太阳能转化原理与技术课件 第1-4章 太阳能转换原理与技术-光伏理化基础及光伏发电原理

太阳能转换原理与技术课程简介（1）设立原因：随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，提升包括太阳能在内的新能源利用比例已成为国家能源转型的必然趋势；（2）课程内容：太阳能的多种转换原理及其典型应用技术。（3）课程性质：新能源科学与工程专业的专业核心课；能源动力类其他专业的常规课程。课程定位前置课程：热工基础、普通化学、新能源材料等专业基础课后续理论课程：光伏器件与设备、新能源电力电子等专业课后续实践课程：太阳能热利用课程设计，太阳能光伏电站设计，新能源测试与分析实训、新能源仿真、毕业实习等课程设计及实训太阳能转换原理与技术

学分：3.0总学时：48

讲课学时：46实验学时：2

考核方式：30%平时成绩+10%实验成绩+60%考试成绩

授课方式：课堂讲授+研讨+翻转课堂

平时成绩：考勤、课堂表现、作业

考试方式：四种以上题型（选择、判断改错、简答、名词解释、计算、填图等题目）

后续核心课程：太阳能的相关课程设计/太阳能的分析测试（实践课）→光伏系统/器件（专选课）→毕业设计→毕业课程概况参考教材《太阳能转换原理与技术》，吴俊杰，李超编，机械工业出版社，2026。参考书：《太阳能》，肖刚主编，中国电力出版社《太阳能热发电站设计（第2版）》，王志峰主编，化学工业出版社《太阳能热利用技术》，邵里堂主编，化学工业出版社《半导体物理（第8版）》，刘恩科主编，电子工业出版社参考教材这三张图片的共同点是什么？太阳能光伏发电技术太阳能→电能这三张图片的共同点是什么？太阳能热利用（1）太阳能→热能（2）太阳能→热能→机械能→电能知识体系与教学内容主线：太阳能的能量转化路径太阳能电能太阳能光伏发电太阳能热能太阳能中低温热利用太阳能热能电能太阳能光热发电太阳能热能/电能氢能太阳能制氢太阳能光能太阳能光导光纤照明知识体系与教学内容章节设计章节主要内容第1章绪论能源概况、太阳能的特点及主要转换利用途径知识体系与教学内容知识逻辑：原理→技术原理技术太阳能光伏发电太阳能光热发电太阳能中低温热利用太阳能量来源日地天文关系太阳辐射知识体系与教学内容章节设计章节主要内容第1章绪论能源概况、太阳能的特点及主要转换利用途径第2章太阳概况及日地关系太阳能量来源、太阳的时空位置第3章太阳辐射太阳辐射在大气中的衰减与聚集，透明或半透明体对太阳辐射能的吸收、反射和透射，太阳能聚光设计知识体系与教学内容知识逻辑：原理→技术原理技术太阳能光伏发电太阳能光热发电太阳能中低温热利用太阳能量来源日地天文关系太阳辐射光伏理化基础及光伏发电原理知识体系与教学内容章节设计章节主要内容第1章绪论能源概况、太阳能的特点及主要转换利用途径第2章太阳概况及日地关系太阳能量来源、太阳的时空位置第3章太阳辐射太阳辐射在大气中的衰减与聚集，透明或半透明体对太阳辐射能的吸收、反射和透射，太阳能聚光设计第4章光伏理化基础及发电原理光伏理化基础、PN结、光伏发电原理和光伏电池性能知识体系与教学内容知识逻辑：原理→技术原理技术太阳能光伏发电太阳能光热发电太阳能中低温热利用太阳能量来源日地天文关系太阳辐射光伏理化基础及光伏发电原理太阳能发电系统及关键设备知识体系与教学内容章节设计章节主要内容第1章绪论能源概况、太阳能的特点及主要转换利用途径第2章太阳概况及日地关系太阳能量来源、太阳的时空位置第3章太阳辐射太阳辐射在大气中的衰减与聚集，透明或半透明体对太阳辐射能的吸收、反射和透射，太阳能聚光设计第4章光伏理化基础及发电原理光伏理化基础、PN结、光伏发电原理和光伏电池性能第5章光伏发电系统光伏发电系统的分类、光伏电池阵列、储能设备、光伏逆变器、光伏控制器知识体系与教学内容知识逻辑：原理→技术原理技术太阳能光伏发电太阳能光热发电太阳能中低温热利用太阳能量来源日地天文关系太阳辐射光伏理化基础及光伏发电原理太阳能发电系统及关键设备太阳能集热器知识体系与教学内容章节设计章节主要内容第1章绪论能源概况、太阳能的特点及主要转换利用途径第2章太阳概况及日地关系太阳能量来源、太阳的时空位置第3章太阳辐射太阳辐射在大气中的衰减与聚集，透明或半透明体对太阳辐射能的吸收、反射和透射，太阳能聚光设计第4章光伏理化基础及发电原理光伏理化基础、PN结、光伏发电原理和光伏电池性能第5章光伏发电系统光伏发电系统的分类、光伏电池阵列、储能设备、光伏逆变器、光伏控制器第6章太阳能集热器平板型太阳能集热器、太阳能空气集热器、真空管太阳能集热器、槽式太阳集热器知识体系与教学内容知识逻辑：原理→技术原理技术太阳能光伏发电太阳能光热发电太阳能中低温热利用太阳能量来源日地天文关系太阳辐射光伏理化基础及光伏发电原理太阳能发电系统及关键设备太阳能集热器热功转化与储热原理太阳能热发电系统知识体系与教学内容章节设计章节主要内容第1章绪论能源概况、太阳能的特点及主要转换利用途径第2章太阳概况及日地关系太阳能量来源、太阳的时空位置第3章太阳辐射太阳辐射在大气中的衰减与聚集，透明或半透明体对太阳辐射能的吸收、反射和透射，太阳能聚光设计第4章光伏理化基础及发电原理光伏理化基础、PN结、光伏发电原理和光伏电池性能第5章光伏发电系统光伏发电系统的分类、光伏电池阵列、储能设备、光伏逆变器、光伏控制器第6章太阳能集热器平板型太阳能集热器、太阳能空气集热器、真空管太阳能集热器、槽式太阳集热器第7章太阳能热发电原理与技术热功转换原理，储热原理，槽式、线性菲涅尔式和塔式太阳能热发电技术第8章太阳能中低温热利用技术太阳能热水器、太阳能制冷、太阳能干燥、太阳能海水淡化所涉及的原理及技术知识体系与教学内容贯穿全书的思政主线国家战略引领：贯穿“双碳目标”“能源转型”“能源法”等国家政策，强化学生对国家战略的认同。科学精神与创新文化：通过科学史、科学家故事、技术突破案例，弘扬求真务实、勇于创新的科学精神。工程伦理与社会责任：在技术细节中融入安全、环保、节能、惠民等价值导向，培养负责任的工程人才。国际视野与文化自信：结合中国在太阳能领域的国际地位与“一带一路”实践，增强学生的国际视野与文化自信。知识体系与教学内容各章节思政元素章节思政元素第1章绪论“双碳”目标、能源可持续、专业认同第2章太阳概况及日地关系科学探索精神、传统文化、严谨求实第3章太阳辐射理实结合第4章光伏理化基础及发电原理科学探索精神第5章光伏发电系统“双碳”目标、“一带一路”、科技扶贫、乡村振兴第6章太阳能集热器技术创新、系统优化思维第7章太阳能热发电原理与技术自立自强、“一带一路”第8章太阳能中低温热利用技术科技服务民生、标准化与规范化意识课程目标掌握太阳能转化的基础理论与关键技术体系理解太阳能资源的特点、分布及日地天文关系，掌握太阳高度角、方位角、入射角等核心参数的计算方法；掌握太阳辐射在大气中的传播、衰减规律及测量方法，理解直射辐射、散射辐射、总辐射等概念及其关系。系统理解光伏发电的理化基础与器件原理掌握半导体物理基础（能带理论、载流子、pn结、光生伏特效应等），理解光伏电池的工作原理、伏安特性及效率影响因素；掌握光伏发电系统的组成（光伏阵列、逆变器、储能设备、控制器等）及其关键技术。系统理解光热发电与中低温热利用的技术原理掌握各类太阳能集热器（平板型、真空管型、槽式等）的结构、热力学模型与效率分析方法；掌握太阳能热发电系统的热功转化原理（朗肯循环、布雷顿循环等）、储热技术（显热、潜热、热化学储热）及其集成方式；掌握太阳能热水系统、制冷、干燥、海水淡化等中低温热利用技术的原理与热力学建模方法。知识目标课程目标计算与分析能力能够独立计算任意时间、任意地点的太阳位置参数（高度角、方位角、入射角等）。能够对太阳能集热器、光伏组件进行热效率、光电转化效率、能量平衡等方面的定量计算。能够分析影响系统效率的关键因素（如温度、入射角、聚光比等）。系统设计与工程建模能力能够对太阳能光伏系统（离网/并网）进行关键参数设计与选型（如组件串联并联、逆变器选型、储能配置等）。能够对太阳能热利用系统（热水系统、干燥系统等）进行集热面积、储水箱容积、前后排间距等关键参数的设计计算。能够建立集热器、吸热器、储热系统的热力学模型，进行稳态/准稳态性能分析。工程软件与工具应用能力能够运用编程工具进行太阳位置计算、透射率计算、热损失迭代求解等。具备阅读和应用国家标准（GB/T）进行工程设计与评估的能力。跨学科综合优化与创新能力能够在系统设计中综合考虑经济、可靠、环保等约束，提出优化方案。能够结合新型储能、聚光、热功转换等前沿方向，提出创新性技术思路。能力目标课程目标家国情怀与战略意识深刻理解“双碳”目标、能源转型、能源安全等国家战略的重大意义，增强服务国家能源事业的责任感；认识我国在光伏、光热等领域的全球领先地位及“一带一路”能源合作的贡献，增强民族自豪感与制度自信。系统设计与工程建模能力科学精神与创新品质通过科学史、科学家故事、技术突破案例，弘扬求真务实、勇于创新的科学精神。鼓励学生在技术分析中独立思考、敢于质疑、追求创新。工程伦理与社会责任感能够在系统设计中综合考虑经济、可靠、环保等约束，提出优化方案。能够结合新型储能、聚光、热功转换等前沿方向，提出创新性技术思路。终身学习与可持续发展观认识到能源技术快速迭代的时代特征，培养持续学习、跟踪前沿的自我发展能力；牢固树立资源节约、环境友好、绿色低碳的可持续发展理念。素质目标课程考核1.1能源概况1.2太阳能概况第一章绪论1.1能源的分类能源：自然界中可以直接或通过转换提供某种形式能量的资源常见的能量形式有辐射能、热能、机械能、电能、化学能、核能等常见的能源有化石能源（如煤、石油、天然气）、水能、太阳能、风能、核能、生物质能、潮汐能、地热能和氢能等。1.1能源的分类太阳能有狭义和广义之分：狭义的太阳能：又称为太阳辐射能，指太阳以电磁辐射形式向宇宙空间发射的能量广义的太阳能：不仅包含狭义的太阳能，还包含来源于太阳能并经过各种方式转换形成的其他能源，（如风能、水能、海洋能、生物质能、化石能源）如无特殊说明，本课程所指的太阳能均为狭义的太阳能（太阳辐射能）1.1能源的分类（1）按能源的形成或来源分类(i)来自地球以外天体的能源：广义太阳能和宇宙射线(ii)地球本身蕴藏的能量：地热能和核能(iii)地球与其他天体互相作用产生的能源：月地引力而产生的潮汐能。→太阳能属于来自地球以外天体的能源（2）按能源的获得方式分类(i)一次能源：自然界中存在且、未经过加工或转换的能源

-不可再生能源：不能连续再生、短期内无法恢复且可被用尽短时间内（如化石能源、核燃料铀）-可再生能源：相当长的时间范围内，自然界可连续再生并有规律地得到补充（如太阳能、风能、生物质能、水能、海洋能和地热能）1.1能源的分类（2）按能源的获得方式分类(ii)二次能源：一次能源经过一定加工并转换为符合使用条件的能源（如汽油、柴油和重油等各类石油制品，还包括电力、煤气、氢气和人工沼气等）→太阳能属于一次能源中的可再生能源1.1能源的分类（3）按利用技术的成熟度分类(i)传统能源：指大规模生产和广泛利用的、技术比较成熟的能源(ii)新能源。正在研究和开发，尚未大规模应用的能源。在不同的历史时期，新能源的内涵会有所不同。常见的新能源包括太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能、氢能等。1.1能源的分类（4）按利用过程对环境的影响分类(i)清洁能源：使用过程对环境没有污染或污染小的能源(ii)非清洁能源：使用过程对环境污染大的能源→太阳能属于清洁能源1.1能源的分类1.2能源与人类文明（1）薪柴时期：从发现和利用火开始到18世纪中叶可推测，早在170万年前，元谋人已掌握了火的使用该时期，人类的能源消费以薪柴为主，辅以畜力以及简单的水力和风力机械。这一时期，能源的使用以可再生能源为主，能量密度低生产力低下。1.2能源与人类文明（2）煤炭时期：从18世纪中叶到20世纪初1769年，英国人瓦特改良了蒸汽机，标志着第一次工业革命的到来，也开启了人类利用能源的煤炭阶段。这一阶段，煤炭逐渐取代薪柴成为主要能源，蒸汽机成为生产的主要动力，工业得到了迅速发展，劳动生产效率有了很大的提高。19世纪末，电能逐渐进入社会各个领域，煤炭依然是电能产生的主要能源，电动机逐渐取代了蒸汽机，电灯逐渐取代了油灯和蜡烛。1.2能源与人类文明（3）油气阶段：20世纪初至今20世纪20年代，石油和天然气的消费量逐渐上升。20世纪50年代，石油勘探、开采和冶炼技术的提高以及世界多地巨大油气田资源的相继发现促使各种成品油的价格下降并保证了其供应。人类的能源消费结构逐渐由以煤炭为主转变为以石油和天然气为主。1.2能源与人类文明石油和天然气仍占主导地位全球石油和天然气占全部一次能源消费量的55.0%煤炭在我国一次能源消费量的占比相对较高2020年全球部分能源消费国一次能源消费量占比分布2022年08月，我国南方遭遇极端高温天气，图片为某营业中的商场关闭不必要的照明以节省电能欧洲能源危机（荷兰TTF天然气价格）1.3能源与环境环境污染：由于人类活动影响而改变环境原有性质或状态的现象环境污染对全球生态系统产生破坏性作用，直接或间接威胁人类的生存发展。大气污染是指大气中一些物质的含量达到有害程度，以至于破坏生态系统，影响人类正常生存和发展，对人或物造成危害的现象。大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气并对人和环境产生有害影响的物质。包括气溶胶状态污染物（如烟尘、雾霾等）和气态状态污染物（如硫氧化物、氮氧化物）。化石燃烧是大气污染物的主要来源减少污染物排放是防治大气污染的有效措施1.3能源与环境温室效应：大气能使太阳短波辐射到达地面，但地标受热后向外放出的大量长波热辐射却被大气中的温室气体吸收，这样就使得地标与低层大气温度升高，从而使大气变暖主要温室气体：二氧化碳等温室效应的利用：温室大棚、太阳能集热器的玻璃盖板危害：全球变暖，极地冰雪融化，海水升温膨胀，将淹没全球大多数沿海地区，气候变化。1.3能源与环境二氧化碳与全球变暖2021年诺贝尔物理学奖的一半授予真锅淑郎（SyukuroManabe）和克劳斯·哈塞尔曼（KlausHasselmann），表彰他们“对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的贡献。真锅：二氧化碳浓度如何导致气温上升；当二氧化碳浓度翻一倍时，全球气温会上升2℃以上。哈塞尔曼：证明了人类对气候影响的痕迹臭氧浓度垂直分布臭氧层的作用：（1）吸收90%以上紫外线；（2）将紫外线转化为热能加热大气，形成平流层。臭氧层最大浓度（0.0015%）出现在30-35km；水平分布也不均匀，在世界三极地区，即南极、北极和青藏高原由于气候寒冷，臭氧层更加稀薄；臭氧层厚度：3mm。1.3能源与环境1970年，荷兰科学家保罗·克鲁岑发现NOx能够催化臭氧分别并破坏臭氧层。1974年，墨西哥科学家马里奥·J·莫利纳（MarioJ.Molina）和美国科学家弗兰克·舍伍德·罗兰（FrankSherwoodRowland）发表论文，指出氯氟烃（CFCs）会破坏臭氧层1995年诺贝尔化学奖授予上述三位科学家，以表彰他们揭示了臭氧层破坏的化学机制，阐明了人类活动对臭氧层的影响。1.3能源与环境1985年，英国科学家约瑟夫·法曼（JosephFarman）及其团队在南极上空观测到臭氧空洞，震惊科学界臭氧层破坏的主因是人类排放的氟氯烃等物质，上述物质曾经广泛用于冰箱、空调、灭火器、喷雾剂和化工生产中。1.3能源与环境南极上空的臭氧空洞1987年，各国签署了《蒙特利尔议定书》，逐步淘汰消耗臭氧层物质的化学品。2016年，《蒙特利尔议定书》缔约方达成《基加利修正案》，决定对导致全球变暖的强效温室气体氢氟碳化物（HFCs）实施管控和削减。现状：臭氧层破坏的问题已得到控制，南极上空的臭氧空洞正逐步减小，但是，保护臭氧层的任务依然任重而道远。酸雨是指pH值低于5.6的雨、雪或其他形式的降水，是由于降水在形成过程中溶解了二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等物质而形成的酸性降水。酸雨的危害：土壤酸化、植物生长受阻及森林退化；湖泊和河流酸化，影响鱼类的繁殖和生长，甚至导致物种灭绝；腐蚀建筑物表面，加速文物古迹的损坏；酸雨中的酸性物质也会影响人类的身体健康。1.3能源与环境环境中的二氧化硫主要源于煤炭、石油等化石燃料的燃烧，还包括金属冶炼、化工生产、水泥生产、造纸以及其他含硫原料的工业生产。其中，煤炭与石油燃烧过程的二氧化硫排放量最大，约占人为排放量的90%。环境中人为排放的氮氧化物主要来源于含氮燃料在高温下的燃烧。控制酸雨的根本途径为减少二氧化硫和氮氧化物的排放。如对烟气进行脱硫脱硝，使用清洁能源取代燃煤和石油的使用。1.3能源与环境国家战略——碳达峰、碳中和中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有利的政策和措施，力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。——2020年09月，第七十五届联合国大会中国到2030年，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上。——2020年12月，联合国大会气候雄心峰会要把促进新能源和清洁能源发展放在更加突出的位置，积极有序发展光资源、硅资源、氢能源、可再生能源。——2022年01月，中共中央政治局第三十六次集体学习国家战略——碳达峰、碳中和中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要国家战略——碳达峰、碳中和第四节积极应对气候变化落实2030年应对气候变化国家自主贡献目标，制定2030年前碳排放达峰行动方案。完善能源消费总量和强度双控制度，重点控制化石能源消费。实施以碳强度控制为主、碳排放总量控制为辅的制度，支持有条件的地方和重点行业、重点企业率先达到碳排放峰值。推动能源清洁低碳安全高效利用，深入推进工业、建筑、交通等领域低碳转型。加大甲烷、氢氟碳化物、全氟化碳等其他温室气体控制力度。提升生态系统碳汇能力。锚定努力争取2060年前实现碳中和，采取更加有力的政策和措施。加强全球气候变暖对我国承受力脆弱地区影响的观测和评估，提升城乡建设、农业生产、基础设施适应气候变化能力。加强青藏高原综合科学考察研究。坚持公平、共同但有区别的责任及各自能力原则，建设性参与和引领应对气候变化国际合作，推动落实联合国气候变化框架公约及其巴黎协定，积极开展气候变化南南合作。中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要国家战略——碳达峰、碳中和教育部关于印发《高等学校碳中和科技创新行动计划》的通知国家战略——碳达峰、碳中和教育部关于印发《高等学校碳中和科技创新行动计划》的通知1.碳中和人才培养提质行动推进碳中和未来技术学院和示范性能源学院建设，布局一批适应未来技术研究所需的科教资源和数字化资源平台，打造引领未来科技发展和有效培养复合型、创新型人才的教学科研高地。加大在新工科建设中的支持力度，鼓励高校与科研院所、骨干企业联合设立碳中和专业技术人才培养项目，协同培养各领域各行业高层次碳中和创新人才。加强与人工智能、互联网、量子科技等前沿方向深度融合，推动碳中和相关交叉学科与专业建设。加快与哲学、经济学、管理学、社会学等学科融通发展，培养碳核算、碳交易、国际气候变化谈判等专业人才。加快制定碳中和领域人才培养方案，建设一批国家级碳中和相关一流本科专业，加强能源碳中和、资源碳中和、信息碳中和等相关教材建设，鼓励高校开设碳中和通识课程，将碳中和理念与实践融入人才培养体系。国家战略——碳达峰、碳中和教育部关于印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》的通知国家战略——碳达峰、碳中和教育部关于印发《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》的通知——科学研判、缓急有序。加强重点产业人才需求预测，结合新时代人才成长规律、教育教学规律、科技创新规律，加快新能源、储能、氢能和碳捕集等紧缺人才培养，积极谋划对传统能源、交通、材料、管理等相关专业升级改造。10.进一步加强风电、光伏、水电和核电等人才培养。适度扩大专业人才培养规模，保证水电、抽水蓄能和核电人才增长需求，增强“走出去”国际化软实力。拓展专业的深度和广度，推进新能源材料、装备制造、运行与维护、前沿技术等方面技术进步和产业升级。11.加快传统能源动力类、电气类、交通运输类和建筑类等重点领域专业人才培养转型升级。以一次能源清洁高效开发利用为重点，加强煤炭、石油和天然气等专业人才培养。以二次能源高效转换为重点，加强重型燃气轮机、火电灵活调峰、智能发电、分布式能源和多能互补等新能源类人才培养。以服务新型电力系统建设为重点，以智能化、综合化等为特色强化电气类人才培养。以推动建筑、工业等行业的电气化与节能降耗为重点，加强交通运输类和建筑类人才培养。1.1能源概况1.2太阳能概况第一章绪论1.2.1太阳能的资源特点及资源分布（1）普遍。太阳光普照大地，没有限制，处处都有，可直接开发利用，无须开采和运输。（2）巨大。每年到达地球的太阳辐射能相当于目前全世界各种能量消费总和的1万倍。（3）清洁。没有废渣、废料、废水和废气排出，几乎不产生对人体有害的物质，不会污染环境。（4）可持续。“取之不尽，用之不竭”。1.2.1太阳能的资源特点及资源分布在世界范围内，太阳能资源较好的典型地区有：中国西北、华北及西藏地区，印度西部及西北部，西亚（如阿联酋、沙特阿拉伯等国家），非洲南部和北部（如摩洛哥、埃及、南非等国家），欧洲南部（如意大利、西班牙、希腊等国家），澳大利亚中部沙漠及西部地区，美国西南部，智利，巴西东北部等。我国的太阳能资源分布名称年总辐射量（kWh/m2）年平均辐照度(W/m2)占国土面积（%）主要地区最丰富带≥1750约≥200约22.8内蒙额济纳旗以西、甘肃酒泉以西、青海100°E以西大部分地区、西藏94°E以西大部分地区、新疆东部边缘地区、四川甘孜部分地区很丰富带1400~1750约160~200约44.0新疆大部、内蒙额济纳旗以东大部、黑龙江西部、吉林西部、辽宁西部、河北大部、北京、天津、山东东部、山西大部、陕西北部、宁夏、甘肃酒泉以东大部、青海东部边缘、西藏94°E以东、四川中西部、云南大部、海南较丰富带1050~1400约120~160约29.8内蒙50°N以北，黑龙江大部、吉林中东部、辽宁中东部、山东中西部、山西南部、陕西中南部、甘肃东部边缘、四川中部、云南东部边缘、贵州南部、湖南大部、湖北大部、广西、广东、福建、江西、浙江、安徽、江苏、河南一般带<1050约<120约3.3四川东部、重庆大部、贵州中北部、湖北110°E以西、湖南西北部1.2.1太阳能的资源特点及资源分布1.2.2太阳能转换利用概述（一）太阳能→电能（1）太阳能光伏发电（太阳能→电能）（2）太阳能光热发电（太阳能→热能→机械能/电能）（3）其他（热电子/热光伏/热电发电）（二）太阳能→热能太阳能热水器、太阳能制冷、太阳能干燥、太阳能海水淡化、其他（太阳灶、温室）（三）太阳能→化学能（制氢）（四）太阳能光纤光导照明1.2.2.1太阳能发电2008-2023年我国及全球太阳能装机容量变化趋势2008-2023年我国太阳能装机容量占全部发电装机容量的百分比变化趋势太阳能光伏发电历史1839年，法国物理学家贝克雷尔意外地发现光生伏打效应。1954年，美国贝尔实验室恰宾和卡尔松等做出世界上第一片基于硅半导体的太阳能电池。此后一段时间内，太阳能电池因价格昂贵，主要应用于航空航天领域。1982年，世界上第一座兆瓦级光伏电站在美国加利福尼亚州建成。进入21世纪，全球光伏产业进入了高速增长期。随着成本逐渐下降，太阳能光伏发电已成为最具竞争力的可再生能源之一。2023年，全球太阳能光伏装机容量已达1.412TW。太阳能光伏发电历史1958年，中国开始研究太阳能电池，主要用于航天领域。1971年，中国成功研制出第一块硅太阳能电池并应用于卫星“实践一号”。2000年前后，我国开始了光伏的规模化生产和应用。2007年，我国成为全球最大的光伏组件生产国。目前，我国光伏组件产量占全球的80%以上。同时，我国连续多年新增和累计光伏装机容量位居全球第一。2023年，我国光伏装机容量已超过500GW，已超过全球总量的40%。太阳能光伏发电历史光伏产业与案例潮光互补光伏产业与案例渔光互补光伏产业与案例屋顶光伏太阳能光热发电太阳能光热发电通常利用聚光集热系统先将太阳辐射聚光收集并直接或间接加热工质，再通过热功转化装置将热能转化为电能。太阳能光热发电机组与传统火电机组在热功转化方面原理相似，但前者通过太阳能加热循环工质，后者通过燃料加热循环工质。太阳能光热发电(a)塔式太阳能热发电(b)槽式太阳能热发电(c)线式菲涅尔式太阳能热发电(d)碟式太阳能热发电太阳能光热发电发展历史1866年，法国工程师奥古斯丁·穆肖（AugustinMouchot）发明了第一台太阳能蒸汽机，并在巴黎世界博览会上展示。1950年，前苏联设计了世界上第一座小型塔式太阳能热发电试验电站，对太阳能热发电进行了基础性探索与研究。1968年，意大利科学家乔瓦尼·弗朗西亚（GiovanniFrancia）设计了第一座塔式太阳能热发电系统。2011年，全球首座24h发电的熔盐塔式太阳能光热电站Gemasolar投入商业化运营。2014年，美国建成Ivanpah塔式太阳能光热电站，装机容量392MW，成为当时世界上最大的光热电站。截至2024年，全球太阳能光热电站装机容量约为7.90GW。太阳能光热发电发展历史2005年10月，在南京江宁建成了我国首座70kW塔式太阳能热发电试验系统。2006年，在国家“863”计划支持下，国内第一个MW级塔式光热发电项目大汉电站启动建设。该电站选址于北京市延庆区，于2012年首次成功发电。2016年9月，国家发改委和能源局发布《关于建设太阳能热发电示范项目的通知》，确定了首批太阳能光热发电示范项目名单。太阳能光热发电发展历史2018年以后，中广核德令哈50MW槽式光热发电项目、首航高科敦煌100MW熔盐塔式光热发电项目、兰州大成敦煌50MW线性菲涅尔光热发电项目等多个项目相继并网发电。其中，兰州大成敦煌50MW线性菲涅尔光热发电项目是全球首座熔融盐线性菲涅尔太阳能光热电站。截至2024年底，我国太阳能光热发电装机容量已达838.2MW，占全球的10.6%。其中，塔式太阳能热发电装机容量为481MW，槽式太阳能热发电装机容量为191MW，线性菲涅尔式太阳能热发电装机容量为166MW。2025年1月1日，《中华人民共和国能源法》正式施行。其第二十五条明确提出“积极发展光热发电”，这是我国首次在法律层面明确太阳能光热发电的地位。其他太阳能发电形式热光伏发电：先将太阳辐射能转化为热辐射，再将热辐射通过太阳能光伏电池转化为电能。与太阳能光热发电相比，该技术无需热功转化装置；与太阳能光伏发电相比，该技术可通过对热能的存储减小太阳辐照波动性的影响。其他太阳能发电形式热电子发电：当金属被加热到一定温度时，金属中的电子获得足够的动能，能够克服金属表面的势垒逸出到外部空间。如果在金属电极之间施加适当的电场，逸出的电子可以被收集电极捕获，从而形成电流。太阳能热电子发电需要先将太阳能转化为高温热能，电子在高温条件下从金属表面逸出并产生电能。其他太阳能发电形式太阳能热电发电：利用太阳能收集器将太阳辐射能转化为热能，然后利用热电材料（通常为半导体材料）的塞贝克效应（SeebeckEffect）将热能直接转化为电能。塞贝克效应是指当两种不同的导体或半导体材料连接成回路且两端存在温度差时，回路中会产生电动势。人类太阳能热利用的历史记录公元前214年，阿基米德让数百名士兵手持磨亮的盾牌作为反光镜，对准攻打西西里岛拉修斯港的古罗马帝国的木制战船，使得入侵舰队被烧沉而溃散。我国公元前11世纪（西周时代）“阳燧取火”：“司烜氏，掌以夫遂取明火於日，以鉴取明水於月，以共祭祀之明齍、明烛，共明水。”《周礼》《淮南子》：“阳燧，金也。取金盂无缘者，执日高三四丈时，以向，持燥艾承之寸余，有顷焦之，吹之则燃，得火。”阳燧：太阳能取火的器具阳燧1.2.2.2太阳能热利用途径太阳能热水器：太阳能热水器是将太阳能直接转化为热能并为生产生活提供热水的装置太阳能集热器：通常由平板或真空管集热器从2000年以来，我国一直是太阳能热水器装机最多的国家。截至2023年底，我国的太阳能热水器装机量为396.4GWth，占全球份额的70%。太阳能制冷：电驱动（压缩空气制冷循环、压缩蒸气制冷循环）、热驱动（吸收式制冷循环、吸附式制冷循环、气流引射式制冷循环）本书后续章节主要讨论后者（热驱动法）1.2.2.2太阳能热利用途径太阳能干燥：用太阳能加热的方法减少或脱除物料水分直接干燥：被干燥物料直接吸收太阳能热间接干燥：利用太阳能加热某种流体（如空气），然后将此流体直接或间接加热被干燥物料本书后续章节主要讨论后者（太阳能间接干燥）1.2.2.2太阳能热利用途径太阳能海水淡化膜法海水淡化：以反渗透法和电渗析法为代表，需要用电能驱动反渗透装置或其他联合装置生产淡水热法海水淡化：以蒸馏法和加湿除湿法为代表，通过海水蒸馏或空气加湿除湿生产淡水本书后续章节主要讨论后者（热法海水淡化）1.2.2.2太阳能热利用途径太阳能温室：基于温室效应原理，利用太阳辐射来提高塑料大棚或玻璃房的室内温度，为植物生长提供所需热量。太阳灶：通过凹面镜或透镜将太阳光聚焦到一个点或一个区域，产生高温，通常用于烹饪食品。1.2.2.2太阳能热利用途径太阳能化学转化太阳能化学制氢的主要技术有太阳能发电电解水制氢、太阳能热分解水制氢、太阳能光化学分解水制氢等。太阳能发电电解水制氢可以理解为太阳能光伏发电与电解水技术的结合，即电解水的电能来源于太阳能光伏发电。太阳能热分解水制氢主要分为直接热分解水制氢和热化学循环制氢两种方法。直接热分解水制氢是利用太阳能聚光器直接加热水或水蒸气至3000K以上，使其分解为氢气和氧气。热化学循环制氢是通过载氧材料循环来降低直接热解水的温度，并实现氢气和氧气的分步分离。太阳能光化学分解水制氢的实质为半导体材料的光电效应，其基本原理是光催化剂在光照条件下吸收太阳辐射能产生光生电子与空穴，光生电子和空穴迁移到材料表面，与水分子发生氧化还原反应，光生电子将水分子还原为氢气，光生空穴将水分子氧化为氧气。1.2.2.3其他太阳能利用方法太阳能光纤光导照明太阳能光纤光导照明系统是一种将太阳光引入室内进行照明的技术，其基本原理是通过室外的集光器收集太阳光，然后通过光纤将太阳光传输到漫射器，最后通过漫射器将光线均匀地照射到室内。集光器通常使用抛物面或透镜来聚焦太阳光。1.2.2.3其他太阳能利用方法（1）介绍能源的常见分类方法及依据，了解人类不同文明阶段的主要能源；（2）介绍化石能源对环境的不利影响，理解可再生能源的重要作用；（3）掌握太阳能的优点和缺点，了解我国和世界太阳能资源的分布特点；（4）了解太阳能转化利用的主要形式，掌握太阳能光伏发电、太阳能光热发电等常见太阳能发电形式，以及太阳能热水器、太阳能制冷、太阳能干燥、太阳能热法海水淡化等常见太阳能热利用形式，为后续分章深入学习打下基础。本章小结太阳能转换原理与技术2.1太阳概论2.2地球坐标系与天球坐标系2.3日地天文关系第二章太阳概况及日地关系2.1.1太阳的整体结构太阳内部结构由内向外为核反应区、辐射区和对流区；太阳大气层由内向外为光球层、色球层和日冕层。2.1太阳的整体结构——太阳内部结构核反应区半径是0.25R⊙，约为整个太阳质量的一半以上。受自身引力，处于超高温和超高压状态。每秒有6亿吨氢聚变为氦，并释放出400万吨质量亏损对应的能量，这是太阳的能量来源。辐射区半径是0.25R⊙~0.86R⊙，体积约占太阳的1/2。太阳核心产生的能量需要通过该区域以辐射的形式向外传输2.1太阳的整体结构——太阳内部结构对流区对流区位于0.86R⊙至光球层底部，该区域的温度约为5×105K，密度约为150kg/m3。由于存在巨大的温度差，该区域主要以对流的方式将内部热量传输到太阳表面。太阳表面真的很平静吗？2.1太阳的整体结构——太阳大气光球层光球层位于对流层之外，是太阳大气层的最底层，其厚度约500km。光球层物质的温度由内向外逐渐降低，其平均有效温度为5780K，光球层与色球层的交界处，温度降至4000~4600K。光球层主要以辐射的方式传输能量，该区域发射出的可见光最强，地球获得的太阳能基本由光球层发出。地球磁场VS太阳磁场2.1太阳的整体结构——太阳大气色球层：色球层位于光球层之上，其厚度约1500km，比光球厚。色球层内的物质温度随高度升高而升高。色球层发出的可见光相对较弱，平时基本被光球层发出的光所淹没，只有在日全食或使用色球望远镜时才能看到太阳的色球层。2.1太阳的整体结构——太阳大气光球层表面有一些像米粒样的气团，称为米粒组织。在光球上存在温度比周围低的暗斑，称为太阳黑子；还有一些温度较高的明亮区域，称为光斑。太阳黑子较多时，太阳活动现象也会更频繁，绝大多数太阳爆发活动（如太阳耀斑、日冕抛射物等）发生在太阳黑子上空的太阳大气区域。太阳黑子米粒组织2.1太阳的整体结构——太阳大气日珥是从太阳表面向外延伸的大型等离子体和磁场结构，通常呈环形或火焰状。日珥产生于色球层，可延伸至日冕层。太阳耀斑就是太阳突然变亮的斑点，绝大多数都出现在太阳黑子群的上空。太阳耀斑发生时将在极短时间内释放出巨大能量。日珥太阳耀斑2.1太阳的整体结构——太阳大气过渡区及日冕层：色球层之上是过渡区，其厚度约为8500km，过渡区之上为日冕层，是太阳大气的最外层。日冕的最底层在1.003R⊙，向外可延伸至25R⊙。日冕层温度极高，约400万K，可观测到强X射线，这一高温足以让部分日冕物质挣脱太阳强大的引力，以高能带电粒子流的形式进入星际空间。2.1太阳的整体结构——太阳大气日冕物质抛射是指大规模太阳物质离开太阳进入宇宙空间的现象。日冕物质抛射与太阳黑子、太阳耀斑等太阳活动密切相关，是太阳系内规模最大、程度最剧烈的能量释放过程。日冕物质抛射产生的激波、本身携带的物质流和磁场将对地球的电磁环境带来影响，引起地球的磁暴或磁场扰动等影响。太阳的能量太阳为什么会发光发热？能量从何而来？太阳的能量夫琅禾费线夫琅禾费线的实质就是太阳所有元素的吸收光谱太阳的能量质子-质子（PP）链反应太阳的能量CNO链反应雷蒙德·戴维斯RaymondDavisJr.2002年诺贝尔物理学奖获得者，表彰其首次发现太阳中微子汉斯·贝特HansAlbrechtBethe1967年诺贝尔物理学奖获得者，表彰“他对核反应理论的贡献，特别是关于恒星中能源的产生的研究发现”阿瑟·布鲁斯·麦克唐纳ArthurB.McDonald2015年诺贝尔物理学奖获得者，表彰其发现了表明中微子具有质量的中微子振荡2.1太阳概论2.2地球坐标系与天球坐标系2.3日地天文关系第二章太阳概况及日地关系2.2.1地球坐标系地球坐标系地球纬度：地面上任何一点与地心的连线与赤道面的夹角。赤道为0°纬度，赤道以北为北纬，用N表示，赤道以南为南纬，用S表示。地球经度：地球任意一点所在经线和地轴所构成的面与本初子午线和地轴构成的面之间的夹角。直穿伦敦格林尼治天文台旧址的子午线被定为地球上的0°经线，称为本初子午线。本初子午线以东称为东经，用E表示，本初子午线以西称为西经，用W表示。2.2.1地球坐标系地球坐标系地球坐标系以地心为坐标中心，以赤道作为基本平面，以本初子午线作为经向起算方向，分别以经度和纬度作为经向坐标和纬向坐标。2.2.2天球坐标系天球：以观察者为球心，以任意长为半径，用于投影天体位置而假象的球体。地平坐标系时角坐标系2.2.2.1地平坐标系地平面：观察者所在的水平地面地平圈：地平面与天球相交的大圆地平纬圈：天球上，与地平圈平行的小圆地平经圈：天球上，与地平圈垂直的大圆天球子午圈：天球上经过天顶、天底、北点、南点的大圆卯酉圈：天球上经过天顶、天底、东点、西点的大圆地平坐标系2.2.2.1地平坐标系高度角/地平高度：天球上一点与天球中心的连线，与地平面的线面角，即∠AOB。从地平面向天顶为正，从地平面向天底方向为负。天顶角：高度角的余角，∠AOZ。方位角：天球上一点与天球中心连线在地平面上的投影，与南方向的夹角，从正南方向向西为正，从正南方向向东为负。地平坐标系2.2.2.1地平坐标系地平坐标系：以地面上观察者所在的位置作为天球中心，以该点的地平圈作为基本平面，以天球子午圈作为经向起算方向，以方位角为经向坐标，以高度角或地平高度为纬向坐标的天球坐标系地平坐标系2.2.2.2时角坐标系时角坐标系地球坐标系2.2.2.2时角坐标系时角坐标系天轴：过天球中心平行于地轴的直线地轴与天球交于两点，地球北极的对应点为北天极，地球南极的对应点为南天极。天赤道：过天球中心且与地球赤道面垂直的平面与天球相交的大圆赤纬圈：天球上平行于赤道的小圆赤经圈/时圈：天球上垂直于天赤道的大圆时角坐标系中，天球子午圈也会通过北天极和南天极2.2.2.2时角坐标系时角坐标系赤纬：天球任意一点与中点连线与天球赤道面的线面角约定：从天赤道向北天极为正，从赤道面向南天极为负。时角：过天球上某一点所在的赤经圈与天球子午圈所所形成的二面角约定：天球子午圈向东（顺时针）为正，从子午圈向西（逆时针）为负。2.2.2.2时角坐标系时角坐标系天体通过天球子午圈称为“中天”，天体每天会有两次中天。高度角最高或最靠近天顶的那一次称为上中天，这时，天体的时角为0°高度角最小或最靠近天底的那一次称为下中天，这时，天体的时角为180°2.2.2.2时角坐标系时角坐标系时角坐标系：时角坐标系以地心为天球中心，以天赤道所在平面为基本平面，以天球子午圈为经向起算方向，以时角为经向坐标，以赤纬为纬向坐标的天球坐标系。球面三角形的边余弦公式2.2.3球面三角余弦定理与球面三角正弦定理在△OMN中，在△AMN中，2.2.3球面三角余弦定理与球面三角正弦定理取球面三角形ABC，做球心三面角O-ABC。过C点做OAB平面的垂线交此平面于D，再从D向OA、OB引垂线DE，DF。连接CE和CF；由此得四个平面三角形OEC、OFC、CDE、CDF。因CD垂直于平面OAB，DE⊥OA，所以OA⊥CE；同理OB⊥CF，因此，四个平面三角形OEC、OFC、CDE、CDF都是直角三角形，并且有∠CED=A，∠CFD=B。可得sina/sinA=(CF/OC)/(CD/CE)=(CF·CE)/(OC·CD)，sinb/sinB=(CE/OC)/(CD/CF)=(CF·CE)/(OC·CD)。得sina/sinA=sinb/sinB球面三角形的正弦公式地平坐标系与时角坐标系的转化赤纬角δ：太阳连线与赤道面的夹角→太阳连线与天极南北极连线的夹角：90°-δ高度角α：太阳连线与地平面的夹角→太阳连线与天底天顶连线的夹角：90°-α

纬度φ：天顶天底与赤道面的夹角→天顶天底与南北极轴的夹角：90°-φ

时角ω：子午圈与时圈的夹角（球面角）2.2.4时角坐标系与地平坐标系的转换赤纬角δ：太阳连线与赤道面的夹角→太阳连线与天球南北极连线的夹角：90°-δ高度角α：太阳连线与地平面的夹角→太阳连线与天底天顶连线的夹角：90°-α时角ω：天球子午圈与时圈的夹角（球面角）方位角γ：天球子午圈与地平经圈的夹角（球面角）2.2.4时角坐标系与地平坐标系的转换2.1太阳概论2.2地球坐标系与天球坐标系2.3日地天文关系第二章太阳概况及日地关系2.3.1地球公转与太阳赤纬角地球绕太阳的轨道：椭圆形方向：自西向东日地距离：近日点1.471×108km远日点1.521×108km平均距离：r0=1.496×108km修正系数（简化公式）：dn一年中某一天的日期序号黄道：地球公转轨道所在的平面黄赤交角：黄道平面和赤道平面的夹角，23°26′因为黄赤交角的存在，因而在太阳在地球的直射点位置在南北回归线之间周期性改变2.3.1地球公转与太阳赤纬角太阳赤纬角：地球中心和太阳中心连线与地球赤道平面的夹角，记为δ☉简化计算公式(Copper公式)2.3.1地球公转与太阳赤纬角时角坐标系Spencer公式（更加精确）Copper公式与Spencer公式的计算结果对比（1）正弦规律（2）差别很小（3）二分二至点2.3.1地球公转与太阳赤纬角二十四节气的由来春分、秋分δ☉=0夏至δ☉=+23°27′冬至

δ☉=-23°27′一天内δ☉变化不超过0.5°2.3.1地球公转与太阳赤纬角二分二至点夏至：6.21-6.22北回归线

δ☉=23°27’北半球：昼最长，极昼秋分：9.22-9.24赤道

δ☉=0北半球：昼夜平分冬至：12.21-12.22南回归线

δ☉=-23°27’北半球：昼最短，极夜春分：3.21-3.22赤道

δ☉=0北半球：昼夜平分2.3.1地球公转与太阳赤纬角2.3.2地球自转与太阳时角地球绕地轴自西向东转动，称为地球自转一天内太阳在天球位置改变的主要原因就是地球自转古人用日晷作为计时工具赤道式日晷：晷针指向北极，即表盘与水平面夹角等于当地的纬度，根据晷针的日影落在表盘的位置就可以直接读出时间，不妨称这一时间为地方时。特点：东边的地方时早于西边的地方时存在的问题：地方时有无穷个，不方便1884年，国际经度会议决定按统一标准划分全球时区。（1）全球共分为24个时区，每个时区跨经度15°；（2）以本初子午线为基准，从7.5°W至7.5°E为中时区或零时区。以东划分东一区至东十二区，中时区以西划分西一区至西十二区。2.3.2地球自转与太阳时角（3）东一区至东十一区以及西一区至西十一区的各个时区均跨15°经度，而东十二区和西十二区各跨7.5°经度，合为一个时区。（4）各时区均以本时区中央经线的地方时作为本时区的区时，因此，相邻两个时区相差1h。2.3.2地球自转与太阳时角1884年，国际经度会议决定按统一标准划分全球时区。（5）原则上以180°经线作为国际日界线。（实际是折线）（6）世界各国可以根据本国的实际情况采用一些特别的计时方式。例如：中国以北京时间作为全国的统一时间（UTC+8）

伊朗（UTC+3.5）2.3.2地球自转与太阳时角我国的时区：东五区到东九区，为了方便各地区间的联系和协调，全国统一采用首都北京所在的东八区区时作为标准时间，这就是北京时间北京时间的中央经线：120°E在120°E放置日晷所显示的时间是否为钟表上显示的时间？日晷得到的时间：真太阳时钟表得到的时间：区时，中央经线对应的平太阳时利用日晷得到的一天≠利用钟表得到的一天2.3.2地球自转与太阳时角在120°E放置日晷所显示的时间是否为钟表上显示的时间？否，太阳的公转轨道并不是正圆形，地球绕太阳的公转角速度先快后慢，这就导致每一个真太阳日的时间长度并不一致。平太阳时：天文学家构造了一个假想的平太阳，即地球绕平太阳的公转轨道是标准圆形，那么，地球绕平太阳的公转角速度将保持不变，数值上等于地球绕真实太阳公转的平均角速度。2.3.2地球自转与太阳时角真太阳时=平太阳时+时差2.3.2地球自转与太阳时角2.3.2地球自转与太阳时角太阳赤纬角与日期序号的关系任意经度的平太阳时（东半球）：式中，Lst为时区中央经线的经度，°；Lloc为观察者所在地的经度，°；tst为观察者所在地的区时，即当地的钟表时间，也等于区时中央经线的平太阳时，h。2.3.2地球自转与太阳时角提问北京时间和北京当地的真太阳时一样吗？北京时间并不是北京（东经116.4°）的地方时间，而是东经120°的真太阳时。北京的真太阳时与北京时间相差多少呢？地球自转与太阳时角太阳时角：太阳时角是指日面中心的时角，太阳上中天时（即真太阳时为12：00），太阳时角为0°，上午为负，下午为正，数值上等于偏离真太阳时12：00的小时数乘以15°。时角坐标系例题例题2‑1已知青海省德令哈市大约位于(37°N,97°E)，求北京时间5月1日13：00时当地的太阳赤纬角和太阳时角。（2月按28天计）解：（方法一）5月1日是一年中的第121天。例题例题北京时间为东八区的区时，东八区中央经线为120°E。因此，当地的平太阳时为11：28。例题故，真太阳时与平太阳时的时差约为3min，当地的真太阳时为11：31。此时，当地的太阳赤纬角为14.83°和太阳时角为-7.25°。例题例题2‑1已知青海省德令哈市大约位于(37°N,97°E)，求北京时间5月1日13：00时当地的太阳赤纬角和太阳时角。（2月按28天计）解：（方法二）5月1日是一年中的第121天。例题北京时间为东八区的区时，东八区中央经线为120°E。因此，当地的平太阳时为11：28。若忽略真太阳时与平太阳时间的时差，则当地的真太阳时可视为11：28。此时，当地的太阳赤纬角为14.90°和太阳时角-8.00°。2.3.3太阳高度角和太阳方位角太阳高度角就是太阳入射光线与水平面的夹角。太阳高度角的取值范围[-90°,90°]太阳方位角：太阳光线在地面上的投影与南方向的夹角取正南为起始点（0°），向西（顺时针）为正，向东为负2.3.3太阳高度角和太阳方位角如何求方位角？（1）方法一：sinγ⊙和cosγ⊙，并根据（2）方法二：利用cosγ⊙、ω⊙、当地纬度与太阳赤纬角的相对大小来判断，分两种情况：1）当ω⊙=0°或180°时，即太阳位于正南或正北方向，当φ>δ⊙，太阳位于正南方向，即γ⊙=0°；当φ<δ⊙，太阳位于正北方向，即γ⊙=180°；当φ=δ⊙，不存在太阳方位角。

2.3.3太阳高度角和太阳方位角如何求方位角？（1）方法一：sinγ⊙和cosγ⊙，并根据（2）方法二：利用cosγ⊙、ω⊙、当地纬度与太阳赤纬角的相对大小来判断，分两种情况：2）当

时，可根据ω⊙的正负判断γ⊙的正负并进一步求取γ⊙的唯一解

2.3.3太阳高度角和太阳方位角如何描述太阳的方位？若γ⊙=0°，则太阳位于正南方；若γ⊙=90°，则太阳位于正西方；若γ⊙=180°，则太阳位于正北方；若γ⊙=-90°，则太阳位于正东方。其他情况：以正北或正南作为起始方向旋转到目标方向所成的锐角例如γ⊙=150°，太阳方位角可描述为北偏西30°。

2.3.3太阳高度角和太阳方位角

例题例题2‑2在例题2‑1的基础上，进一步计算此时的太阳高度角、太阳方位角并描述太阳的方位。因此，太阳高度角为66.91°，太阳方位角-18.13°，太阳位于南偏东18.13°。

2.3.4日出日落时间、可照时数日出与日落时，太阳高度角α⊙=0°日出时的太阳时角日落时的太阳时角

日出与日落时，太阳高度角α⊙=0°日出时的太阳方位角日落时的太阳方位角2.3.4日出日落时间、可照时数

日出至日落的可照时数τs（DurationofPossibleSunshine）可用公式得到，指在无任何遮蔽条件下，太阳中心从某地东方地平线到进入西方地平线，其光线照射到地面所经历的时间。2.3.4日出日落时间、可照时数

正午时，ω⊙=0°2.3.5正午时的太阳高度角和方位角正午时，若φ>δ⊙，则γ⊙=0°，太阳位于正南方；若φ<δ⊙，则γ⊙=180°，太阳位于正北方；若φ=δ⊙，则不存在太阳方位角。

例题例题2‑3在例题2‑1的基础上，进一步计算德令哈市当天的日出和日落的时间、可照时数以及正午太阳高度角和方位角。

例题

2.3.6太阳入射角入射固定斜面的太阳入射角斜面的倾斜角β：平面与水平面的夹角斜面的方位角γp：平面法线在水平面上的投影与南方向的夹角太阳入射角：太阳的入射光线与该平面法线的夹角

入射固定斜面的太阳入射角2.3.6太阳入射角

例题

入射连续调整跟踪平面的太阳入射角（1）连续调整双轴跟踪平面的太阳入射角对于双轴跟踪光伏阵列而言，通过实时调整倾斜角和方位角，接收平面始终保持与太阳入射光线垂直，即太阳入射角θinc=0°；对于塔式太阳能定日镜而言，需要保证反射光线不变的情况下，尽可能减小太阳入射角。2.3.6太阳入射角

入射连续调整跟踪平面的太阳入射角（2）连续调整单轴跟踪平面的太阳入射角连续调整单轴跟踪平面可以绕某一轴线连续不断地调整平面，这种跟踪方式常应用于单轴跟踪光伏阵列、抛物面槽式聚光器以及线性菲涅尔式聚光器等太阳能利用技术。需要实时调整单轴跟踪平面并保持太阳入射角最小。2.3.6太阳入射角

入射连续调整跟踪平面的太阳入射角（2）连续调整单轴跟踪平面的太阳入射角水平东西单轴跟踪方式水平南北单轴跟踪方式2.3.6太阳入射角

例题（1）介绍太阳概况，了解太阳的内部结构和大气层结构；（2）类比地球坐标系，介绍天球坐标系，理解地平面、地平圈、天顶、天底、地平纬圈、地平经圈、球子午圈、高度角、方位角和地平坐标系的概念，理解天轴、北天极、南天极、天球赤道、赤纬圈、赤经圈、赤纬、时角和时角坐标系的概念，可对地平坐标系和时角坐标系纬向坐标和经向坐标进行转换；（3）掌握太阳赤纬角、太阳时角、太阳高度角和太阳方位角的计算方法，理解真太阳时和平太阳时的概念及转化原理；（4）掌握固定平面、连续调整双轴跟踪平面和连续调整单轴跟踪平面的太阳入射角计算方法。本章小结太阳能转换原理与技术3.1光学基本定律3.2太阳辐射与测量3.3透明或半透明体对太阳辐射的吸收、反射和透射3.4太阳能聚光设计原理第三章太阳能辐射的转播与聚集3.1光学基本定律1、光的概念（1）光的本质：处于特定频段的光子流，是电磁波的一部分（2）具有波粒二象性：其中波动性体现在传播过程，光强正比于光波振幅的平方；粒子性体现在电磁辐射和吸收，光强正比于光子流的密度。频率越高粒子性越强；频率越低波动性越强。2、光线（1）光线用于描述光的传播方向（2）平行光：相互平行的光同心光束：某一点发出或汇聚于某一点的光线3、光的度量（1）光的能量（太阳能讨论的是能量）（2）光的亮度4、光程：介质的折射率与光在该介质中走的几何路程之积费马定理：光在空间两定点传播的实际路径是使其光程取极值（最大值、最小值或拐点）的路径//光沿光程为极值的路径传播3.1光学基本定律5、光的直线传播——费马定律的特例（1）光的传播具有独立性，不同方向的光相遇时，彼此之间互不影响；（2）光的传播是可逆的。（3）光在同一种介质中沿直线传播，因为两点之间直线最短3.1光学基本定律6、光的表面反射A点在xy平面，经过C点（x轴），反射到B3.1光学基本定律6、光的表面反射C点必须在xy平面内光线发生反射时，入射角等于反射角3.1光学基本定律6、光的折射3.1光学基本定律6、光的折射斯涅耳定律：3.1光学基本定律3.1光学基本定律3.2太阳辐射与测量3.3透明或半透明体对太阳辐射的吸收、反射和透射3.4太阳能聚光设计原理第三章太阳能辐射的转播与聚集3.2太阳辐射地球可接收的太阳能约为太阳总辐射能的二十亿分之一，约1.73×1014kW，经过大气层的衰减，最终8.5×1013kW到达地面。相当于全球发电总量的几十万倍γ射线和X射线在大气层全部被吸收3.2.1太阳常数太阳常数ISC：假设日地距离为日地平均距离的条件下，地球大气层上边界垂直于太阳辐射的平面上，单位时间内投射到单位面积上的辐射能量。1981年世界气象组织仪器与观测方法委员会第八届会议上，将太阳常数定为ISC=(1367±7)W/m2太阳常数是测量值，不是严格意义上的物理常数3.2.2太阳光谱辐照度光谱辐照度的能量集中于0.3~3μm紫外线：8.04%可见光：46.42%近红外：45.54%地球大气层厚约100km，由空气、尘埃、水汽等组成吸收：氧气、臭氧、水汽、二氧化碳等；散射：空气分子、水汽、尘埃等。太阳光谱辐射度的分布太阳辐射光谱与衰减光谱辐照度的能量集中于0.3~3μm紫外线：8.04%可见光：46.42%近红外：45.54%3.2.3太阳辐射在大气层中的衰减比尔定律均质大气假设：假设空气密度处处均等，空气成分和地面气压均与实际大气相同光谱辐射强度在均质吸收性气体中的传播按指数规律衰减辐射能通过吸收性气体层时的模型3.2.3太阳辐射在大气层中的衰减大气光学质量/大气质量：太阳在任何位置与在天顶时通过地球大气到达观测点的路径之比，用AM表示，是无量纲的相对长度。AM=1:在标准大气压（101325Pa）和0℃气温条件下，海平面上太阳位于天顶时的大气质量为1AM=0:地球大气上边界的大气质量为0AM=1.5:太阳电池标定和测试的标准条件之一对于α⊙≥20°的低海拔地区高海拔地区大气质量计算推导示意图对于α⊙>20°3.2.4平面太阳辐照度的计算太阳直射辐射(DirectSolarRadiation或BeamSolarRadiation)，也称为直接日射，指从日面及其周围一小立体角发出的辐射。特点：具有很强的方向性，可用于聚光现象：立竿见影太阳散射辐射(DirectSolarRadiation或BeamSolarRadiation)，也称为散射日射，是指太阳辐射被空气分子、云和空气中的各种微粒分散成无方向性但不改变其单色组成的辐射特点：散射日射不能用于聚光辐照度(Irradiance)，也称为辐射照量，指的是照射到表面上一点处面元上的辐射能除以该面元的面积，单位为W/m2。直射辐照度(DirectSolarIrradiance)，又称为直接日射辐照度，指直接日射在任意给定平面上形成的辐照度，用IB表示，单位为W/m2。法向直射辐照度(DirectNormalIrradiance,DNI)，又称为法向直接日射辐照度，指直接日射在射束垂直平面上的辐照度，用IBN表示，单位为W/m2。法向直射辐照度是当前辐照条件下单位面积平面能够接收的最大直接辐照度3.2.4平面太阳辐照度的计算直射辐照度和法向直射辐照度直射辐照度与法向直射辐照度散射辐照度(DiffuseSolarIrradiance或ScatteringSolarIrradiance)，又称为散射日射辐照度，指在任意给定平面上形成的半球向辐照度，用ID表示，单位为W/m2。其中，水平面上的散射辐照度用IDH表示。水平面上从上方2π立体角范围内接收到的直接日射和散射日射为太阳总辐射或总日射（GlobalSolarRadiation），用IH表示，单位为W/m2。水平面上的太阳总辐射IH等于水平面的太阳直射辐照度和水平面的散射辐照度之和，3.2.4平面太阳辐照度的计算3.2.5太阳辐射度的测量原理工作原理：将入射到测量仪器特制受光面上的太阳辐射能全部吸收，使之转换为其他某种形式的能量并进行检测。提问：如何测量热量？思路一：通过热电效应检测热电势推算太阳辐射能思路二：通过热平衡法测热电功率得到太阳辐照度通过热电效应检测热电势推算太阳辐射能原理（塞贝克效应/热电效应）：指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象热电偶测温的基本原理：两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势αAB:塞贝克系数，与温度有关，本课程中温差较小可认为是常量3.2.5太阳辐射度的测量原理热电效应原理图热电偶热电偶类型热电偶分度号正极负极温度范围S铂铑10纯铂-40~1600℃R铂铑13纯铂-40~1600℃B铂铑30铂铑6200~1800℃K镍铬镍硅-270~1300℃T纯铜铜镍-270~350℃J铁铜镍-270~1000℃N镍铬硅镍硅-40~760℃E镍铬铜镍-270~1000℃热电偶结论（1）热电偶回路的电势大小与导体材料和节点温度有关，与导体直径、长度和几何形状无关；（2）只有两种不同的材料才能形成热电偶，同种材料不能形成电势差；（3）只有热电偶材料不同，冷热两端温度不同才能形成热电势；（4）只要热电偶的材料已经确定，热电势的大小就是温差及参考温度的函数。热电偶结论（5）热电偶均质导体定律：在由一种均质导体组成的闭合回路中，不论导体的界面和长度如何变化，以及各处的温度分布如何，均质导体组成的闭合回路都不能产生热电势。（6）热电偶的中间导体定律：在热电偶中插入第三种均质导体，只要第三种导体的两结点温度相同，热电偶的热电势就不变。（7）热电偶标准电极定律：热电极A、B分别于标准电极C组成热电偶，在结点温度(T,T0)时，热电动势分别为EAC和EBC，则在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势为。热电偶结论（8）热电偶中间温度定律：热电极A、B组成热电偶在结点温度(T,T0)时，热电动势分别为EAB

(T,T0)，热电极A、B组成热电偶在结点温度(T,Tx)时，热电动势分别为EAB(T,Tx)，热电极A、B组成热电偶在结点温度(Tx,T0)时，热电动势分别为EAB(Tx,T0)。三者的关系如下：热电偶的电动势表（参考温度是0℃！）举例应用例1：用K型热电偶测得电动势为1.000mV，冷端温度为0℃，则热端温度是多少？答：查表，热端温度为25℃。举例应用例2：用K型热电偶测得电动势为3.095mV，冷端温度为25℃，则热端温度是多少？答：查表，E(25,0)=1.000mV;E(T,0)=E(T,25)+E(25,0)=3.095+1.000=4.095mV查表得T=100℃举例应用例3：用铂铑10-铂铑热电偶测得EAC(100,0)=0.647mV；用铂铑10-铂热电偶测得EBC