学习情境一 太阳光特性与应用讲解

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1、光伏技术应用 第一章 学习情境一 太阳光特性与应用 学习情境目标 了解光的波粒二象性、黑体辐射、太阳及其辐射的基本原理，掌握日照 数据及估算温室效应产生、太阳的视运动规律、直接辐射和漫射原理。 学习情境要求 1、利用课外时间查阅相关资料； 2、分小组汇总各自查阅的资料，并进行研讨； 3、以小组为单位，选派代表汇报学习研讨情况（以PPT形式），接受 师生点评，并参与小组自评和互评。 情境引导问题 1、什么是单色光？白色是白色的单色光吗？光的颜色由什么来决定 ？ 2、光的特性是什么？所产生的波包或光子的能量表达式是什么？ 3、任何地点的大气光学质量如何计算？AM1.5知识及日照估算。 单元1.1

2、光及其特性的认识 光线中包含不同频率的光，则为复合光。如果只含有一种频率的光，则为 单色光。如激光，单色性是频率的宽度，越窄单色性越好。 白光是可见光中各色光的混合，当然也可以说白光的频率宽度覆盖了可见 光的区域，覆盖了可见光中的各种单色光，所以作色散的时候，三棱镜可以分 出各种颜色的光，三棱镜的作用相当于把频率表示成偏转角的函数而已，所以 白光单色性相当差。光源发出的复合光经单色器分解成按波长顺序排列的谱线 ，形成光谱。 光色红橙黄绿青蓝紫 波长范围（nm）610700590610570590501570490501450490400450 中心波长660600580550495470420

3、 1.存在一个截止频率（红限频率），只有当入射光波的频率高于截止频率 ，电路中才有光电流，截止频率与材料有关与光强无关。 2.用不同频率的光照射金色表面时，要入射光的频率大于截止频率，遏制 电势差（光电子的动能）与入射频率成正比即遏制电势差与入射光频率具有线 性关系。 单元1.1 光及其特性的认识 3.无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金 属表面时，几乎立即就有光电子逸出，从光开始照射金属表面到光电子逸出 ，时间间隔通常不大于10-9s 4.光的强度仅仅影响释放光电子的数量，光强越强，光电子数量越多。 单元1.1 光及其特性的认识 单元1.1 光及其特性的认识 所谓的黑

4、体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有 投射（当然黑体仍然要向外辐射）。 基尔霍夫辐射定律（Kirchhoff），在热平衡状态的物体所辐射 的能量与吸收率之比与物体本身物理性质无关，只与波长和温度有关 。按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大 的物体，可叫做完全辐射体。黑体对于辐射来说是一个理想的吸收体 和发射体。当它被加热后，开始发光，也就是说，开始发出电磁辐射 。一个经典的例子就是金属的加热，金属温度越高，发射的波长越短 ，发光的颜色由最初的红色逐渐变成白色。 单元1.2 热辐射与波的认识 单元1.3 到达地面的热辐射 太阳是一个通过其 中心核聚变反应产生热

5、量的气体球，内部不断 进行热核反应，温度高 达2107K，从而释放出 巨大能量。人们肉眼所 见到的光耀夺目的太阳 盘表面“光球”，“太 阳能”的绝大部分是由 此发射出来的。光球以 电磁波的形式向宇宙空 间辐射叫能量，总称为 太阳辐射。太阳辐射的 总功率为3.81026W， 而到达地面的太阳辐射 总功率为1.71017W， 仅占太阳总能量的二十 亿分之一。 表面温度6000K的黑体的光谱辐照度、恰好是地球大气气层 以外位置所观察到的太阳光球层的光谱辐照度（AMO),以及穿透 1.5倍于地球大气层垂直厚度之后的太阳光球层的光谱辐照度（ AM1.5G) 单元1.3 到达地面的热辐射 到达地面的太阳能

6、量的大小，以及如何确定投射在某地采光 面上的太阳辐照度的量值，是太阳能利用需要首先解决的一个基 本问题。太阳的表面辐射水平几乎恒定，但是当到达地球表面时 ，太阳光受地球大气层的吸收和散射作用影响强烈，因而成为变 量。 单元1.4 影响太阳辐射的因素 当天空晴朗，太阳在头顶直射且阳 光在大气中经过的光程最短时，到达地 球表面的太阳辐射最强。这个光程可用 1/coss近似，s是太阳光和本地垂线 的夹角；这个光程一般被定义为太阳辐 射到达地球表面必须经过的大气光学质 量AM(air mass），因此。 大气质量AM的定义 单元1.4 影响太阳辐射的因素 任何地点的大气光学质量可以由下列公式计算 S是

7、高度为h的竖直杠的投影长度 太阳光在大气层外（即大气光学质量为零或者AM0）和AM1.5时的 光谱能谱分布图如图所示。AM0从本质上来说是不变的，将它的功率密 度在整个光谱范围积分的总合，称作太阳常数，它的公认值是： 地球的截面积是127,400,000平方公里，因此整个地球接收到的 能量是1.7401017瓦特。由于太阳表面常有黑子等太阳活动的缘故 ，太阳常数并不是固定不变的。一年当中的变化幅度在1%左右。 单元1.5 人类活动与温室效应 为了保持地球的温度，地球从太阳获得的能量必须与地球向外 的辐射能量相等。与阻碍入射辐射类似，大气层也阻碍向外的辐射 。水蒸气强烈吸收波长为47m波段的光波

8、，而CO2主要吸收的是 13191m波段。大部分的出射辐射（70%）从713m的“窗口” 逃逸。 如果我们居住的地表像在月球上一样没有大气层，地球表面的 平均温度将大约是-18。然而，大气层中有天然背景水平为270 ppm（浓度单位，即百万分之一） CO2的，这使得地球的平均温度大 约在15，比月球表面平均温度高出33。 人类的活动增加了大气中“人造气体”的排放，这些气体吸收 波长的范围是在713m，特别是二氧化碳、甲烷、臭氧。氮氧化 合物和氯氟碳化物（CFC）等。这些气体阻碍了能量的正常逃逸， 并且被广泛认为是造成地表平均温度升高的原因。有迹象表明，洪 水和干旱日益频繁。可以预见，温室效应对

9、人类和自然环境将产生 大范围的严重影响。 单元1.6 地球运动与逐日系统 地球绕其自转轴的的旋转运动，叫做地球的自转。地球自转的 方向是自西向东。从地轴北端或北极上空观察，地球呈逆时针方向 旋转；从地轴南段或南极上空观察，地球呈顺时针方向旋转。地球 自转一周360，所需要 的世界为23时56分4秒，这叫作一恒星日。 地轴与黄道平面的交角为6634，赤道平面与黄道平面的交 角为2326。地球在公转的过程中，地轴的空间指向和黄赤交角 的大小，在一定时期内可以看做是不变的。因此，地球在公转轨道 的不同位置，地表接受太阳垂直照射的点（简称太阳直射点）是有 变化的。 单元1.6 地球运动与逐日系统 黄道

10、平面：地球的黄道平面是地球公转轨道所在的平面。 赤道平面：地球赤道所在的平面称为赤道平面。 黄赤交角：黄赤交角是地球公转轨道面（黄道面）与赤道面 （天赤道面）的交角，也称为太阳赤纬或者黄赤大距。 单元1.6 地球运动与逐日系统 太阳位于地球公转轨道面（黄道面）上，从地球上看，太阳终 年在这个水平面上运动，这就是太阳的视运动，该视运动的路线叫 做黄道。太阳视运动可以分为日运动和年运动。 天球: 天球是一个假想的圆球：它 的球心就是观测者；它的半径无 穷大。地球以外的天体在天球上 都有各自的投影。人们在说明天 体的位置和运动时，可以把天体 的投影看成是它们本身，如右图 所示，地球的自转轴无限延长，

11、 同天球球面相交于两点，这叫做 天极，即南天极和北天极。地球 赤道平面无限扩大，同天球相交 的大圆，叫做天赤道。 单元1.6 地球运动与逐日系统 地球的运动规律 春分日（3月21日前后 ） 夏至日（6月22日前后 ） 秋分日（9月23日前后 ） 冬至日（12月22日前后 ） 如图所示，从冬至到第二年夏至，太阳直射点自南纬2326向北移动 ，经过赤道（春分时），到达北纬2326；从夏至到冬至，太阳直射点自 北纬2326向南移动，经过赤道（秋分时），到达南纬2326。太阳直 射点在赤道南北的这种周期性往返运动，称为太阳直射点的回归运动。太阳 直射点回归运动的周期为365日5时48分46秒，叫做一回

12、归年。 单元1.6 地球运动与逐日系统 如图所示，当太阳在年运动中位于夏 至点时，假定太阳位于这一点的时间刚好 为一天，在这一天里，由于地球在自转， 在天球图中，以观测者为中心，则太阳的 日视运动的轨迹就是与地轴垂直的平面（ 图中标出），春、秋分日时，该轨迹与赤 道平面重合。由此推断，在一年内，太阳 每日视运动的轨迹都是与赤道平行的平面 ：北半球夏半年，太阳位于春分点夏 至点秋分点之间，太阳视运动轨迹位 于图中轨迹与赤道平面之间；北半球冬至 日的情况可以以此推断。 太阳的视运动（日运动）轨迹 （2）天球中 在右图中，圆球面表示一个天球，O点代表地 球上的观测者，它处于天球的中心，若将观测者O

13、看到的地面向外扩展，与天球相交，于是构成了天 球上一个基本圆圈，称地平圈。与地平圈相垂直， 即从观测者头顶向上延伸交天球上的一点X，称天 顶；而从观测者脚底向下延伸，交天球上的一点Y ，称天底。 图中，地平圈上方向的确定方法是：与北天极 距离较近的那一点N称为北点，而另一点S称为南点 。北点和南点也就是地面上的观测者所看到的正南 和正北方向，再根据“上北下南，左西右东”的方 法确定东西方向（已经在图中标注）。 单元1.6 地球运动与逐日系统 （1）平面图中 在地球上，地球表面的观测者所能观测到的地 方为其所在地平线以上的部分。地平线的确定如右 图所示 观测者位置的确定： 单元1.6 地球运动与

14、逐日系统 看北半球某地（图中O点）某日太阳的视运动情况 如右图，对于北半球的O点，在6月22 日，太阳视运动的轨迹如图中“太阳运动 轨迹”所示，位于O点的观测者，其能观 测到的地平圈以上的天球部分的太阳的运 动情况，如下图。 可以看到：6月22日，对于北半球的O点，太阳 从东北升起，西北落下。 从前面的讲解可以知道，春、秋分日时，太阳 的运动轨迹与天赤道重合，看图可知，对于北半球 的O点，春、秋分日时，太阳正东升起，正西落下。 进而可以推论，对于北半球（北极圈以南）的 任一点O点，春、秋分时，太阳正东升起，正西落下 。 当太阳直射点位于北半球（春分夏至秋分 ）时，太阳从东北升起，西北落下。 当

15、太阳直射点位于南半球（秋分冬至春分 ）时，太阳从东南升起，西南落下。 对于南半球的Q点，其地平线和地平圈的 确定如右图所示。 对于南半球的点，其在天球上能观测到的 是与北半球的点相对的另一半天球上的情况， 不同的地方还有地平圈上的东西方向。则6月 22日，Q点的太阳视运动的图应该如下图所示 。 可以看到：6月22日，对于南半球的Q点，太阳从东北升起，西北落下 。 春、秋分日时，太阳正东升起，正西落下。 进而可以推论，对于南半球（南极圈以北）的任一点Q点，春、秋分时 ，太阳正东升起，正西落下；昼夜平分。 当太阳直射点位于北半球（春分夏至秋分）时，太阳从东北升起 ，西北落下。 当太阳直射点位于南半

16、球（秋分冬至春分）时，太阳从东南升起 ，西南落下。 单元1.6 地球运动与逐日系统 看南半球某地（图中O点）某日太阳的视运动情况 单元1.6 地球运动与逐日系统 对于地球上的特殊地点的判读 (1)对于南、北极点 根据以上的判断方法,仔细 看图：对于北极点：当太阳直射 点在北半球，太阳的视运动轨迹 都与地平圈平行，即一天中，太 阳的高度都是不变的，只是太阳 高度每日不同而已，出现极昼现 象；春秋分日，太阳在地平线上 转一周，北半球冬半年，太阳的 运动轨迹都在地平圈以下，出现 极夜现象。 同理，对于南极点：当太阳 直射点在北半球，太阳的运 动轨迹都在地平圈以下，出 现极夜现象。春秋分日，太 阳在地平线上转一圈。但太 阳直射点在南半球，太阳视 运动轨迹都与地平圈平行， 出现极昼现象。 单元1.6 地球运动与逐日系统 （2）对于赤道 根据以上的判断方法，仔细看图： 赤道的地平圈始终与太阳的运动轨迹平面垂直，如下图 ： 对于赤道的点，春秋分时，太阳东升西落； 北半球夏半年时，太阳东北升，西北