第二章太阳能辐射量计算-《太阳能光伏并网发电系统设计与应用》课件.ppt

1、第二章 太阳能辐射量计算北京建筑大学李英姿第一节 太阳能资源评估一、太阳能1.太阳能资源太阳能资源指能够直接或间接（通过光热、光电、光化学等方式的转换）被人类所利用的太阳能。11/14/20222北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估11/14/20225北京建筑大学 李英姿第一节太阳能资源评估11/14/20226北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估11/14/20227北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估11/14/20228北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估湖北省太阳能资源11/14/20229北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估11/14/202210北京

2、建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估11/14/202211北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估11/14/202212北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估能源易获取能源易获取不排放不排放CO2能源量大能源量大可持续性强可持续性强能源分散能源分散受自然条件限制受自然条件限制转化效率低转化效率低成本较高成本较高11/14/202213北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估光一热转换 太阳热水系统 太阳能空调制冷系统 太阳能干燥器 太阳房 太阳灶 太阳能热发电 （光一热一电转换）海水淡化等光一电转换 太阳能光伏电池光一化学转换 太阳能光化制氢11/14/202214北京建筑大学

3、李英姿第一节 太阳能资源评估太阳热水系统太阳灶11/14/202215北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估太阳能空调制冷系统太阳能干燥器11/14/202216北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估直接受益式集热蓄热墙式附加阳光间式及组合式太阳房11/14/202217北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估11/14/202218北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估槽式11/14/202219北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估塔式11/14/202220北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估菲涅尔11/14/202221北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估

4、碟式11/14/202222北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估11/14/202223北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估11/14/202224北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估2.资源参数太阳总辐射量与天文因子、物理因子、气象因子等关系密切，在实际工作中通常利用半经验、半理论的方法，建立各月太阳总辐射量与相关因子之间的经验公式，计算各月太阳总辐射量，从而得到掌握每年太阳能资源的数量。太阳辐射量 1kWh/m2=860kcal/m2=3.6MJ/m2 1cal=4.2J 热量单位 1kcal=1大卡=4.184kJ 11/14/202225北京建筑大学 李英姿第一节 太

5、阳能资源评估太阳能资源：任一特定时段内（如日、月、年）水平面上太阳总辐射强度的累计值，单位为兆焦每平方米（MJ/m2）。太阳总辐射：太阳直接辐射与散射辐射之和或指水平面从上方2立体角范围内接收到的直接辐射和散射辐射，单位为兆焦每平方米（MJ/m2）。倾斜面太阳总辐射：在规定的一段时间内照射到某个倾斜表面的单位面积上的太阳辐射能量，单位为兆焦每平方米（MJ/m2）。11/14/202226北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估峰值日照时数：将当地的太阳辐照量折算成标准测试条件（辐照度1000W/m2）下的小时数。光伏阵列倾斜角：太阳能光伏阵列平面与水平地面的夹角。日照时数：地表给定地区每天实

6、际接收日照的时间。以日照记录仪记录的结果累计计算。单位为小时（h）。直接辐射：从日面及其周围一小立方角内发出的太阳辐射。散射辐射：太阳辐射被空气分子、云、空气中的各种微粒分散成无方向性的、但不改变其单色组成的辐射。11/14/202227北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估二、资源评估1.太阳能资源丰富程度评估以太阳总辐射的年总量为指标，进行太阳能资源丰富程度评估。在进行评估时，所用数据应采用具有气象意义的30年气候平均值。太阳能资源丰富程度等级资源丰富程度资源代号年总辐射量（MJ/m2a）年总辐射量（kWh/m2a）平均日辐射量（kWh/m2d）资源丰富I630017504.8资源较丰

7、富II50406300140017503.84.8资源较贫乏III37805040105014002.93.8资源贫乏IV37837801050 2.911/14/202228北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估2.太阳能资源利用价值评估利用各月日照时数大于6h的天数为指标，反映一天中太阳能资源的利用价值。一天中日照时数如小于6h，其太阳能一般没有利用价值。11/14/202229北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估3.太阳能资源稳定程度评估一年中各月日照时数大于6h的天数最大值与最小值的比值，可以反映当地太阳能资源全年变幅的大小，比值越小说明太阳能资源全年变化越稳定，就越利于太阳

8、能资源的利用。),min(),max(12211221DayDayDayDayDayDayKK太阳能资源稳定程度指标。1221,DayDayDay112月各月日照时数大于6h的天数，单位为天（d）（）max（）min求最大、最小值标准函数太阳能资源稳定程度等级太阳能资源稳定程度指标稳定程度4不稳定11/14/202230北京建筑大学 李英姿第一节 太阳能资源评估4.太阳能资源日最佳利用时段评估正太阳时910时的年平均日照时数作为上午日照情况的代表；正太阳时1113时的年平均日照时数作为中午日照情况的代表；正太阳时1415时的年平均日照时数作为下午日照情况的代表。一段时期的年平均日照时数长，表示

9、该段时间是一天中最有利太阳能资源利用的时段。11/14/202231北京建筑大学 李英姿第二节 太阳时一、太阳常数1.日地距离近日点1月3日，远日点7月4日。1）自转轴和公转轨道面不垂直，而成6633的夹角。2）自转轴的方向保持不变。日地距离又称太阳距离。指的是日心到地心的直线长度。2.太阳常数指在地球的大气层外，太阳在单位时间内投射到距太阳平均日地距离处垂直于射线方向的单位面积上的全部辐射能。11/14/202232北京建筑大学 李英姿第二节 太阳时二、时间1.时角时角是指图中OP线在地球赤道平面上的投影与当地时间12点时，地中心连线在赤道平面上的投影之间的夹角。时角是天体相对于子午圈的角距

10、离。由赤纬角（）和时角（）组成。天赤道为基圈，上点Q为原点。天体的经度称为时角（），以上点为原点（起点）沿地平圈向西度量，直接用时间单位时（h）、分（min）、秒（s）表示。上点（南）、西点、下点（北）、东点的时角分别为0h、6h、12h、18h。15)12(sTsT（024h）每日时间，时角上午为负，下午为正。11/14/202233北京建筑大学 李英姿第二节 太阳时2.时差xxEQ2sin9059.9sin9857.10028.0 xx2cos6882.0cos0924.72422.365)(3.5720NNNx日数，自1月1日开始计算，1月1日为0；2日为1；其余类推，12月31日为36

11、4（平年）或365（闰年）。NN积日订正值，由观测地点与格林威治经度差产生的时间差订正值L 和观测时刻与格林威治0时时间差，订正值W 两项组成。11/14/202234北京建筑大学 李英姿第二节 太阳时1560MDL观测点经度的度值；观测点经度的分值。DM换算成与格林威治时间差L，东经取负号，西经取正号。60FSW观测时刻的时值；SF观测时刻的分值。24LWN)1985(25.0)1985(2422.06764.790YINTYNY年份；)(XINT不大于X 的最大整数的标准函数。11/14/202235北京建筑大学 李英姿第二节 太阳时三、太阳时1.真太阳时平太阳时假设地球绕太阳是标准的圆形

12、，一年中每天都是均匀的。北京时间是平太阳时，每天都是24h。如果考虑地球绕日运行的轨道是椭圆的，则地球相对于太阳的自转并不是均匀的，每天并不都是24h，有时候少有时候多。考虑到该因素得到的是真太阳时。11/14/202236北京建筑大学 李英姿第二节 太阳时2.平均时地球绕行太阳一周所需的实际时间为365.2422日。将每年规定为365日，每一天是24h，再往下分割，即平均时。3.计算真太阳时TT要求每天的中午12点，太阳处在头顶最高。使用真太阳时，要把平太阳时调整为真太阳时。QMTETTQCTELCMT地方平均太阳时（地平时）；TC地方标准时（时区时），中国以120E地方时为标准，即以北京时

13、为标准；CL经度订正（4min/度），如果地方子午圈在标准子午圈的东边，则LC 为正，反之为负；QE时差。11/14/202237北京建筑大学 李英姿第三节 太阳角度一、赤纬角1.赤纬角太阳直射点就是太阳中心与地球中心的连线与地面的交点。太阳直射点所在的纬度称为太阳赤纬。11/14/202238北京建筑大学 李英姿第三节 太阳角度3.计算因赤纬值日变化很小，一年内任何一天的赤纬角：赤纬角的近似计算公式 N日序；度（）。xxx3sin1712.02sin1149.0sin2567.233723.0 xxx3cos0201.02cos3656.0cos7580.0)173(98563.0cos39

14、795.0sinN365284360sin45.23N11/14/202239北京建筑大学 李英姿第三节 太阳角度二、高度角1.高度角太阳以平行光束射向地面，太阳光线与地平面的交角就是太阳高度角。太阳高度角决定了到达地面的太阳辐射强度的大小。hSSsin S水平面上的太阳直接辐射S垂直于太阳光线的太阳直接辐射h太阳高度角11/14/202240北京建筑大学 李英姿第三节 太阳角度2.地平坐标系太阳高度角h与纬度、太阳赤纬 和时角的关系 太阳赤纬角（与太阳直射点纬度相等）；观测地地理纬度（太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负）；地方时角（时角）。正午时的太阳时角=0，太阳高度角为coscos

15、cossinsinsinhcoscossinsinsinh)90sin(cossinh90h11/14/202241北京建筑大学 李英姿第三节 太阳角度三、方位角太阳方位角就是太阳光线在地面上的投影与当地子午线的夹角。子午线指通过当地的经线，即正南方和正北方的连线。夏至日太阳方位角是一年中的最大值，冬至日太阳高度角是一年中的最小值。hhAzcossincossinsincossincoscossinsinsincoshhAhAcossincosarcsinA 太阳方位角；太阳赤纬角（北纬为正，南纬为负）；时角；hz 天顶角；地理纬度（北纬为正，南纬为负）；h 太阳高度角。11/14/20224

16、2北京建筑大学 李英姿第四节 日照时数一、日出日没时角日出日没时角，表示太阳高度角为零日出日没时角的计算，负值表示日出时角，正值表示日没时角。将sinsinsincoscoscos=0h)tantanarccos(15)12(sT)tantanarccos(15112sT11/14/202243北京建筑大学 李英姿第四节 日照时数二、可照时数日出到日没太阳的可能光照时数就是可照时数。TA一日可照时数（h）；TB半日可照时数（h）；蒙气差，取值为34；纬度，单位为弧度（rad）；太阳赤纬，单位为弧度（rad）。coscos245sin245sin2sinBTBATT211/14/202244北京

17、建筑大学 李英姿第四节 日照时数三、日照时数日照时数是指太阳每天在垂直于其光线的平面上的辐射强度超过或等于120W/m2的时间长度。设日出日没时的时角为0，而日出日没时的太阳高度角h=0日照时数 0coscoscossinsinsin0htantan-cos01520T11/14/202245北京建筑大学 李英姿第四节 日照时数四、日照百分率1.日照百分率日照百分率即一个时段内观测站实际日照时数与当地的可能日照时数之比（百分比）。2.月日照百分率月日照百分率为 S月实际日照时数，h；TM月可照时数，h，全月逐日可照时数累加；INT()取整数的标准函数。%1001MTSINTS11/14/202

18、246北京建筑大学 李英姿第四节 日照时数五、峰值日照时数1.曝辐量曝辐量指一段时间内（如一小时、一天等）辐照度的累计量，单位为兆焦/平方米（MW/m2）。地面入射太阳总辐射日曝辐量是某地一天从日出到日没时段内，入射地面的太阳总辐射辐照度的累计量。辐照度指在单位时间内，投射到单位面积上的辐射能，也就是通常观测到的瞬时值，单位是瓦/平方米（W/m2，取整数）。对太阳总辐射而言，称之为太阳总辐射辐照度，简称为总辐射辐照度。11/14/202247北京建筑大学 李英姿第四节 日照时数2.峰值日照时数峰值日照时数为将当地的太阳辐射量折算成标准测试条件（辐照度1000W/m2）下的小时数。TP一段时间的

19、峰值日照时数，h；Q一段时间的总辐射曝辐量，在气象站的测量单位是MJ/m2d。1kWh/m2=3.6MJ/m22/1000mWQTPPttQTdttQ21)(11/14/202248北京建筑大学 李英姿第四节 日照时数4.日地相对距离修正值日地平均距离 可称为1个天文单位。或者更准确地讲等于149597890500km。日地平均距离修正值为801.496 10rkmxxrr2sin000086.0sin032359.0000423.1202xx2cos000115.0cos008349.011/14/202249北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算一、大气对太阳辐射的减弱1.吸收作用2.

20、散射作用3.反射作用4.大气对太阳辐射的减弱11/14/202250北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算二、大气质量大气对地球表面接收太阳光的影响程度被定义为大气质量。太阳辐射路径上单位截面积空气柱的质量称为大气质量数（m）。在标准状态下（气压为p=760mm汞柱，气温为0，太阳光垂直投射到地面所经路程中，单位截面积空气柱的质量称为一个大气质量数。不同太阳高度角时的大气质量数太阳高度角906030105310大气质量数11.1525.610.4 15.42735.411/14/202251北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算当太阳高度角h在3090时地面上一点的大气质量为 hz太阳

21、天顶角；对不同海拔高度，大气质量数应作气压订正。p观测点气压；p0海平面气压；1cscsinzmhhhppmsin030h253.1)885.3(1500.0sin1hhm 30h11/14/202252北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算三、大气透明系数大气透明系数（a）是辐射通过一个大气质量数气层的透过率。影响大气透明系数的因素有海拔、水汽、微尘、云雾等。大气透明系数等于透过一个大气质量数（m=1）后的太阳辐射强度（E1）与透过前的太阳辐射强度（E2）之比，即透过第1个m=1气层的辐射量 透过第2个m=1气层的辐射量 透过第m个m=1气层的辐射量 10EaE10EaE2210EaEa

22、 E0mmEa E11/14/202253北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算到达地面的太阳辐射能量强度水平面直接辐射能量强度任意倾斜面直接辐射能量强度 太阳光线和倾斜面的夹角。hEaEmsbsin0sin0EaEm坡0mEa E11/14/202254北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算 四、辐射量 1.大气层外的太阳辐射 Esc太阳常数。世界气象组织（WMO）1981年公布的太阳常数值是（13677）W/m2；s日出、日没时角；太阳赤纬角；太阳辐射通量的修正值。N一年中的日期序号。024 3600(sinsincoscoscos)180sscsEE3601+0.033cos36

23、5N11/14/202255北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算2.太阳直接辐射日总量从日面及其周围一小立体角内发出的太阳辐射。sr日出时间；ss日没时间。对大气上界，有 TT=86400s一天的周期。大气质量数和太阳高度角都是随时间而变。0sinsssrmQa Ehd0(sin sincos coscos)sssrQEddTdt2)coscoscossinsin(000TEQdaTEQm)coscoscossin(sin200011/14/202256北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算五、根据观测站资料计算太阳能总辐射量1.日天文总辐射量 Qn日天文总辐射量，MJ/m2d；T时

24、间周期，2460mind-1；I0太阳常数为0.0820，MJ/m2min；日地距离系数，无量纲；地理纬度，rad；太阳赤纬角，rad；0日出、日没时角，rad。)sincoscossinsin(0020TIQn11/14/202257北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算2.月太阳总辐射量（1）有太阳能辐射观测点的地点（日射站）QM计算地点月太阳辐射量，MJ/m2d；Qd观测点日太阳总辐射量观测值，MJ/m2d；M计算月的天数。（2）对无太阳能辐射观测点的地点，利用最小二乘法求月太阳辐射量。S月日照百分率；a，b经验系数，根据计算点最近的日射站观测资料，利用最小二乘法计算求出。MddMQ

25、Q1)(0bSaQQM11/14/202258北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算 参考点逐年月日照百分率；参考点月日照百分率平均值；参考点逐年月实际太阳能辐射量与月天文辐射总量的比值；参考点历年月实际太阳能辐射量与月天文辐射总量的比值；n观测资料的样本数。Q0月天文太阳总辐射量，MJ/m2d；Qn观测点日天文总辐射量，MJ/m2d；M计算月的天数。_1_SbyaniiniiiSSyySSb12_111_11)()()(1iS_1SiyoiiQQy _yMnnQQ1011/14/202259北京建筑大学 李英姿3.年太阳总辐射量 QY计算地点年太阳总辐射量，MJ/m2d；QM计算地点逐月

26、太阳总辐射量，MJ/m2d。第五节 太阳辐射量计算121MMYQQ11/14/202260北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算六.光伏阵列太阳总辐射量1.固定安装式光伏组件倾斜面上的总辐射量为倾斜面上的直接辐射量、散射辐射量以及地面反射辐射量之和。()()()tbtdtrtHHsHsHsbbbtRHH000.5(1)(1cos)bbdtdbHHHHRsHH0.45(1 cos)rtHHscos()cossin(/180)sin()sincos cossin(/180)sinsinssbssshhsRhhHbt倾斜面上的太阳直接辐射量；Hdt倾斜面上的太阳散射辐射量；Hn 倾斜面上的地面反

27、射辐射量；Rb倾斜面与水平面上直接辐射量的比值hs水平面上的日没时角；hs倾斜面上的日没时角；Hb气象站数据，水平面上的直接辐射量Hd气象站数据，水平面上的散射辐射量H0大气层外水平面上的太阳辐射量；H气象站数据，水平面上的总辐射量地面反射率电站地理纬度；s光伏组件安装倾角；赤纬角。11/14/202261北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算2.单轴跟踪系统 以固定倾角，随着太阳轨迹的季节性位置的变换而改变方位角。固定倾角一般取光伏阵列的最佳倾斜角。11/14/202262北京建筑大学 李英姿第五节 太阳辐射量计算3.双轴跟踪系统随着太阳轨迹的季节性位置的变换而改变方位角和倾角，计算其接收到的太阳总辐射量。11/14/202263北京建筑大学 李英姿