太陽與太陽能

第2章太陽與太陽能何道清編制2011.12

由于太陽光照射，地面溫度保持在14℃左右。除原子能、地?zé)岷突鹕奖l(fā)的能量外，地面上大部分的能源均直接或間接與太陽有關(guān)。

原子能：來源于院子的裂變和聚變，是院子本身的屬性，與太陽無關(guān)，也叫核能。（太陽能的氫聚變）

地?zé)崮埽簛碜缘厍騼?nèi)部的放射性元素，來源于地球自身蓄積的熱能，這些熱能來源于史前宇宙大爆炸，即與生俱來。

火山爆發(fā)：是地下巖漿活動(dòng)的結(jié)果，是地球內(nèi)力作用的結(jié)果。太陽輻射屬于外力作用，兩者沒有直接聯(lián)系。2.1太陽

地球上的能源主要有三個(gè)來源第一：來源于太陽能由千萬年以前的植物、動(dòng)物尸體變成的煤、石油、天然氣等物質(zhì)所含的能量間接來自與太陽生物能、水能、風(fēng)能等也是太陽能的作用。第二：來自于地球內(nèi)部的能源如地?zé)崮艿谌禾?、月亮等星球?qū)Φ厍虻娜f有引力所帶來的能量如潮汐能2.1太陽

太陽是一顆普通的恒星，目前在赫-羅圖上度過了主序生涯的一半左右。光度為383億億億瓦，絕對(duì)星等為4.8，他是一顆黃色G2型矮星太陽每25.4天自轉(zhuǎn)一周（平均周期；赤道比高緯度自轉(zhuǎn)得快），每2億年繞銀河系中心公轉(zhuǎn)一周。在人類歷史上，太陽一直是許多人頂禮膜拜的對(duì)象。中華民族的先民把自己的祖先炎帝尊為太陽神。而在古希臘神話中，太陽神則是宙斯(萬神之王)的兒子。2.1太陽2.1太陽

其實(shí)，太陽只是一顆非常普通的恒星，在廣袤浩瀚的繁星世界里，太陽的亮度、大小和物質(zhì)密度都處于中等水平。只是因?yàn)樗x地球最近，所以看上去是天空中最大最亮的天體。其它恒星離我們都非常遙遠(yuǎn)，即使是最近的恒星，也比太陽遠(yuǎn)27萬倍，看上去只是一個(gè)閃爍的光點(diǎn)。

太陽的年齡約為46億年，它還可以繼續(xù)燃燒約50億年。在其存在的最后階段，太陽中的氦將轉(zhuǎn)變成重元素，太陽的體積也將開始不斷膨脹，直至將地球吞沒。在經(jīng)過一億年的紅巨星階段后，太陽將突然坍縮成一顆白矮星--所有恒星存在的最后階段。再經(jīng)歷幾萬億年，它將最終完全冷卻。

2.1太陽2.1.1太陽基本物理參數(shù)太陽是距地球最近的恒星。半徑：R=6.96105km

(地球的109倍）；體積：1.4122107

km3(地球的130萬倍）；質(zhì)量：約為1.99×1027t（地球質(zhì)量的33萬倍）；

平均密度：1.409g/cm3(地球密度的1/4)；

160g/cm3(核心)；溫度：5770℃(表面)，1.56107

℃(核心)；

日地平均距離：1.5108km；太陽光到達(dá)地球表面時(shí)間：約818；

年齡：約50億年；壽命：100億年。

2.1太陽2.1.2太陽的結(jié)構(gòu)—如圖2-1所示

1.里三層—太陽內(nèi)部核反應(yīng)區(qū)：0.25R內(nèi)，溫度1500萬度，太陽一半的質(zhì)量，壓力約2500億大氣壓；氫聚合時(shí)放出射線，這種射線通過較冷區(qū)域時(shí)，消耗能量，增加波長，變成X射線或紫外線及可見光。輻射區(qū)：0.25~0.8R范圍，溫度13萬度，密度0.079g/cm3;太陽能量通過這個(gè)區(qū)域由輻射傳輸出去。對(duì)流區(qū)：0.8~1.0R范圍，溫度5000度，密度108g/cm3；太陽能量主要靠對(duì)流傳播。

2.1太陽2.1.2太陽的結(jié)構(gòu)—如圖2-1所示

圖2-1太陽結(jié)構(gòu)和能量傳遞方式示意圖2.1太陽2.1.2太陽的結(jié)構(gòu)—如圖2-1所示

圖2-1太陽結(jié)構(gòu)示意圖2.1太陽2.1.2太陽的結(jié)構(gòu)—如圖2-1所示

2.外三層—太陽外部（太陽大氣）光球?qū)樱汉穸?00km，溫度5700℃，太陽的全部光能幾乎全從這個(gè)層次發(fā)出。太陽的連續(xù)光譜基本上就是光球的光譜，太陽光譜內(nèi)的吸收線基本上也是在這一層內(nèi)形成的。太陽黑子產(chǎn)生。色球?qū)樱汉穸?000km，溫度由內(nèi)向外升高，4300℃~幾萬度；邊緣產(chǎn)生日珥、耀斑（極光）等。日冕層：內(nèi)冕層高度17萬km，溫度100萬度；外冕層高度在17萬km以上，溫度低于內(nèi)冕層。

太陽大氣分層并不嚴(yán)格，實(shí)際是連續(xù)變化的。2.2

太陽與地球2.2.1

地球的緯線與緯度

地軸：地球自轉(zhuǎn)的軸線，通過地球的南北極和地球中心。

赤道：地球中腰與赤道垂直且與南北極距離相等的大圓圈。

緯線：赤道的南北兩邊若干與赤道平行的圓圈，即緯圈，構(gòu)成緯圈的線段，稱為緯線。

緯度：赤道南、北各有90，規(guī)定赤道為緯度0，分別向兩極排列，南、北極分別為南、北緯90。緯圈越小，緯度越高。緯度的高低標(biāo)志氣候的冷熱。

0~30，低緯度區(qū)；

30~60，中緯度區(qū)；

60~90，高緯度區(qū)。2.2

太陽與地球2.2.1

地球的經(jīng)線與經(jīng)度

經(jīng)線：南北極間若干南北方向的且與赤道垂直的大圓圈，即“經(jīng)圈”，構(gòu)成經(jīng)圈的線段稱為經(jīng)線，即地面上連接南北極的線，表示南北方向，所有經(jīng)線長度相等。

經(jīng)度：計(jì)算經(jīng)度（0）的起始線，通過倫敦格林尼治天文臺(tái)原址的經(jīng)線，規(guī)定為0經(jīng)線，即本初子午線，它是確定地球經(jīng)度和全球時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)參考線。子午線總長度40008km。

2.2

太陽與地球2.2.2地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律

地球自轉(zhuǎn)：地球繞著通過它本身南極和北極的“地軸”自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)一周（360）為一晝夜，一晝夜又分為24h（實(shí)際一個(gè)恒星日為23小時(shí)56分4.0905秒），所以地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15。地球公轉(zhuǎn)：地球繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道(黃道)上運(yùn)行，稱為“公轉(zhuǎn)”。其周期為一年，一年為365天（實(shí)際一個(gè)恒星年為365天6小時(shí)6分9秒）。2.2

太陽與地球2.2.2地球繞太陽的運(yùn)行規(guī)律

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2327的夾角（黃赤交角），而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。圖2-5地球繞太陽運(yùn)行及其影響2.2

太陽與地球2.2.3太陽的視運(yùn)動(dòng)

地球上人們觀察到的太陽運(yùn)動(dòng)軌跡，稱太陽視運(yùn)動(dòng)（Thesunlooksatmotion），實(shí)質(zhì)是相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖2-6觀察者在南緯或北緯35時(shí)所觀察到的太陽的視運(yùn)動(dòng)（是地球自轉(zhuǎn)平面(赤道平面)與地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)平面(黃道平面)之間的夾角(＝2327′＝23.45)）

2.2

太陽與地球太陽視運(yùn)動(dòng)軌跡的極坐標(biāo)描述圖2-7觀察者在南緯35°時(shí)太陽視運(yùn)動(dòng)軌道的極坐標(biāo)圖2.2

太陽與地球2.2.1太陽與地球的位置關(guān)系

1.天球與天球坐標(biāo)系天球：觀察者為球心，任意長度為半徑的球面(圖2-2)；地平面，地平圈；

天頂和天底；周日運(yùn)動(dòng)

南天極和北天極，天軸；

天球赤道面，天赤道；

子午圈

圖2-2天球及天球坐標(biāo)系

1.2

太陽與地球

2.赤道坐標(biāo)系(時(shí)角坐標(biāo)系)

以天赤道QQ’為基本圓，與天子午線圈交點(diǎn)Q為原點(diǎn)的天球坐標(biāo)系，PP’分為為北天極和南天極，通過PP‘的大圓都垂直于天赤道，通過P和球面上太陽的半圓也垂直于天赤道，兩者相交于D點(diǎn)，在赤道坐標(biāo)系中，太陽的位置B由時(shí)角ω和赤緯角δ兩個(gè)坐標(biāo)決定。1.2

太陽與地球

2.赤道坐標(biāo)系(時(shí)角坐標(biāo)系)

（1）時(shí)角ω

相對(duì)于圓弧QD從天子午圈上的Q點(diǎn)起算（即從太陽的正午算起），時(shí)角是用角度表示時(shí)間，每15為一小時(shí)，上午為正，下午為負(fù)，正午時(shí)

=0，例如：上午11時(shí)，

=+15；上午8時(shí)，

=15(128)=60；下午1時(shí)，

=-15；下午3時(shí)，

=-153＝-45。1.2

太陽與地球

2.赤道坐標(biāo)系(時(shí)角坐標(biāo)系)（2）赤緯角δ

通常將太陽直射點(diǎn)的緯度即太陽中心和地心的連線與赤道平面的夾角稱為赤緯角，以δ表示。地球上太陽赤緯角的變化如圖所示。在一年當(dāng)中，太陽赤緯每天都在變化，但不超過2327’的范圍。夏天最大變化到夏至日的+2327’

，冬天最小變化到冬至日的-2327’

。太陽赤緯按庫珀(Cooper)方程計(jì)算式中，n為一年中從元旦算起的日期序號(hào)，如在春分，n=81,則δ=0。

赤緯角僅僅與一年中的哪一天有關(guān)，而與地點(diǎn)無關(guān)，即地球上任何位置，同一天的赤緯角相同1.2

太陽與地球

2.赤道坐標(biāo)系(時(shí)角坐標(biāo)系)（2）赤緯角δ

赤緯角在一年中的0到23.45之間變化，但這個(gè)近似公式不能得到春分日、秋分日δ值同時(shí)等于0的結(jié)果，更為精確的近似公式為式中，N1=92.795（春分日到夏至日的天數(shù)），a1為從春分日開始計(jì)算的天數(shù)N2=93.629（夏至日到秋分日的天數(shù)），a2為從夏至日開始計(jì)算的天數(shù)N3=89.865（秋分日到冬至日的天數(shù)），a3為從秋分日開始計(jì)算的天數(shù)N4=89.012（冬至日到春分日的天數(shù)），a4為從冬至日開始計(jì)算的天數(shù)春分日a1=0，以此類推。計(jì)算精度提高了5倍1.2

太陽與地球

太陽赤緯角一年中太陽赤緯角的變化規(guī)律1.2

太陽與地球

3.地平坐標(biāo)系

以地平圈為基本圓，天頂為基本點(diǎn)，南點(diǎn)為原點(diǎn)的天球坐標(biāo)系，人在地球上觀看空中的太陽相對(duì)于地平面的位置時(shí)，通常用高度角h和方位角γ兩個(gè)坐標(biāo)決定。

天頂角θz就是太陽光線與地平面法線之間的夾角。

高度角h是太陽光線與其在地平面上的投影線之間的夾角，它表示太陽高出水平面是高度。

h+θz=90

1.2

太陽與地球

3.地平坐標(biāo)系

方位角

：太陽光線在地平面上的投影與地平面上正南方的夾角，它表示太陽光線的水平投影偏離正南方向的角度，向西為正，向東為負(fù)，變化范圍180；

它表示太陽的方位，決定太陽光的入射方向。1.2

太陽與地球

太陽的視位置，用太陽的高度角和方位角表示，如圖所示。

太陽高度角和方位角1.2

太陽與地球（1）太陽高度角h在天文學(xué)中，太陽高度角的計(jì)算公式為sinh=sinsin+coscoscos

（2-3）式中，為觀測點(diǎn)地理緯度；為當(dāng)日觀測時(shí)刻的太陽赤緯角；為觀測時(shí)刻的太陽時(shí)角。其中單位均以度（）計(jì)。正午時(shí)，＝0，cos=1，式（2-3）可簡化為sinh=sinsin+coscos=cos()因?yàn)閏os()＝sin[90()]，所以，sinh=sin[90()]（2-4）

1.2

太陽與地球

（1）太陽高度角h正午時(shí)，若太陽在天頂以南，即>，取sin[90()]，從而有h=90

（2-5）若太陽在天頂以北，即<，取sin[90()]，從而有h=90

在南北回歸線上，有時(shí)正午時(shí)太陽正對(duì)天頂，則＝，從而有h＝90。注意：地理緯度，北半球取正值，南半球取負(fù)值；太陽赤緯角，太陽位于赤道以北時(shí)取正值，位于赤道時(shí)=0，位于赤道以南時(shí)取負(fù)值。1.2

太陽與地球（1）太陽高度角h例2-1

計(jì)算夏至日南回歸線上的正午太陽高度角。解：夏至日正午太陽赤緯角

=2327；南回歸線緯度

=2327<。所以太陽高度角為h=90()=90(23272327)=4306

例2-2

計(jì)算春分日北極圈上的正午太陽高度角。解：春分日正午太陽赤緯角

=0；北極圈緯度

=6633>。所以太陽高度角為h=90()=90(66330)=23271.2

太陽與地球

（2）太陽方位角太陽方位角計(jì)算公式為（2-6）也可用下式計(jì)算（2-7）根據(jù)地理緯度、太陽赤緯及觀測時(shí)間，利用式（2-6）或式（2-7）中任一個(gè)可以求出任何地區(qū)、任何季節(jié)某一時(shí)刻的太陽方位角。1.2

太陽與地球（3）日照時(shí)間太陽在地平線的出沒瞬間，其太陽高度角h＝0，若不考慮地表面曲率及大氣折射的影響，根據(jù)式（2-3），可得出日出日沒時(shí)角的表達(dá)式cos＝tantan

（2-8）式中，為日出或日沒時(shí)角，以度表示；正為日出時(shí)角，負(fù)為日沒時(shí)角。對(duì)于北半球，當(dāng)1≤tantan≤＋1，由式(2-8)可得＝arccos(tantan)(2-9)因?yàn)閏os=cos()，所以出＝，沒＝。1.2

太陽與地球（3）日照時(shí)間由式（2-9）可求得任何季節(jié)、任何緯度上的晝長。求出時(shí)角后，日出日沒時(shí)間用求出，一天中可能的日照時(shí)間T（晝長）可由下式給出

(1-10)1.2

太陽與地球

例2-3

計(jì)算上海地區(qū)9月22日中午12時(shí)和下午2時(shí)的太陽高度角和方位角，以及該地區(qū)冬至日的日出日沒時(shí)角及全天日照時(shí)間。

解：①上海地區(qū)的緯度＝31.12。②9月22日距春分日的時(shí)間n＝265，則當(dāng)日的赤緯角為③正午12時(shí)的時(shí)角＝0，下午2時(shí)的時(shí)角＝152＝-30。中午12時(shí)的太陽高度角：由于>，則h=90＋＝9031.12＋(0.6)＝58.281.2

太陽與地球④下午2時(shí)的太陽高度角：

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

h＝47.38下午2時(shí)的太陽方位角由此可得＝47.6。1.2

太陽與地球⑤冬至日的太陽赤緯角＝23.45，則cos＝tantan＝tan31.12tan(23.45)＝0.2619因此，上海地區(qū)冬至日的日出時(shí)角出＝74.82，日落時(shí)角沒＝74.82，全天日照時(shí)間2.3.1

太陽的成分（書1.2）炙熱的氣體火球

主要成分是氫和氦氫：約71.2%氦：約27%其他元素如氧、鎂、氮、硅、硫、碳、銅、鐵、鈷、鈦等60多種元素：1.8%

地球的大氣由77%氮，21%氧，1%其他元素組成2.3

太陽能2.3

太陽能2.3.1

太陽輻射能太陽能：核聚變反應(yīng)（氫聚變成氦）6.57×1011kg/s氫6.531011kg/s氦質(zhì)量虧損m=0.4×1010kg/s能量轉(zhuǎn)換E=mc2=3.901023kW

總輻射功率：3.8651026J/s(相當(dāng)于1.321016t標(biāo)煤能量/s);地球上界輻射能：1.771014kW(二十二億分之一)；地球表面輻射能：8.51013kW(大氣衰減)。（GB：標(biāo)煤燃燒值29305kJ/kg）2.3

太陽能2.3.1太陽輻射能（地球表面輻射能）到達(dá)地球表面的太陽輻射能大體分為三部分：一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽s4.0l013kW)，使地球的平均溫度大約保持在l4℃，造成適合各種生物生存和發(fā)展的自然環(huán)境，同時(shí)使地球表面的水不斷蒸發(fā)，造成全球每年約50

1016km3的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落在陸地上，這就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。第二部分（約有3.71013kW）用來推動(dòng)海水及大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，這便是海流能、波浪能、風(fēng)能的由來。第三部分（約41012kW）的太陽能被植物葉子的葉綠素所捕獲，成為光合作用的能量來源

。

2.3

太陽能2.3.1太陽輻射能（地球上的能流圖）火山0.3太陽輻射173000單位：106MW短波的直接反射52000直接轉(zhuǎn)換為熱能81000121000長波輻射40000光合作用40化石燃料風(fēng)、波浪370蒸發(fā)、降雨39590衰變潮汐3地?zé)?22.3

太陽能

太陽能輻射量太陽在單位時(shí)間內(nèi)以輻射形式發(fā)射出的能量稱太陽的輻射功率，也叫輻射通量，單位是瓦特(W=J/s)；投射到單位面積上的輻射通量叫輻照度，單位是瓦/米2(W/m2)；從單位面積上接收到的輻射能稱為曝輻射量，單位為焦耳/米2(J/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照量，單位是千瓦時(shí)/(平方米日(月、年))（kWh/(m2d(m、y))。單位換算：

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

太陽能

2.3.2太陽輻射光譜太陽發(fā)射的電磁輻射能量在大氣上界隨波長的分布，稱為太陽輻射光譜（能譜）。太陽以光輻射的形式將能量傳送到地球表面，但由于地球大氣層的存在，到達(dá)地面的太陽光譜與大氣上界的太陽光譜有所不同，其輻射光譜分布如圖2-9所示。圖中陰影部分，表示太陽輻射被大氣所吸收的部分。圖2-9太陽輻射的光譜分布2.3

太陽能

2.3.2太陽輻射光譜

太陽輻射能量隨波長的分布，稱為太陽光譜（能譜）。發(fā)射光譜：連續(xù)光譜；明線光譜吸收光譜：太陽光譜屬于吸收光譜。地球上界的太陽輻射光譜：波長0.15~4.0m的光，99%；0.4~0.76m(可見光)，40.3%；

<0.4m(紫外光)，8.3%；

>0.76m(紅外光)，51.4%；最大輻射能量波長，0.475m.圖2-9太陽輻射的光譜分布2.3

太陽能2.3.3到達(dá)地球表面上的太陽輻射能

1.太陽常數(shù)（solarconstant）太陽常數(shù)是指在日地平均距離處，地球大氣層外（大氣上界）垂直于太陽光線的平面上，單位時(shí)間、單位面積內(nèi)所接受的所有波長的太陽總輻射能量值，它基本上是一個(gè)常數(shù)，所以這個(gè)輻照度稱為太陽常數(shù)。太陽常數(shù)值被世界氣象組織確定為：I0＝（13677）W/m2對(duì)于不是垂直照射的情況，到達(dá)水平面上的太陽輻射強(qiáng)度與太陽常數(shù)之間存在著下面的關(guān)系：I=I0sinh

（2-11）式中，h為太陽高度角；I0為太陽常數(shù)；I為投射到大氣上界水平面上的太陽輻射強(qiáng)度。2.3

太陽能

2.到達(dá)地球表面上的太陽輻射能到達(dá)地面的太陽輻射一部分以平行光的方式直接到達(dá)，稱為直接輻射；另一部分是太陽光線經(jīng)大氣散射，投射到地面的稱為散射輻射；直接輻射與散射輻射的總和為地球接受到的太陽總輻射能量。

圖2-10大氣對(duì)太陽輻射的影響2.3

太陽能

（1）影響地球表面上太陽輻射能的因素

①天文因素：日地距離；太陽赤緯角；太陽時(shí)角。②地理因素：地理位置；海拔高度。③物理因素：大氣透明度；接受太陽輻射面的表面物理化學(xué)性質(zhì)，包括表面涂層性質(zhì)。④幾何因數(shù)：接收太陽輻射面的傾斜度和方位角。圖2-10大氣對(duì)太陽輻射的影響2.3

太陽能

（2）大氣層對(duì)太陽輻射的衰減作用—大氣衰減

大氣衰減在于大氣層中的各種氣體、水滴、塵埃等雜質(zhì)對(duì)太陽光的作用，形成大氣層對(duì)太陽光線是一種不透明介質(zhì)，主要衰減作用：①吸收作用；②散射作用；③漫反射作用。大氣衰減與太陽光線經(jīng)過大氣的路徑長短有關(guān)，路徑越長，衰減越厲害。（與太陽高度相關(guān)）圖2-10大氣對(duì)太陽輻射的影響2.3

太陽能

（3）大氣質(zhì)量m為了能夠方便地研究太陽輻射受地球大氣衰減作用的影響，將太陽輻射通過大氣的厚度稱為大氣質(zhì)量（air-mass，AM），其確切定義是：太陽光線通過大氣的實(shí)際距離與大氣的垂直厚度之比，它是一個(gè)無量綱的量，用m表示。圖2-11大氣質(zhì)量示意圖2.3

太陽能海平面上太陽光線垂直入射（太陽高度角h＝90）時(shí)，m=1，記為AM1；大氣層上界的大氣質(zhì)量m=0（AM0）；m=1.5，寫成AM1.5，表示太陽光線通過大氣的實(shí)際距離為大氣垂直厚度的1.5倍。

大氣質(zhì)量越大，說明太陽光線經(jīng)過大氣的路徑越長，受到的衰減越多，到達(dá)地面的能量就越少。大氣質(zhì)量計(jì)算公式圖2-11大氣質(zhì)量示意圖2.3

太陽能

3.落在傾斜表面上的輻射落在水平面上的直射成分S需要轉(zhuǎn)換成在相對(duì)水平面傾角為的斜面上的直射成分S，如圖2-12所示。

h＝＝90

-南半球緯度，適用于位于南半球，朝北的太陽能組件；

h＝90+-北半球緯度，適用于位于北半