太阳能光伏系统概论第二章上

太阳能路灯 太阳能路灯 第 2 章 太阳能 太阳能是由太阳的氢经过核聚变而产生的一种能 源 太阳寿命长 是一种无限的能源 太阳能不含有 害物质 不排出二氧化碳 是一种清洁的能源 可见 太阳能能量巨大 具有非枯竭 清洁等特点 是一种 非常理想的能源 太阳能光伏系统利用太阳的光能发电 发电功率 转换效率等与太阳能的一些特点 性质密切相关 本 章介绍太阳能资源 太阳光的性质 直达以及散乱光 太阳光的频谱 分光感度特性 日射量的分布以及太 阳能的应用领域等内容 2 1 太阳能资源 太阳是一颗位于离银河系中心约 3 万光年位置的 恒星 半径约为 6 96 x 10 公里 质量大约为 1 99 x 1030 公斤 分别为地球的 108 倍 33 万倍 太阳的 中心温度大约为 1400 万 K 表面温度约为 5700K 离 地球的距离约为 1 5 x108 公里 太阳能是由太阳的氢经过核聚变而产生的一种能源 当 4 个氢原子经过融合变成一个氦原子核时 经过核 聚变反应从而释放出相当于 3 8 x10 MW 的巨大电能 人们推测太阳的寿命至少还有儿十亿年以上 因此对 太阳能路灯 太阳能路灯 于地球上的人类来说 太阳能是一种无限的能源 人类从地面所能采集到的能源中来自太阳的能源 约占 99 98 剩下的 0 02 为地下热能 太阳能可转 换成 1 77 x 10 M W 的电能 相当于目前世界平均消 费电能的几十万倍 2 2 太阳能量的衰减 太阳表而放射出的能量通过约 I 亿 500 万公里 的宇宙到达地球的大气圈外时 与太阳光垂直的面上 的太阳辐射能量密度约为 1 395kW in2 此值称为太 阳常数 Solar Constant 太阳常数是指当地球与太阳 处在平均距离的位置时 在大气层的上部与太阳光垂 直的平面上 单位面积的太阳辐射能量密度 一般采 用 1964 年国际地球观测年 IGY 所决定的值 即太阳 常数的值为 I 382kW rn2 实际上 地球上不同地点的太阳光的强度是 不同的 与所在地的纬度 时间 气象条件等有关 即使是同一地点 正南时的直射日光也随四季的变化 而不同 也就是说由于大气导致太阳光减少的比例与 大气的厚度有关 定量地表示大气的厚度的单位称为 大气圈通过空气量 又称大气质量 即用通过空气量 Air Mass AM 来表示 如图 2 1 所示 用由天顶垂 太阳能路灯 太阳能路灯 直入射的通过空气量作为标准 即太阳高度正当头 900 时为 1 太阳到地面的垂直距离的相对值 假定 太阳光度角为 h 0 通过空气量 AM 由下式计算 AM 1 sink AM 用来表示进人大气的直达光所通过的路程 大气圈外用 AM0 表示 垂直的地表面 AM1 表示 太阳高度非常低时 地表面为地球面 由于大气引起 的曲折现象等原因 AM 值与上式相比略低 对太阳 电池等的特性评价时 使用的标准大气条件一般为 AM 1 5 这里对应的太阳高度角 h 为 41 8 2 3 地表面太阳能量的分布 太阳能路灯 太阳能路灯 太阳光穿过大气到达地球时 由于各种吸收 散乱等影响而衰减 最大密度约 1 kW m2 如图 2 2 所示 吸收主要由水蒸气 臭氧层 氧气层等引起 其中水蒸气的吸收较大 特别是水蒸气量较多的大气 其衰减较大 臭氧层吸收对生物有害的短波长紫外线 近年来由于臭氧层的破坏 吸收这种短波长紫外线的 量正在减少 图 2 3 为太阳能量到达大气圈的日射诸成分 如 前所述 地表面太阳能量的分布与所在地的纬度 时 间 气象条件等有关 晴天时正午前后到达地表面的 太阳能量密度为 1 kW m 但由于受气象条件 时间 等因素的影响 实际的太阳能量密度较低 如果假设 太阳能路灯 太阳能路灯 到达地面的平均日射量大约为 0 165 kW 扩 地球的 表面积为 510 x 10 6 km 则到达地表面的太 I 旧能 量约为 84 x 1012 kW 几乎与大气 地表面以及海面 吸收的热能相等 当平均日射量为 0 165kW m 时 则年累计量为 5200 WJ m 如果按地球表面积计算 相当于人类消耗能源的几十万倍 在地球大气圈外 与太阳光垂直的面上的太阳光 的密度为 1 395kW m2 到达大气圈外的太阳能的总 量为 173 x 10 12kW 一般来说太阳光的放射能量在 到达大气圈之前大约有 30 53 x 10 12kW 由于反射 而损失掉了 剩下的 70 的能量中 有 67 81x10 12kW 被大气 地表面 海面吸收而转换 太阳能路灯 太阳能路灯 成热能 33 40 10 kW 以蒸发 对流 降雨以及 流水的形式形成流体循环的能量 转换成海流以及波 浪的能量为 370 x10 9 kW 光合作用的能量大约为 40 x 10 9 kW 太阳光的放射能量中只有不到 22 亿 分之一到达地球 图 2 4 为大气圈外以及地面上的日射强度 由图 可知 在地面上所测得的太阳光