第1章太阳与太阳能

1、第第1章章 太阳和太阳能太阳和太阳能太阳能光伏发电应用原理太阳能光伏发电应用原理 黄汉云编著黄汉云编著第第1章章 太阳太阳和太阳能和太阳能 太阳和太阳能太阳和太阳能1.1 太阳基本物理参数及结构太阳基本物理参数及结构1 1.1.1 .1.1 太阳基本物理参数太阳基本物理参数 太阳是距地球最近的恒星。太阳是距地球最近的恒星。 半径：半径： R R=6.96 =6.96 10105 5 km km ( (地球的地球的109109倍）；倍）； 体积：体积：1.41221.4122 10107 7 kmkm3 3( (地球的地球的130130万倍）；万倍）； 质量：约为质量：约为1.991.99101

2、02727t t（地球质量的（地球质量的3333万倍）；万倍）； 平均密度：平均密度：1.409g/cm1.409g/cm3 3( (地球密度的地球密度的1/4)1/4)；160g/cm160g/cm3 3( (核心核心) )； 温度：温度：57705770(表面表面) )，1.561.56 10107 7 (核心核心) )； 日地平均距离：日地平均距离：1.51.5 10108 8kmkm； 太阳光到达地球表面时间：约太阳光到达地球表面时间：约8 8 1818 ； 年龄：约年龄：约5050亿年；亿年； 寿命：寿命：100100亿年。亿年。 自转周期：自转周期：25-3025-30天天 距最近

3、的恒星的距离：距最近的恒星的距离：4.34.3光年光年 宇宙年：宇宙年：225225百万年百万年 总辐射功率：总辐射功率：3.833.8310102626J/sJ/s1.1.2 太阳的结构太阳的结构如图如图1-1所示所示 1. 里三层里三层太阳内部太阳内部 核反应区：核反应区：0.25R内，温度内，温度1500万度，太阳一半的质万度，太阳一半的质量，压力约量，压力约2500亿大气压；氢聚合时放出亿大气压；氢聚合时放出 射线，这种射线射线，这种射线通过较冷区域时，消耗能量，增加波长，变成通过较冷区域时，消耗能量，增加波长，变成X射线或紫射线或紫外线及可见光。外线及可见光。 辐射区：辐射区：0.2

4、50.8R范围，温度范围，温度13万度，密度万度，密度0.079g/cm3;太阳能量通过这个区域由辐射传输出去。太阳能量通过这个区域由辐射传输出去。 对流区：对流区：0.81.0R范围，温度范围，温度5000度，密度度，密度10 8g/cm3；太阳能量主要靠对流传播。太阳能量主要靠对流传播。 1.1 太阳基本物理参数及结构太阳基本物理参数及结构1.1 太阳基本物理参数及结构太阳基本物理参数及结构1.1.2 太阳的结构太阳的结构如图如图1-1所示所示 2.外三层外三层太阳外部太阳外部（太阳（太阳大气）大气） 光球层：厚度光球层：厚度500km，温度，温度5700，太阳的全部光能几，太阳的全部光能

5、几乎全从这个层次发出。太阳的连续光谱基本上就是光球的光乎全从这个层次发出。太阳的连续光谱基本上就是光球的光谱，太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。谱，太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。太阳黑子产生。太阳黑子产生。 色球层：厚度色球层：厚度2000km，温度由内向外升高，温度由内向外升高，4300几几万度万度；边缘产生日珥、耀斑（极光）等。；边缘产生日珥、耀斑（极光）等。 日冕层：内冕层高度日冕层：内冕层高度17万万km，温度，温度100万度；外冕层高万度；外冕层高度在度在17万万km以上，温度低于内冕层。以上，温度低于内冕层。 太阳大气分层并不严格，实际是连续变化的。太阳

6、大气分层并不严格，实际是连续变化的。1.1 太阳基本物理参数及结构太阳基本物理参数及结构1.1 太阳基本物理参数及结构太阳基本物理参数及结构太阳表面结构太阳表面结构1.1 太阳基本物理参数及结构太阳基本物理参数及结构极光极光日珥日珥1.1 太阳基本物理参数及结构太阳基本物理参数及结构1.1.3 太阳的太阳的成分成分氢：占太阳体积的氢：占太阳体积的71.2%71.2%氦：占氦：占27%27%其他：占其他：占1.8%1.8%1.2 太阳能的来源太阳能的来源 图图1 1- -3 3（1 1）太阳结构和能量太阳结构和能量传递方式示意图传递方式示意图1.3 太阳能量的传递和辐射方式太阳能量的传递和辐射方

7、式1.3.1 太阳能量的传递太阳能量的传递1.3 太阳能量的传递和辐射方式太阳能量的传递和辐射方式1.3.2 太阳能量的辐射太阳能量的辐射（1 1）辐射的分类）辐射的分类（2 2）影响太阳能）影响太阳能量辐射的因素量辐射的因素太阳辐射能太阳辐射能 太阳组成太阳组成：炙热的气体火球炙热的气体火球(氢：氢：71.3%，氦：，氦：27%，其，其它：它：1.8%) ； 太阳能：太阳能：核聚变反应（氢聚变成氦）核聚变反应（氢聚变成氦）6.571011kg/s氢氢6.53 1011kg/s氦氦 质量亏损质量亏损m=0.41010kg/s 能量转换能量转换E=mc2 =3.90 1023 kW 总辐射功率：

8、总辐射功率：3.865 1026J/s(相当于相当于1.32 1016t标煤能量标煤能量/s); 地球上界辐射能：地球上界辐射能：1.77 1014 kW(二十二亿分之一二十二亿分之一 )； 地球表面辐射能：地球表面辐射能： 8.5 1013kW (大气衰减大气衰减)。（GB：标煤燃烧值：标煤燃烧值29305kJ/kg）1.3 太阳能量的传递和辐射方式太阳能量的传递和辐射方式 太阳辐射能太阳辐射能（地球表面辐射能）地球表面辐射能） 到达地球表面的太阳辐射能大体分为到达地球表面的太阳辐射能大体分为三部分三部分： 一部分转变为热能（约一部分转变为热能（约4.0 l013 kW)，使地球的平均温度，

9、使地球的平均温度大约保持在大约保持在l4，造成适合各种生物生存和发展的自然环，造成适合各种生物生存和发展的自然环境，同时使地球表面的水不断蒸发，造成全球每年约境，同时使地球表面的水不断蒸发，造成全球每年约50 1016 km3的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落在陆地上，这就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。在陆地上，这就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。 第二部分（约有第二部分（约有3.7 1013 kW）用来推动海水及大气的对）用来推动海水及大气的对流运动，这便是海流能、波浪能、风能的由来。流运动，这便是海流能、波浪能、风能的由来。

10、第三部分（约第三部分（约4 1012 kW ）的太阳能被植物叶子的叶绿素）的太阳能被植物叶子的叶绿素所捕获，成为光合作用的能量来源所捕获，成为光合作用的能量来源 。 1.3 太阳能量的传递和辐射方式太阳能量的传递和辐射方式1.4 太阳能贮存方式太阳能贮存方式（1 1）电能贮存）电能贮存（2 2）热能贮存）热能贮存（3 3）潜热贮存）潜热贮存（4 4）化学贮存）化学贮存（5)5)太阳池贮存太阳池贮存（6 6）氢能贮存）氢能贮存（7 7）机械能贮存）机械能贮存1.5 经度和纬度的确定经度和纬度的确定1.5.1 地球的纬线与纬度地球的纬线与纬度 地轴：地轴：地球自转的轴线，通过地球的南北极和地球中心

11、。地球自转的轴线，通过地球的南北极和地球中心。 赤道：赤道：地球中腰与地球中腰与赤道赤道垂直且与南北极距离相等的大圆垂直且与南北极距离相等的大圆圈。圈。 纬线：纬线：赤道的南北两边若干与赤道平行的圆圈，即纬赤道的南北两边若干与赤道平行的圆圈，即纬圈，构成纬圈的线段，称为纬线。圈，构成纬圈的线段，称为纬线。 纬度：纬度：赤道南、北各有赤道南、北各有90 ，规定赤道为纬度，规定赤道为纬度0 ，分别向，分别向两极排列，南、北极分别为南、北纬两极排列，南、北极分别为南、北纬90 。纬圈越小，纬度。纬圈越小，纬度越高。纬度的高低标志气候的冷热。越高。纬度的高低标志气候的冷热。 030 ，低纬度区；，低纬

12、度区； 3060 ，中纬度区；，中纬度区； 6090 ，高纬度区。，高纬度区。1.5.2 地球的经线与经度地球的经线与经度 经线：经线：南北极间若干南北方向的且与赤道垂直的大圆南北极间若干南北方向的且与赤道垂直的大圆圈，即圈，即“经圈经圈”，构成经圈的线段称为经线，即地面上连构成经圈的线段称为经线，即地面上连接南北极的线，表示南北方向，所有经线长度相等。接南北极的线，表示南北方向，所有经线长度相等。 经度：经度：计算经度（计算经度（0 ）的起始线，通过伦敦格林尼治天文）的起始线，通过伦敦格林尼治天文台原址的经线，规定为台原址的经线，规定为0 经线，即经线，即本初子午线，它是确定地本初子午线，它

13、是确定地球经度和全球时刻的标准参考线。子午线总长度球经度和全球时刻的标准参考线。子午线总长度40008km。1.5.3 二十四节气二十四节气 1.5 经度和纬度的确定经度和纬度的确定1.6.1 太阳常数太阳常数 太阳常数是指在日地平均距离处，地球大气层外（大气太阳常数是指在日地平均距离处，地球大气层外（大气上界）垂直于太阳光线的平面上，单位时间、单位面积内上界）垂直于太阳光线的平面上，单位时间、单位面积内所接受的所有波长的太阳总辐射能量值，它基本上是一个所接受的所有波长的太阳总辐射能量值，它基本上是一个常数，所以这个辐照度称为常数，所以这个辐照度称为太阳常数太阳常数。 太阳常数值被世界气象组织

14、确定为：太阳常数值被世界气象组织确定为：I0（1367 7）W/m2 对于不是垂直照射的情况，到达水平面上的太阳辐射强对于不是垂直照射的情况，到达水平面上的太阳辐射强度与太阳常数之间存在着下面的关系：度与太阳常数之间存在着下面的关系：I= I0sinh （2-11）式中，式中，h为太阳高度角；为太阳高度角； I0为太阳常数；为太阳常数；I为投射到大气上界为投射到大气上界水平面上的太阳辐射强度。水平面上的太阳辐射强度。1.6 太阳常数和太阳光谱太阳常数和太阳光谱 地球绕太阳的运行规律地球绕太阳的运行规律 地球自转：地球绕着通过它本身南极和北极的地球自转：地球绕着通过它本身南极和北极的“地轴地轴”

15、自自西向东转动。每转一周（西向东转动。每转一周（360 ）为一昼夜，一昼夜又分为）为一昼夜，一昼夜又分为24h（实际一个恒星日为（实际一个恒星日为23小时小时56分分4.0905秒），所以地球秒），所以地球每小时自转每小时自转15 。 地球公转：地球绕太阳循地球公转：地球绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道黄道)上运行，称为上运行，称为“公转公转”。其周期为一年，一年为其周期为一年，一年为365天天（实际一个恒星年为（实际一个恒星年为365天天6小时小时6分分9秒）。秒）。1.6 太阳常数和太阳光谱太阳常数和太阳光谱 地球绕太阳的运行规律地球绕太阳的运行规律 地球的自

16、转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾斜成斜成23 27 的夹角（的夹角（黄赤交角黄赤交角），而且地球公转时其自转轴），而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。的方向始终不变，总是指向天球的北极。图图1-4 地球绕太阳运行及其影响地球绕太阳运行及其影响1.6 太阳常数和太阳光谱太阳常数和太阳光谱1.6 太阳常数和太阳光谱太阳常数和太阳光谱太阳的视运动太阳的视运动 地球上人们观察到的太阳运动轨迹，称地球上人们观察到的太阳运动轨迹，称太阳视运动太阳视运动（The sun looks at motion），实质是相对运动。），实质是

17、相对运动。 图图1-5a观察者在南纬或北纬观察者在南纬或北纬35 时所观察到的太阳的视运动时所观察到的太阳的视运动（ 是地球自转平面是地球自转平面(赤道平面赤道平面)与地球围绕太阳公转平面与地球围绕太阳公转平面(黄道平面黄道平面)之间的夹角之间的夹角( 23 2723. 45 ) ） 1.6 太阳常数和太阳光谱太阳常数和太阳光谱1.6 太阳常数和太阳光谱太阳常数和太阳光谱1.6.2 太阳光谱太阳光谱（1 1）太阳光谱的定）太阳光谱的定（2 2）光谱的分类）光谱的分类1.6 太阳常数和太阳光谱太阳常数和太阳光谱太阳辐射光谱太阳辐射光谱太阳发射的电磁辐射能量在太阳发射的电磁辐射能量在大气上界大气上

18、界随波长的分布，称随波长的分布，称为太阳为太阳辐射光谱辐射光谱（能（能谱谱）。太阳以光辐射的形式将能量传）。太阳以光辐射的形式将能量传送到地球表面，但由于地送到地球表面，但由于地球大气层的存在，到达地球大气层的存在，到达地面的太阳光谱与大气上界面的太阳光谱与大气上界的太阳光谱有所不同，其的太阳光谱有所不同，其辐射光谱分布如图辐射光谱分布如图2-9所示。所示。图中阴影部分，表示太阳图中阴影部分，表示太阳辐射被大气所吸收的部分。辐射被大气所吸收的部分。太阳辐射的光谱分布太阳辐射的光谱分布1.6 太阳常数和太阳光谱太阳常数和太阳光谱太阳辐射光谱太阳辐射光谱太阳辐射能量随波长的分布，称为太阳辐射能量随

19、波长的分布，称为太阳光谱太阳光谱（能谱）能谱）。 发射光谱：连续光谱；明线光谱发射光谱：连续光谱；明线光谱 吸收光谱：太阳光谱属于吸收光谱。吸收光谱：太阳光谱属于吸收光谱。 地球上界的太阳辐射光谱：地球上界的太阳辐射光谱：波长波长0.154.0 m的光，的光，99%； 0.40.76 m(可见光可见光)，40.3%； 0.76 m(红外光红外光)，51.4%；最大辐射能量最大辐射能量波长波长，0.475 m.太阳辐射的光谱分布太阳辐射的光谱分布1.6 太阳常数和太阳光谱太阳常数和太阳光谱 1.7.1太阳高度角和方位角定义太阳高度角和方位角定义太阳高度角太阳高度角，太阳中心直射到地面的光线与当地

20、水平面，太阳中心直射到地面的光线与当地水平面间夹角间夹角(h)，表示太阳的高度，日出日落为，表示太阳的高度，日出日落为0 ，正午为，正午为90 。太阳高度角是地面获得太阳能强弱的重要因素。太阳高度太阳高度角是地面获得太阳能强弱的重要因素。太阳高度角随纬度和时间变化，正午太阳高度角角随纬度和时间变化，正午太阳高度角（h）计算公式：计算公式：sinh=sin sin +cos cos cos t式中，式中， 为观测点地理纬度为观测点地理纬度； 为太阳赤纬角；为太阳赤纬角； 为地球自转为地球自转角速度；角速度；t为地方时。为地方时。 可视为常数可视为常数(15 /h)，则有，则有sinh=sin s

21、in +cos cos =cos() 太阳方位角，太阳方位角，太阳光线在地平面上的投影与当地子午线太阳光线在地平面上的投影与当地子午线正南方的夹角正南方的夹角( )，向西为正，向东为负，变化范围，向西为正，向东为负，变化范围 180 ；它表示它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。它表示它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 太阳的太阳的视位置视位置，用太阳的，用太阳的高度角高度角和和方位角方位角表示，如图表示，如图1-9所示。所示。 图图1-9 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 Z-天顶；天顶；n-

22、倾斜面法线；倾斜面法线；S-指向太阳的向量；指向太阳的向量； -倾斜面与水平面的夹角；倾斜面与水平面的夹角； z-天顶角，指向太阳的向量天顶角，指向太阳的向量S与天顶与天顶Z的夹角；的夹角；h-太阳高度角，指向太阳太阳高度角，指向太阳的向量的向量S与地平面的夹角；与地平面的夹角； -太阳方位角，指向太阳的向量太阳方位角，指向太阳的向量S在地面上的在地面上的投影与南北方向线间夹角；投影与南北方向线间夹角； T-指向太阳的向量指向太阳的向量S与倾斜面法线与倾斜面法线n的夹角；的夹角； n-法线法线n在地面上的投影与南北方向线的夹角在地面上的投影与南北方向线的夹角 太阳角的定义太阳角的定义（与地平面

23、呈（与地平面呈 角的一角的一个倾斜面与太阳辐射的个倾斜面与太阳辐射的几何关系）几何关系）1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 太阳的太阳的时角时角 太阳的时角太阳的时角用用 表示，它定义为：在正午时表示，它定义为：在正午时 0，每隔，每隔1小时增小时增15 ，上午为正，下午为负。，上午为正，下午为负。 例如：例如： 上午上午11时，时， +15 ； 上午上午8时，时， 15(12 8)=60 ； 下午下午1时，时， -15 ； 下午下午3时，时， -153-45 。 1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 太阳高度角、方位角、日照时间的计算太阳高度角、方位角、日照时间的计算 太阳

24、赤纬角库珀方程太阳赤纬角库珀方程 太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角赤纬角，以，以 表表示（见图示（见图2-8）。在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但）。在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过不超过 23 27 的范围。夏天最大变化到夏至日的的范围。夏天最大变化到夏至日的+23 27 ，冬天最小变化到冬至日的冬天最小变化到冬至日的 23 27 。 太阳赤纬按库珀太阳赤纬按库珀(Cooper)方程计算方程计算式中，式中，n为一年中从元旦算起的日期序号，如在春分，为一年中从元旦算起的日期序号，如在春分，n=81,则则 =0。 自春分日起的第自春分日起

25、的第d天的太阳赤纬为天的太阳赤纬为365284360sin45.23n3652sin45.23d1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 太阳赤纬角太阳赤纬角 一年中一年中太阳赤纬角的变化规律太阳赤纬角的变化规律1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 （1）太阳高度角）太阳高度角h 太阳中心直射到地面的光线与当地水平面间夹角太阳中心直射到地面的光线与当地水平面间夹角(h)，表，表示太阳的高度。示太阳的高度。在天文学中，太阳高度角的计算公式为在天文学中，太阳高度角的计算公式为sinh=sin sin +cos cos cos （2-3）式中，式中， 为观测点地理纬度；为观测点地理纬度；

26、 为当日观测时刻的太阳赤纬为当日观测时刻的太阳赤纬角；角； 为观测时刻的太阳时角。其中单位均以度（为观测时刻的太阳时角。其中单位均以度（ ）计。）计。 正午时，正午时， 0，cos =1，式（，式（2-3）可简化为）可简化为sinh=sin sin +cos cos =cos()因为因为cos()sin90()，所以，所以，sinh= sin90() （2-4） 1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 （1）太阳高度角）太阳高度角h 正午时，若太阳在天顶以南，即正午时，若太阳在天顶以南，即 ，取，取sin90 ()，从而有从而有 h=90 若太阳在天顶以北，即若太阳在天顶以北，即 ，取，

27、取sin90 ()，从而有，从而有h=90 在南北回归线上，有时正午时太阳正对天顶，则在南北回归线上，有时正午时太阳正对天顶，则 ，从而有从而有h90 。 注意：注意：地理纬度地理纬度 ，北半球取正值，南半球取负值；太阳，北半球取正值，南半球取负值；太阳赤纬角赤纬角 ，太阳位于赤道以北时取正值，位于赤道时，太阳位于赤道以北时取正值，位于赤道时 =0，位于赤道以南时取负值。位于赤道以南时取负值。1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 （1）太阳高度角）太阳高度角h例例1 计算夏至日南回归线上的正午太阳高度角。计算夏至日南回归线上的正午太阳高度角。 解：解：夏至日正午太阳赤纬角夏至日正午太阳

28、赤纬角 =23 27 ； 南回归线纬度南回归线纬度 = 23 27 。 所以太阳高度角为所以太阳高度角为h=90 ()=90 (66 33 0 )=23 27 1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 （2）太阳方位角）太阳方位角 太阳光线在地平面上的投影与当地子午线正南方的夹角太阳光线在地平面上的投影与当地子午线正南方的夹角( )，向西为正，向东为负，变化范围，向西为正，向东为负，变化范围 180 ；它表示它表示它表示它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。太阳的方位，决定太阳光的入射方向。 由图由图2-8的几何关系，太阳方位角计算公式为的几何关系，太阳方位角计算公式为 也可用下式计算也

29、可用下式计算 根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间，利用根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间，利用上面式子上面式子中中任一个可以求出任何地区、任何季节某一时刻任一个可以求出任何地区、任何季节某一时刻的太阳方位角。的太阳方位角。coscoshsinsinsinhcoscoshsincossin1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 （3）日照时间）日照时间 太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角h0，若不考，若不考虑地表面曲率及大气折射的影响，根据式（虑地表面曲率及大气折射的影响，根据式（2-3），可得出），可得出日出日没时角的表达式日出日没时角的表达式cos t

30、an tan 式中，式中， 为日出或日没时角，以度表示；正为日没时角，为日出或日没时角，以度表示；正为日没时角，负为日出时角。负为日出时角。 对于北半球，当对于北半球，当 1 tan tan 1，由式，由式上式上式可得可得 arccos( tan tan ) 因为因为cos = cos( )，所以，所以 出出 ， 没没 。1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 （3）日照时间）日照时间 由由前面式子前面式子可求得任何季节、任何纬度上的昼长。求出可求得任何季节、任何纬度上的昼长。求出时角时角 后，日出日没时间用后，日出日没时间用 求出，一天中可能的求出，一天中可能的日照时间日照时间T（昼长

31、）可由下式给出（昼长）可由下式给出 ht/15)tantanarccos(152T1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 例例2-3 计算上海地区计算上海地区9月月22日中午日中午12时和下午时和下午2时的太阳时的太阳高度角和方位角，以及该地区冬至日的日出日没时角及全高度角和方位角，以及该地区冬至日的日出日没时角及全天日照时间。天日照时间。 解：解：上海地区的纬度上海地区的纬度 31.12 。 9月月22日距春分日的时间日距春分日的时间n265，则当日的赤纬角为，则当日的赤纬角为 正午正午12时的时角时的时角 0 ，下午，下午2时的时角时的时角 15 230 。 中午中午12时的太阳高度

32、角：由于时的太阳高度角：由于 ，则，则h=90 9031.12 ( 0.6 )58.28 6 . 0365265284360sin45.23365284360sin45.23n1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 下午下午2时的太阳高度角：时的太阳高度角： Sinhsin sin +cos cos cos sin31.12 sin( 0.6 )cos31.12 cos( 0.6 )cos30 0.7359 h47.38 下午下午2时的太阳方位角时的太阳方位角由此可得由此可得 47.6 。738. 038.47cos30sin)6 . 0cos(coshsincossin1.7 太阳高度

33、角和方位角太阳高度角和方位角 冬至日的太阳赤纬角冬至日的太阳赤纬角 23.45 ，则，则cos tan tan tan31.12 tan( 23.45 )0.2619因此，上海地区冬至日的日出时角因此，上海地区冬至日的日出时角 出出 74.82 ，日落时，日落时角角 没没74.82 ，全天日照时间，全天日照时间h98. 9h1582.742h152)tantanarccos(152T1.7 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角 到达地球表面上的太阳辐射能到达地球表面上的太阳辐射能 到达地面的太阳辐射一部分以平行光的方式直接到达，到达地面的太阳辐射一部分以平行光的方式直接到达，称为称为直接辐射直

34、接辐射；另一部分是太阳光线经大气散射，投射到；另一部分是太阳光线经大气散射，投射到地面的称为地面的称为散射辐射散射辐射；直接辐射与散射辐射的总和为地球；直接辐射与散射辐射的总和为地球接受到的太阳接受到的太阳总辐射能量总辐射能量。 大气对太阳大气对太阳辐射的影响辐射的影响1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射太阳直接辐射、散射辐射和总辐射 （1）影响地球表面上太阳辐射能的因素）影响地球表面上太阳辐射能的因素 天文因素：日地距离；太阳赤纬角；太阳时角。天文因素：日地距离；太阳赤纬角；太阳时角。 地理因素：地理位置；海拔高度。地理因素：地理位置；海拔高度。 物理因素：大气透明度；接受太阳辐射面的表面

35、物理物理因素：大气透明度；接受太阳辐射面的表面物理化学性质，包括表面涂层性质。化学性质，包括表面涂层性质。 几何因数：接收太阳辐射面的倾斜度和方位角。几何因数：接收太阳辐射面的倾斜度和方位角。 大气对太阳大气对太阳辐射的影响辐射的影响1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射太阳直接辐射、散射辐射和总辐射 （2）大气层对太阳辐射的衰减作用）大气层对太阳辐射的衰减作用大气衰减大气衰减 大气衰减大气衰减在于大气层中的各种气体、水滴、尘埃等杂质在于大气层中的各种气体、水滴、尘埃等杂质对太阳光的作用对太阳光的作用，形成大气层对太阳光线是一种不透明介形成大气层对太阳光线是一种不透明介质，主要质，主要衰减作用

36、衰减作用： 吸收作用；吸收作用； 散射作用；散射作用； 漫反射作用。漫反射作用。 大气衰减与太阳光线大气衰减与太阳光线经过大气的路径长短有经过大气的路径长短有关，路径越长，衰减越关，路径越长，衰减越厉害。厉害。（与太阳高度（与太阳高度相关）相关） 大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影响1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射太阳直接辐射、散射辐射和总辐射 （3）大气质量）大气质量m 为了能够方便地研究太阳辐射受地球大气衰减作用的影为了能够方便地研究太阳辐射受地球大气衰减作用的影响，将太阳辐射通过大气的厚度称为大气质量响，将太阳辐射通过大气的厚度称为大气质量（air-mass，AM），其，其确切

37、确切定义定义是：是：太阳太阳光线通过大气的实际距离光线通过大气的实际距离与与大大气的垂直厚度气的垂直厚度之比，它是一个无量纲的量，用之比，它是一个无量纲的量，用m表示。表示。 大气质量示意图大气质量示意图1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射太阳直接辐射、散射辐射和总辐射 海平面上太阳光线垂直入射（太阳高度角海平面上太阳光线垂直入射（太阳高度角h90 ）时，）时，m=1，记为，记为AM1；大气层上界的大气质量；大气层上界的大气质量m=0（AM0）；）；m=1.5，写成，写成AM1.5，表示太阳，表示太阳光线通过大气的实际距离为光线通过大气的实际距离为大气垂直厚度的大气垂直厚度的1.5倍倍。 大

38、气质量越大，说明太阳光线经过大气的路径越长，受大气质量越大，说明太阳光线经过大气的路径越长，受到的衰减越多，到达到的衰减越多，到达地面的能量就越少地面的能量就越少 。 大气质量计算公式大气质量计算公式 大气质量示意图大气质量示意图sinh1seczAM1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射太阳直接辐射、散射辐射和总辐射h：太阳高度角：太阳高度角z：天顶角天顶角 落在倾斜表面上的辐射落在倾斜表面上的辐射 落在水平面上的直射成分落在水平面上的直射成分S需要转换成在相对水平面倾角需要转换成在相对水平面倾角为为 的斜面上的直射成分的斜面上的直射成分S ，如图所示。，如图所示。 h 90 -南半球纬度，

39、适用于南半球纬度，适用于位于南半球，朝北的太位于南半球，朝北的太阳能组件；阳能组件； h90+ -北半球纬度，适用于北半球纬度，适用于位于北半球，朝南的太位于北半球，朝南的太阳能组件。阳能组件。 光线落在与水平面成光线落在与水平面成 角的斜面上角的斜面上 hsin)hsin(SS1.8 太阳直接辐射、散射辐射和总辐射太阳直接辐射、散射辐射和总辐射1.12 太阳能辐射强度太阳能辐射强度 2.平均日照时数和峰值日照时数平均日照时数和峰值日照时数 日照时间日照时间是指太阳光在一天当中从日出到日落实际的是指太阳光在一天当中从日出到日落实际的照射时间。照射时间。 日照时数日照时数是指在某一地点，一天当中

40、太阳光达到一定是指在某一地点，一天当中太阳光达到一定的辐照度（一般以气象台测定的的辐照度（一般以气象台测定的120W/m2为标准）时开始为标准）时开始记录，直到小于此辐照度时停止记录，期间所经过的小时记录，直到小于此辐照度时停止记录，期间所经过的小时数。日照时数小于日照时间。数。日照时数小于日照时间。 平均日照时数平均日照时数是指某一地点一年或若干年的日照时数是指某一地点一年或若干年的日照时数总和的平均值。例如，某地总和的平均值。例如，某地1985年到年到1995年实际测量的年年实际测量的年平均日照时数是平均日照时数是2053.6h，日平均日照时数就是，日平均日照时数就是5.63h。 1.13 日照时间和日照时数日照时间和日照时数 峰值日照时数峰值日照时数是指将当地的太阳辐射量，折算成标准是指将当地的太阳辐射量，折算成标准测试条件（辐照度测试条件（辐照度1000W/m2）下的时数。）下的时数。 峰值日照时数峰值日照时数=斜面日辐射量斜面日辐射量/3600（h） 1.13 日照时间和日照时数日照时间和日照时数 太阳能辐射量太