光伏发电技术2太阳辐射精要

《光伏发电技术2太阳辐射精要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光伏发电技术2太阳辐射精要（62页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 光伏发电技术光伏发电技术 第二章第二章 太阳辐射太阳辐射 2.1 太阳概况 2.2 太阳与地球 2.3 天球坐标 2.4太阳辐射量 2.5 我国太阳能资源 2.1 2.1 太阳概况太阳概况 1.太阳的基本参数 太阳是宇宙中的一颗恒星。 基本参数太阳地球 半径696000km109倍 体积1.411018km31302500倍 密度平均： 1.409g/cm3 中心：158g/cm3 倍 质量1.9891030kg33万倍 温度表面 ：5700oC 中心：几千万度 寿命50亿年 2.太阳的基本结构 （1）里三层 核反应区 辐射区 对流区 （2）外三层 （“大气层”） 光球层 色球层 日冕层 核

2、反应区 位置：在太阳半径25%（即0.25R）的区域内，是 太阳的核心，集中了太阳一半以上的质量。 化学组成：氢 71.2%,氦 27%，氧、镁、氮、硅、 硫、碳、硅、铜、铁、钴、钛等60多种元素仅占 1.8%。 参数：T=1500万度，P=2500亿大气压， 158g/cm3 热核反应：核心不停地发生着氢核聚变成为氦核的 热核反应（放出射线），每秒烧掉6亿多吨氢核燃 料，向周围空间释放巨大能量（以对流和辐射的方 式），这部分产生的能量占太阳总能量的99%。 辐射区（radiation zone） 位置：0.25R-0.8R 参数：T=13万度， 0.079g/cm3 辐射：太阳核心产生的能量

3、通过这个区域以辐射方 式传输出去。 对流区（convection zone) 位置：0.8R-1. 0R 参数：T=5000K， 10-8g/cm3 对流：能量主要靠对流传输，对流区及其里面的部 分是看不见的，它们的性质只能靠同观测相符合的 理论计算来确定。 光球层（ball of light） 人们平常看到的、能发出明亮耀眼的太阳圆斑。 太阳的可见光几乎全是由光球发出的。 参数：厚度500km，表面温度5700 太阳黑子：光球层上的黑斑，是具有强磁场的漩涡，由于 温度低，看起来是黑色的。黑子出现的情况不断变化，这 种变化反映了太阳辐射能量的变化。平均活动周期为11.2 年。 米粒组织：光球表

4、面有密密麻麻的斑点状结构，很像一颗 颗米粒。它们极不稳定，一般持续时间仅为5-10min，其温 度要比光球的平均温度高出300-400。目前认为，这种米 粒组织是光球下面气体的剧烈对流造成的。 色球层（chromosphere） 位置：紧贴光球以上的一层大气层，这一区域只是在日全食时才能被看到。 平均厚度约为2000km，是一层呈玫瑰色、稀疏透明的大气层。它由无数细小 的火舌组成，其宽度约为几百千米。色球层的温度从内向外呈增长趋势，它以发 出非可见光为主。 化学组成：主要由氢、氦、钙等离子构成，与光球基本相同。 日珥：在色球层的边缘，常常会突然窜出一片火舌般的气柱，高度可达几万公里， 甚至10

5、00多万公里（宁静日珥、活动日珥和爆发日珥）。 耀斑：在极短的时间内，突然增亮。耀斑的爆发会使地磁场受到干扰（这时指南 针失灵），电离层收到破坏，使它失去反射无线电波的功能，无线电通信尤其是 短波通信，以及电视台、电台广播，会受到干扰甚至中断，此外还会破坏输电网 （这对太阳能并网发电构成很大的威胁）。因此，检测太阳活动和太阳风的强度 ，适时作出空间气象预报，显得越来越重要。 日冕层 位置：在色球之上 参数：它的厚度很大，一直延伸至好几个太阳半径的 地方。 日冕层的亮度很小，仅为光球层的百万分之一， 但温度却很高，达到100多万度。 在日全食的短暂瞬间，常常可以看到太阳周围除 了绚丽的色球外，还

6、有一大片白里透蓝、柔和美丽的 晕光，这就是太阳大气的最外层。 日冕里的物质不但稀薄，而且还会向外膨胀，并 使得热电离气体粒子连续的从太阳向外流出而形成“太 阳风”。 2.2 2.2 太阳与地球太阳与地球 1.地球的形状略呈梨形 2.地球的自转 地球绕地轴自西向东旋转，自转一周即一昼夜24小时。 3.地球的公转 地球同时绕太阳循着称为黄道的椭圆形轨道运动。 其周期为一年。 地球自转轴与黄道面的法线倾斜成23.45 4.纬线与纬度 赤道：在地球中腰画一个与 地轴垂直的大圆圈，使圈上的 每一点都和南北两极的距离相等。 纬圈：在赤道的南北两边与 赤道平行的圆圈。 纬线：构成这些圆圈的线段。 纬度共有9

7、0,赤道纬度为0,向两极排列，圈子越小 ，纬度越大。位于赤道以北点的纬度叫北纬，记为N ，位于赤道以南点的纬度称南纬，记为S。南极就是 南纬90,北极就是北纬90.纬度高低也标志着气候的 冷热。 2.3 2.3 天球坐标天球坐标 天球：以观察者为球心，以任意长度为半径，其 上分布着所有天体的假想球面。 按照相对运动原理，太阳似乎在这个球面上自东 向西周而复始的运动。 赤道坐标系 常用的天球坐标 地平坐标系 2.3.1 赤道坐标系 天球赤道面：通过天球中心，与天轴相垂直的平 面。 天子午圈：通过南天极和北天极的大圆。 赤道坐标系：以天赤道QQ 为基本圈，以与天 子午圈的交点Q为原点的天球坐标系。

8、 通过北天极和球面上太阳 的半圆垂直于天赤道，两者 相交于B点。 在赤道坐标系中，太阳 的位置由时角和赤纬角 两个坐标决定。 1.时角 规定：相对于圆弧QB，从天子午圈上 的Q点算起（即从太阳的正午算起）， 顺时针方向为正，逆时针方向为负，即 上午为负，下午为正。 计算：离正午的时间15 例2.1 早晨10点的时角。 解：-2 15=- 30 例2.2 下午5点的时角。 解：5 15=75 2.赤纬角（declination angle） 定义：太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹 角。 春分日和秋分日 =0夏至日=23.45 冬至日 =-23.45 赤纬角仅仅与一年中的哪一天有关，而与地点 无

9、关。 赤纬角的计算Cooper方程 =23.45sin360 (284+n）/365 （ 2.1） n 一年中的日期序号。 例2.3 计算9月22日的赤纬角。 解：9月22日，n=265，代入（2.1）式 ， =23.45sin360 (284+265）/365 =-0.6 2.3.2 2.3.2 地平坐标系地平坐标系 地平面：天文学上指与地球半径成直角 的平面。 地平坐标系：太阳相对于地球的位置是 相对于地平面而言的。（天顶和天底） 1.天顶角s 太阳光线与地平面法线之间的夹角。 2.高度角s 太阳光线与其在地平面上投影线之间的夹角 ，表示太阳高出水平面的高度。 3.方位角s 太阳光线在地平

10、面上的投影和地平面上正南 方向线的夹角。 赤道坐标系和地平坐标系 2.3.3 2.3.3 太阳角的计算太阳角的计算 1.太阳高度角的计算 sin s =coss =sinsin+cos cos cos （ 2.2a） 正午时，时角 =0 sin s =coss =sinsin+cos cos （2.2b ） =sin90- - 当正午太阳在天顶以南，即 时 s = 90- + （2.2c） 当正午太阳在天顶以北，即 ，根据式（2.2c）可得 s = 90- 31.12+ （-0.6）=58.28 下午3时的时角为=3 15=45 sin s =sin31.12sin （-0.6） +cos 3

11、1.12cos （-0.6） cos 45=0.5998 s = 36.86 2.2.方位角方位角 s s 的计算的计算 sin s=cos sin /cos s （2.3 ） cos s=(sin s sin -sin )/（cos s cos ）（ 2.4） 例2.5 计算上海地区9月22日14时的太阳方位角 。 解：由例2.4可知上海地区的纬度=31.12， 9 月22日=-0.6， =2 15=30，先由（2.2a) 求高度角 sin s =sin31.12sin （-0.6） +cos 31.12cos （-0.6） cos 30=0.7359 s = 47.38，代入式（2.3）得

12、到 sin s=cos （-0.6） sin 30/cos 47.38=0.738 s= 47.6 3.日出、日落的时角 日出、日落时 s = 0，由此可得 cos s =-tan tan （2.5 ） 由于cos s =cos（- s ），有 sr =- s ， ss = s sr日出时角， ss日落时角 对于某个地点，太阳的日出和日落时角相对于 太阳正午是对称的。 4.日照时间 N= ( ss + sr )/15 =2arccos(-tan tan )/15 （2.6） 例2.6 计算上海地区在冬至日12月22日前后 的日出、日落时角及全天日照时间。 解：上海的=31.12， 冬至日=-2

13、3.45，代入（2.5）式得 cos s =-tan 31.12 tan （-23.45） =0.2619 sr =- 74.82 ， ss = 74.82 全天日照时间 N= (2 74.82 )/15=9.98h 5.日出日落时的方位角 日出、日落时太阳高度角 s0 = 0，则 cos s，0=-sin / cos （2.7） 例2.7 求上海地区9月22日的日出、日落方 位角。 解：上海的=31.12，9月22日 =-0.6， 代入(2.7)式，得 cos s，0=-sin / cos =-sin （-0.6）/cos 31.12 =0.0223 s，0 =89.30或 s，0 =- 8

14、9.30 2.4 2.4 太阳辐射量太阳辐射量 2.4.1 太阳辐射能 太阳的能量主要来源于太阳内部的核聚变反应 ，在核聚变过程中，质量亏损m约为0.4 1010kg， 亏损质量可连续产生约3.865 1023kw的能量。这些 能量以电磁波的形式穿越太空射向四面八方。地球 仅接收到太阳总辐射的二十二亿分之一，即有1.73 1014kw辐射能到达大气层上边缘，由于穿越大气 层时的衰减，最后约8.5 1013kw辐射能到达地球表 面。 到达地球表面的太阳辐射能大体分为三个部分： 一部分转变为热能（约4.0 1013kw），使地球的 平均温度大约保持在14，同时使地球表面的水 不断蒸发，是云、雨、雪

15、、江、河形成的原因； 一部分（ 约有3.7 1013kw ）用来推动海水及大 气的对流运动，这便是海洋能、波浪能、风能的 由来； 还有一少部分（ 约有0.4 1013kw ）被植物叶子 的叶绿素所捕获，成为光合作用的能量来源。 2.4.2太阳辐射光谱 太阳发射电磁辐射能量在大气上界随波长的分布， 称为太阳辐射光谱。太阳光谱大致可以分为三个光 谱区 占太阳辐射能量的百分比 紫外光谱 0.76 m 51.4% 太阳光谱的波长范围非常宽，但太阳辐射的能量不 是按波长均匀分布的，主要分布在0.3-3.0 m 。 2.4.3 太阳辐射能量换算关系 1.太阳辐射功率（辐射通量） 定义：单位时间内太阳以辐射形式发射的能量。 单位：W 2.辐射度（辐照度) 定义：太阳投射到单位面积上的辐射功率。