1、2022-8-171第二章 太阳和太阳能2022-8-1722.1 太阳 太阳直径为 ，是主要由氢和氦组成的炽热气体火球，质量为 （比地球重332000倍），体积比地球大130万倍，平均密度约为地球的1/4，离地球的平均距离为 。km8105.1km61039.1t27102.22022-8-1732.1.1太阳的结构太阳的结构（1）太阳内部 太阳核心 内部中间层 对流层 （2）太阳大气 光球层 色球层 日冕 在太阳能利用中，可将太阳看成温度是6000K，波长为0.3 的黑体辐射。图图2-1 太阳结构图太阳结构图m32022-8-1742.1.2太阳辐射能 太阳本质上是一个氢聚变的热核反应堆，
2、能量以电磁波的形式向四面八方传播，到达地球表面的辐射量相当于全世界发电量的几十万倍，太阳岛氢聚变过程足以维持600亿年，从这个意义上讲太阳提供的能量是无穷尽的。2022-8-1752.1.3太阳辐射波谱 太阳辐射波谱能量分布 地球大气层外太空中的太阳辐射，其辐射能量主要分布在可见光区和红外区。2022-8-1762.2 日地天文关系2.2.1地球的公转、日地距离地球的公转、日地距离近日点远日点日地距离图图2-2 地球绕太阳运行图地球绕太阳运行图图图2-4 太阳地球几何关系太阳地球几何关系2022-8-177地球轨道的偏心修正系数（工程用）日地平均距离；观察点的日地距离；n 一年中某一天的顺序数
3、。365360cos033.01200nrr0rr2022-8-178C表表2-1 所求日期在一年中的日子数所求日期在一年中的日子数*月份月份各月第各月第i天天日子数的算式日子数的算式各月平均日各月平均日*平均日日子数平均日日子数平均日赤纬角平均日赤纬角1月i17日1720.92月31+i16日4713.03月59+i16日752.44月90+i15日1059.45月120+i15日13518.86月151+i11日16223.17月181+i17日19821.28月212+i16日22813.59月243+i15日2582.210月273+i15日2889.611月304+i14日31818
4、.912月334+i10日34423.0*表中的n数没有考虑闰年，对于闰年，3月份之后（包括3月份）的n要加1。*按某日算出大气层外的太阳辐射量和该月的日平均值最为接近，则将该日定作该月的平均日。2022-8-1792.2.2赤纬角 太阳赤纬角：地心与太阳中心的连线（即午时太阳光线）与地球赤道平面的夹角 四季更替 每天的赤纬角可由库柏（Cooper）方程计算得到：(2-1)365284360sin(45.23n图图2-2 地球绕太阳运行图地球绕太阳运行图2022-8-17102.2.3地球的自转与太阳时角 当地太阳时 特点是午时（中午12点）阳光正好通过当地子午线，即在空中最高点处 太阳时标准
5、时间 制定标准时间采用的标准经度，(度)；当地经度，(度)。所在地点在东半球取负号，西半球取正号。60)(4locstLLE stLlocL2022-8-1711 两项修正，第一项E是地球绕日公转时进动和转速变化而产生的修正，时差E以分为单位，可按下式计算 式中，。其中，n为所求日期在一年中的日子数。第二项是考虑所在地区的经度与制定标准时间的经度（我国定为东经）之差所产生的修正。由于经度每相差1，在时间上就相差4min，所以公式中最后一项乘4，单位也是分。BBBEsin5.1cos53.72sin87.9364)81(360nB2022-8-1712 太阳时角 用角度表示的太阳时叫太阳时角，可
6、按下式计算：(2-5)例：求南京2012年11月13日下午3时的当地太阳时和太阳时角。)12(15太阳时2022-8-17132.2.4天球与天球坐标系天球天球 以观察者为中心，以任意长为半径，其上分布着所有天体的球面。天顶Z 通过观察者的垂直轴向上与天球的交点 天底N 在天球上，与天顶在同一直径上的对应点 天极Nc和Sc 地球极轴与天球的交点2022-8-1714 垂直圆 通过观察者天顶的天球上的任意一个最大圆。子午圈 经过天极的垂直圆。地平圈 地平面与天球相交的大圆。2022-8-1715 天球赤道 垂直于地轴的天球的大圆。地球赤道是天球赤道在地球上的投影。时圈 经过太阳垂直于天球赤道的大
7、圆，也称赤纬圈。平径圈 通过观察者天顶以及太阳的大圆。2022-8-1716天球坐标系（1）地平坐标系 以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点。（2）时角坐标系 以天球赤道为基本圈，天球北极为基本点，天球赤道和子午圈在南点附近的交点为原点。（3）地平坐标系和时角坐标系的坐标变换2022-8-17172.2.5太阳位置方程 太阳高度角与天顶角太阳高度角与天顶角 从地面某一观察点向太阳中心作一条射线，该射线在地面上有一投影线，这两条线的夹角叫太阳高度角 。该射线于地面法线的夹角叫太阳天顶角 。这两个角度互成余角。图图2-3 有关几何角度图有关几何角度图sz2022-8-1718 太阳方位角太阳
8、方位角 如图2-3所示，从地面某一观察点向太阳中心作的这条射线在地面上的投影线与正南方（当地子午线）的夹角为太阳的方位角 。图图2-3 有关几何角度图有关几何角度图s2022-8-1719 太阳入射角太阳入射角 太阳光线与集热面法线之间的夹角，称为太阳光线的入射角。太阳光线可分为两个分量，一个垂直于集热面，另一个平行于集热面，只有前者的辐射能被集热面所截取。由此可见，实际应用中，入射角越小越好。2022-8-1720 日照时间日照时间 太阳出没的瞬间，太阳高度角 。式中，为日出日没时角，以度表示，正为日没时角，负为日出时角。日出日没时间：日照时间：0stantancos)tantanarcco
9、s(152N1512t2022-8-1721例：求南京2012年11月13日的日出日落时间和日照时间。2022-8-17222.3太阳辐射和太阳常数 直射辐射 发自日面及日周610-3球面度立体角并入射到与该立体角轴线相垂直的平面上的辐射。散射辐射 改变了原来辐射方向，又无特定方向的太阳辐射。总辐射 直射辐射+散射辐射2022-8-17232.3.1太阳常数 太阳常数 是指地球位于平均日地距离时，在地球大气层上边界处，垂直于辐射传播方向上单位面积单位时间内测得的太阳辐照度。1353 1368 图图2-4 太阳地球几何关系太阳地球几何关系scG2/mW2/mW2022-8-1724 实际上，大气
10、层外的太阳辐射度随着日地距离的改变，是一年中第n天在法向平面上测得的大气层外的辐照度。是太阳常数，n为所求日期在一年中的日子数）（365360cos033.01nGGscononGscG2022-8-1725图图2-5 大气层外太阳辐照度与月份的关系大气层外太阳辐照度与月份的关系2022-8-17262.3.2 地球大气层外水平面上的太阳辐射地球大气层外水平面上的太阳辐射 任何地区、任何一天、白天内的任何时刻，大气层外水平面上水平面上的太阳辐照度为 大气层外水平面上该天的辐射量 月平均日太阳辐照量只需用月平均日的n和 代入上式即可求得。zsconGGcos)365360cos(033.01si
11、nsin3602sincoscos)365360cos(033.013600240ssscnGH2022-8-1727 大气层外水平面上，每小时内太阳的辐照量 对应1h的起始时角，是终了时角。21021212360036010.033coscoscossinsinsinsin365360scnIG 122022-8-17282022-8-17292.3.3大气层对太阳辐射的影响 大气质量 太阳直射光线通过大气层时的实际光学厚度与大气层法向厚度之比叫做大气质量，以符号m表示。sin1seczm9002022-8-1730例题：夏至日时，北回归线地区午时的大气质量是多少？北极的大气质量是多少？20
12、22-8-1731不同大气质量的太阳辐射光谱 2022-8-17322.3.3大气层对太阳辐射的影响（二）散射和吸收 空气分子、水蒸气和灰尘散射 氧、臭氧、水分、二氧化碳吸收2022-8-1733 紫外区O3 红外线 H2O,CO2图2-19 太阳辐射被大气吸收的分布情况2022-8-17342.3.3大气层对太阳辐射的影响（三）大气透明度 是气象条件、海拨高度、大气质量、大气组分（如水汽和气溶胶含量）等因素的复杂函数。2022-8-1735Hottle（1976年）提出的标准晴空大气透明度计算模型 直射辐射的大气透明度 式中：，和 是具有23km能见度的标准晴空大气的物理常数。bco s01
13、zkbaa e0a1ak2022-8-1736 当海拨高度小于2.5km时，可首先算出相应的 ，和 ，再通过考虑气候类型的修正系数 ，最后求出 ，。*0a*1a*k*000aar*111aar*kkrk0a1ak2*00.42370.00821 6aA2*10.50550.00595 6.5aA2*5.201858.02711.0Ak2022-8-1737 散射辐射的大气透明度 上述大气透明度公式是在标准晴空（23km能见度）下考虑了大气质量（即太阳天顶角）、海拨高度和四种气候类型所建的数学模型。bd2939.02710.02022-8-17382.3.3大气层对太阳辐射的影响（四）云的影响2
14、022-8-17392.3.3大气层对太阳辐射的影响（小结）到达集热器上的太阳辐射受许多因素影响，归纳起来有以下几个方面。天文、地理因素 大气状况 集热器设计考虑 2022-8-1740集热器上太阳辐射的计算方法 普遍采用如下方法：用辐射仪实测水平面上的辐射数据，常用的有月平均的日总量和小时总量两种；在大量实验统计基础上，用若干相关的气候参数整理出一些相关关系式，借助它们将水平面上的实测总量分解为直射和散射两部分；最后用公式计算集热器在任意方位上接受到的太阳辐射量。2022-8-17412.3.4地面上的太阳辐射 对于没有实测辐射数据的地方，一是根据邻近地区的实测值用插值法推算；二是用相对容易
15、测量的太阳持续时间（日照百分率）或云量等数据推算。有气象台站的地方，通常是测量水平面上的总辐射。2022-8-1742平均太阳辐照量的计算计算水平面上，月平均日的太阳辐照量式中：月平均日，水平面上的辐照量，MJ/m2；大气层外月平均日，水平面上的辐照量，MJ/m2；n月平均日的日照时数，h；N 月平均日的最大日照时数（即昼长），h。a,b为常数，根据各地气候和植物生长类型来确定。NnbaHH0H0H2022-8-1743标准晴天水平面上辐射量的计算 晴天辐射方向上的直射辐照度：晴天，直射辐射的大气透明度 大气层外，垂直于辐射方向上的太阳辐照度 晴天，垂直于辐射方向上的直射辐照度。bnobncG
16、GbnoGbncG2022-8-1744 水平面上的直射辐照度：一小时内，水平面上直射辐照量：相对应的散射辐射部分计算式为：一小时内，水平面上的总辐照量为：把全天各个小时的量加起来，就是晴天水平面上的总辐照量 。bczbnobcGII3600coszbnobcGGcoszdnodcGGcosdczdnodcGII3600cosdcbccIIIcH2022-8-1745例题：求麦迪逊（，海拨高度为270m）8月22日上午11:30（）标准晴空的大气透明度（和 ），以及上午11:00到12:00之间，水平面上晴空条件下的 。作业：用相同的方法求出日照时间内每个小时的晴天辐射量，并做成表格形式。并计
17、算全天直射辐射量和标准晴天总辐射量。N435.7bdcI2022-8-1746晴空指数和相关关系式 月平均的晴空指数 一天的晴空指数 一小时的晴空指数 oTHHK0HHKT0IIkTccTIIk2022-8-1747 与 的相关式0/IIkTIId/75.0,177.075.035.0,84.1557.135.0,249.00.1TTTTTdkkkkkII2022-8-1748 与 的相关式IId/ccTIIk/,10.1,20.010.148.0,789.00396.011.148.00,1.000.12.cTcTcTcTcTcTdkkkkkkII2022-8-1749 与 的相关式0/HH
18、KTHHd/80.0,20.080.075.0,632.054.075.017.0,648.14865.21473.9272.2188.117.0,99.0432TTTTTTTTTdKKKKKKKKKHH2022-8-1750 与 的相关式0/HHKTHHd/103115cos9000455.0505.09000653.0775.0TssdKHH2022-8-1751已知日辐射总量，如何估算小时辐射量（1）该小时的总辐射量小时总辐射量与日水平辐射量之比：式中，为小时中间点的时角，为日落时角。水平面上该小时的总辐射量：sssstbaHIrcos)3602(sincoscos)cos(24)60s
19、in(5016.0409.0sa)60sin(4767.06609.0sbstHrI 2022-8-1752（2）该小时的散射辐射量 小时散射辐射与全天散射辐射之比：（3）该小时的直射辐射量 ssssdddHIrcos)3602(sincoscos24dbIII2022-8-1753 例：已知西安8月16日水平面上总辐射量是27.1MJ/m2，求下午1点至2点间水平面上的辐射量，其中直射和散射辐照量又各为多少。2022-8-1754辐射方向上的太阳直射辐射 辐射方向上的太阳直射辐射的计算公式式中，修正因子 是太阳天顶角。nbbnbRII,znbRcos1,z2022-8-17552.4世界及中
20、国太阳能资源分布简述 气候带：赤道带（南北纬10以内），热带（纬度10 回归线23.5），温带（回归线至极圈23.5-66.5），寒带极圈以内（66.5-90）。2022-8-1756世界太阳能资源分布 太阳能资源丰富程度最高地区为：印度，巴基斯坦、中东、北非、澳大利亚和新西兰；而太阳能资源丰富程度中高地区为：美国、中美和南美南部；2022-8-1757我国太阳能资源分布2022-8-1758类别全年日照时数(时)年总辐射量(MJ/m2)日辐射量KWh/相当于燃烧标准煤(千克)主要地区与国外相当地区13200 34006680 84005.16.4225 285宁夏北部甘肃北部新疆东南部青海西部西藏西部印度巴基斯坦北部23000 32005852 66804.55.1200 225河北北部山西北部内蒙宁夏南部甘肃中部青海东部西藏东南部和新疆南部印尼雅加达一带32200 30005016 58523.84.5170 200山东河南河北东南部山西南部新疆北部吉林辽宁云南陕西北部甘肃东南部广东与福建南部江苏和安徽北部北京美国华盛顿地区41400 22004190 50163.23.8140 170湖北湖南江西浙江广西广东北部陕西南部江苏和安徽南部黑龙江意大利米兰地区51000 14003344 41902.53.2110 140四川和贵州省法国巴黎和俄罗斯的莫斯科
