太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)2太陽輻射

20:03:4012.1太陽概況一些數(shù)據(jù)：太陽是一個(gè)巨大的熾熱的氣體球,其內(nèi)部不斷進(jìn)行著熱核反響,因而釋放巨大的能量。太陽的直徑約為139萬公里,比地球的直徑大109.3倍。太陽的體積約1.4122×107km3,比地球的體積大130萬倍。太陽與地球的平均距離約1.5億公里。太陽的外表溫度約57000C,中心高達(dá)2×1070C,壓力約為2000多億個(gè)大氣壓。太陽的質(zhì)量約1.9892×1027t,相當(dāng)于地球質(zhì)量的333400倍。太陽的平均密度為1.41g/cm3,僅為地球密度的1/4。太陽每秒鐘釋放出的能量是3.865×1026J，相當(dāng)于每秒鐘燃燒1.32×1016標(biāo)準(zhǔn)煤所發(fā)出的能量。太陽發(fā)出的能量大約只有1/22億到達(dá)地球，大約為173×104億KW。其中被大氣吸收大約19%；被大氣和塵粒反射回宇宙空間大約30%；穿過大氣到達(dá)地球外表的太陽輻射能約占51%(81×104億KW)。到達(dá)陸地外表大約只有17×104億KW，只占到達(dá)地球范圍內(nèi)太陽輻射能的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%。

20:03:4022.1太陽概況太陽外貌20:03:4032.1太陽概況太陽構(gòu)造太陽從中心到邊緣可以分為：核反響區(qū)——太陽熱能產(chǎn)生的基地。輻射區(qū)——太陽能先通過這里傳播出去。對(duì)流區(qū)——太陽能經(jīng)過這里向太陽表層傳播，是“輸送帶〞。太陽大氣——大致可分為光球、色球、日冕等層次。20:03:4042.1太陽概況20:03:4052.1太陽概況太陽核：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)流傳播太陽大氣：光球、色球、日冕20:03:4062.1太陽概況太陽光譜分布能量分配：紫外線占7％可見光占50％紅外線占43％太陽輻射波長范圍紫外線（7﹪）：0.15—0.4微米可見光（50﹪）：0.4----0.76微米（紅橙黃綠青藍(lán)紫）紅外線（43﹪）：0.76---4微米20:03:4072.1太陽概況太陽能量在大氣層中的吸收情況：到達(dá)陸地外表大約只有17×104億KW，只占到達(dá)地球范圍內(nèi)太陽輻射能的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%。20:03:4082.2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(平均太陽時(shí))地球形狀大小參數(shù)20:03:4092.2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，南極那么凹進(jìn)約30m；北半球的中緯度區(qū)稍稍凹進(jìn)，在南半球那么稍稍凸出。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)那么的形態(tài)說明地球內(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)確的外表形態(tài)略似于一個(gè)“梨形〞〔嚴(yán)格地說寬度應(yīng)大于高度〕：20:03:40102.2日地運(yùn)動(dòng)20:03:40112.2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。20:03:40122.3天球坐標(biāo)人們站在地球外表，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，太陽好象在這個(gè)球面上周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)。要確定太陽在天球上的位置，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′為根本圈，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PP′的大園都垂直于天赤道。顯然，通過P和球面上的太陽(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，太陽的位置Sθ由以下兩個(gè)坐標(biāo)決定:Q’QP’P(北天極)天赤道BSθOδω20:03:40132.3天球坐標(biāo)20:03:40142.3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(即從太陽的正午起算)，順時(shí)針方向?yàn)檎荒鏁r(shí)針方向?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)于太陽來說，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BSθOδω20:03:40152.3天球坐標(biāo)太陽赤緯可用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)無關(guān)。20:03:40162.3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相對(duì)于地平面的位置。這時(shí)，太陽相對(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

太陽光線OP與地平面法線QP之間的夾角。b.高度角αs

太陽光線OP與其在地平面上投影線pg之間的夾角,它表示太陽高出水平面的角度。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QOgPθZαSγSc.方位角γs

太陽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)針方向)為正，向東為負(fù)。20:03:40172.3天球坐標(biāo)2.3.3太陽角的計(jì)算1.太陽高度角的計(jì)算高度角和緯度、赤緯及時(shí)角的關(guān)系是:太陽正午時(shí)，

ω=0，可簡化為:當(dāng)正午太陽在天頂以南，即Φ>δ時(shí):αs=900–Φ+δ當(dāng)正午太陽在天頂以北，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)的太陽高度角:

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

αs=36.86020:03:40182.3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=47.60020:03:40192.3天球坐標(biāo)3.日出日落時(shí)角ω0

日出日落時(shí)太陽高度角為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)20:03:40202.3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)太陽赤緯δ>00時(shí)，太陽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:上海地區(qū)的φ=31.120,9月22日太陽赤緯:δ=-0.60代入:cosγs,0=-sinδ/sinφ=-sin(-0.60)/sin31.120=0.01223γs,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)20:03:40212.4太陽輻射量單位時(shí)間內(nèi),太陽以輻射形式發(fā)射的能量稱為太陽輻射功率或輻射通量,單位是瓦(W)。太陽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/cm220:03:40222.4太陽輻射量大氣層外的太陽輻射1.太陽常數(shù)

在平均日地距離上，在地球大氣層上界，垂直于太陽光線的平面上，單位時(shí)間內(nèi)在單位面積上所獲得太陽輻射能的數(shù)值。

根據(jù)1981年10月在墨西哥召開的世界氣象組織儀器和觀測方法委員會(huì)第8屆會(huì)議通過的最新數(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)大氣層上界的太陽輻射大氣層上界水平面上的太陽輻射日總量H0可以用下式計(jì)算:其中:Isc

—太陽常數(shù)ωs

—日出、日落時(shí)間

δ—太陽赤緯角γ—日-地距離變化引起大氣層上界的太陽輻射通量的修正值:20:03:40232.4太陽輻射量3.大氣質(zhì)量〔AM〕太陽光線穿過地球大氣的路徑與太陽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。太陽在其他位置時(shí)，大氣質(zhì)量都大于1。大氣質(zhì)量越大，說明光線經(jīng)過大氣的路徑越長，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。20:03:40242.4太陽輻射量在光伏系統(tǒng)工程計(jì)算中，可采用下式計(jì)算：太陽輻射穿過地球大氣時(shí)，由于大氣層對(duì)太陽光譜的吸收和散射，太陽光譜范圍和能量分布發(fā)生了變化。太陽高度為90°時(shí)，到達(dá)地面紫外線占4%，可見光占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)過大氣的路程越長，受到衰減越多，到達(dá)地面的能量越少。20:03:40252.4太陽輻射量2.4.2到達(dá)地表的太陽輻射度1.大氣透明度

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

Iλ,0—大氣層上世界的太陽輻射光譜強(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20:03:40262.4太陽輻射量將上式從波長0到∞的整個(gè)波段積分,就可得到全色太陽輻射:采用整個(gè)太陽輻射光譜范圍內(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)太陽輻射能的衰減程度。2.到達(dá)地表的法向太陽直接輻射強(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

—太陽常數(shù).訂正到m=2時(shí)的Pm值.20:03:40272.4太陽輻射量3.水平面上太陽直接輻射水平面由于太陽直接輻射入射到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

—太陽高度角，

θz

—太陽天頂角因此: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:那么有:式中:T

—

晝夜長(一天為1440分鐘);

ω0—日出日落時(shí)角20:03:40282.4太陽輻射量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；為太陽高度角；為日出日落時(shí)角。5.水平面上的太陽總輻射度太陽總輻射度是到達(dá)地表水平面上的太陽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作為衡量太陽通過大氣層時(shí)的衰減情況，定義為地表水平面上的太陽總輻射照度與大氣層外太陽輻照度之比，在不同周期內(nèi)，數(shù)值并不相同。水平面上月平均太陽輻照量與大氣層外太陽輻照量之比為月平均清晰度指數(shù)，表達(dá)為20:03:40292.4太陽輻射量同樣，水平面上日平均太陽輻照量與大氣層外太陽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)，其水平面上的太陽總輻照量與大氣層外太陽輻照量之比為小時(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，如無實(shí)際測量數(shù)據(jù)，可以根據(jù)近似公式來確定。下面給出不同時(shí)間段的近似計(jì)算方法。20:03:40302.4太陽輻射量〔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根底上，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20:03:40312.4太陽輻射量〔3〕月散射輻照量與總輻照量的比值在太陽能應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常常需要知道當(dāng)?shù)氐脑缕骄柨傒椛淞亢蜕⑸漭椪樟?。但有時(shí)可能只有月平均太陽總輻照量的數(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2021年9月6日發(fā)布了具體計(jì)算方法，詳見教材。20:03:40322.4太陽輻射量2.4.3地表傾斜面上的小時(shí)太陽輻照量太陽照射到地表傾斜面上時(shí)，定義太陽入射光線與傾斜面法線之間的夾角為太陽入射角，由此可得到太陽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20:03:40332.4太陽輻射量2.傾斜面上的小時(shí)太陽直射輻照量

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水平面上的太陽輻射通量為:傾斜面的太陽輻射通量為:傾斜面和水平面上直接輻射通量的比值:20:03:40342.4太陽輻射量由天頂角: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光線的入射角:4.傾斜面上的小時(shí)散射輻照量式中:IT,d—傾斜面上散