1.2

太阳与地球

3.地平坐标系

方位角

：太阳光线在地平面上的投影与地平面上正南方的夹角，它表示太阳光线的水平投影偏离正南方向的角度，向西为正，向东为负，变化范围180；

它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。1.2

太阳与地球

太阳的视位置，用太阳的高度角和方位角表示，如图所示。

太阳高度角和方位角1.2

太阳与地球（1）太阳高度角h在天文学中，太阳高度角的计算公式为sinh=sinsin+coscoscos

（2-3）式中，为观测点地理纬度；为当日观测时刻的太阳赤纬角；为观测时刻的太阳时角。其中单位均以度（）计。正午时，＝0，cos=1，式（2-3）可简化为sinh=sinsin+coscos=cos()因为cos()＝sin[90()]，所以，sinh=sin[90()]（2-4）

1.2

太阳与地球

（1）太阳高度角h正午时，若太阳在天顶以南，即>，取sin[90()]，从而有h=90

（2-5）若太阳在天顶以北，即<，取sin[90()]，从而有h=90

在南北回归线上，有时正午时太阳正对天顶，则＝，从而有h＝90。注意：地理纬度，北半球取正值，南半球取负值；太阳赤纬角，太阳位于赤道以北时取正值，位于赤道时=0，位于赤道以南时取负值。1.2

太阳与地球（1）太阳高度角h例2-1

计算夏至日南回归线上的正午太阳高度角。解：夏至日正午太阳赤纬角

=2327；南回归线纬度

=2327<。所以太阳高度角为h=90()=90(23272327)=4306

例2-2

计算春分日北极圈上的正午太阳高度角。解：春分日正午太阳赤纬角

=0；北极圈纬度

=6633>。所以太阳高度角为h=90()=90(66330)=23271.2

太阳与地球

（2）太阳方位角太阳方位角计算公式为（2-6）也可用下式计算（2-7）根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间，利用式（2-6）或式（2-7）中任一个可以求出任何地区、任何季节某一时刻的太阳方位角。1.2

太阳与地球（3）日照时间太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角h＝0，若不考虑地表面曲率及大气折射的影响，根据式（2-3），可得出日出日没时角的表达式cos＝tantan

（2-8）式中，为日出或日没时角，以度表示；正为日出时角，负为日没时角。对于北半球，当1≤tantan≤＋1，由式(2-8)可得＝arccos(tantan)(2-9)因为cos=cos()，所以出＝，没＝。1.2

太阳与地球（3）日照时间由式（2-9）可求得任何季节、任何纬度上的昼长。求出时角后，日出日没时间用求出，一天中可能的日照时间T（昼长）可由下式给出

(1-10)1.2

太阳与地球

例2-3

计算上海地区9月22日中午12时和下午2时的太阳高度角和方位角，以及该地区冬至日的日出日没时角及全天日照时间。

解：①上海地区的纬度＝31.12。②9月22日距春分日的时间n＝265，则当日的赤纬角为③正午12时的时角＝0，下午2时的时角＝152＝-30。中午12时的太阳高度角：由于>，则h=90＋＝9031.12＋(0.6)＝58.281.2

太阳与地球④下午2时的太阳高度角：

Sinh＝sinsin+coscoscos＝sin31.12sin(0.6)＋cos31.12cos(0.6)cos30＝0.7359

h＝47.38下午2时的太阳方位角由此可得＝47.6。1.2

太阳与地球⑤冬至日的太阳赤纬角＝23.45，则cos＝tantan＝tan31.12tan(23.45)＝0.2619因此，上海地区冬至日的日出时角出＝74.82，日落时角没＝74.82，全天日照时间2.3.1

太阳的成分（书1.2）炙热的气体火球

主要成分是氢和氦氢：约71.2%氦：约27%其他元素如氧、镁、氮、硅、硫、碳、铜、铁、钴、钛等60多种元素：1.8%

地球的大气由77%氮，21%氧，1%其他元素组成2.3

太阳能2.3

太阳能2.3.1

太阳辐射能太阳能：核聚变反应（氢聚变成氦）6.57×1011kg/s氢6.531011kg/s氦质量亏损m=0.4×1010kg/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);地球上界辐射能：1.771014kW(二十二亿分之一)；地球表面辐射能：8.51013kW(大气衰减)。（GB：标煤燃烧值29305kJ/kg）2.3

太阳能2.3.1太阳辐射能（地球表面辐射能）到达地球表面的太阳辐射能大体分为三部分：一部分转变为热能（约4.0l013kW)，使地球的平均温度大约保持在l4℃，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50

1016km3的降水量，其中大部分降水落在海洋中，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（约有3.71013kW）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（约41012kW）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

。

2.3

太阳能2.3.1太阳辐射能（地球上的能流图）火山0.3太阳辐射173000单位：106MW短波的直接反射52000直接转换为热能81000121000长波辐射40000光合作用40化石燃料风、波浪370蒸发、降雨39590衰变潮汐3地热322.3

太阳能

太阳能辐射量太阳在单位时间内以辐射形式发射出的能量称太阳的辐射功率，也叫辐射通量，单位是瓦特(W=J/s)；投射到单位面积上的辐射通量叫辐照度，单位是瓦/米2(W/m2)；从单位面积上接收到的辐射能称为曝辐射量，单位为焦耳/米2(J/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))。单位换算：

1kWh=3.6MJ1cal=4.1868J=1.1627mWh1MJ/m2=23.889cal/cm2=27.8mWh/cm21kWh/m2=85.98cal/cm2=3.6MJ/m2=100mWh/cm22.3

太阳能

2.3.2太阳辐射光谱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（能譜）。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的太阳光谱有所不同，其辐射光谱分布如图2-9所示。图中阴影部分，表示太阳辐射被大气所吸收的部分。图2-9太阳辐射的光谱分布2.3

太阳能

2.3.2太阳辐射光谱

太阳辐射能量随波长的分布，称为太阳光谱（能谱）。发射光谱：连续光谱；明线光谱吸收光谱：太阳光谱属于吸收光谱。地球上界的太阳辐射光谱：波长0.15~4.0m的光，99%；0.4~0.76m(可见光)，40.3%；

<0.4m(紫外光)，8.3%；

>0.76m(红外光)，51.4%；最大辐射能量波长，0.475m.图2-9太阳辐射的光谱分布2.3

太阳能2.3.3到达地球表面上的太阳辐射能

1.太阳常数（solarconstant）太阳常数是指在日地平均距离处，地球大气层外（大气上界）垂直于太阳光线的平面上，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，它基本上是一个常数，所以这个辐照度称为太阳常数。太阳常数值被世界气象组织确定为：I0＝（13677）W/m2对于不是垂直照射的情况，到达水平面上的太阳辐射强度与太阳常数之间存在着下面的关系：I=I0sinh

（2-11）式中，h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的太阳辐射强度。2.3

太阳能

2.到达地球表面上的太阳辐射能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；直接辐射与散射辐射的总和为地球接受到的太阳总辐射能量。

图2-10大气对太阳辐射的影响2.3

太阳能

（1）影响地球表面上太阳辐射能的因素

①天文因素：日地距离；太阳赤纬角；太阳时角。②地理因素：地理位置；海拔高度。③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。④几何因数：接收太阳辐射面的倾斜度和方位角。图2-10大气对太阳辐射的影响2.3

太阳能

（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：①吸收作用；②散射作用；③漫反射作用。大气衰减与太阳光线经过大气的路径长短有关，路径越长，衰减越厉害。（与太阳高度相关）图2-10大气对太阳辐射的影响2.3

太阳能

（3）大气质量m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-mass，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，用m表示。图2-11大气质量示意图2.3

太阳能海平面上太阳光线垂直入射（太阳高度角h＝90）时，m=1，记为AM1；大气层上界的大气质量m=0（AM0）；m=1.5，写成AM1.5，表示太阳光线通过大气的实际距离为大气垂直厚度的1.5倍。

大气质量越大，说明太阳光线经过大气的路径越长，受到的衰减越多，到达地面的能量就越少。大气质量计算公式图2-11大气质量示意图2.3

太阳能

3.落在倾斜表面上的辐射落在水平面上的直射成分S需要转换成在相对水平面倾角为的斜面上的直射成分S，如图2-12所示。

h＝＝90

-南半球纬度，适用于位于南半球，朝北的太阳能组件；

h＝90+-北半球纬度，适用于位于北半