1、太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 第四章 太陽輻射 1. 太陽概況 太陽是一個巨大的熾熱的氣體球,其內部不 斷進行著熱核反應,因而釋放巨大的能量。 太陽的直徑約為139,比地球的直徑大109.3 倍。 太陽的體積約1.4122107km3,比地球的體 積大130。 太陽與地球的平均距離約1.5億公里。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 太陽外貌 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 太陽的表面溫度約57000C,中心高達2107 0C,壓力約為2000多億個大氣壓。 太陽的質量約1.98921027 t,相當于地球 質量的333400倍。 太陽的平均密度為1.41g/cm3,僅為地球密

2、 度的1/4。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 太陽每秒鐘釋放出的能量是3.8651026J， 相當于每秒鐘燃燒1.321016標準煤所發出 的能量。 太陽發出的能量大約只有1/22億到達地球， 大約為173104億KW。其中被大氣吸收大約 19%；被大氣和塵粒反射回宇宙空間大約30%； 穿過大氣到達地球表面的太陽輻射能約占 51%(81104億KW) 。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 太陽能量在大氣層中的吸收 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 到達陸地表面大約只有17 104億KW， 只占到達地球范圍內太陽輻射能的10%。 17 104億KW的能量相當于全球一年內 消耗總能

3、量的3.5萬倍。 被植物吸收的僅占0.015% ，被人類作為 燃料和食物的僅占0.002%。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 2. 太陽輻照度 單位時間內,太陽以輻射形式發射的能量稱為 太陽輻射功率或輻射通量,單位是瓦(W)。 太陽投射到單位面積上的輻射功率(輻射通量) 稱為輻射度或輻照度,單位是瓦/平方米(W/m2)。 在一段時間內(如每小時、日、月、年等)太 陽投射到單位面積上的輻射能量稱為輻射量或 輻照量,單位是千瓦時/平方米日(月、年) 。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 由于歷史的原因，有時還用到不同的單位 制，需要進行單位換算: 1kwh = 3.6MJ 1卡 = 4.

4、1868J = 1.16278mwh 1MJ/m2 = 23.889卡/cm2 = 27.8mwh/ cm2 1kwh/m2 = 85.98卡/cm2 = 3.6MJ/m2 =100mwh/ cm2 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 3. 日地運動 地球繞地軸自西向東旋轉，自轉一周即一晝 夜24小時。 地球同時繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌 道(常稱黃道)上運行，稱為公轉，周期為一年. 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 地球公轉 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 日地運動 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 地球的自轉軸與公轉運行的軌道面(黃道面) 的法線傾斜成23027夾角，而

5、且在地球公轉 時自轉軸的方向始終指向天球的北極，這就 使得太陽光線直射赤道的位置有時偏南，有 時偏北，形成地球上季節的變化。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 4.天球坐標 人們站在地球表面，仰望天空，平視四周所看 到的這個假想球面。按照相對運動原理，太 陽好象在這個球面上周而復始地運動。 要確定太陽在天球上的位置，最方便的方法 是采用天球坐標。 常用的天球坐標有赤道坐標系和水平坐標 系兩種。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (1).赤道坐標系 是以天赤道QQ為基本圈，以天子午圈的交 點Q為原點的天球坐標系， PP 分別為北天 極和南天極。通過PP 的大園都垂直于天赤 道。顯然，通過

6、P和球面上的太陽(S)的半園 也垂直于天赤道,兩者相交于B點。 在赤道坐標系中，太陽的位置S由下列兩個 坐標決定: 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 QQ P P( 北天極) 天赤道B S O 赤道坐標 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 a. 時角 相對于圓弧QB，從天子午圈上的Q點起算 (即從太陽的正午起算)，順時針方向為正；逆 時針方向為負。即上午為負；下午為正。通 常以表示，它的數值等于離正午的時間(小 時)乘以150。 b. 赤緯 相對于圓弧，從天赤道起算，通常以表示。 對于太陽來說，春分和秋分日的 =00,向北天 極由00變化到夏至日的+23027；向南天極由 00變化到冬至

7、日的23027。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 太陽赤緯可用Cooper方程近似計算: 其中: n為一年中的日期序號，如元旦為n =1， 春分為n = 81。 例題1. 計算9月22日的赤緯. 解 : 9月22日時， n = 265，代入上式得: =-0.60 與地區無關。 365 284 360sin45.23 n 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (2). 地平坐標系 是人在地球上觀看空中的太陽相對于地平面 的位置。這時，太陽相對地球的位置是相對 于地平面而言的。通常用高度角和方位角兩 個坐標決定。 在某個時刻，由于地球上各處的位置不同， 因而各處的高度角和方位角也不相同。 太

8、陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 S 南 西 東 太陽 Q O g P Z Z S S S S 地平坐標 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 a. 天頂角Z 太陽光線OP與地平面法線QP之間的夾角。 b.高度角s 太陽光線OP與其在地平面上投影線pg之間的夾 角,它表示太陽高出水平面的角度。常用s表示 高度角與天頂角的關系是: Z+ s =900 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 c. 方位角s 太陽光線在地平面上投影和地平面上正南方 向線之間的夾角s。它表示太陽光線的水平 投影偏離正南方向的角度。 取向南方向為起始點，向西(順時針方向 ) 為正，向東為負。 太陽能發電原理及科學應用講

9、座太 陽能 5. 太陽角的計算 (1).太陽高度角的計算 高度角和緯度、赤緯及時角的關系是: 太陽正午時， = 0，可簡化為: 當正午太陽在天頂以南，即時: s= 900+ 當正午太陽在天頂以北，即時: s= 900+=900 31. 120 +(0.60)=58.280 下午3時的太陽高度角: sins=sin31.12sin(0.6) +cos31.12cos (0.6)cos45=0.5998 s = 36.860 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (2). 方位角s的計算 方位角與赤緯、高度角、緯度及時角的關系 是: coscos sinsinsin cos s s s s s c

10、os sincos sin 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 例題3. 計算上海地區9月22日14時的太陽方位 角s 解: 由例題1可知: =0.60， =31.120， =215=300 先求高度角: sin s = sin31.12sin(0.6) +cos31.12cos (0.6) cos30 = 0.7359 s = 47.380 代入: s = 47.600 7384. 0 38.47cos 30sin)6 . 0cos( sin s 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (3). 日出日落時角0 日出日落時太陽高度角為0，可得到: c o s 0 = tantan 由于 c

11、o s 0 = c o s ( 0 ) 0日出 = 0 ； 0日落 = 0 以度表示，負值為日出時角，正值為日落時 角。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (4). 日照時間N 由于地球每小時自轉150，所以日照時間N 可以用日出日落時角的絕對值之和除以150/小 時。 )tantanarccos( 15 2 15 00日出日落 N 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 例題4. 計算上海地區在冬至的日出日落時角 及全天日照時間。 解: 上海的=31.120 ,冬至日的太陽赤緯 = 23.450,代入公式得: cos0= tantan = tan31.12tan( 23.45) = 0.2

12、619 0 = 74.820 全天日照時間 N = 274.82/15 = 9.98小時 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (5). 日出日落時的方位角 日出日落時太陽高度角為s= 0 所以: coss= 1； sins= 0 代入: cos s,0 = sin/sin 上式得到的日出日落時的方位角都有兩組解， 因此必須選擇一個正確的解。我國所處位置 大致可劃分為北熱帶(023.450)和北溫帶 (23.45066.550)兩個氣候帶。當太陽赤緯00 時，太陽升起和降落都在北面的象限(即數學 上的第一，二象限) ；00時,太陽升起和降落 都在南面的象限(即數學上的第三，四象限) 。 太陽能

13、發電原理及科學應用講座太 陽能 例題5. 求上海地區9月22日日出日落的方位 角及全天日照時間:. 解:由以上例題已知:上海地區的=31.120 , 9月22日太陽赤緯:=-0.60 代入: cos s,0 = -sin/sin = - sin(-0.60)/sin31.120 = 0.01223 s,0 = 89.300;或 s,0 = - 89.300 s,0出 =- 89.300; s,0落 = 89.300 全天日照時間: 小時 91.11 15 30.8930.89 N 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 6. 大氣層外的太陽輻射 (1)太陽常數 在平均日地距離上，在地球大氣層上界

14、， 垂直子于太陽光線的平面上，單位時間內在 單位面積上所獲得太陽輻射能的數值。 根據1981年10月在墨西哥召開的世界氣象 組織儀器和觀測方法委員會第8屆會議通過的 最新數值: Isc = 13677w/m2 實際上一年中日-地距離是變化的，因此Isc的 值也稍有變化。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (2). 到達大氣層上界的太陽輻射 大氣層上界水平面上的太陽輻射日總量H0可 以用下式計算: 其中: Isc 太陽常數 0 日出日落時間 太陽赤緯 日-地距離變化引起大氣層上界 的太陽輻射通量的修正值: )coscoscossinsin( 24 000 sc IH 365 2 cos034

15、. 01 n 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (3). 大氣質量 m 太陽光線穿過地球大氣的路徑與太陽光線在 天頂方向垂直時的路徑之比。并假定在1個標 準大氣壓和00C時，海平面上太陽光線垂直入 射時的路徑為1。 因此大氣層上界的大氣質量 m=0。太陽在其 他位置時，大氣質量都大于1。 大氣質量越大，說明光線經過大氣的路徑越 長，受到衰減越多，到達地面的能量就越少。 例如此值為1.5時，通常寫成AM1.5。 大氣層上界為AM0。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 地面上的大氣質量計算公式為: m = cosz= 1/sins 其中: z 太陽天頂角; s 太陽高度角 太陽能發電原理及

16、科學應用講座太 陽能 7. 到達地表的太陽直接輻射 (1). 大氣透明度 大氣透明度是表征大氣對于太陽光線透過程 度的一個參數。在晴朗無云的天氣，大氣透 明度高，到達地面的太陽輻射能就多。在天 空中云霧或風沙灰塵多，大氣透明度低，到 達地面的太陽輻射能就少。 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 根據布克-蘭貝特定律，波長為的太陽輻射I,0， 經過厚度為dm的大氣層后，輻射衰減為: 將上式積分得: 式中: I,n到達地表的法向太陽輻射光譜強度 I,0大氣層上世界的太陽輻射光譜 強度 C 大氣的消光系數 m 大氣質量 mc n eII 0 , dmICdI n0, 太陽能發電原理及科學應用講座太

17、 陽能 上式也可寫成: 式中: 稱為單色光譜透明度 將上式從波長0到的整個波段積分,就可 得到全色太陽輻射: m n PII 0, c eP dPII m n 0 0, 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 采用整個太陽輻射光譜范圍內的單色透明度 的平均值,上式積分后為: 或: 式中: Pm 復合透明系數 日-地距離修正值 m mscn PII m sc n m I I P 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (2). 到達地表的法向太陽直接輻射強度 為了比較不同大氣質量情況下的大氣透明度， 必須將大氣透明度訂正到某個給定的大氣質 量。例如將大氣質量為m的大氣透明度Pm值訂 正到大氣質量為2

18、的大氣透明度P2。 式中: 日-地變化修正值. Isc 太陽常數. 訂正到m =2時的Pm值. m scn PII 2 m P 2 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (3). 水平面上太陽直接輻射 c In z s I b B 水平面 A 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 由于太陽直接輻射入射到AC和AB平面上的 能量是相等的。 式中: Ib水平面上直接輻射量 s 太陽高度角 z 太陽天頂角 因此: znsnb IIIcossin s m mscb PIIsin 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 水平面上的日總輻射量 將上式從日出到日落的時間內積分,得到: 式中:Hb為水平面直接輻

19、射日總量.將式中的dt 改用時角表示,即: ,則有: 式中: T 晝夜長(一天為1440分鐘); 0 日出日落時角 dPI T H m mscb )coscoscossin(sin 2 0 dtPIdtPIH s t m mscs m m t scb sinsin 00 d T dt 2 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (4). 傾斜面上的太陽直接輻射通量 IT,b / In = cos T IT,b = In cos T 其中: T為傾斜面上 的太陽光線入射角 In IT,b 水平面 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (4). 傾斜面上的太陽直接輻射通量 式中: 傾斜面與水平面之間

20、的夾角 地理緯度 太陽赤緯 時角 n傾斜面的方位角 cossincossin coscoscossinsinsincossinsin coscoscossinsin(cos , n nn nbT II 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (5).傾斜面和水平面上直接輻射通量的比值Rb 水平面上的太陽輻射通量為: 傾斜面的太陽輻射通量為: 傾斜面和水平面上直接輻射通量的比值: TnbT IIcos , znb IIcos z T zn Tn b bT b I I I I R cos cos cos cos , 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 由天頂角: 對于朝向赤道的傾斜面,可以得到傾斜

21、面上太 陽光線的入射角: 代入得到: coscoscossinsin sin)sin(coscos)cos( b R coscoscossinsincos z coscoscossinsincos z sin)sin(coscos)cos(cos T 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (6). 傾斜面上的散射輻射 式中: IT,d傾斜面上散射輻射通量 Id 水平面上散射輻射通量 傾斜面與水平面之間夾角(傾角) ddT II 2 cos1 , 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 (7).太陽總輻射量 太陽總輻射量是到達地表水平面上的太陽 直接和散射輻射的總和 I = Ib+ Id 式中: I 太陽總輻射量 Ib 水平面上的直接輻射通量 Id 水平面上的散射輻射通量 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 到達傾斜面上太陽總輻射量的月平均值 式中: 傾斜面上總輻射日總量的月平均值 水平面上直接輻射日總量的月平均值 水平面上散射輻射日總量的月平均值 傾斜面與水平面上的直接輻射日總量月 平均值之比 ) 2 cos1 )( 2 cos1 dbdbbT HHHRHH b H d H b R T H 太陽能發電原理及科學應用講座太 陽能 Klien S A，Theilacker J C 在1981 年發表的計算方法： 其中: 傾斜面上的太陽總輻照