太阳能和太阳光谱-课件

Schl.ofOptoelectronicInform.

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太阳光谱

2太阳能资源分布4太阳能利用方式及分类31太阳辐射能的测量与计算33第1章太阳能和太阳光谱1ppt课件Schl.ofOptoelectronicInform1、太阳能利用方式及分类

主要有三种利用方式：“光-热”转换、“光-电”转换、

“光-化学”转换（1）“光-热”转换：是太阳能热利用的基本方式利用太阳能将水（或其它液体溶液）加热，以便利用广泛用于：采暖、制冷、干燥、温室、烹饪、工农业等应用实例：太阳能热水器、太阳能制冷空调系统、太阳能干燥、太阳房、太阳灶、太阳能聚光热转换装置，等。Schl.ofOptoelectronicInform.

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2ppt课件1、太阳能利用方式及分类Schl.ofOptoelect太阳能热水器Schl.ofOptoelectronicInform.

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3ppt课件太阳能热水器Schl.ofOptoelectronic太阳能制冷空调系统Schl.ofOptoelectronicInform.

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4ppt课件太阳能制冷空调系统Schl.ofOptoelectron太阳能干燥Schl.ofOptoelectronicInform.

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5ppt课件太阳能干燥Schl.ofOptoelectronicI太阳房Schl.ofOptoelectronicInform.

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6ppt课件太阳房Schl.ofOptoelectronicInfSchl.ofOptoelectronicInform.

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太阳房7ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太阳灶8ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太阳能聚光热转换装置9ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太阳能聚光热转换装置10ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太阳能聚光热转换装置11ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太阳能聚光热转换装置12ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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13ppt课件Schl.ofOptoelectronicInform（1）“光-热”转换（续）：按照温度高低可分为高温利用：＞800℃；中温利用：200～800℃

低温利用：200℃以下（2）“光-电”转换：太阳能电池及其并网发电，是典型的太阳能“光-电”转换物理基础是“光电效应”可直接利用，也可将电能存储下来有两种利用方式：1）直接光发电：光伏发电、光偶极子发电

2）间接光发电：光热动力、光热离子、热光伏、光热温差、光化间接、光生物Schl.ofOptoelectronicInform.

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14ppt课件（1）“光-热”转换（续）：（2）“光-电”转换：Schl.Schl.ofOptoelectronicInform.

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Solar光电转换装置15ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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16ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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17ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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18ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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19ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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20ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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21ppt课件Schl.ofOptoelectronicInform（3）“光-化学”转换：处于研究开发阶段一个设想是：用半导体材料制成特殊“电极”，太阳能（可能辅以聚光作用）光照下产生有效电能。

产生的电极输出电能，可以：电解水而制氢可以构建电解质储能，如利用Ca(OH)2或金属氢化物热分解储能利用方式：动力应用——热力机-斯特林发电机、光压转轮化学应用——光聚合、光分解生物应用——速生植物、油料植物Schl.ofOptoelectronicInform.

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22ppt课件（3）“光-化学”转换：Schl.ofOptoelect2、太阳光谱

万物生长靠太阳！太阳对地球来说，是唯一永恒的能源！太阳结构、太阳活动规律、太阳辐射性质、太阳与地球相对运动规律、地球表面太阳辐射特点等，我们了解多少？2.1太阳的结构和辐射能来源太阳的结构至今还远远没有弄清楚！地球上已发现的109种元素，17种为人造元素，其余92种太阳里都有！太阳是距离地球最近的一颗恒星，日地距离1.49597892×108km；太阳直径是地球的109倍，体积比地球大130多万倍；太阳内部密度160g/cm3，日心引力比地心引力大29倍左右。Schl.ofOptoelectronicInform.

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23ppt课件2、太阳光谱Schl.ofOptoelectronicSchl.ofOptoelectronicInform.

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24ppt课件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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25ppt课件Schl.ofOptoelectronicInform2.1太阳的结构和辐射能来源（续）一般认为：太阳是处于高温高压下的一个大火球Schl.ofOptoelectronicInform.

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26ppt课件2.1太阳的结构和辐射能来源（续）Schl.ofOpt2.1太阳的结构和辐射能来源（续）2.1.1太阳结构（依据上图）（1）太阳核热核反应区，半径0.2Rd

温度高达数千万度，压强高达数亿个大气压，物质以离子态存在以对流和辐射的形式向外释放伽马射线（2）吸收层（辐射层）厚度约0.6Rd，温度约70×104℃，压强数十万个大气压对伽马射线的吸收、再发射，实现能量传递，是一个漫长的过程（一个光子脱离太阳可能需要1000年的时间）高能伽马射线经过X射线、极紫外线、紫外线，逐渐变为可见光和其它形式的辐射——

太阳是地球生植物可见天体！Schl.ofOptoelectronicInform.

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27ppt课件2.1太阳的结构和辐射能来源（续）Schl.ofOpt（3）对流层吸收层外至1倍太阳直径的范围内温度、压力和密度变化梯度很大，物质处于剧烈上下对流状态对流产生的低频声波，可通过光球层传输到太阳的外层大气（4）光球层厚度约为500km

表面温度接近6000℃，这是太阳的平均有效温度光球内温度梯度较大，大气透明度有限，有临边昏暗现象几乎全部可见光从光球层发射出去存在太阳黑子现象，具有强磁场的低温漩涡（4000℃），对地球气候和生态影响较大光球面上的热气团产生于对流层，时隐时现Schl.ofOptoelectronicInform.

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28ppt课件（3）对流层Schl.ofOptoelectronic（5）色球层光球层以外，厚度2000km，几乎透明，全日食能看见，或使用专门滤光镜观察温度从底层的数千度上升到顶部的数万度玫瑰红色舌状气体叫日珥，可高于光球几十万公里；也有针状的高温等离子小日珥，高达9000km，宽约1000km，平均寿命5min

色球与日冕之间发生的剧烈爆发，称为耀斑，此时从射电波段到辐射通量会突然增强，高能粒子和等离子喷发，对地球空间环境产生很大影响（6）日冕色球外是伸入太空的银白色日冕由各种微粒构成：太阳尘埃质点、电离粒子和电子温度高达100多万度日冕有时伸入太空几万公里，形成太阳风，打击到地球大气层，产生磁暴或极光，影响地球磁场和通讯Schl.ofOptoelectronicInform.

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29ppt课件（5）色球层Schl.ofOptoelectronic2.1.2太阳辐射能来源来源于高温高压下进行的热核聚变反应：

“碳-氮循环”、“质子-质子循环”（1）碳-氮循环

整个过程中，12C并未消耗，只起触媒作用，而N,O等是中间产物。最终结果是4个氢核聚变变成1个氦核。Schl.ofOptoelectronicInform.

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30ppt课件2.1.2太阳辐射能来源整个过程中，12C

式中，是重氢（氘，氢的同位素）整个过程中，2D并未消耗，只起触媒作用。最终结果也是4个氢核聚变变成1个氦核。（2）质子-质子循环

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31ppt课件式中，是重氢（氘，氢的同位（3）核聚变反应能量损耗计算

氢核的质量：1.672×10-24g

氦核的质量：6.644×10-24g

反应的质量损失：△m=(4×1.672-6.644)×10-24g=0.044×10-24g

爱因斯坦质量定律：E=mc2

计算表明：1g氢质量，可转换为9×1013J能量热核反应中，质量损耗0.7%

所以：1g氢原子在反应中产生6.3×1011J能量可以计算得出：太阳上的氢含量足够维持800亿年的辐射损耗。（地球的地质年龄约为40亿年）Schl.ofOptoelectronicInform.

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32ppt课件（3）核聚变反应能量损耗计算Schl.ofOptoele2.2日地运动规律2.2.1地球绕太阳运动椭圆轨道称为黄道，面内长轴152×106km，短轴147×106kmSchl.ofOptoelectronicInform.

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33ppt课件2.2日地运动规律Schl.ofOptoelectro日地运动及季节变换（1）赤黄交角地轴与黄道平面的夹角，23.45°（2）角速度地轴相对太阳的转速不一样，对北半球：夏天快、冬天慢；对南半球：夏天慢、冬天快。（3）南北回归线与夏至、冬至日北半球夏至日（6月21日）时，南半球恰好为冬至日：太阳直射北纬

23.45°的天顶，因而称23.45°N纬度圈为北回归线。北半球冬至日（12月22日）时，南半球恰好为夏至日：太阳直射南纬

23.45°，因而称南纬23.45°S纬度圈为南回归线。（4）春分与秋分日

3月21日春分，9月23日秋分。这两天太阳恰好直射地球的赤道平面。Schl.ofOptoelectronicInform.

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34ppt课件日地运动及季节变换Schl.ofOptoelectron2.2.2赤纬角的变化纬度：与赤道平面平行的平面与地球的交线。经度：地球上某一点与两级点连线与0度经线所在平面的夹角。

0°经线（本初子午线）：英国伦敦近郊格林尼治天文台原址所在经线位置。赤纬角：太阳中心和地心连线与赤道平面的夹角δ

式中：（从春分到夏至），从春分开始计算的天数（从夏至到秋分），从夏至开始计算的天数（从秋分到冬至），从秋分开始计算的天数（从冬至到春分），从冬至开始计算的天数

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35ppt课件2.2.2赤纬角的变化Schl.ofOptoel2.2.3太阳视运动在地平坐标系中，赤道上的春分、秋分日，太阳从正东地平面升起，经过天顶轴，从正西地平线下落。在北半球，春、秋分日及冬、夏至日（二分二至日），太阳有特定的运动轨迹。Schl.ofOptoelectronicInform.

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36ppt课件2.2.3太阳视运动Schl.ofOptoelectr2.2.4太阳在地平坐标系中的角度关系2.2.5太阳在赤道平面系中的角度关系Schl.ofOptoelectronicInform.

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37ppt课件2.2.4太阳在地平坐标系中的角度关系Schl.ofO2.2.6余弦定律

任意倾斜面的辐照度同该表面法线与入射线方向之间夹角的余弦成正比。这一定律在计算到达地面的太阳辐射能时，有重要作用。2.3太阳的电磁波谱太阳光由不同能量的光子组成太阳光同时也是具有不同频率和波数的电磁波Schl.ofOptoelectronicInform.

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38ppt课件2.2.6余弦定律2.3太阳的电磁波谱Schl.ofSchl.ofOptoelectronicInform.

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39ppt课件Schl.ofOptoelectronicInform2.4地球表面上的太阳辐射能太阳是以光辐射的方式将能量输送到地球表面的，必须经过大气层太阳辐射通过大气层时被吸收、散射或反射，辐射强度减弱到达地面的太阳光谱与大气层外的太阳光谱不同通常用大气质量（AM）来表达上述情况2.4.1太阳常数

大气质量为零（AM0）的定义：在地球大气层之外，地球-太阳平均距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上的辐射能基本为一常数，这个辐射强度称为太阳常数，或称此辐射为大气质量为零（AM0）的辐射。Schl.ofOptoelectronicInform.

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40ppt课件2.4地球表面上的太阳辐射能2.4.1太阳常数Schl.

太阳常数精确测量的困难：（1）测量工作受到辐射测量准确度的制约，极限仅有10-3；（2）辐射基准在20世纪就经历了2次变动，标尺本身具有不确定性；（3）太阳常数不是理论推导的结果，是具有严格物理内涵的常数。由于太阳运动的不确定性，因而太阳辐射也具有不确定性；（4）测量位置的不确定性：宇航器上？高山上？飞机上？气球上？火箭上？大气实际干扰程度不同。需要“订正”方法和统一“认识”；（5）大气层外，真空低温环境中，微小变化会影响数据准确性；（6）目前，光伏技术采用太阳常数1.353kW/m2，这个数值是由装在气球、高空飞机和宇航飞船上的仪器，“加权平均”的结果。Schl.ofOptoelectronicInform.

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41ppt课件太阳常数精确测量的困难：Schl.ofOp2.4.2地球表面的阳光强度阳光穿过地球大气层，至少衰减了30%，主要原因是：（1）瑞利散射或大气分子散射，对所有波长都有衰减，对短波衰减最大（2）悬浮微粒和灰尘的散射（3）大气不同气体分子的吸收（4）除了大气直接辐射外，由于大气散射还存在间接辐射或散射辐射10～20%太阳与天顶轴重合时路程最短，只通过一个大气层厚度；太阳光线实际路程与最短路程之比，称“光学大气质量”光学大气质量为1（m=1）时，称AM1辐射大气质量AM1.5的定义（入射角α=48°）：总功率密度为1kW/m2（100mW/cm2）

地球表面接收到的功率密度的最大值。Schl.ofOptoelectronicInform.

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42ppt课件2.4.2地球表面的阳光强度Schl.ofOptoel2.5太阳光谱太阳辐射在大气层外随波长的分布，叫“太阳光谱”

“太阳光谱”是卫星电源系统、宇航器热环境最佳设计及材料选择的重要依据太阳辐射的波长范围包括0.1nm以下宇宙射线到无线电波电磁波谱的绝大部分Schl.ofOptoelectronicInform.

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43ppt课件2.5太阳光谱Schl.ofOptoelectroni

AM1.5

的能量光谱被国际上普遍采用，作为地球表面测量太阳电池效率的

“标准光谱”（图2.11）对上述光谱积分，在无云的太空下，相对于太阳法向方向表面的能量电流密度定义为（比AM1光谱稍微大一点）：

jE,AM1.5=1.0kW/m2Schl.ofOptoelectronicInform.

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44ppt课件Schl.ofOptoelectronicInform3、太阳辐射能的测量与计算

3.1太阳辐射能的测量光伏系统设计时，安装地的日照情况数据至关重要！数据的获取要使用到各种测量仪表。直接辐射和散射辐射数据、环境温度、风速和风向；影响日照的因素：纬度、高度、气候类型、主要植被、当地地理特征；经常使用的数据是：当地水平面上总辐射的日平均值。Schl.ofOptoelectronicInform.

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45ppt课件3、太阳辐射能的测量与计算Schl.ofOptoele

辐射能测量仪表主要类型：天空辐射计：又称太阳表，记录在全天空2°视场内投射到水平面上的全波段辐射，必须远离高的物体；散射辐射计：在天空辐射计上用特制圆盘或遮日环档去太阳直接辐射，可直接测量散射辐射；棒移式总辐射计：标准天空辐射计与影环式辐射计的结合，用棒的阴影每隔几秒经过传感器，遮挡直接辐射，引起记录值下降，可测量直接辐射及散射辐射与时间的关系；直接辐射计：视场很小6°，连续跟踪太阳，测量直接辐射；日照时数计（日长计）：测量太阳辐射延续时间，用透镜聚焦烧穿纸记录日照时间。Schl.ofOptoelectronicInform.

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46ppt课件辐射能测量仪表主要类型：Schl.ofOptoele3.2太阳辐射能的计算各地太阳能资源不一样，需要利用实测值作为计算的依据；计算太阳辐射能的方法很多，有的十分复杂；借助计算机，可以很快得出到达任意倾面的太阳辐射：利用球面三角公式，可求出每天日出日落时间、任意时刻太阳高度角、方位角；将到达水平面上的太阳辐射能分为直接辐射和散射辐射二部分；将任意到达倾斜面的太阳辐射分成直接辐射、散射辐射和地面反射。Schl.ofOptoelectronicInform.

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47ppt课件3.2太阳辐射能的计算Schl.ofOptoelect（1）太阳高度角的定义和计算定义：太阳高度角（h）为太阳光线与地表水平面之间的夹角（0°≤h≤90°）式中：为观测点纬度，为赤纬角，是时角。的含义是太阳直射点纬度（直射线与赤道平面之间的夹角）是用角度表示的时间，每15°为一小时。正午：=0；上午：＞0；下午：＜0。正午时刻h的计算公式：Schl.ofOptoelectronicInform.

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48ppt课件（1）太阳高度角的定义和计算Schl.ofOptoele（2）太阳方位角的定义和计算定义：太阳方位角（A）为太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的

夹角

式中，正南：A=0

正南以西：A＞0

正南以东：A＜0

日出日没时（h=0）：北半球A的季节变化：除北极外，一年中只有春分日和秋分日，日出正东日；夏半年内，日出东偏北方向，日没西偏北方向，且越近夏至日，日出日没方位越偏北；冬半年内，日出东偏南方向，日没西偏南方向，且越近冬至日，日出日没方位越偏南。Schl.ofOptoelectronicInform.

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49ppt课件（2）太阳方位角的定义和计算Schl.ofOptoele（3）水平面上太阳辐射能的计算

水平面上太阳辐射能为水平面上直射辐射和散射辐射之和，即：

（4）到达倾斜面上太阳辐射能的计算图中：β为倾角

θ为太阳光线与倾斜面法向的夹角

α是倾斜面法向在水平面的投影与子午线的夹角Schl.ofOptoelectronicInform.

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50ppt课件（3）水平面上太阳Schl.ofOptoelectron倾斜面上接收到的太阳辐射总量由直接辐射量、天空散射量及地面反射量三部分组成。根据Hay模型：

式中，是倾斜面上直接辐射量与水平面上直接辐射量的比值：Schl.ofOptoelectronicInform.

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51ppt课件倾斜面上接收到的太阳辐射总量由直接辐射量其中：当时：当时：当时：所以，Schl.ofOptoelectron