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1、 新能源在建筑中的应用Beijing University of Technology赵耀华 教授 全贞花 副教授Beijing University of Technology主要内容可再生能源在建筑中的应用概述1太阳能热水系统 3太阳能利用基础知识2太阳能供热4太阳能光伏发电与热电联供6太阳能空调5太阳能建筑一体化7太阳能蓄存、采光、遮阳与通风8Beijing University of Technology二、太阳能利用基础知识内容 ：2.1太阳简介 2.2地球绕太阳的运行规律 2.5 太阳能利用的特点与基本方式 2.4太阳能资源分布 2.3太阳辐射强度计算与测量要求：了解我国太阳能资源
2、分布情况，掌握太阳能转换利用基本原理。学习太阳能转换技术途径和方法。掌握太阳辐射能、高度角、方位角等基本概念。学习太阳能光热转换和光电转换的技术途径和常用设备，了解与建筑结合的太阳能利用设备和系统形式等。 Beijing University of Technology2.1太阳简介1.1.1太阳结构太阳是离地球最近的一颗恒星。太阳是一个主要由氢（约 78.4%）和氦（约19.8%）组成的气体火球。日地间的距离为 1.49597892l08km。从地球上望去，太阳的张角为3159，把 角度换算成弧度再乘上日地距离，便可得出太阳的直径为140万 公里（1.392106km），这是地球直径的109
3、倍，如图21所示 。其体积是地球的130 多万倍。太阳的质量为1.9891027t，为 地球质量的33万倍。太阳的平均密度为14g/cm3，只有地球的 四分之一，比水重近50。实际上，太阳各处的密度相差悬殊 ，外层的密度比较小，内部在承受外部巨大压力的倩况下，密 度高达160 g/cm3，正因为如此，日心的引力要比地心的引力大 29倍。Beijing University of Technology2.1太阳简介直径139000km地球=12700km距离为1.510830% km太阳地球图1.太阳结构及其与地球距离太阳主要由两大部分组成，即太阳内部 和太阳大气。太阳内部分为核心、内部 中间层
4、（辐射层）和对流层三个层次。 太阳大气分为光球层、色球层和日冕三 个层次。Beijing University of Technology2.1太阳简介 1.核心区太阳热能产生的基地 太阳的核心区域半径是太阳半径的1/4， 约为整个太阳质量的一半以上。太阳核心 的温度极高，达到1500万，压力也极大 ，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生 ，从而释放出极大的能量。这些能量再通 过辐射层和对流层中物质的传递，才得以 传送到达太阳光球的底部，并通过光球向 外辐射出去。太阳中心区的物质密度非常 高。每立方厘米可达160克。太阳在自身 强大重力吸引下，太阳中心区处于高密度 、高温和高压状态。是太阳巨大能
5、量的发 祥地。 太阳中心区产生的能量的传递主 要靠辐射形式。Beijing University of Technology2.1太阳简介 2.辐射区太阳能先通过这里传播出去 太阳中心区之外就是辐射层，辐射层的范围 是从热核中心区顶部的0.25个太阳半径向外 到0.71个太阳半径，这里的温度、密度和压 力都是从内向外递减。从体积来说，辐射层 占整个太阳体积的绝大部分。 3.对流区太阳能经过这里向太阳表层传 播。 太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过 程。即从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳 大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层 气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的 上下对流运动。这是太
6、阳内部结构的最外层 。Beijing University of Technology2.1太阳简介 4.光球 太阳光球就是我们平常所看到的太阳圆面 ，通常所说的太阳半径也是指光球的半径 。光球层位于对流层之外，属太阳大气层 中的最低层或最里层。光球的表面是气态 的，其平均密度只有水的几亿分之一，但 由于它的厚度达500千米，所以光球是不透 明的。 太阳黑子是光球层上的巨大气流旋涡，大 多呈现近椭圆形，在明亮的光球背景反衬 下显得比较暗黑，但实际上它们的温度高 达4000左右，太阳黑子的变化存在复杂 的周期现象，平均活动周期为11.2年。这 种变化反映了太阳辐射能量的变化。Beijing Un
7、iversity of Technology2.1太阳简介 5.色球 紧贴光球以上的一层大气称为色球层，平 时不易被观测到，过去这一区域只是在日 全食时才能被看到。色球层厚约8000千米 ，它的化学组成与光球基本上相同，但色 球层内的物质密度和压力要比光球低得多 。光球顶部接近色球处的温度差不多是 4300，到了色球顶部温度竟高达几万度 ，再往上，到了日冕区温度陡然升至上百 万度。在色球上人们还能够看到许多腾起 的火焰，这就是天文上所谓的“日珥”。 日珥分成宁静日珥、活动日珥和爆发日珥 。Beijing University of Technology2.1太阳简介 6.日冕 日冕是太阳大气的
8、最外层。日冕中的物质 也是等离子体，它的密度比色球层更低， 而它的温度反比色球层高，可达上百万摄 氏度。在日全食时在日面周围看到放射状 的非常明亮的银白色光芒即是日冕。 日 冕的范围在色球之上，一直延伸到好几个 太阳半径的地方。日冕还会有向外膨胀运 动，并使得冷电离气体粒子连续地从太阳 向外流出而形成太阳风。由上述可知，太阳并非是一恒定温度的黑体，而是有许多层不 同波长放射、吸收的辐射体。但是在利用太阳能热辐射系统中， 则将太阳看成是一个温度为5762K，波长为0.3-3m的黑色辐射体 。Beijing University of Technology2.1太阳简介1.1.2太阳辐射1.太阳光
9、谱太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱， 见图2。从图中可看出，大气上界太阳光谱能量分布曲线 ，与用普朗克黑体辐射公式计算出的6000K的黑体光谱能 量分布曲线非常相似。因此可以把太阳辐射看作黑体辐射 。图2.太阳光谱Beijing University of Technology2.1太阳简介 2.太阳常数太阳辐射通过星际空间到达地球表面。当日地距离为平 均值，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线， 每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量称为太阳常数 ，用Rsc(Solar constant)表示，单位为（ W/m2 ）。1981年世 界气象组织推荐的太阳常数值ISG=1
10、3677（W/m2），通常采 用1367W/ m2。Beijing University of Technology2.1太阳简介3.太阳辐射在地球大气层中的衰减大气层中不少气体分子是辐射吸收性 气体，如氧、二氧化碳等，所以当天空 太阳辐射透过地球大气层是，受到大气 层的强烈衰减，一是受到氧、臭氧、水 汽和二氧化碳等的吸收，二是受到大气 层中空气分子、水汽和尘埃等反射或折 射，从而形成慢向辐射。人们把改变了 原来辐射方向，又无特定方向的这部分 太阳辐射，称为太阳散射辐射。太阳辐 射的部分辐射能将返回宇宙空间，另一 部分到达地球表面。直射辐射与散射辐 射之和称为总辐射。图3.太阳辐射在大气中的减
11、弱Beijing University of Technology2.1太阳简介4.大气质量：太阳光线穿过地球大气层的路程与太阳在天 顶位置时光线穿过地球大气层的路程之比。完全 不同于通常所说的“质量”。规定：在海平面上，当太阳处于天顶位置时 ，太阳光线垂直照射所通过的路程为1。大气质量 记为m。大气层上界的大气质量m0。Beijing University of Technology2.1太阳简介地表海平面上任意一点A 点的大气质量计算式为 ：图3.大气质量Beijing University of Technology2.2地球绕太阳的运行规律2.2.1地球绕太阳的运行规律 地球的自转：地
12、球绕地轴不 断地自西向东旋转，其周 期为24h。由于地球的自转，产生昼 夜交替的现象。图4.太阳受日射 情况示意图Beijing University of Technology2.2地球绕太阳的运行规律地球的公转：由于地球自转轴与黄道平面法线的夹 角为2327 ，并且地球的自转轴在公转时在空间的 方向始终保持不变，使得太阳光线有时直射赤道 ，有时偏南，有时偏北，从而形成地球上季节的 变化。图5.太阳绕日运动Beijing University of Technology2.2地球绕太阳的运行规律2.2.2 几个重要的天文参数（赤道坐标系）（1）赤纬角：地球中心与太阳中心连线与地球赤道 平面的
13、夹角。它与所在地区无关，仅由日期决定式中：-赤纬角n-为一年中的日期序号 由春分算起的第d天的 太阳赤纬，则：Beijing University of Technology2.2地球绕太阳的运行规律图6 .赤道坐标系 图7. 太阳赤纬年变化Beijing University of Technology2.2地球绕太阳的运行规律（2）时角：每小时地球自转的角度为15，因此可采 用一天中地球自转的角度来表示时间。用来表示时 间的地球自转的角度称为时角，并规定正午时角为 零，上午时间取负，下午时角为正。 真太阳时H 的规定：以当地太阳位于正南向的瞬时为 正午。 时差e: 真太阳时与钟表指示时间（
14、平太阳时）之间的 差值。 时差产生的原因：1）太阳与地球之间的距离和相对位 置随时间变化。2）地球赤道平面与黄道平面成一定 的夹角2327。Beijing University of Technology2.2.2 几个重要的天文参数（地平坐标系）（1）天顶角 ：地球表面上某点水平面的法线与 太阳光线的夹角。为太阳高度角2.2地球绕太阳的运行规律图8.天顶角Beijing University of Technology2.2地球绕太阳的运行规律（2）太阳高度角式中， 太阳高度角为地理纬度为太阳赤纬为时角图9.太阳高度角Beijing University of Technology2.2地球
15、绕太阳的运行规律（3）太阳方位角s：太阳至地面上某给定点的连线 在水平面上的投影与正南向（当地子午线）的夹角 。规定：偏东为负，偏西为正。或者 ：图10.太阳方位角Beijing University of Technology2.2地球绕太阳的运行规律（4）日出日没角及日照时间：太阳视圆面中心出没 地平线的瞬间，称为日出和日没。日出和日没时， 太阳高度角 。则由太阳高度角公式可以求出日 出和日没的时角 为由于地球每小时自转 15，所以日用时间N可以 用日出日没时角的绝对 值除以15每小时得到：Beijing University of Technology2.3太阳辐射强度计算与测量2.3.
16、1 太阳辐射强度计算到达地面的太阳总辐射由两部分组成：一是太 阳以平行光的形式直接投射到地面上的太阳直射辐 射；另一个是经过散射后到达地面的散射辐射。1.到达地面水平面的太阳辐射强度（通量） （1）到达地表的法向太阳直射辐射强度式中 -日-地距离修正值；-订正到m=2时的 值Beijing University of Technology2.3太阳辐射强度计算与测量（2）水平面上的太阳直射辐射强度以及日总量 水平面上的太阳直射辐射强度：式中 -水平面上直射辐射通量， ；-垂直于太阳光线表面上的直射辐射强度， ；-太阳高度角，（ ）；-太阳天顶角，（ ）。Beijing University of Technology2.3太阳辐射强度计算与测量图11. 倾斜面上直射辐射射角的关系图图12. 太阳直射辐射通量与太阳高度角的关系Beijing Univ
