第2章 太阳辐射及测试

2023/3/81太阳能应用检测

与控制技术太阳概况第2章

太阳辐射及测试2.1天球坐标2.2太阳辐射量2.3太阳辐射测量方法2.42.1太阳概况图2-1太阳结构示意图2.2天球坐标2.2.1赤道坐标系1．时角2．赤纬角

（2-1）图2-2赤道坐标2.2天球坐标2.2.1赤道坐标系2．赤纬角

（2-1）图2-3地球上太阳赤纬角的变化2.2.2地平坐标系1．天顶角z2．高度角s3．方位角s

图2-4地平坐标系2.2.3太阳角的计算1．太阳高度角的计算高度角、天顶角、纬度、赤纬角及时角的关系为

（2-4）在太阳正午时，

=

0，式（2-4）可简化为

（2-5）当正午太阳在天顶以南，即＞时

（2-6）当正午太阳在天顶以北，即＜时

（2-7）2.2.3太阳角的计算1．太阳高度角的计算例2-2

计算上海地区9月22日中午12时和下午3时的太阳高度角。解：上海地区的纬度是31.12°，由例2-1得到

=

−0.6°正午12时的时角

=

0°，下午3时的时角

=

3×15°

=

45°。中午12时的太阳高度角：由于＞，根据式（2-6）可得

s

=

90°−+

=

90°−31.12°+(−0.6°)

=

58.28°下午3时的太阳高度角：由于＞，根据式（2-4）可得sins

=

sin31.12°sin(−0.6°)+cos31.12°cos(−0.6°)cos45°

=

0.599

8因此可得，s

=

36.86°2.2.3太阳角的计算2．方位角s的计算方位角与高度角、纬度、赤纬角及时角的关系为2.2.3太阳角的计算2．方位角s的计算例2-3

计算上海地区9月22日14时的太阳方位角s。解：由例2-1可知，上海地区9月22日14时的

=

−0.6°，

=

31.12°，

=

2×15°

=

30°。先由式（2-4）计算高度角 sins

=

sin31.12°sin(−0.6°)+cos31.12°cos(−0.6°)cos30°

=

0.735

9因此，s

=

47.38°，代入式（2-8）得到

因此，s

=

47.6°。2.2.3太阳角的计算3．日出、日落的时角scoss

=

−tan

tan

（2-10）

sr

=

−s

ss

=

s式中，sr为日出时角，单位为度；ss为日落时角，单位为度。4．日照时间N2.2.3太阳角的计算5．日出、日落时的方位角例2-5

求上海地区9月22日的日出、日落方位角。解：由例2-1已知，上海地区

=

31.12º，9月22日的

=

−0.6º，代入式（2-11）得

可取s,0

=

89.30°或s,0

=

−89.30°，因此，日出和日落方位角分别是s,0r

=

−89.30°，s,0s

=

89.30°。2.3太阳辐射量2.3.1大气层外的太阳辐射1．太阳常数在地球大气层之外，平均日地距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上所获得的太阳辐射能基本上是一个常数，这个辐照度称为太阳常数。

2.3.1大气层外的太阳辐射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可用下式计算：2.3.1大气层外的太阳辐射3．大气质量m地面上的大气质量计算公式为式中，z为太阳天顶角；s为太阳高度角。

图2-5大气质量示意图2.3.2到达地表的太阳辐照度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；天空中云雾、风沙、灰尘多时，大气透明度低，到达地面的太阳辐射能就少。设整个太阳辐射光谱范围内的单色透明度的平均值为Pm，式（2-20）可写为

或式中，为日地距离修正系数；Pm表征着大气对太阳辐射能的衰减程度。2.3.2到达地表的太阳辐照度2．达到地面的法向太阳直射辐照度例如，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，即

（2-23）

式中，为日地变化修正值；Isc为太阳常数；为修正到m

=

2时的Pm值。2.3.2到达地表的太阳辐照度3．水平面上的太阳直射辐照度Hb为水平面直射辐照日总量式中，T为昼夜时长（一天为1

440min）；s为日出日落时角。图2-6太阳直射辐照度与太阳高度角的关系2.3.2到达地表的太阳辐照度4．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，主要取决于太阳高度和大气透明度，可用下式表示为

（2-28）式中，Id为散射辐照度；s为太阳高度角；c1、c2为经验系数。2.4太阳辐射测量方法2.4.1基本概念

1．辐射度量（1）辐射能Q（2）辐射能密度（3）辐射功率或辐通量（4）辐照度E2.4太阳辐射测量方法2.4.1基本概念

1．辐射度量（5）辐出度M（6）辐射强度I（7）辐射亮度L（8）辐照量H 2.4.1基本概念2．光度量（1）发光强度Iv（5）照度Ev

（2）光通量v（3）光量Qv（6）曝光量Hv（4）亮度Lv2.4.1基本概念3．物质的辐射度和光度性质（1）折射

（2）漫射（3）反射（4）透射（5）吸收2.4.1基本概念4．气象辐射量（1）太阳辐射

直接日射

散射日射

总日射

反射日射（2）地球辐射

地表辐射

大气辐射2.4.1基本概念5．气象辐射量测量仪器（1）绝对直接日射表（2）相对直接日射表（3）太阳光度计（4）总日射表（5）净总日射表（6）地球辐射表（7）全辐射表2.4.2辐射探测器1．辐射探测器基本特性（1）灵敏度（2）分辨率与通量阈（3）时间常数（4）线性度（5）温度特性（6）有效系数2.4.2辐射探测器2．热电探测器热电探测器的工作原理为：将入射到热电器件上的辐射能先转换成热能，再把热能转换成电能。显然，输出信号的形成过程包括两个阶段；第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段，对热探测器来说，这段是共性的，具有普遍的意义。第二阶段是将热能转换成各种形式的电能阶段。

2.4.2辐射探测器2．热电探测器（1）热电偶探测器图2-7热电偶原理示意图2.4.2辐射探测器2．热电探测器（1）热电偶探测器图2-8半导体辐射热电偶2.4.2辐射探测器2．热电探测器