光伏建筑一體化技術(shù)

1電氣工程及其自動(dòng)化(光伏)本科生課程《光伏建筑一體化技術(shù)》—講義授課教師：

時(shí)間：1電氣工程及其自動(dòng)化(光伏)本科生課程22.1太陽(yáng)概況2.2日地運(yùn)動(dòng)2.3天球坐標(biāo)2.3.1赤道坐標(biāo)系2.3.2地平坐標(biāo)系2.3.3太陽(yáng)角的計(jì)算2.4太陽(yáng)輻射量2.4.1大氣層外的太陽(yáng)輻射第二章太陽(yáng)輻射22.1太陽(yáng)概況第二章太陽(yáng)輻射精品資料精品資料3你怎么稱(chēng)呼老師？如果老師最后沒(méi)有總結(jié)一節(jié)課的重點(diǎn)的難點(diǎn)，你是否會(huì)認(rèn)為老師的教學(xué)方法需要改進(jìn)？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽(yáng)曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒(méi)有學(xué)問(wèn)無(wú)顏見(jiàn)爹娘……”“太陽(yáng)當(dāng)空照，花兒對(duì)我笑，小鳥(niǎo)說(shuō)早早早……”光伏建筑一體化技術(shù)452.3天球坐標(biāo)赤道坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系高度角和方位角兩個(gè)坐標(biāo)赤緯角和時(shí)角兩個(gè)坐標(biāo)課程回顧52.3天球坐標(biāo)赤道坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系高度角和方位角兩個(gè)坐標(biāo)62.3天球坐標(biāo)赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系的比較赤道坐標(biāo)系地平坐標(biāo)系相同點(diǎn)都屬于天球坐標(biāo)系，觀察者為原點(diǎn)，都有兩個(gè)坐標(biāo)不同點(diǎn)坐標(biāo)赤緯角(δ)，±23.45°高度角(αs)，0°90°時(shí)角(ω)，±180°，正午算起，下午為正，上午為負(fù)方位角(γs)，0°360°正南方向?yàn)槠瘘c(diǎn)基本圈天赤道，與地球赤道面一致地平圈，鉛垂面，與天赤道有夾角(23.45°)基本點(diǎn)北天極(P)、南天極(P’)和地球的北極、南極方向一致，天軸與地軸方向一致天頂(Z)、天底(Z’)沿鉛垂線方向，與天軸方向有夾角(23.45°)課程回顧62.3天球坐標(biāo)赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系的比較赤道坐標(biāo)系地平7第二章太陽(yáng)輻射課程要求上課做好筆記課下復(fù)習(xí)按時(shí)完成作業(yè)7第二章太陽(yáng)輻射課程要求上課做好筆記82.3天球坐標(biāo)例2-2分別計(jì)算上海地區(qū)9月22日中午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=31.12°，9月22日為一年中的第265天，由赤緯角計(jì)算公式得：中午12時(shí)的太陽(yáng)高度角：正午太陽(yáng)在天頂以南，

>，根據(jù)公式可得：中午12時(shí)的時(shí)角=0；下午3時(shí)的時(shí)角=3×15°=45°。82.3天球坐標(biāo)例2-2分別計(jì)算上海地區(qū)9月22日中午192.3天球坐標(biāo)例2-2分別計(jì)算上海地區(qū)9月22日中午12時(shí)和下午3時(shí)的太陽(yáng)高度角。下午3時(shí)的太陽(yáng)高度角：注意：公式中的角度單位為度(°)

。通過(guò)計(jì)算反三角函數(shù)，可得

s=36.86°。92.3天球坐標(biāo)例2-2分別計(jì)算上海地區(qū)9月22日中午1102.3天球坐標(biāo)2.方位角

s的計(jì)算方位角與赤緯角、高度角、緯度及時(shí)角的關(guān)系為：（2-5）（2-6）102.3天球坐標(biāo)2.方位角s的計(jì)算方位角與赤緯角、高112.3天球坐標(biāo)例2-3計(jì)算上海地區(qū)9月22日14時(shí)的太陽(yáng)方位角

s。上海地區(qū)緯度

=31.12°，14時(shí)的時(shí)角=2×15°=30°上海地區(qū)9月22日的赤緯角求太陽(yáng)方位角需知道赤緯角、時(shí)角和高度角112.3天球坐標(biāo)例2-3計(jì)算上海地區(qū)9月22日14時(shí)的122.3天球坐標(biāo)例2-3計(jì)算上海地區(qū)9月22日14時(shí)的太陽(yáng)方位角

s。求出s=47.38°，計(jì)算cos

s代入方位角計(jì)算公式，得到可得

s=47.6°。122.3天球坐標(biāo)例2-3計(jì)算上海地區(qū)9月22日14時(shí)的132.3天球坐標(biāo)計(jì)算題2-3計(jì)算西寧地區(qū)3月10日14時(shí)的太陽(yáng)方位角

s。解：由計(jì)算題2-1可知，西寧地區(qū)3月10日的

=-4.8°，=36.56°，=2×15°=30°，先由式（2-4a）求高度角因此

s=40.04°，代入式（2-5）得到由此可得

s=40.6°。132.3天球坐標(biāo)計(jì)算題2-3計(jì)算西寧地區(qū)3月10日14142.3天球坐標(biāo)3.日出、日落的時(shí)角ωs日出、日落時(shí)太陽(yáng)高度角為0°，由此可得（2-7）由于，有式中，ωsr為日出時(shí)角；ωss為日落時(shí)角，以度表示，負(fù)值為日出時(shí)角，正值為日落時(shí)角?？梢?jiàn)，對(duì)于某個(gè)地點(diǎn)，太陽(yáng)的日出和日落時(shí)間相對(duì)于太陽(yáng)正午是對(duì)稱(chēng)的。142.3天球坐標(biāo)3.日出、日落的時(shí)角ωs日出、日落時(shí)太陽(yáng)152.3天球坐標(biāo)4.日照時(shí)間N日照時(shí)間是當(dāng)?shù)赜扇粘龅饺章渲g的時(shí)間間隔。由于地球每小時(shí)自轉(zhuǎn)15°。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15°得到。（2-8）152.3天球坐標(biāo)4.日照時(shí)間N日照時(shí)間是當(dāng)?shù)赜扇粘龅饺?62.3天球坐標(biāo)例2-4計(jì)算上海地區(qū)在冬至日的日出、日落時(shí)角及全天日照時(shí)間。

解：上海的

=31.12°，冬至日的太陽(yáng)赤緯角=-23.45°，代入式（2-7）得因此，上海地區(qū)在冬至日的日出時(shí)角為ωsr=-74.82°，日落時(shí)角為ωss=74.82°，全天日照時(shí)間162.3天球坐標(biāo)例2-4計(jì)算上海地區(qū)在冬至日的日出、172.3天球坐標(biāo)計(jì)算題2-4計(jì)算西寧地區(qū)在冬至日的日出、日落時(shí)角及全天日照時(shí)間。

解：西寧的

=36.56°，冬至日的太陽(yáng)赤緯角=-23.45°，代入式（2-7）得因此，上海地區(qū)在冬至的日出時(shí)角為ωsr=-71.24°，日落時(shí)角為ωss=71.24°，全天日照時(shí)間172.3天球坐標(biāo)計(jì)算題2-4計(jì)算西寧地區(qū)在冬至日的182.3天球坐標(biāo)5.日出、日落時(shí)的方位角日出、日落時(shí)的太陽(yáng)高度角

so=0°，所以cos

s=1，sin

s=0，代入（2-6）式，可得：（2-9）得到的日出、日落時(shí)的方位角都有兩組解，因此必須選擇一組正確的解。我國(guó)所處位置大致劃分為北熱帶（0°~23.45°）和北溫帶（23.45°~66.55°）兩個(gè)氣候帶。當(dāng)太陽(yáng)赤緯

>0°（夏半年）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）；<0°（冬半年）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）。182.3天球坐標(biāo)5.日出、日落時(shí)的方位角日出、日落時(shí)的192.3天球坐標(biāo)例2-5求上海地區(qū)9月22日的日出、日落方位角。解：由例2-1已知，上海地區(qū)的

=31.12°，9月22日太陽(yáng)赤緯角=-0.6°，代入式（2-9），得可取

s,0=89.30°或

s,0=-89.30°，因此，日出和日落方位角分別是s,0r=-89.30°，s,0s=89.30°。192.3天球坐標(biāo)例2-5求上海地區(qū)9月22日的日出、日202.3天球坐標(biāo)計(jì)算題2-5求西寧地區(qū)3月10日的日出、日落方位角。解：由算題2-1已知，西寧地區(qū)的

=36.56°，3月10日太陽(yáng)赤緯角=-4.8°，代入式（2-9），得可取

s,0=84.02°或

s,0=-84.02°，因此，日出和日落方位角分別是s,0r=-84.02°，s,0s=84.02°。202.3天球坐標(biāo)計(jì)算題2-5求西寧地區(qū)3月10日的日出212.1太陽(yáng)概況2.2日地運(yùn)動(dòng)2.3天球坐標(biāo)2.3.1赤道坐標(biāo)系2.3.2地平坐標(biāo)系2.3.3太陽(yáng)角的計(jì)算2.4太陽(yáng)輻射量2.4.1大氣層外的太陽(yáng)輻射第二章太陽(yáng)輻射212.1太陽(yáng)概況第二章太陽(yáng)輻射222.4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(chēng)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(chēng)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(chēng)為輻照量，單位是千瓦時(shí)/(平方米·日(月、年))(kW·h/(m2·d(m,y)))。222.4太陽(yáng)輻射量單位時(shí)間內(nèi)，太陽(yáng)以輻射232.4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)

在地球大氣層之外，平均日地距離處，垂直于太陽(yáng)光方向的單位面積上所獲得太陽(yáng)輻射能基本上是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)輻照度稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)，或稱(chēng)為大氣質(zhì)量0（AM0）的輻射。

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)第八屆會(huì)議通過(guò)的太陽(yáng)常數(shù)的大小是Isc=1367±7W/m2，

實(shí)際上，一年中的日地距離是變化的，因此Isc的值也稍有變化。232.4太陽(yáng)輻射量2.4.1大氣層外的太陽(yáng)輻射1.太242.4太陽(yáng)輻射量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可用下式計(jì)算：(2-10)式中，Isc為太陽(yáng)常數(shù)；ωs為日出、日落時(shí)角；

為太陽(yáng)赤緯角；

為日地距離變化引起大氣層上屆的太陽(yáng)輻射通量的修正值，由下式求出：（2-11）式中，n為一年中的日期序號(hào)。242.4太陽(yáng)輻射量2.到達(dá)大氣層上界的太陽(yáng)輻射(2-125第二章太陽(yáng)輻射例2-6試計(jì)算北緯43°處4月15日大氣層上界水平面上的太陽(yáng)輻射日總量H0。解：4月15日的n=105，

=9.41°，由（2-7）式可求出日出、日落時(shí)角因此，ωs=98.9°，代入式（2-10）得到25第二章太陽(yáng)輻射例2-6試計(jì)算北緯43°處4月15日26第二章太陽(yáng)輻射3.大氣質(zhì)量（AM）

太陽(yáng)與天頂軸重合時(shí)，太陽(yáng)光線穿過(guò)一個(gè)地球大氣層的厚度，路程最短。太陽(yáng)光線的實(shí)際路程與此最短路程之比稱(chēng)為大氣質(zhì)量。并假定在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和0℃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，在航天中經(jīng)常應(yīng)用到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。地面光伏應(yīng)用中統(tǒng)一規(guī)定大氣質(zhì)量為1.5，通常寫(xiě)成AM1.5。如下圖所示。26第二章太陽(yáng)輻射3.大氣質(zhì)量（AM）太陽(yáng)27第二章太陽(yáng)輻射地面上的大氣質(zhì)量計(jì)算公式為：（2-12）式中，

s為太陽(yáng)天頂角；P為當(dāng)?shù)卮髿鈮?；P0為海平面大氣壓。式（2-12）是從三角函數(shù)關(guān)系推導(dǎo)而來(lái)的，忽略了折射和地面曲率等影響，當(dāng)s<30°時(shí)會(huì)有較大誤差。在光伏系統(tǒng)工程計(jì)算中，可采用下式計(jì)算：（2-13）27第二章太陽(yáng)輻射地面上的大氣質(zhì)量計(jì)算公式為：（2-12282.4太陽(yáng)輻射量太陽(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；當(dāng)太陽(yáng)高度角為90°時(shí)，到達(dá)地面上的紫外線約占4%，可見(jiàn)光占46%，紅外線占50%；太陽(yáng)高度角低至30°時(shí)，相應(yīng)的比例分別為3%、44%、53%，當(dāng)太陽(yáng)高度角更低時(shí)，紫外線能量幾乎為零，可見(jiàn)光部分的能量減少到30%，紅外線的能量占主要地位，這是由于空氣分子對(duì)短波部分強(qiáng)烈的散射而引起的。大氣質(zhì)量越大，說(shuō)明光線經(jīng)過(guò)大氣的路徑越長(zhǎng)，受到的衰減越多，到達(dá)地面的能量就越少。282.4太陽(yáng)輻射量太陽(yáng)輻射穿過(guò)地球大氣時(shí)292.4太陽(yáng)輻射量2.4.2到達(dá)地表的太陽(yáng)輻照度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；天空中云霧或風(fēng)沙、灰塵多時(shí)，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-藍(lán)貝特定律，波長(zhǎng)為

的太陽(yáng)輻照度I

,0，經(jīng)過(guò)厚度為dm的大氣層后，輻照度衰減為：292.4太陽(yáng)輻射量2.4.2到達(dá)地表的太陽(yáng)輻照度1.302.4太陽(yáng)輻射量將上式積分得（2-14）式中，I

,n為到達(dá)地表的法向太陽(yáng)輻照度；I

,0為大氣層上界的太陽(yáng)輻照度；c

為大氣的消光系數(shù)；m為大氣質(zhì)量。式（2-14）也可寫(xiě)成（2-15）式中，稱(chēng)為單色光譜透明度。302.4太陽(yáng)輻射量將上式積分得（2-14）式中，I,312.4太陽(yáng)輻射量將式（2-15）從波長(zhǎng)0~∞的整個(gè)波段積分，就可得到全色太陽(yáng)輻照度：（2-16）設(shè)整個(gè)太陽(yáng)輻射光譜范圍內(nèi)的單色透明度的平均值為Pm，式（2-16）可寫(xiě)成（2-17a）式中，為日地距離修正值；Isc為太陽(yáng)常數(shù)；Pm為復(fù)合透明系數(shù)，它表征了大氣對(duì)太陽(yáng)輻射能的衰減程度?；颍?-17b）312.4太陽(yáng)輻射量將式（2-15）從波長(zhǎng)0~∞的整個(gè)波段322.4太陽(yáng)輻射量2.到達(dá)地表的法向太陽(yáng)直射輻照度

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，即（2-18）式中，為日地變化修正值；Isc為太陽(yáng)常數(shù)；為修正到m=2時(shí)的Pm值。322.4太陽(yáng)輻射量2.到達(dá)地表的法向太陽(yáng)直射輻照度（2-332.4太陽(yáng)輻射量3.水平面上的太陽(yáng)直射輻照度由右圖可看出太陽(yáng)直射輻照度與太陽(yáng)高度角的關(guān)系。由于太陽(yáng)直射輻照入射到AC和AB平面上的能量是相等的。因此有：式中，Ib為水平面上的直射輻照度；

s為太陽(yáng)高度角；

s為太陽(yáng)天頂角。將式（2-18）代入式（2-19）可得：（2-19）332.4太陽(yáng)輻射量3.水平面上的太陽(yáng)直射輻照度342.4太陽(yáng)輻射量將上式從日出到日落的時(shí)間內(nèi)積分，得到（2-20）式中，Hb為水平面直射輻照日總量。將式中的dt改用時(shí)角ω表示，則有（2-21）式中，T為晝夜時(shí)常（一天為1440min）；ωs為日出日落時(shí)角。342.4太陽(yáng)輻射量將上式從日出到日落的時(shí)間內(nèi)積分，得到（352.4太陽(yáng)輻射量4.水平面上的散射輻照度晴天時(shí)，到達(dá)地表水平面上的散射輻照度，主要取決于太陽(yáng)高度和大氣透明度，可用下式表示：（2-22）式中，Id為散射輻照度；

s為太陽(yáng)高度角；c1、c2為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。5.水平面上的太陽(yáng)總輻照度太陽(yáng)總輻照度是到達(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：式中，I為水平面上太陽(yáng)總輻照度；Ib為水平面上直射輻照度；Id為水平面上散射輻照度。（2-23）352.4太陽(yáng)輻射量4.水平面上的散射輻照度362.4太陽(yáng)輻射量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)總輻照度與大氣層外太陽(yáng)輻照度之比，在不同的周期內(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)式為：（2-24a）同樣，水平面上日平均太陽(yáng)輻照量H與大氣層外太陽(yáng)輻照量H0之比為日平均清晰度指數(shù)KT，表達(dá)式為：（2-24b）362.4太陽(yáng)輻射量6.清晰度指數(shù)有時(shí)還可372.4太陽(yáng)輻射量在某個(gè)小時(shí)內(nèi)，其水平面上的太陽(yáng)輻照量I與大氣層外太陽(yáng)輻照量I0之比，即可認(rèn)為是小時(shí)清晰度指數(shù)kT，表達(dá)式為：（2-24c）清晰度指數(shù)值越大，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。372.4太陽(yáng)輻射量在某個(gè)小時(shí)內(nèi)，其水平面上的太陽(yáng)輻照量I382.4太陽(yáng)輻射量7.散射輻照量與總輻照量之比

地表水平面上所接受到的太陽(yáng)總輻照量由太陽(yáng)直射輻照量和散射輻照量?jī)刹糠纸M成，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一樣，如我國(guó)的青藏高原地區(qū)的直射輻照量分量就比較大。

影響直射輻照量與散射輻照量所占比例的因素很復(fù)雜，如果沒(méi)有實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，可以根據(jù)近似計(jì)算公式來(lái)確定。以下介紹不同時(shí)間段的近似計(jì)算方法。（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)散射輻照量與總輻照量比值的近似公式式中，kT為小時(shí)清晰度指數(shù)。382.4太陽(yáng)輻射量7.散射輻照量與總輻照量之比392.4太陽(yáng)輻射量（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，應(yīng)按日落時(shí)角大于或小于81.4°分為兩種情況，關(guān)系式分別如下：對(duì)于ωs<81.4°，對(duì)于ωs≥81.4°，（2-26）（2-27）392.4太陽(yáng)輻射量（2）日散射輻照量與總輻照量的比值402.4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)總輻照量和散射輻照量（或直射輻照量）。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)法找出各月直射輻照量和散射輻照量各占多少比例，也就是要使“直散分離”，通?？梢圆捎靡韵陆?jīng)驗(yàn)公式：(2-28)(2-29)式中的可由式（2-24a）得到。402.4太陽(yáng)輻射量（3）月散射輻照量與總輻照量的比412.4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1.太陽(yáng)入射角

太陽(yáng)照射到地表傾斜面上時(shí)，定義太陽(yáng)入射線與傾斜面法線之間的夾角為太陽(yáng)入射角

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