1、建筑工程学院市政工程系7/26/20221太阳能利用第一章 太阳辐射7/26/202221 11 1、地球的自转与公转、地球的自转与公转1、基本概念v地球的自转：地球绕地轴不断地自西向东旋转，其周期为24h。由于地球的自转，产生昼夜交替的现象。v黄道平面：地球绕太阳运行的轨道平面。地球自转轴与黄道平面法线的夹角为2327。7/26/20223v地球的公转：由于地球自转轴与黄道平面法线的夹角为2327，并且地球的自转轴在公转时在空间的方向始终保持不变，使得太阳光线有时直射赤道，有时偏南，有时偏北，从而形成地球上季节的变化。1 11 1、地球的自转与公转、地球的自转与公转春分（321）：太阳直射赤
2、道冬至（1221）：太阳直射南回归线夏至（621）：太阳直射北回归线秋分（921）：太阳直射赤道7/26/202241 12 2、太阳角、太阳角121、赤纬角定义：地球中心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角。它与所在地区无关，仅由日期决定：365284360sin45.23n式中：赤纬角 n为一年中的日期序号。7/26/20225122、时角定义：每小时地球自转的角度为15，因此可采用一天中地球自转的角度来表示时间。用来表示时间的地球自转的角度称为时角，并规定正午时角为零，上午时间取负，下午时角为正。v真太阳时H 的规定：以当地太阳位于正南向的瞬时为正午。v时差e:真太阳时与钟表指示时间（平太
3、阳时）之间的差值。时差产生的原因：（1）太阳与地球之间的距离和相对位置随时间变化。（2）地球赤道平面与黄道平面成一定的夹角（2327）。1 12 2、太阳角、太阳角7/26/202261 12 2、太阳角、太阳角v全年各日的时e（单位，min）可用下式近似计算：BBBesin5.1cos53.72sin87.93651,36481360nnBv各月21日的时差e7/26/20227v真太阳时H与地区标准时Hs的换算：1 12 2、太阳角、太阳角式中：Hs该地区标准时，单位为h；L当地的经度，单位为；Ls当地地区标准时所根据的经度，单位为；对于东半球，取正，对于西半球，取负。6015eLLHHs
4、s7/26/20228例1：计算昆明地区东经102的地方6月21日真太阳时与北京时间的关系。v对于6月21日：e1.4;v北京时间依据东经120 所规定的，即Ls120；1 12 2、太阳角、太阳角18.1604.115120102ssHHH因此：7/26/202291 12 2、太阳角、太阳角123、太阳高度角h定义：地球表面上某点与太阳的连线与地平面之间的夹角。可由下式计算：地平面南向天顶太阳hzcoscossinsinsinh式中：当地纬度，单位为；赤纬角，单位为；太阳时角，单位为7/26/202210v可见：太阳高度角h 随地区随地区、季节季节及每日时刻每日时刻的变化而变化。1 12
5、2、太阳角、太阳角124、天顶角Z定义：地球表面上某点水平面的法线与太阳光线的夹角。可由下式计算：地平面南向天顶太阳hzhz907/26/2022111 12 2、太阳角、太阳角125、太阳方位角定义：太阳至地面上某给定点的连线在水平面上的投影与正南向（当地子午线）的夹角。规定：偏东为负，偏西为正偏东为负，偏西为正。天顶太阳hz地平面南向7/26/2022121 12 2、太阳角、太阳角太阳方位角可由下式计算：coshsincossin当采用上式计算出的sin 大于大于1时，太阳方位角改用下式计算：coscoshsinsinsinhsin7/26/2022131 12 2、太阳角、太阳角7/2
6、6/2022141 12 2、太阳角、太阳角126、任意平面上的太阳入射角iv任意表面的倾斜角 定义：任意倾斜面与水平面之间的夹角。地平面南向天顶太阳z倾斜面法线对于水平面：0对于垂直面：907/26/2022151 12 2、太阳角、太阳角v任意表面的方位角 定义：任意倾斜面的法线在水平面上的投影与正南方向线的夹角。规定：面向东时为负，面向西时为正面向东时为负，面向西时为正。南向z太阳天顶地平面倾斜面法线7/26/2022161 12 2、太阳角、太阳角v太阳入射角i 定义：太阳入射线与平面法线之间的夹角。太阳入射角 i 可由下式计算：)cos(coshsinsinhcoscosi式中：斜面
7、倾角，单位为；太阳方位角，单位为；斜面方位角，单位为;h 太阳高度角。地平面南向天顶太阳i倾斜面法线7/26/2022171 12 2、太阳角、太阳角几种特殊的情况：v对于水平面，0，则：v对于垂直面，90，则：v对于面向正南的倾斜面，0，则：sinhcos i)cos(coshcosisin)sin(coscos)cos(cosi7/26/2022181 12 2、太阳角、太阳角127、日出、日没时角定义：太阳视园面中心出没地平线瞬间的时角，亦即太阳高度角为0时的时角。令 sinh0)tantan(cos10coscossinsinsinh则：v式中：正值对应日落时角，负值对应日升时角。7/
8、26/202219例2：计算昆明地区北纬25的 地方7月21日的日照时间。v对于7月21日：23.44;v北纬25的 地方：25；1 12 2、太阳角、太阳角)tantan(cos100001.100则日照时间T：hT33.131501.10021520365284360sin45.23n7/26/2022201 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算131、直射辐射、散射辐射和总辐射基本概念v散射辐射：经过大气和云层的反射、折射、散射作用改变了原来的传播方向达到地球表面的、并无特定方向的这部分太阳辐射。v直射辐射：未被地球大气层吸收、反射及折射仍保持原来的方向直达地球表面的这部分太阳辐
9、射。v总太阳辐射：散射辐射与直射辐射的总和。7/26/2022211 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算132、太阳常数定义：太阳与地球之间为年平均距离时，地球大气层上边界处，垂直于太阳光线的表面上，单位面积、单位时间所接受的太阳辐射能，以I0 表示。v最新测量结果表明：I01367 W/m2。7/26/2022221 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算各月大气层外边界处的太阳辐射强度变化月份月份123456789101112I0Wm-2141914071391136713471329132113281343136313851406v最大月与最小月相差约7。为什么1月份的太
10、阳能常数最大，而我国1月份的气温却较低？7/26/2022231 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算133、大气质量m定义：太阳光线穿过地球大气层的路程与太阳在天顶位置时光线穿过地球大气层的路程之比。完全不同于通常所说的完全不同于通常所说的“质质量量”。地球平面天顶大气层m=1hm=1/sinhv规定：在海平面上，当太阳处于天顶位置时，太阳光线垂直照射所通过的路程为1。忽略地球曲率的的影响，大气质量m由下式计算：sinh1m7/26/2022241 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算134、晴天地球表面的太阳辐射强度计算基本概念v法向太阳辐射强度IDN：与太阳光线相垂直的表
11、面上（即太阳光线法线方向）的太阳直射辐射强度。式中：I0垂直与大气层外边界处的太阳辐射强度；P大气透明系数；m 光线透过的大气质量。mDNPII0hIDN水平面7/26/2022251 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算v水平面直射太阳辐射强度IDH水平面hIDNoABIDHOBIABIDHDNsinhsinh0mDNDNDHpIIOBABII在直角OAB中，有：7/26/2022261 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算v水平面散射辐射强度IdHppIImodHln4.111sinh21v水平面上的总辐射强度IHPPPIIIImmdHDHHln4.1121sinh07/2
12、6/2022271 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算135、任意倾斜面上的太阳辐射强度计算式中：ID倾斜面上太阳直射辐射强度；Id倾斜面上太阳散射辐射强度；IR倾斜面上所获得的地面反射辐射强度。RdDIIIIv倾斜面上的总辐射强度I7/26/202228直射辐射倾斜面水平面IDIDNihIDH倾斜面法线oABC1 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算v倾斜面上太阳直射辐射强度IDiIIDNDcos在直角OAB中，有：在直角OAC中，有：sinhDNDHII因此：sinhcosiIIDHD7/26/2022291 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算v倾斜面上太阳直射辐射强度Id可由下式计算：2cos2dHdIIv倾斜面上所获得的地面反射辐射强度IR)2cos1(2HGRII7/26/2022301 13 3、太阳辐射强度计算、太阳辐射强度计算7/26/202231
