太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)太陽(yáng)輻射01:40:301第1頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:3022.1太陽(yáng)概況太陽(yáng)外貌第2頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:3032.1太陽(yáng)概況太陽(yáng)構(gòu)造太陽(yáng)從中心到邊緣可以分為：核反應(yīng)區(qū)——太陽(yáng)熱能產(chǎn)生的基地。輻射區(qū)——太陽(yáng)能先通過(guò)這里傳播出去。對(duì)流區(qū)——太陽(yáng)能經(jīng)過(guò)這里向太陽(yáng)表層傳播，是“輸送帶”。太陽(yáng)大氣——大致可分為光球、色球、日冕等層次。第3頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:3042.1太陽(yáng)概況第4頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:3052.1太陽(yáng)概況太陽(yáng)核：0-0.25rs，30%-50%ms

構(gòu)成

宇宙原始成分（H96%He4%）較高的重元素含量（H50%重元素50%）輻射區(qū)：0.25-0.86rs，13萬(wàn)度氣體完全電離對(duì)流區(qū)：0.86-1rs，溫度5000K能量主要靠對(duì)流傳播太陽(yáng)大氣：光球、色球、日冕第5頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:3062.1太陽(yáng)概況太陽(yáng)光譜分布能量分配：紫外線占7％可見(jiàn)光占50％紅外線占43％太陽(yáng)輻射波長(zhǎng)范圍紫外線（7﹪）：0.15—0.4微米可見(jiàn)光（50﹪）：0.4----0.76微米（紅橙黃綠青藍(lán)紫）紅外線（43﹪）：0.76---4微米第6頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:3072.1太陽(yáng)概況太陽(yáng)能量在大氣層中的吸收情況：到達(dá)陸地表面大約只有17×104億KW，只占到達(dá)地球范圍內(nèi)太陽(yáng)輻射能的10%。17×104億KW的能量相當(dāng)于全球一年內(nèi)消耗總能量的3.5萬(wàn)倍。被植物吸收的僅占0.015%，被人類作為燃料和食物的僅占0.002%。第7頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:3082.2日地運(yùn)動(dòng)

近日點(diǎn)日距1.47×108千米(每年1月3日左右)

遠(yuǎn)日點(diǎn)日距1.52×108千米(每年7月4日前后)

平均日距1個(gè)天文單位(pc)

赤道半徑6378.137千米

極半徑6356.752千米

赤道周長(zhǎng)40075.7千米

表面積5.1億平方千米

質(zhì)量5.976e24千克

密度5.52克/立方厘米

重力加速度1G(9.8米/秒)

公轉(zhuǎn)周期365.2422平均太陽(yáng)日

公轉(zhuǎn)行程9.4億千米

自轉(zhuǎn)周期23小時(shí)56分1.09秒(平均太陽(yáng)時(shí))地球形狀大小參數(shù)第8頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:3092.2日地運(yùn)動(dòng)

據(jù)人造衛(wèi)星軌道參數(shù)分析，地球北極比標(biāo)淮的旋轉(zhuǎn)橢球體要凸出約10m，南極則凹進(jìn)約30m；北半球的中緯度區(qū)稍稍凹進(jìn)，在南半球則稍稍凸出。據(jù)此可有兩點(diǎn)推論：

1)地球非嚴(yán)格的旋轉(zhuǎn)橢球體；2)這一不規(guī)則的形態(tài)表明地球內(nèi)部物質(zhì)在分布上具有顯著不均勻性。

由于物質(zhì)密度分布上的差異、彈、塑性變形及自轉(zhuǎn)的影響，地球更為準(zhǔn)確的表面形態(tài)略似于一個(gè)“梨形”（嚴(yán)格地說(shuō)寬度應(yīng)大于高度）：第9頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30102.2日地運(yùn)動(dòng)第10頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30112.2日地運(yùn)動(dòng)地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面(黃道面)的法線傾斜成23027′夾角，而且在地球公轉(zhuǎn)時(shí)自轉(zhuǎn)軸的方向始終指向天球的北極，這就使得太陽(yáng)光線直射赤道的位置有時(shí)偏南，有時(shí)偏北，形成地球上季節(jié)的變化。第11頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30122.3天球坐標(biāo)人們站在地球表面，仰望天空，平視四周所看到的這個(gè)假想球面。按照相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，太陽(yáng)好象在這個(gè)球面上周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)。要確定太陽(yáng)在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐標(biāo)。常用的天球坐標(biāo)有赤道坐標(biāo)系和水平坐標(biāo)系兩種。2.3.1赤道坐標(biāo)系是以天赤道QQ′為基本圈，以天子午圈的交點(diǎn)Q為原點(diǎn)的天球坐標(biāo)系，PP′分別為北天極和南天極。通過(guò)PP′的大園都垂直于天赤道。顯然，通過(guò)P和球面上的太陽(yáng)(Sθ)的半園也垂直于天赤道,兩者相交于B點(diǎn)。在赤道坐標(biāo)系中，太陽(yáng)的位置Sθ由下列兩個(gè)坐標(biāo)決定:Q’QP’P(北天極)天赤道BSθOδω第12頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30132.3天球坐標(biāo)第13頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30142.3天球坐標(biāo)2.3.1赤道坐標(biāo)系a.時(shí)角相對(duì)于圓弧QB，從天子午圈上的Q點(diǎn)起算(即從太陽(yáng)的正午起算)，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?；逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)。即上午為負(fù)；下午為正。通常以ω表示，它的數(shù)值等于離正午的時(shí)間(小時(shí))乘以150。b.赤緯角相對(duì)于圓弧，從天赤道起算，通常以δ表示。對(duì)于太陽(yáng)來(lái)說(shuō)，春分和秋分日的δ=00,向北天極由00變化到夏至日的+23027′；向南天極由00變化到冬至日的–23027′。Q’QP’P(北天極)天赤道BSθOδω第14頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30152.3天球坐標(biāo)太陽(yáng)赤緯可用Cooper方程近似計(jì)算:其中:n為一年中的日期序號(hào)，如元旦為n=1，春分為n=81。例題1.計(jì)算9月22日的赤緯.

解:9月22日時(shí)，n=265，代入上式得:δ=-0.60與地區(qū)無(wú)關(guān)。第15頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30162.3天球坐標(biāo)2.3.2地平坐標(biāo)系是人在地球上觀看空中的太陽(yáng)相對(duì)于地平面的位置。這時(shí)，太陽(yáng)相對(duì)地球的位置是相對(duì)于地平面而言的。通常用高度角和方位角兩個(gè)坐標(biāo)決定。在某個(gè)時(shí)刻，由于地球上各處的位置不同，因而各處的高度角和方位角也不相同。a.天頂角θZ

太陽(yáng)光線OP與地平面法線QP之間的夾角。b.高度角αs

太陽(yáng)光線OP與其在地平面上投影線pg之間的夾角,它表示太陽(yáng)高出水平面的角度。常用αs表示高度角與天頂角的關(guān)系是:

θZ+αs=900S南西東太陽(yáng)QOgPθZαSγSc.方位角γs

太陽(yáng)光線在地平面上投影和地平面上正南方向線之間的夾角γs。它表示太陽(yáng)光線的水平投影偏離正南方向的角度。取向南方向?yàn)槠鹗键c(diǎn)，向西(順時(shí)針?lè)较?為正，向東為負(fù)。第16頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30172.3天球坐標(biāo)2.3.3太陽(yáng)角的計(jì)算1.太陽(yáng)高度角的計(jì)算高度角和緯度、赤緯及時(shí)角的關(guān)系是:太陽(yáng)正午時(shí)，

ω=0，可簡(jiǎn)化為:當(dāng)正午太陽(yáng)在天頂以南，即Φ>δ時(shí):αs=900–Φ+δ當(dāng)正午太陽(yáng)在天頂以北，即Φ<δ時(shí):

αs=900+Φ–δ例題2.計(jì)算上海地區(qū)9月22日正午12時(shí)和下午3時(shí)的太陽(yáng)高度角.

解:上海地區(qū)的緯度是31.120，由例題1得到:

δ=-0.60；正午12時(shí)的時(shí)角:

ω=0；

下午3時(shí)的時(shí)角:

ω=3×15=450

正午12時(shí)的太陽(yáng)高度角:由于Φ>δ時(shí):

αs=900–Φ+δ=900–

31.120+(–0.60)=58.280

下午3時(shí)的太陽(yáng)高度角:sinαs=sin31.12sin(–0.6)+cos31.12cos(–0.6)cos45=0.5998

αs=36.860第17頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30182.3天球坐標(biāo)2.方位角γs的計(jì)算方位角與赤緯、高度角、緯度及時(shí)角的關(guān)系是:例題3.計(jì)算上海地區(qū)9月22日14時(shí)的太陽(yáng)方位角γs

解:由例題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=47.600第18頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30192.3天球坐標(biāo)3.日出日落時(shí)角ω0

日出日落時(shí)太陽(yáng)高度角為0，可得到:cosω0=–tanφ×tanδ

由于cosω0=cos(–

ω0)ω0日出

=–

ω0；

ω0日落

=ω0

以度表示，負(fù)值為日出時(shí)角，正值為日落時(shí)角。4.日照時(shí)間N

由于地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)150，所以日照時(shí)間N可以用日出日落時(shí)角的絕對(duì)值之和除以150/小時(shí)。例題4.計(jì)算上海地區(qū)在冬至的日出日落時(shí)角及全天日照時(shí)間。解:上海的φ=31.120,冬至日的太陽(yáng)赤緯δ=–23.450,代入公式得:cosω0=–tanφ×tanδ=–tan31.12×tan(–23.45)=0.2619

ω0

=74.820

全天日照時(shí)間

N=2×74.82/15=9.98小時(shí)第19頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30202.3天球坐標(biāo)5.日出日落時(shí)的方位角日出日落時(shí)太陽(yáng)高度角為αs=0所以:cosαs=1；

sinαs=0代入:cosγs,0=–sinδ/sinφ上式得到的日出日落時(shí)的方位角都有兩組解，因此必須選擇一個(gè)正確的解。我國(guó)所處位置大致可劃分為北熱帶(0~23.450)和北溫帶(23.450~66.550)兩個(gè)氣候帶。當(dāng)太陽(yáng)赤緯δ>00時(shí)，太陽(yáng)升起和降落都在北面的象限(即數(shù)學(xué)上的第一，二象限)；δ<00時(shí),太陽(yáng)升起和降落都在南面的象限(即數(shù)學(xué)上的第三，四象限)。例題5.求上海地區(qū)9月22日日出日落的方位角及全天日照時(shí)間:.

解:由以上例題已知:上海地區(qū)的φ=31.120,9月22日太陽(yáng)赤緯: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全天日照時(shí)間:小時(shí)第20頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30212.4太陽(yáng)輻射量單位時(shí)間內(nèi),太陽(yáng)以輻射形式發(fā)射的能量稱為太陽(yáng)輻射功率或輻射通量,單位是瓦(W)。太陽(yáng)投射到單位面積上的輻射功率(輻射通量)稱為輻射度或輻照度,單位是瓦/平方米(W/m2)。在一段時(shí)間內(nèi)(如每小時(shí)、日、月、年等)太陽(yáng)投射到單位面積上的輻射能量稱為輻射量或輻照量,單位是千瓦時(shí)/平方米?日(月、年)。由于歷史的原因，有時(shí)還用到不同的單位制，需要進(jìn)行單位換算: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/cm2第21頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30222.4太陽(yáng)輻射量2.4.1大氣層外的太陽(yáng)輻射1.太陽(yáng)常數(shù)在平均日地距離上，在地球大氣層上界，垂直于太陽(yáng)光線的平面上，單位時(shí)間內(nèi)在單位面積上所獲得太陽(yáng)輻射能的數(shù)值。根據(jù)1981年10月在墨西哥召開(kāi)的世界氣象組織儀器和觀測(cè)方法委員會(huì)第8屆會(huì)議通過(guò)的最新數(shù)值:Isc=1367±7w/m2

實(shí)際上一年中日-地距離是變化的，因此Isc的值也稍有變化。2.到達(dá)大氣層上界的太陽(yáng)輻射大氣層上界水平面上的太陽(yáng)輻射日總量H0可以用下式計(jì)算:其中:Isc

—太陽(yáng)常數(shù)ωs

—日出、日落時(shí)間

δ—太陽(yáng)赤緯角γ—日-地距離變化引起大氣層上界的太陽(yáng)輻射通量的修正值:第22頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30232.4太陽(yáng)輻射量3.大氣質(zhì)量（AM）

太陽(yáng)光線穿過(guò)地球大氣的路徑與太陽(yáng)光線在天頂方向垂直時(shí)的路徑之比。并假定在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和00C時(shí)，海平面上太陽(yáng)光線垂直入射時(shí)的路徑為AM=1。因此大氣層上界的大氣質(zhì)量AM=0。太陽(yáng)在其他位置時(shí)，大氣質(zhì)量都大于1。大氣質(zhì)量越大，說(shuō)明光線經(jīng)過(guò)大氣的路徑越長(zhǎng)，受到衰減越多，到達(dá)地面的能量就越少。地面光伏應(yīng)用中統(tǒng)一規(guī)定此值為1.5時(shí)，通常寫成AM1.5。大氣層上界為AM0。第23頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30242.4太陽(yáng)輻射量在光伏系統(tǒng)工程計(jì)算中，可采用下式計(jì)算：太陽(yáng)輻射穿過(guò)地球大氣時(shí)，由于大氣層對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收和散射，太陽(yáng)光譜范圍和能量分布發(fā)生了變化。太陽(yáng)高度為90°時(shí)，到達(dá)地面紫外線占4%，可見(jiàn)光占46%，紅外線占50%30°3%，44%，53%

更低時(shí)0，30%，大氣質(zhì)量越大，光線經(jīng)過(guò)大氣的路程越長(zhǎng)，受到衰減越多，到達(dá)地面的能量越少。第24頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30252.4太陽(yáng)輻射量2.4.2到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射度1.大氣透明度

大氣透明度是表征大氣對(duì)于太陽(yáng)光線透過(guò)程度的一個(gè)參數(shù)。在晴朗無(wú)云的天氣，大氣透明度高，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能就多。在天空中云霧或風(fēng)沙灰塵多，大氣透明度低，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射能就少。根據(jù)布克-蘭貝特定律，波長(zhǎng)為λ的太陽(yáng)輻射Iλ，經(jīng)過(guò)厚度為dm的大氣層后，輻射衰減為:將上式積分得:式中:Iλ,n—到達(dá)地表的法向太陽(yáng)輻射光譜強(qiáng)度

Iλ,0—大氣層上世界的太陽(yáng)輻射光譜強(qiáng)度

Cλ

—大氣的消光系數(shù)

m

—大氣質(zhì)量此式也可寫成：式中，稱為單色光譜透明度第25頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30262.4太陽(yáng)輻射量將上式從波長(zhǎng)0到∞的整個(gè)波段積分,就可得到全色太陽(yáng)輻射:采用整個(gè)太陽(yáng)輻射光譜范圍內(nèi)的單色透明度的平均值,上式積分后為:或式中，為日地距離修正值；

為復(fù)合透明系數(shù)，表征大氣對(duì)太陽(yáng)輻射能的衰減程度。2.到達(dá)地表的法向太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度為了比較不同大氣質(zhì)量情況下的大氣透明度，必須將大氣透明度修正到某個(gè)給定的大氣質(zhì)量。例如將大氣質(zhì)量為m的大氣透明度Pm值修正到大氣質(zhì)量為2的大氣透明度P2。式中:γ

—日-地變化修正值.Isc

—太陽(yáng)常數(shù).訂正到m=2時(shí)的Pm值.第26頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30272.4太陽(yáng)輻射量3.水平面上太陽(yáng)直接輻射水平面由于太陽(yáng)直接輻射入射到AC和AB平面上的能量是相等的

式中:Ib—水平面上直接輻射量，αs

—太陽(yáng)高度角，

θz

—太陽(yáng)天頂角因此:將上式從日出到日落的時(shí)間內(nèi)積分,得到:式中:Hb為水平面直接輻射日總量.將式中的dt改用時(shí)角ω表示,即:則有:式中:T

—

晝夜長(zhǎng)(一天為1440分鐘);

ω0—日出日落時(shí)角第27頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30282.4太陽(yáng)輻射量4.水平面上的散射輻照度晴天時(shí)，到達(dá)地表水平面的散射輻照度，主要取決于太陽(yáng)高度和大氣透明度，可用下式表示式中，為散射輻照度；為散射輻照度；為太陽(yáng)高度角；為日出日落時(shí)角。5.水平面上的太陽(yáng)總輻射度太陽(yáng)總輻射度是到達(dá)地表水平面上的太陽(yáng)直射輻照度和散射輻照度的總和，即6.清晰度指數(shù)有時(shí)還可以用清晰度指數(shù)KT作為衡量太陽(yáng)通過(guò)大氣層時(shí)的衰減情況，定義為地表水平面上的太陽(yáng)總輻射照度與大氣層外太陽(yáng)輻照度之比，在不同周期內(nèi)，數(shù)值并不相同。水平面上月平均太陽(yáng)輻照量與大氣層外太陽(yáng)輻照量之比為月平均清晰度指數(shù)，表達(dá)為第28頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30292.4太陽(yáng)輻射量同樣，水平面上日平均太陽(yáng)輻照量與大氣層外太陽(yáng)輻照量之比為日平均清晰度指數(shù)，表達(dá)為在某個(gè)小時(shí)內(nèi)，其水平面上的太陽(yáng)總輻照量與大氣層外太陽(yáng)輻照量之比為小時(shí)清晰度指數(shù)，表達(dá)為清晰度指數(shù)越大，表示大氣越透明，衰減得越少，到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大。7.散射輻照量與總輻照量之比即使兩地的太陽(yáng)總輻照量相同，其直射輻照量與散射輻照量所占比例通常也并不同，如青藏高原地區(qū)的直射輻照分量就比較大。影響直射輻照量與散射輻照量所占比例的因素很復(fù)雜，如無(wú)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，可以根據(jù)近似公式來(lái)確定。下面給出不同時(shí)間段的近似計(jì)算方法。第29頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30302.4太陽(yáng)輻射量（1）小時(shí)散射輻照量與總輻照量的比值1982年Erbs等人提出了計(jì)算小時(shí)散射輻照度與總輻照量的近似公式式中，為小時(shí)清晰度指數(shù)。（2）日散射輻照量與總輻照量的比值Erbs等人在小時(shí)散射輻照量與總輻照量比值的基礎(chǔ)上，提出了日散射輻照量與總輻照量的比值，關(guān)系式如下：對(duì)于對(duì)于第30頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30312.4太陽(yáng)輻射量（3）月散射輻照量與總輻照量的比值在太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常常需要知道當(dāng)?shù)氐脑缕骄?yáng)總輻射量和散射輻照量。但有時(shí)可能只有月平均太陽(yáng)總輻照量的數(shù)據(jù)，這就要設(shè)法找到各月直射輻照量和散射輻照量各占多少比例，通常可用以下經(jīng)驗(yàn)公式：對(duì)于全天空（即全部覆蓋云層的天空）的月平均散射輻照量，NASA于2011年9月6日發(fā)布了具體計(jì)算方法，詳見(jiàn)教材。第31頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30322.4太陽(yáng)輻射量2.4.3地表傾斜面上的小時(shí)太陽(yáng)輻照量太陽(yáng)照射到地表傾斜面上時(shí)，定義太陽(yáng)入射光線與傾斜面法線之間的夾角為太陽(yáng)入射角，由此可得到太陽(yáng)入射角與其他角度之間的幾何關(guān)系：并且有：對(duì)于北半球朝向赤道的傾斜面對(duì)于南半球朝向赤道的傾斜面如果在水平面第32頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30332.4太陽(yáng)輻射量2.傾斜面上的小時(shí)太陽(yáng)直射輻照量

IT,b/In=cos

θT

IT,b

=In

cos

θT其中:θT為傾斜面上的太陽(yáng)光線入射角式中:β—傾斜面與水平面之間的夾角；φ—地理緯度；δ—太陽(yáng)赤緯；

ω—時(shí)角；γn—傾斜面的方位角3.傾斜面和水平面上直接輻射通量的比值Rb水平面上的太陽(yáng)輻射通量為:傾斜面的太陽(yáng)輻射通量為:傾斜面和水平面上直接輻射通量的比值:第33頁(yè)，共38頁(yè)，2023年，2月20日，星期四01:40:30342.4太陽(yáng)輻射量由天頂角:對(duì)北半球，朝向赤道的傾斜面,可以得到傾斜面上太陽(yáng)光線的入射角:代入得到:對(duì)南半球，朝向赤道的傾斜面,可以得到傾斜面上太陽(yáng)光線的入射角:4.傾斜面上的小時(shí)散射輻照量式中