太阳能发电原理及应用讲座4太阳能.ppt

第四章太阳辐射，1 .太阳概况太阳是巨大的热气球，其内部热核反应不断进行，释放巨大的能量。 太阳直径约139万公里，比地球直径大109.3倍。 太阳的体积约为1.4122107km3，比地球的体积大130万倍。 太阳和地球的平均距离约为1亿5千万公里。 太阳的外表，太阳的表面温度约为57000C，中心达到21070C，压力约为2000亿个以上的大气压。 太阳的质量约为1.98921027t，相当于地球质量的333400倍。 太阳的平均密度为1.41g/cm3，只是地球密度的四分之一。 太阳每秒放出的能量为3.8651026J，相当于每秒燃烧1.321016标准煤的能量。 太阳发出的能量约1/22亿人到达地球，约为173104亿KW。 其中被大气吸收的约占19%； 被大气和尘粒反射回宇宙空间的约占30%； 通过大气到达地球表面的太阳辐射能约占51%(81104亿KW )。 太阳能在大气中的吸收，到达陆地表面约为17104亿KW，只占到达地球范围内太阳辐射能的10%。 17104亿KW的能源相当于世界年消耗总能源的3.5万倍。 被植物吸收的只有0.015%，被人类作为燃料和食物吸收的只有0.002%。 2 .太阳辐射度的单位时间内，太阳以辐射形式辐射的能量称为太阳辐射功率或辐射通量，单位为瓦特(w )。 太阳照射单位面积的放射功率(放射束)被称为放射度或放射度，单位为瓦特/平方米(W/m2)。 在时间内(例如时间、日、月、年等)太阳投影到单位面积的辐射能量称为辐射量或辐射量，单位为千瓦时/平方米日(月、年)。 由于历史原因，有时使用不同的单位制，单位换算为：1kwh=3.6MJ1卡=4.1868 j=1.16278 mwh 1mj/m2=23.889卡/cm2=27.8mwh/cm21kwh/m2=85.98卡/cm2=3.6 mj/m2=3.6 mj/m2 地球同时围绕太阳在偏心率小的椭圆形轨道(常称黄道)上运行，称为公转，周期为1年.地球的公转，称为日地运动，地球的自转轴和公转运行的轨道面(黄道面)的法线以23027 的角度倾斜，地球公转时自转轴的方向始终指向天球的北极，太阳光线直接与赤道接触的位置4 .天球坐标站在地球表面，仰望天空，仰望周围的虚拟球面。 根据相对运动的原理，太阳好像在这个球面上旋转。 确定太阳在天球上的位置最方便的方法是采用天球坐标。 常用的天球坐标有赤道坐标系和水平坐标系两种。(1) .赤道坐标系是以天赤道QQ 为基本轮、以天子午睡轮的交点q为原点的天球坐标系，PP 是北天极和南天极。 经过PP的大园都垂直于天赤道。 很明显，通过p和球面上的太阳(S)的半园也与天赤道垂直，两者在b点相交。 在赤道坐标系中，太阳的位置S为：相对于赤道坐标，a .时角为圆弧QB，从天子午线轮上的q点开始(即，从太阳正午开始)，顺时针为正的逆时针为负。 也就是说上午是负的下午是正的。 通常用表示，其数值等于正午时间乘以150。 b .赤纬相对于圆弧，从天赤道开始计算，通常用表示。 对太阳来说，春分和秋分日的=00，北极从00变为夏至日的23027，南极从00变为冬至日23027。 太阳红纬用Cooper方程式近似，中：n是一年中的日期编号，例如元旦分为n=1，春天分为n=81。 例题1 .计算9月22日的赤纬.解：9月22日时，n=265，代入上式：=-0.60与地域无关。(2) .地平坐标系是人在地球上看天空的太阳相对于地平面的位置。 此时，太阳相对于地球的位置相对于地面。 通常由高度角和方位角两个坐标决定。在某个时刻，由于地球上各处的位置不同，各处的高度角和方位角也不同。 地平坐标，a .天顶角Z太阳光线OP与地平法线QP之间的角度。 b .高度角s太阳光线OP和在地面投影阴影线pg的角度表示太阳比水平面高的角度。 常用的s表示高度角与天顶角的关系为：Z s=900，c .方位角s太阳光线投影在地面上的角度s。 太阳光线的水平投影表示从正南方偏离的角度。 以朝南为始点，西向(顺时针)为正，东向为负。5 .太阳角的计算(1) .太阳高度角的计算高度角与纬度、赤纬适时角的关系为：太阳正午时，=0，日正午太阳为天顶以南，即时：s=900- 日正午太阳为天顶以北，即时：s=900-=900-31.120(-0.60 )=58.280下午3时太阳高度角： sins=sin 31.12 sin (0.6 ) cos 31.12 cos (0.6 ) cos 45=0. 5998s=36.860，(2) .方位角s的计算方位角与红纬、高度角、纬度及时角的关系为： 例题3 .计算上海地区9月22日14点的太阳方位角s的：是从例题1到：=-0.60， =31.120 =215=300首先，将高度角： sins=sin 31.12 sin (0.6 ) cos 31.12 cos (0.6 ) cos 30=0. 7359s=47.380代入：s=47.600、(3)时，日出日落时的角 0日落=0度表示，负值为日出时角，正值为日落时角。 因为、(4)日照时间n地球每小时自转150度，所以日照时间n可以用日出日落时角的绝对值之和除以150/小时。例题4 .计算上海地区冬至的日出日落时间和全天日照时间。上海的=31.120、冬至日的太阳红纬=-23.450、代入式： cos0=-tantan=-tan 31.12 tan (-23.45 )=0. 26190=74.820日照时间N=274.82/15=9.98小时、(5)日出日落时的方位角日的sins=0代入：coss，由0=-sin/sin上式得到的日出日落时的方位角有2组解，因此必须选择正确的解。 我国的位置大致可分为北热带(023.450 )和北温带(23.45066.550 )两个气候带。 太阳红纬00时，太阳升到北方象限(数学上为第一、第二象限)着陆00时，太阳上升或下降位于南方象限(数学上为第三、第四象限)。 例题5 .上海地区9月22日日出日落的方位角和全日照时间：根据解：以上的例题，上海地区的=31.120，9，9月22日太阳赤纬：=-0.60代入：coss，0=-sin/sin=-sin (-0.60 )/sin 31.0 或s、0=-89.300s、0输出=-89.300； s，0落下=89.300全天日照时间：小时，6 .大气层外的太阳辐射(1)太阳常数为平均日照距离，地球大气层上垂直子处于太阳光线的平面上，单位时间内每单位面积得到的太阳辐射能量的数值。 根据1981年10月在墨西哥召开的世界气象组织机器和观测方法委员会第8次会议上通过的最新数值：Isc=13677w/m2，实际上由于一年的中日距离发生变化，Isc的值也稍有变化。 (2) .到达大气层上界的太阳辐射大气上界水平面上的太阳辐射日总量H0为：中的：Isc太阳常数0-日出日落时间-太阳红纬-日-地间距离的变化引起的大气上界的太阳辐射束的修正值3360、(3)大气质量m太阳光线通过地球的大气的路径和太阳光线与天顶方向垂直假设在标准大气压和00C下太阳光线垂直入射到海面时的路径为1。 因此，大气上界的大气质量m=0。 太阳在别处时，大气的质量都大于1。 大气的质量越大，光通过大气的路径越长，越受到衰减，到达地面的能量越少。例如，在该值为1.5的情况下，通常写为AM1.5。 大气层上界是AM0。 地面大气质量计算公式是：m=cosz=1/sins中：z太阳顶角s-太阳的高度角度，7 .到达地表的太阳直接放射(1) .大气透明度大气透明度是表示大气对太阳光线的透过度的参数. 在晴朗无云的天气中，大气的透明度很高，到达地面的太阳的放射能很多。 天空多云雾和沙尘，大气透明度低，到达地面的太阳放射能少。 根据布朗伯定律，波长的太阳辐射I，0表示通过厚度为dm的大气后，辐射衰减量为：公式，表示达到：公式中的：I，n-地表的法线太阳辐射光谱强度I， 0-大气上世界的太阳辐射光谱强度c-大气的消光系数m-大气质量上式也在：式中，称为单色光谱透明度，上式对从波长0到的全频带进行积分，可得到全太阳辐射光谱范围内的单色透明度的平均值。 上式积分后称为：或：式中：Pm复合透明系数-日-地距修正值。 到达地表的法线对太阳的直接辐射强度为了比较不同大气质量时的大气透明度，必须将大气透明度修正为一定的大气质量。 例如，将大气质量m的大气透明度Pm的值修正为大气质量2的大气透明度P2。 式中：日-地变化修正值. Isc太阳常数.(3) .水平面上的太阳直接辐射cInzsIbB水平面a，太阳直接辐射入射AC和AB平面的能量相等。 式中：Ib水平面上的直接放射量s-太阳高度角z-太阳天顶角因此为：水平面上的日总放射量在从上式的日出到日落的时间内积分，式中：Hb为水平面上的直接放射日总量.0-日出日落时的角度： 4 ) .倾斜面上的太阳直接放射束IT，b/In=cosTIT，b=IncosT中，T是倾斜面上的太阳光线入射角InIT，b水平面， (4) .倾斜面上的太阳直接辐射通量式中：倾斜面与水平面所成的角度地理纬度太阳红纬时角n倾斜面的方位角，(5)倾斜面与水平面上的直接辐射通量的比率Rb水平面上的太阳辐射通量为：倾斜面的太阳辐射通量为：倾斜面与水平面上的直接辐射通量的比率3360， 将太阳光在倾斜表面上的入射角33-360代入从，可以获得33-360， 倾斜面上的散射放射式：IT， d-倾斜面上散射辐射束id-水平面上的散射辐射束-倾斜面与水平面所成的角(倾斜角)为(7) 太阳总辐射量太阳总辐射量是到达地表水平面上的太阳的直接和散射辐射的总和I=Ib Id式中的：I太阳总辐射量IB-水平面上的直接辐射束id-到达水平面上的散射辐射束即倾斜面的太阳总辐射量的月平均值式中的： -倾斜面上的总辐射日的月平均值-水平面上的直接辐射日的月平均值-倾斜面水平面上的直接辐射日的月平均值之比，其中： -倾斜面上的太阳总照射量-倾斜面上个月的平均太阳照射量与水平面上个月的平均太阳照射量之比-水平面上的太阳总照射量，3360 -水平面上个月的平均太阳散射照