1、第二章 太陽和太陽能7/31/202212.1 太陽 太陽直徑為 ，是主要由氫和氦組成的熾熱氣體火球，質(zhì)量為 （比地球重332000倍），體積比地球大130萬倍，平均密度約為地球的1/4，離地球的平均距離為 。7/31/202222.1.1太陽的結(jié)構(gòu)（1）太陽內(nèi)部 太陽核心 內(nèi)部中間層 對流層 （2）太陽大氣 光球?qū)?色球?qū)?日冕 在太陽能利用中，可將太陽看成溫度是6000K，波長為0.3 的黑體輻射。 圖2-1 太陽結(jié)構(gòu)圖7/31/202232.1.2太陽輻射能 太陽本質(zhì)上是一個氫聚變的熱核反應堆，能量以電磁波的形式向四面八方傳播，到達地球表面的輻射量相當于全世界發(fā)電量的幾十萬倍，太陽島氫聚

2、變過程足以維持600億年，從這個意義上講太陽提供的能量是無窮盡的。 7/31/202242.1.3太陽輻射波譜 太陽輻射波譜能量分布 地球大氣層外太空中的太陽輻射，其輻射能量主要分布在可見光區(qū)和紅外區(qū)。7/31/202252.2 日地天文關系2.2.1地球的公轉(zhuǎn)、日地距離近日點遠日點日地距離圖2-2 地球繞太陽運行圖圖2-4 太陽地球幾何關系7/31/20226地球軌道的偏心修正系數(shù)（工程用） 日地平均距離； 觀察點的日地距離； n 一年中某一天的順序數(shù)。7/31/20227表2-1 所求日期在一年中的日子數(shù)*月份各月第i天日子數(shù)的算式各月平均日*平均日日子數(shù)平均日赤緯角1月i17日1720.

3、92月31+i16日4713.03月59+i16日752.44月90+i15日1059.45月120+i15日13518.86月151+i11日16223.17月181+i17日19821.28月212+i16日22813.59月243+i15日2582.210月273+i15日2889.611月304+i14日31818.912月334+i10日34423.0*表中的n數(shù)沒有考慮閏年，對于閏年，3月份之后（包括3月份）的n要加1。*按某日算出大氣層外的太陽輻射量和該月的日平均值最為接近，則將該日定作該月的平均日。7/31/202282.2.2赤緯角太陽赤緯角：地心與太陽中心的連線（即午時太陽

4、光線）與地球赤道平面的夾角四季更替每天的赤緯角可由庫柏（Cooper）方程計算得到： (2-1)圖2-2 地球繞太陽運行圖7/31/202292.2.3地球的自轉(zhuǎn)與太陽時角 當?shù)靥枙r 特點是午時（中午12點）陽光正好通過當?shù)刈游缇€，即在空中最高點處 太陽時標準時間 制定標準時間采用的標準經(jīng)度，(度)； 當?shù)亟?jīng)度，(度)。 所在地點在東半球取負號，西半球取正號。 7/31/202210 兩項修正，第一項E是地球繞日公轉(zhuǎn)時進動和轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的修正，時差E以分為單位，可按下式計算 式中， 。其中，n為所求日期在一年中的日子數(shù)。 第二項是考慮所在地區(qū)的經(jīng)度與制定標準時間的經(jīng)度（我國定為東經(jīng)）之差所

5、產(chǎn)生的修正。由于經(jīng)度每相差1，在時間上就相差4min，所以公式中最后一項乘4，單位也是分。7/31/202211太陽時角 用角度表示的太陽時叫太陽時角，可按下式計算： (2-5)例：求南京2012年11月13日下午3時的當?shù)靥枙r和太陽時角。7/31/2022122.2.4天球與天球坐標系天球 以觀察者為中心，以任意長為半徑，其上分布著所有天體的球面。天頂Z 通過觀察者的垂直軸向上與天球的交點天底N 在天球上，與天頂在同一直徑上的對應點天極Nc和Sc 地球極軸與天球的交點7/31/202213垂直圓 通過觀察者天頂?shù)奶烨蛏系娜我庖粋€最大圓。子午圈 經(jīng)過天極的垂直圓。地平圈 地平面與天球相交的大

6、圓。7/31/202214天球赤道 垂直于地軸的天球的大圓。地球赤道是天球赤道在地球上的投影。時圈 經(jīng)過太陽垂直于天球赤道的大圓，也稱赤緯圈。平徑圈 通過觀察者天頂以及太陽的大圓。7/31/202215天球坐標系（1）地平坐標系 以地平圈為基本圈，天頂為基本點，南點為原點。（2）時角坐標系 以天球赤道為基本圈，天球北極為基本點，天球赤道和子午圈在南點附近的交點為原點。 （3）地平坐標系和時角坐標系的坐標變換7/31/2022162.2.5太陽位置方程太陽高度角與天頂角 從地面某一觀察點向太陽中心作一條射線，該射線在地面上有一投影線，這兩條線的夾角叫太陽高度角 。該射線于地面法線的夾角叫太陽天頂

7、角 。這兩個角度互成余角。 圖2-3 有關幾何角度圖7/31/202217太陽方位角 如圖2-3所示，從地面某一觀察點向太陽中心作的這條射線在地面上的投影線與正南方（當?shù)刈游缇€）的夾角為太陽的方位角 。圖2-3 有關幾何角度圖7/31/202218太陽入射角 太陽光線與集熱面法線之間的夾角，稱為太陽光線的入射角。 太陽光線可分為兩個分量，一個垂直于集熱面，另一個平行于集熱面，只有前者的輻射能被集熱面所截取。由此可見，實際應用中，入射角越小越好。 7/31/202219日照時間 太陽出沒的瞬間，太陽高度角 。 式中， 為日出日沒時角，以度表示，正為日沒時角，負為日出時角。 日出日沒時間： 日照時

8、間： 7/31/202220例：求南京2012年11月13日的日出日落時間和日照時間。7/31/2022212.3太陽輻射和太陽常數(shù) 直射輻射 發(fā)自日面及日周610-3球面度立體角并入射到與該立體角軸線相垂直的平面上的輻射。散射輻射 改變了原來輻射方向，又無特定方向的太陽輻射?？傒椛?直射輻射+散射輻射7/31/2022222.3.1太陽常數(shù) 太陽常數(shù) 是指地球位于平均日地距離時，在地球大氣層上邊界處，垂直于輻射傳播方向上單位面積單位時間內(nèi)測得的太陽輻照度。 1353 1368 圖2-4 太陽地球幾何關系7/31/202223 實際上，大氣層外的太陽輻射度隨著日地距離的改變， 是一年中第n天在

9、法向平面上測得的大氣層外的輻照度。 是太陽常數(shù)，n為所求日期在一年中的日子數(shù) 7/31/202224圖2-5 大氣層外太陽輻照度與月份的關系7/31/2022252.3.2 地球大氣層外水平面上的太陽輻射 任何地區(qū)、任何一天、白天內(nèi)的任何時刻，大氣層外水平面上的太陽輻照度為大氣層外水平面上該天的輻射量 月平均日太陽輻照量只需用月平均日的n和 代入上式即可求得。7/31/202226大氣層外水平面上，每小時內(nèi)太陽的輻照量 對應1h的起始時角， 是終了時角。 7/31/2022277/31/2022282.3.3大氣層對太陽輻射的影響 大氣質(zhì)量 太陽直射光線通過大氣層時的實際光學厚度與大氣層法向厚

10、度之比叫做大氣質(zhì)量，以符號m表示。 7/31/202229例題：夏至日時，北回歸線地區(qū)午時的大氣質(zhì)量是多少？北極的大氣質(zhì)量是多少？ 7/31/202230不同大氣質(zhì)量的太陽輻射光譜 7/31/2022312.3.3大氣層對太陽輻射的影響（二）散射和吸收 空氣分子、水蒸氣和灰塵散射 氧、臭氧、水分、二氧化碳吸收7/31/202232紫外區(qū)O3紅外線 H2O,CO2圖2-19 太陽輻射被大氣吸收的分布情況7/31/2022332.3.3大氣層對太陽輻射的影響（三）大氣透明度 是氣象條件、海撥高度、大氣質(zhì)量、大氣組分（如水汽和氣溶膠含量）等因素的復雜函數(shù)。7/31/202234Hottle（1976

11、年）提出的標準晴空大氣透明度計算模型 直射輻射的大氣透明度 式中： ， 和 是具有23km能見度的標準晴空大氣的物理常數(shù)。 7/31/202235 當海撥高度小于2.5km時，可首先算出相應的 ， 和 ，再通過考慮氣候類型的修正系數(shù) ， ， ，最后求出 ， ， 。7/31/202236散射輻射的大氣透明度 上述大氣透明度公式是在標準晴空（23km能見度）下考慮了大氣質(zhì)量（即太陽天頂角）、海撥高度和四種氣候類型所建的數(shù)學模型。 7/31/2022372.3.3大氣層對太陽輻射的影響（四）云的影響7/31/2022382.3.3大氣層對太陽輻射的影響（小結(jié)） 到達集熱器上的太陽輻射受許多因素影響，

12、歸納起來有以下幾個方面。 天文、地理因素 大氣狀況 集熱器設計考慮 7/31/202239集熱器上太陽輻射的計算方法普遍采用如下方法：用輻射儀實測水平面上的輻射數(shù)據(jù)，常用的有月平均的日總量和小時總量兩種；在大量實驗統(tǒng)計基礎上，用若干相關的氣候參數(shù)整理出一些相關關系式，借助它們將水平面上的實測總量分解為直射和散射兩部分；最后用公式計算集熱器在任意方位上接受到的太陽輻射量。 7/31/2022402.3.4地面上的太陽輻射 對于沒有實測輻射數(shù)據(jù)的地方，一是根據(jù)鄰近地區(qū)的實測值用插值法推算；二是用相對容易測量的太陽持續(xù)時間（日照百分率）或云量等數(shù)據(jù)推算。有氣象臺站的地方，通常是測量水平面上的總輻射。

13、7/31/202241平均太陽輻照量的計算計算水平面上，月平均日的太陽輻照量式中： 月平均日，水平面上的輻照量，MJ/m2； 大氣層外月平均日，水平面上的輻照量，MJ/m2；n月平均日的日照時數(shù)，h； N 月平均日的最大日照時數(shù)（即晝長），h。 a,b為常數(shù)，根據(jù)各地氣候和植物生長類型來確定。7/31/202242標準晴天水平面上輻射量的計算晴天輻射方向上的直射輻照度： 晴天，直射輻射的大氣透明度 大氣層外，垂直于輻射方向上的太陽輻照度 晴天，垂直于輻射方向上的直射輻照度。 7/31/202243水平面上的直射輻照度：一小時內(nèi)，水平面上直射輻照量：相對應的散射輻射部分計算式為 ：一小時內(nèi)，水平

14、面上的總輻照量為：把全天各個小時的量加起來，就是晴天水平面上的總輻照量 。 7/31/202244例題：求麥迪遜（ ，海撥高度為270m）8月22日上午11:30（ ）標準晴空的大氣透明度（ 和 ），以及上午11:00到12:00之間，水平面上晴空條件下的 。作業(yè)：用相同的方法求出日照時間內(nèi)每個小時的晴天輻射量，并做成表格形式。并計算全天直射輻射量和標準晴天總輻射量。 7/31/202245晴空指數(shù)和相關關系式 月平均的晴空指數(shù)一天的晴空指數(shù)一小時的晴空指數(shù) 7/31/202246 與 的相關式7/31/202247 與 的相關式7/31/202248 與 的相關式7/31/202249 與

15、的相關式7/31/202250已知日輻射總量，如何估算小時輻射量 （1）該小時的總輻射量小時總輻射量與日水平輻射量之比 ：式中， 為小時中間點的時角， 為日落時角。 水平面上該小時的總輻射量： 7/31/202251（2）該小時的散射輻射量 小時散射輻射與全天散射輻射之比： （3）該小時的直射輻射量 7/31/202252例：已知西安8月16日水平面上總輻射量是27.1MJ/m2，求下午1點至2點間水平面上的輻射量，其中直射和散射輻照量又各為多少。7/31/202253輻射方向上的太陽直射輻射 輻射方向上的太陽直射輻射的計算公式式中，修正因子 是太陽天頂角。 7/31/2022542.4世界及

16、中國太陽能資源分布簡述氣候帶：赤道帶（南北緯10以內(nèi)），熱帶（緯度10 回歸線23.5），溫帶（回歸線至極圈23.5-66.5），寒帶極圈以內(nèi)（66.5 -90）。7/31/202255世界太陽能資源分布 太陽能資源豐富程度最高地區(qū)為：印度，巴基斯坦、中東、北非、澳大利亞和新西蘭；而太陽能資源豐富程度中高地區(qū)為：美國、中美和南美南部； 7/31/202256我國太陽能資源分布7/31/202257類別全年日照時數(shù)(時)年總輻射量(MJ /m2)日輻射量KWh/相當于燃燒標準煤(千克)主要地區(qū)與國外相當?shù)貐^(qū)13200 34006680 84005.16.4225 285寧夏北部甘肅北部新疆東南部青海西部西藏西部印度巴基斯坦北部23000 32005852 66804.55.1200 22