第2講太陽能基礎(chǔ)知識

第二講太陽能基礎(chǔ)知識太陽能的特點，太陽能利用的方式及途徑，太陽幾何學(xué)（太陽天頂角、太陽高度角、太陽方位角、太陽赤緯角、時角、太陽入射角等概念），太陽輻射的計算（輻射通量、曝輻射量、輻照度、太陽常數(shù)、太陽輻射在大氣中的衰減、直射輻射、散射輻射、反射輻射、傾斜面上太陽輻射的計算），我國太陽能資源的分布。說明：地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都來源于太陽；即使是化石能源從根本上來說，也是遠古以來貯存下來的太陽能。地球能流圖一、太陽的構(gòu)造及與地球的關(guān)系

太陽是一個巨大、久遠、無盡的能源。它是一個熾熱的氣態(tài)球體，它的直徑約為1.39×106km，(地球赤道半徑約6700km，是地球直徑的109倍），質(zhì)量約為2.2×l027t，為地球質(zhì)量的33.2萬倍，體積則比地球大130萬倍，平均密度為地球的1/4。其主要組成氣體為氫（約80％）和氦（約19％）。日地平均距離為1.5×108km，從太陽發(fā)出的光線到達地球需要8分鐘。

太陽的結(jié)構(gòu)在太陽平均半徑23％（0.23R）的區(qū)域內(nèi)是太陽的內(nèi)核，其溫度約為8百萬～4千萬K，密度為水的80～100倍，占太陽全部質(zhì)量的40％，總體積的15％。這部分產(chǎn)生的能量占太陽產(chǎn)生總能量的90％。氫聚合時放出γ射線，當(dāng)它經(jīng)過較冷區(qū)域時由于消耗能量，波長增長，變成X射線或紫外線及可見光。從0.23～0.7R的區(qū)域稱為“輻射輸能區(qū)”，溫度降到13萬K，密度下降為0.079g/cm3。0.7～1.0R之間稱為“對流區(qū)”，溫度下降到5000K，密度下降到10-8g/cm3。

太陽的外部是一個光球?qū)?，它是人們?nèi)庋鬯吹降奶柋砻妫錅囟葹?762K，厚約500km，密度10-6g/cm3，是由強烈電離的氣體組成。太陽能絕大部分輻射都是由此向太空發(fā)射的。光球外面分布著不僅能發(fā)光，而且?guī)缀跏峭该鞯奶柎髿?，稱之為“反變層”，它是由極稀薄的氣體組成，厚約數(shù)百公里，它能吸收某些可見光的光譜輻射?！胺醋儗印钡耐饷媸翘柎髿馍蠈樱Q之為“色球?qū)印?，厚約1～1.5×104km，大部分由氫和氦組成?！吧?qū)印蓖馐巧烊胩盏你y白色日冕（日珥），溫度高達1百萬度，高度有時達幾十個太陽半徑。

地球與太陽的相對大小直徑1.27×107m直徑1.39×109m太陽地球321.495×1011m(±1.7%)太陽常數(shù)G=1353W/m2非比例畫法太陽直徑是地球直徑的109倍，太陽離地球的平均距離是太陽直徑的107倍地球上看到的太陽平面張角為32地球四季是如何形成的？地球晝夜又是如何形成的？貫穿地球中心與南、北兩極相連的線稱為地軸。地球自轉(zhuǎn)：地球繞地軸自西向東轉(zhuǎn)動。自轉(zhuǎn)的平均角速度為7.292×10-5rad/s，在地球赤道上的自轉(zhuǎn)線速度為465m/s，自轉(zhuǎn)一周約24h（23.9348h），即15/h。地球公轉(zhuǎn)：在橢圓形軌道上圍繞太陽公轉(zhuǎn)，運行一周為1年，約365天（365.2564天）。地球公轉(zhuǎn)的角速度和線速度都不是固定的值，隨著日地距離的變化而改變。地球在過近日點時，公轉(zhuǎn)的速度快，角速度和線速度都超過它們的平均值，角速度為11′11″/d，線速度為30.3km/s；地球在過遠日點時，公轉(zhuǎn)的速度慢，角速度和線速度都低于它們的平均值，角速度為57′11″/d，線速度為29.3km/s。地球自轉(zhuǎn)軸與橢圓軌道平面（稱黃道平面）的夾角為6633′。地軸在空間的方位始終不變，因而赤道平面與黃道平面的夾角為2327′。這就造成了太陽光線垂直照射在地球表面的位置一年中在±2327′

緯度之間變化，這就是地球上形成四季的原因。地球公轉(zhuǎn)速度的變化，是造成地球上四季不等長的根本原因。地球繞日公轉(zhuǎn)軌道是一個接近正圓的橢圓，太陽位于橢圓軌道的一個焦點上地球公轉(zhuǎn)軌道總長度是940,000,000千米近日點遠日點6月22日12月23日9月23日3月21日地球在一年中相對太陽的位置二、太陽輻射的特性

從太陽的構(gòu)造可見，太陽并不是一個溫度恒定的黑體，而是一個多層的有不同波長發(fā)射和吸收的輻射體。不過在太陽能利用中通常將它視為一個溫度為6000K，發(fā)射波長為0.3～3μm的黑體。1.太陽常數(shù)

晝夜是由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，而季節(jié)是由于地球的自轉(zhuǎn)軸與地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道的轉(zhuǎn)軸呈2327′的夾角而產(chǎn)生的。

由于地球以橢圓形軌道繞太陽運行，因此太陽與地球之間的距離不是一個常數(shù)，而且一年里每天的日地距離也不一樣。眾所周知，某一點的輻射強度與距輻射源的距離的平方成反比，然而，由于日地間距離太大（平均距離為1.5×108km），所以地球大氣層外的太陽輻射強度幾乎是一個常數(shù)（不超過3.4％）。近年來通過各種先進手段測得的太陽常數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值為1353W/m2。

2.到達地面的太陽輻射

太陽照射到地平面上的輻射由兩部分組成——直接日射和散射日射。太陽輻射穿過大氣層而到達地面時，由于大氣中空氣分子、水蒸氣和塵埃等對太陽輻射的吸收、反射和散射，不僅使輻射強度減弱，還會改變輻射的方向和輻射的光譜分布。

直接日射是指直接來自太陽其輻射方向不發(fā)生改變的輻射；散射日射則是被大氣反射和散射后方向發(fā)生了改變的太陽輻射，它由三部分組成：太陽周圍的散射（太陽表面周圍的天空亮光），地平圈散射（地平圈周圍的天空亮光或暗光），及其他的天空散射輻射。另外，非水平面也接收來自地面的反射輻射。3.波長分布

太陽能的波長分布可以用一個黑體輻射來模擬，黑體的溫度為6000K。太陽能波長分布在紫外光、可見光和紅外光波段。這些波段受大氣衰減的影響程度各不相同?？梢姽廨椛涞拇蟛糠挚傻竭_地面，但是上層大氣中的臭氧卻吸收了大部分紫外光輻射。近年來，由于臭氧層變薄，特別是南極和北極地區(qū)，到達地面的紫外光輻射越來越多。入射的紅外光輻射，有一部分被二氧化碳、水蒸氣和其他氣體吸收，而在夜間來自地球表面的較長波長的紅外輻射大部分則傳到了外空。這些溫室氣體在上層大氣中的積累，可能會使大氣吸收能力增加，從而導(dǎo)致全球氣候變暖和天氣變得多云。雖然臭氧減少對太陽能集熱器的影響甚微，但溫室效應(yīng)可能會增大散射輻射，并可能嚴(yán)重影響太陽能集熱器的作用。

太陽能的特點太陽能蘊藏量巨大，具有持久性太陽能到達地球大氣層上的能量可達173,000TW（僅為太陽總輻射能量的22億分之一）。相當(dāng)于每秒590萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤放出的熱量。到達地球外表高層的太陽能中，30%被大氣層反射，23%被吸收，47%左右可到達地面。相當(dāng)于全世界發(fā)電量的幾十萬倍。另外地球估計已存在47億多年，其壽命還有60億年以上。太陽能具有普遍性處處都有陽光，不用輸送是一種潔凈、無污染的能源能量密度低在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強度為1kW/m2，地球表面某一點24h的年平均輻射強度為0.20kW/m2地面太陽能的強弱因地區(qū)、氣候、晝夜等自然條件而變化。a.太陽能熱發(fā)電

b.太陽能光伏發(fā)電

c.太陽能海水淡化

d.太陽能熱水

e.太陽能建筑－采暖

f.太陽灶

g.太陽能干燥－熱風(fēng)

h.太陽能制冷與空調(diào)太陽能利用的方式和途徑太陽幾何學(xué)太陽幾何學(xué)是研究太陽與地球及太陽能集熱器之間相互關(guān)系的科學(xué)，是太陽能利用的基礎(chǔ)知識。1.地平坐標(biāo)系以觀察者所在地為原點建立坐標(biāo)系，正南方、正東方、正上方（天頂）為三個坐標(biāo)軸太陽方位角s：太陽天頂角z：觀察者所在地的天頂與觀察者和太陽連線之間的夾角。太陽高度角s：觀察者所在地平線與觀察者和太陽連線之間的夾角。自觀察者所在地朝正南的水平線和觀察者與太陽連線在地平面上的投影之間的夾角。規(guī)定：太陽偏東時方位角為負，偏西時方位角為正z+s=902.赤道坐標(biāo)系

以地心為坐標(biāo)原點，極軸p指向北極，其余兩軸位于赤道平面內(nèi)，其中m軸自地心指向觀察者所在的子午圈（地球表面的經(jīng)線圈）與赤道平面的交點，e軸指向m以東90處。太陽赤緯角：由地心指向日心的連線與地球赤道平面之間的夾角時角：s在赤道平面的投影與m軸之間的夾角規(guī)定：上午時角為負，下午時角為正。每15代表1小時從1月1日算起的天數(shù)從北半球看，當(dāng)太陽位于赤道以北時，為正；當(dāng)太陽位于赤道以南時，為負赤緯角與地球公轉(zhuǎn)有關(guān)，而時角與地球自轉(zhuǎn)有關(guān)一年中有兩天的太陽赤緯為零，稱為二分日，分別為春分日和秋分日。在夏至日，太陽位于北緯23.45處，取最大值，北半球晝長最長，北極為極晝；南半球晝長最短，南極為極夜。在冬至日，太陽位于南緯23.45處，取絕對值最大的負值，北半球晝長最短而南半球晝長最長。赤緯角和地點無關(guān)，只和日期有關(guān)，其值全世界都一樣3.各角度間的關(guān)系關(guān)系式太陽高度角的計算正午時，=0，所以，因為，日出日落時角及日照時間計算日出日落時，太陽高度角s=0，太陽天頂角z=90即有，求解0，有正負兩個解，分別代表日落（sunset）和日出（sunrise）一天可能的日照小時數(shù)為：日出日落方位角的計算日出日落時，太陽高度角s=0，sins=0，coss=1有正負兩個解，分別代表日落和日出方位角太陽入射角太陽光線與接收表面法線之間的夾角水平面的太陽入射角即為天頂角傾斜面的太陽入射角由其傾角和方位角確定太陽入射角也可由太陽天頂角z和太陽方位角s確定正南參考，偏東為負，偏西為正表面太陽方位角當(dāng)90時，太陽光進入表面陰影，成為無效照射計算示例試求天津市在冬至日的日出、日落時刻與方位角以及可能日照時間天津市緯度=3906，冬至日的太陽赤緯角=-2327冬至日的日出日落時刻為日出時刻：12-4.62=7.38，即上午7點23分日落時刻：12+4.62=16.62，即下午4點37分可能日照時間為：N=24.62=9.24h，即9小時14分日出時刻方位角：日落時刻方位角：正南偏西正南偏東在所有太陽角度計算公式中所指的時間都是太陽時，太陽時與各地使用的標(biāo)準(zhǔn)時間并不一致。轉(zhuǎn)換關(guān)系為：太陽時=標(biāo)準(zhǔn)時間+E±4×(L標(biāo)準(zhǔn)－L當(dāng)?shù)?L標(biāo)準(zhǔn)——標(biāo)準(zhǔn)時間采用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度，（°）；L當(dāng)?shù)亍?dāng)?shù)氐慕?jīng)度，（°）。E為時差，單位：分鐘。公式中東半球為負號，西半球取正號。地球自轉(zhuǎn)一周360，所需時間24小時；因此相當(dāng)于每小時轉(zhuǎn)15。由于各地所采用的時間標(biāo)準(zhǔn)不一樣，所以我們生活中的時間并不是真正太陽升起降落的時間（稱為太陽時）。太陽時的午時（中午12時）太陽光線正好通過當(dāng)?shù)氐淖游缇€。（或簡單地說，正好在南北方向上）太陽時

我國取東經(jīng)120°為標(biāo)準(zhǔn)時間（即北京時間），所以

太陽時=北京時間+E－4×(120－L當(dāng)?shù)?

(單位:分鐘)

分鐘n是所求日期在一年中的日子數(shù)（從一月一日算起）。時差曲線課后思考題1.河北工業(yè)大學(xué)北辰校區(qū)節(jié)能樓（39.238N，117.066E）屋頂布置的集熱器傾角為25，方位角為-21，試計算：（1）5月1日和12月1日的日出、日落北京時刻，以及日出、日落太陽方位角；（2）

在5月1日和12月1日該集熱器能接收到太陽輻射的北京時間。提示：太陽光能照射到集熱器的必要條件是入射角小于90。也就是說，集熱器能接收到太陽輻射的時間分界點為入射角等于90。另外還要考慮兩個問題：（1）與日出日落時刻的關(guān)系，不可能早于日出時刻或晚于日落時刻；（2）太陽表面方位角的問題，太陽表面方位角小于90度時，太陽光線總是可以照射到集熱器表面太陽輻射基本概念輻射通量太陽以輻射形式發(fā)射出的功率稱為輻射功率，也叫輻射通量，單位W輻照度

投射到單位面積上的輻射通量，W/m2輻照量（曝輻量）單位面積上接收到的輻射能，J/m2。輻照度對時間的積分太陽常數(shù)在日地平均距離的條件下，在地球大氣層上界，垂直于太陽光線的單位面積上，在單位時間內(nèi)所接收到的太陽輻射能量幾乎是一個常數(shù)，稱為太陽常數(shù)I0=1353W/m2美國國家宇航局?jǐn)?shù)據(jù)太陽輻射在大氣中的衰減太陽輻射經(jīng)過大氣層后，被散射和吸收，達到地面的太陽輻射衰減了，其減少量為：光程H-大氣層的厚度——衰減系數(shù)，1/m大氣質(zhì)量：太陽光線通過的大氣路程與太陽處于天頂時光所穿過的大氣路程之比，稱為大氣質(zhì)量AM1.5表示大氣質(zhì)量為1.5AM1.5，地面常用，844W/m2

太陽輻射穿過地球大氣層時的衰減太陽光譜中的x射線及其它波長更短的輻射，因在電離層被氮、氧及其它大氣分子強烈吸收而不能穿越大氣到達地表大部分紫外線被臭氧吸收可見光能量減弱，主要是地球大氣強烈散射引起的紅外光譜能量減弱，主要是由于水汽對太陽輻射選擇性吸收的結(jié)果波長超過2500μm的輻射，在大氣上界本來就很低，加上二氧化碳和水對它的強烈吸收，能到達地面的能量就更小因此，到達地面的太陽能，只考慮290μm～2500μm的輻射就行了。38ResourceCharacteristics——地面附近太陽輻射光譜圖衛(wèi)星的測量表明，太陽光的波長分布非常寬廣，從0.24～50μm，但大致可分為三個部分：紫外線，可見光和紅外線。波長范圍/μm所占總能量百分率/%相應(yīng)范圍的輻照度/W/m2

紫外線可見光紅外線0～0.387950.38～0.7847.296400.78～∞45.71618地球表面的太陽輻射直射輻射大氣層外的輻射經(jīng)過吸收和散射后直接到達地球的輻射散射輻射經(jīng)過地球大氣多次散射之后到達地面的輻射——太陽輻射被空氣分子、云和空氣中的各種微粒分散成無方向性、但不改變其單色組成的輻射集熱器平面的輻射直射輻射Ib、散射輻射Is、反射輻射Ir水平面上的直射輻射IbH傾斜面上的直射輻射IbT太陽直射輻射的傾斜因子照射在水平面和傾斜面上的天空的散射分量是相同的，但水平面所接收到的散射輻射來自整個天空，而傾斜面接收到的是來自部分天空太陽散射輻射的傾斜因子太陽反射輻射的傾斜因子地面反射率不同地表面反射率沙漠干裸地濕裸地干草地濕草地森林新雪殘雪水表面0.24-0.280.1-0.20.08-0.090.15-0.250.14-0.260.04-0.10.810.64-0.70.69傾斜面上的全天日照量從日出到日落全天照射在傾斜面上的太陽輻射日總量為Rs、Rg只與集熱器傾角有關(guān)，故對于確定集熱器為常數(shù)。Rb與太陽光線入射角及天頂角有關(guān)。Rb是入射角的函數(shù)，Rb=f()。而入射角又隨地理緯度φ、太陽赤緯角δ、集熱器傾角β、集熱器方位角γ及太陽時角ω變化，即θ=f(δ，φ，β，γ，ω)。需要在一天內(nèi)參與積分運算。如果斜面朝正南放置，則

我國的太陽能資源資源帶號資源帶分類年輻照量，MJ/m2日照小時數(shù)主要分布地區(qū)Ⅰ資源豐富帶≥67002800～3300寧夏北部、甘肅北部、新疆東南部、青海西部和西藏西部Ⅱ資源較富帶5400～67003000～3200河北北部、山西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏東南部和新疆南部Ⅲ資源一般帶4200～54002200～3000山東東南部、河南東南部、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、云南及陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部、天津、北京和臺灣西南部Ⅳ資源缺乏帶＜42001400～2200湖南、湖北、廣西、江西、浙江、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部以及黑龍江、臺灣北部中國4個太陽能資源帶的年輻照量及地區(qū)分布

中國的太陽能資源與同緯度的其他國家相比，除四川盆地和與其相毗鄰的地區(qū)外，絕大多數(shù)地區(qū)的太陽能資源相當(dāng)豐富，和美國類似，比日本、歐洲條件優(yōu)越得多。在中國太陽能資源最豐富的地區(qū),每平米面積上一年內(nèi)接受的太陽輻射總量大于6700MJ，比230kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量還要多。與印度和巴基斯坦北部的太陽能資源相當(dāng)。尤其以西藏西部的太陽能資源最為豐富，全年日照時數(shù)達2900～3400h，年輻射總量高達7000～8000MJ/m2，僅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位。中國太陽能最貧乏的地區(qū)則在四川、貴州及重慶地區(qū)，由于該地區(qū)地勢低洼,常年太陽能見度很低，年日照小時數(shù)不足1400h。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，年日照時數(shù)大于2200h，太陽年輻射總量高于4200MJ/m2，是中國太陽能資源豐富或較豐富的地區(qū)，約占全國總面積的2/3以上，具有利用太陽能的良好條件。Ⅳ類地區(qū)，雖然太陽能資源條件較差，但如果能因地制宜，采用適當(dāng)?shù)姆椒ê脱b置，仍具有一定的實用意義。天津典型年水平面太陽日總輻射年變化圖

天津典型年水平面太陽月總輻射年變化圖指標(biāo)，kW·h/（m2·a）資源豐富程度≥1740資源豐富14