光伏发电技术2太阳辐射

光伏发电技术第二章太阳辐射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1.41×1018km31302500倍密度平均：1.409g/cm3中心：158g/cm3¼倍质量1.989×1030kg33万倍温度表面：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，ρ≈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γ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（radiationzone）位置：0.25R-0.8R参数：T=13万度，ρ≈0.079g/cm3辐射：太阳核心产生的能量通过这个区域以辐射方式传输出去。对流区（convectionzone)位置：0.8R-1.0R参数：T=5000K，ρ≈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（balloflight）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1000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90°,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。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ω和赤纬角δ两个坐标决定。1.时角ω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δ（declinationangle）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δ=0°夏至日δ=23.45°冬至日δ=-23.45°◆赤纬角仅仅与一年中的哪一天有关，而与地点无关。赤纬角的计算——Cooper方程δ=23.45sin[360×(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，δ=23.45sin[360×(284+265）/365]=-0.6°2.3.2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θs太阳光线与地平面法线之间的夹角。2.高度角αs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γs太阳光线在地平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太阳角的计算1.太阳高度角的计算sinαs=cosθs=sinφsinδ+cosφcosδcosω（2.2a）正午时，时角ω=0sinαs=cosθs=sinφsinδ+cosφcosδ（2.2b）=sin[90°-φ-δ]当正午太阳在天顶以南，即φδ时αs=90°-φ+δ（2.2c）当正午太阳在天顶以北，即φδ时αs=90°+φ-δ（2.2d）例2.4计算上海地区9月22日中午12时和下午3四时的太阳高度角。解：上海地区的纬度是φ=31.12°，由例2.3得到δ=-0.6°，正午12时的时角ω=0由于φδ，根据式（2.2c）可得αs=90°-31.12°+（-0.6°）=58.28°下午3时的时角为ω=3×15°=45°sinαs=sin31.12°sin（-0.6°）+cos31.12°cos（-0.6°）cos45°=0.5998αs=36.86°2.方位角γs的计算sinγs=cosδsinω/cosαs（2.3）cosγs=(sinαssinφ-sinδ)/（cosαscosφ）（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φ=31.12°，9月22日δ=-0.6°，ω=2×15°=30°，先由（2.2a)求高度角sinαs=sin31.12°sin（-0.6°）+cos31.12°cos（-0.6°）cos30°=0.7359αs=47.38°，代入式（2.3）得到sinγs=cos（-0.6°）sin30°/cos47.38°=0.738γs=47.6°3.日出、日落的时角日出、日落时αs=0°，由此可得cosωs=-tanφtanδ（2.5）由于cosωs=cos（-ωs），有ωsr=-ωs，ωss=ωsωsr日出时角，ωss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=(ωss+∣ωsr∣)/15=2arccos(-tanφtanδ)/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φ=31.12°，冬至日δ=-23.45°，代入（2.5）式得cosωs=-tan31.12°tan（-23.45°）=0.2619ωsr=-74.82°，ωss=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αs0=0°，则cosγs，0=-sinδ/cosφ（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φ=31.12°，9月22日δ=-0.6°，代入(2.7)式，得cosγs，0=-sinδ/cosφ=-sin（-0.6°）/cos31.12°=0.0223γs，0=89.30°或γs，0=-89.30°2.4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、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λ占太阳辐射能量的百分比紫外光谱0.39μm8.3%可见光谱0.39-0.76μm40.3%红外光谱0.76μm51.4%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0.3-3.0μm。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。单位：w/m23.辐照量定义：在一段时间内太阳投射到单位面积上的辐射能量。单位：千瓦时/（平方米·日（月、年））kwh/m2·d（m、y）4.太阳辐射能量换算关系1cal=4.1868J=1.1628mWh（毫瓦时）1kWh（千瓦时）=1000000mWh（毫瓦时）=3.6MJ（兆焦）=859.845kcal（千卡）1MJ/m2=23.889cal/cm2=27.78mWh/cm2=1kWh/m2=3.6MJ/m285.98cal/cm2=100mWh/cm22.4.3大气层外的太阳辐射1.太阳常数由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数。某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5×108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们采用“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。太阳常数在地球大气层外，平均日地距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上所获得的太阳辐射能。世界气象组织确定其值为ISC=1367±7W/m22.到达大气层上界的太阳辐射大气层上界