第2章太陽與太陽能何道清編制2011.12

由于太陽光照射，地面溫度保持在14℃左右。除原子能、地熱和火山爆發的能量外，地面上大部分的能源均直接或間接與太陽有關。

原子能：來源于院子的裂變和聚變，是院子本身的屬性，與太陽無關，也叫核能。（太陽能的氫聚變）

地熱能：來自地球內部的放射性元素，來源于地球自身蓄積的熱能，這些熱能來源于史前宇宙大爆炸，即與生俱來。

火山爆發：是地下巖漿活動的結果，是地球內力作用的結果。太陽輻射屬于外力作用，兩者沒有直接聯系。2.1太陽

地球上的能源主要有三個來源第一：來源于太陽能由千萬年以前的植物、動物尸體變成的煤、石油、天然氣等物質所含的能量間接來自與太陽生物能、水能、風能等也是太陽能的作用。第二：來自于地球內部的能源如地熱能第三：太陽、月亮等星球對地球的萬有引力所帶來的能量如潮汐能2.1太陽

太陽是一顆普通的恒星，目前在赫-羅圖上度過了主序生涯的一半左右。光度為383億億億瓦，絕對星等為4.8，他是一顆黃色G2型矮星太陽每25.4天自轉一周（平均周期；赤道比高緯度自轉得快），每2億年繞銀河系中心公轉一周。在人類歷史上，太陽一直是許多人頂禮膜拜的對象。中華民族的先民把自己的祖先炎帝尊為太陽神。而在古希臘神話中，太陽神則是宙斯(萬神之王)的兒子。2.1太陽2.1太陽

其實，太陽只是一顆非常普通的恒星，在廣袤浩瀚的繁星世界里，太陽的亮度、大小和物質密度都處于中等水平。只是因為它離地球最近，所以看上去是天空中最大最亮的天體。其它恒星離我們都非常遙遠，即使是最近的恒星，也比太陽遠27萬倍，看上去只是一個閃爍的光點。

太陽的年齡約為46億年，它還可以繼續燃燒約50億年。在其存在的最后階段，太陽中的氦將轉變成重元素，太陽的體積也將開始不斷膨脹，直至將地球吞沒。在經過一億年的紅巨星階段后，太陽將突然坍縮成一顆白矮星--所有恒星存在的最后階段。再經歷幾萬億年，它將最終完全冷卻。

2.1太陽2.1.1太陽基本物理參數太陽是距地球最近的恒星。半徑：R=6.96105km

(地球的109倍）；體積：1.4122107

km3(地球的130萬倍）；質量：約為1.99×1027t（地球質量的33萬倍）；

平均密度：1.409g/cm3(地球密度的1/4)；

160g/cm3(核心)；溫度：5770℃(表面)，1.56107

℃(核心)；

日地平均距離：1.5108km；太陽光到達地球表面時間：約818；

年齡：約50億年；壽命：100億年。

2.1太陽2.1.2太陽的結構—如圖2-1所示

1.里三層—太陽內部核反應區：0.25R內，溫度1500萬度，太陽一半的質量，壓力約2500億大氣壓；氫聚合時放出射線，這種射線通過較冷區域時，消耗能量，增加波長，變成X射線或紫外線及可見光。輻射區：0.25~0.8R范圍，溫度13萬度，密度0.079g/cm3;太陽能量通過這個區域由輻射傳輸出去。對流區：0.8~1.0R范圍，溫度5000度，密度108g/cm3；太陽能量主要靠對流傳播。

2.1太陽2.1.2太陽的結構—如圖2-1所示

圖2-1太陽結構和能量傳遞方式示意圖2.1太陽2.1.2太陽的結構—如圖2-1所示

圖2-1太陽結構示意圖2.1太陽2.1.2太陽的結構—如圖2-1所示

2.外三層—太陽外部（太陽大氣）光球層：厚度500km，溫度5700℃，太陽的全部光能幾乎全從這個層次發出。太陽的連續光譜基本上就是光球的光譜，太陽光譜內的吸收線基本上也是在這一層內形成的。太陽黑子產生。色球層：厚度2000km，溫度由內向外升高，4300℃~幾萬度；邊緣產生日珥、耀斑（極光）等。日冕層：內冕層高度17萬km，溫度100萬度；外冕層高度在17萬km以上，溫度低于內冕層。

太陽大氣分層并不嚴格，實際是連續變化的。2.2

太陽與地球2.2.1

地球的緯線與緯度

地軸：地球自轉的軸線，通過地球的南北極和地球中心。

赤道：地球中腰與赤道垂直且與南北極距離相等的大圓圈。

緯線：赤道的南北兩邊若干與赤道平行的圓圈，即緯圈，構成緯圈的線段，稱為緯線。

緯度：赤道南、北各有90，規定赤道為緯度0，分別向兩極排列，南、北極分別為南、北緯90。緯圈越小，緯度越高。緯度的高低標志氣候的冷熱。

0~30，低緯度區；

30~60，中緯度區；

60~90，高緯度區。2.2

太陽與地球2.2.1

地球的經線與經度

經線：南北極間若干南北方向的且與赤道垂直的大圓圈，即“經圈”，構成經圈的線段稱為經線，即地面上連接南北極的線，表示南北方向，所有經線長度相等。

經度：計算經度（0）的起始線，通過倫敦格林尼治天文臺原址的經線，規定為0經線，即本初子午線，它是確定地球經度和全球時刻的標準參考線。子午線總長度40008km。

2.2

太陽與地球2.2.2地球繞太陽的運行規律

地球自轉：地球繞著通過它本身南極和北極的“地軸”自西向東轉動。每轉一周（360）為一晝夜，一晝夜又分為24h（實際一個恒星日為23小時56分4.0905秒），所以地球每小時自轉15。地球公轉：地球繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道(黃道)上運行，稱為“公轉”。其周期為一年，一年為365天（實際一個恒星年為365天6小時6分9秒）。2.2

太陽與地球2.2.2地球繞太陽的運行規律

地球的自轉軸與公轉運行的軌道面（黃道面）的法線傾斜成2327的夾角（黃赤交角），而且地球公轉時其自轉軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。圖2-5地球繞太陽運行及其影響2.2

太陽與地球2.2.3太陽的視運動

地球上人們觀察到的太陽運動軌跡，稱太陽視運動（Thesunlooksatmotion），實質是相對運動。

圖2-6觀察者在南緯或北緯35時所觀察到的太陽的視運動（是地球自轉平面(赤道平面)與地球圍繞太陽公轉平面(黃道平面)之間的夾角(＝2327′＝23.45)）

2.2

太陽與地球太陽視運動軌跡的極坐標描述圖2-7觀察者在南緯35°時太陽視運動軌道的極坐標圖2.2

太陽與地球2.2.1太陽與地球的位置關系

1.天球與天球坐標系天球：觀察者為球心，任意長度為半徑的球面(圖2-2)；地平面，地平圈；

天頂和天底；周日運動

南天極和北天極，天軸；

天球赤道面，天赤道；

子午圈

圖2-2天球及天球坐標系

1.2

太陽與地球

2.赤道坐標系(時角坐標系)

以天赤道QQ’為基本圓，與天子午線圈交點Q為原點的天球坐標系，PP’分為為北天極和南天極，通過PP‘的大圓都垂直于天赤道，通過P和球面上太陽的半圓也垂直于天赤道，兩者相交于D點，在赤道坐標系中，太陽的位置B由時角ω和赤緯角δ兩個坐標決定。1.2

太陽與地球

2.赤道坐標系(時角坐標系)

（1）時角ω

相對于圓弧QD從天子午圈上的Q點起算（即從太陽的正午算起），時角是用角度表示時間，每15為一小時，上午為正，下午為負，正午時

=0，例如：上午11時，

=+15；上午8時，

=15(128)=60；下午1時，

=-15；下午3時，

=-153＝-45。1.2

太陽與地球

2.赤道坐標系(時角坐標系)（2）赤緯角δ

通常將太陽直射點的緯度即太陽中心和地心的連線與赤道平面的夾角稱為赤緯角，以δ表示。地球上太陽赤緯角的變化如圖所示。在一年當中，太陽赤緯每天都在變化，但不超過2327’的范圍。夏天最大變化到夏至日的+2327’

，冬天最小變化到冬至日的-2327’

。太陽赤緯按庫珀(Cooper)方程計算式中，n為一年中從元旦算起的日期序號，如在春分，n=81,則δ=0。

赤緯角僅僅與一年中的哪一天有關，而與地點無關，即地球上任何位置，同一天的赤緯角相同1.2

太陽與地球

2.赤道坐標系(時角坐標系)（2）赤緯角δ

赤緯角在一年中的0到23.45之間變化，但這個近似公式不能得到春分日、秋分日δ值同時等于0的結果，更為精確的近似公式為式中，N1=92.795（春分日到夏至日的天數），a1為從春分日開始計算的天數N2=93.629（夏至日到秋分日的天數），a2為從夏至日開始計算的天數N3=89.865（秋分日到冬至日的天數），a3為從秋分日開始計算的天數N4=89.012（冬至日到春分日的天數），a4為從冬至日開始計算的天數春分日a1=0，以此類推。計算精度提高了5倍1.2

太陽與地球

太陽赤緯角一年中太陽赤緯角的變化規律1.2

太陽與地球

3.地平坐標系

以地平圈為基本圓，天頂為基本點，南點為原點的天球坐標系，人在地球上觀看空中的太陽相對于地平面的位置時，通常用高度角h和方位角γ兩個坐標決定。

天頂角θz就是太陽光線與地平面法線之間的夾角。

高度角h是太陽光線與其在地平面上的投影線之間的夾角，它表示太陽高出水平面是高度。

h+θz=90

1.2

太陽與地球

3.地平坐標系

方位角

：太陽光線在地平面上的投影與地平面上正南方的夾角，它表示太陽光線的水平投影偏離正南方向的角度，向西為正，向東為負，變化范圍180；

它表示太陽的方位，決定太陽光的入射方向。1.2

太陽與地球

太陽的視位置，用太陽的高度角和方位角表示，如圖所示。

太陽高度角和方位角1.2

太陽與地球（1）太陽高度角h在天文學中，太陽高度角的計算公式為sinh=sinsin+coscoscos

（2-3）式中，為觀測點地理緯度；為當日觀測時刻的太陽赤緯角；為觀測時刻的太陽時角。其中單位均以度（）計。正午時，＝0，cos=1，式（2-3）可簡化為sinh=sinsin+coscos=cos()因為cos()＝sin[90()]，所以，sinh=sin[90()]（2-4）

1.2

太陽與地球

（1）太陽高度角h正午時，若太陽在天頂以南，即>，取sin[90()]，從而有h=90

（2-5）若太陽在天頂以北，即<，取sin[90()]，從而有h=90

在南北回歸線上，有時正午時太陽正對天頂，則＝，從而有h＝90。注意：地理緯度，北半球取正值，南半球取負值；太陽赤緯角，太陽位于赤道以北時取正值，位于赤道時=0，位于赤道以南時取負值。1.2

太陽與地球（1）太陽高度角h例2-1

計算夏至日南回歸線上的正午太陽高度角。解：夏至日正午太陽赤緯角

=2327；南回歸線緯度

=2327<。所以太陽高度角為h=90()=90(23272327)=4306

例2-2

計算春分日北極圈上的正午太陽高度角。解：春分日正午太陽赤緯角

=0；北極圈緯度

=6633>。所以太陽高度角為h=90()=90(66330)=23271.2

太陽與地球

（2）太陽方位角太陽方位角計算公式為（2-6）也可用下式計算（2-7）根據地理緯度、太陽赤緯及觀測時間，利用式（2-6）或式（2-7）中任一個可以求出任何地區、任何季節某一時刻的太陽方位角。1.2

太陽與地球（3）日照時間太陽在地平線的出沒瞬間，其太陽高度角h＝0，若不考慮地表面曲率及大氣折射的影響，根據式（2-3），可得出日出日沒時角的表達式cos＝tantan

（2-8）式中，為日出或日沒時角，以度表示；正為日出時角，負為日沒時角。對于北半球，當1≤tantan≤＋1，由式(2-8)可得＝arccos(tantan)(2-9)因為cos=cos()，所以出＝，沒＝。1.2

太陽與地球（3）日照時間由式（2-9）可求得任何季節、任何緯度上的晝長。求出時角后，日出日沒時間用求出，一天中可能的日照時間T（晝長）可由下式給出

(1-10)1.2

太陽與地球

例2-3

計算上海地區9月22日中午12時和下午2時的太陽高度角和方位角，以及該地區冬至日的日出日沒時角及全天日照時間。

解：①上海地區的緯度＝31.12。②9月22日距春分日的時間n＝265，則當日的赤緯角為③正午12時的時角＝0，下午2時的時角＝152＝-30。中午12時的太陽高度角：由于>，則h=90＋＝9031.12＋(0.6)＝58.281.2

太陽與地球④下午2時的太陽高度角：

Sinh＝sinsin+coscoscos＝sin31.12sin(0.6)＋cos31.12cos(0.6)cos30＝0.7359

h＝47.38下午2時的太陽方位角由此可得＝47.6。1.2

太陽與地球⑤冬至日的太陽赤緯角＝23.45，則cos＝tantan＝tan31.12tan(23.45)＝0.2619因此，上海地區冬至日的日出時角出＝74.82，日落時角沒＝74.82，全天日照時間2.3.1

太陽的成分（書1.2）炙熱的氣體火球

主要成分是氫和氦氫：約71.2%氦：約27%其他元素如氧、鎂、氮、硅、硫、碳、銅、鐵、鈷、鈦等60多種元素：1.8%

地球的大氣由77%氮，21%氧，1%其他元素組成2.3

太陽能2.3

太陽能2.3.1

太陽輻射能太陽能：核聚變反應（氫聚變成氦）6.57×1011kg/s氫6.531011kg/s氦質量虧損m=0.4×1010kg/s能量轉換E=mc2=3.901023kW

總輻射功率：3.8651026J/s(相當于1.321016t標煤能量/s);地球上界輻射能：1.771014kW(二十二億分之一)；地球表面輻射能：8.51013kW(大氣衰減)。（GB：標煤燃燒值29305kJ/kg）2.3

太陽能2.3.1太陽輻射能（地球表面輻射能）到達地球表面的太陽輻射能大體分為三部分：一部分轉變為熱能（約4.0l013kW)，使地球的平均溫度大約保持在l4℃，造成適合各種生物生存和發展的自然環境，同時使地球表面的水不斷蒸發，造成全球每年約50

1016km3的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落在陸地上，這就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。第二部分（約有3.71013kW）用來推動海水及大氣的對流運動，這便是海流能、波浪能、風能的由來。第三部分（約41012kW）的太陽能被植物葉子的葉綠素所捕獲，成為光合作用的能量來源

。

2.3

太陽能2.3.1太陽輻射能（地球上的能流圖）火山0.3太陽輻射173000單位：106MW短波的直接反射52000直接轉換為熱能81000121000長波輻射40000光合作用40化石燃料風、波浪370蒸發、降雨39590衰變潮汐3地熱322.3

太陽能

太陽能輻射量太陽在單位時間內以輻射形式發射出的能量稱太陽的輻射功率，也叫輻射通量，單位是瓦特(W=J/s)；投射到單位面積上的輻射通量叫輻照度，單位是瓦/米2(W/m2)；從單位面積上接收到的輻射能稱為曝輻射量，單位為焦耳/米2(J/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照量，單位是千瓦時/(平方米日(月、年))（kWh/(m2d(m、y))。單位換算：

1kWh=3.6MJ1cal=4.1868J=1.1627mWh1MJ/m2=23.889cal/cm2=27.8mWh/cm21kWh/m2=85.98cal/cm2=3.6MJ/m2=100mWh/cm22.3

太陽能

2.3.2太陽輻射光譜太陽發射的電磁輻射能量在大氣上界隨波長的分布，稱為太陽輻射光譜（能譜）。太陽以光輻射的形式將能量傳送到地球表面，但由于地球大氣層的存在，到達地面的太陽光譜與大氣上界的太陽光譜有所不同，其輻射光譜分布如圖2-9所示。圖中陰影部分，表示太陽輻射被大氣所吸收的部分。圖2-9太陽輻射的光譜分布2.3

太陽能

2.3.2太陽輻射光譜

太陽輻射能量隨波長的分布，稱為太陽光譜（能譜）。發射光譜：連續光譜；明線光譜吸收光譜：太陽光譜屬于吸收光譜。地球上界的太陽輻射光譜：波長0.15~4.0m的光，99%；0.4~0.76m(可見光)，40.3%；

<0.4m(紫外光)，8.3%；

>0.76m(紅外光)，51.4%；最大輻射能量波長，0.475m.圖2-9太陽輻射的光譜分布2.3

太陽能2.3.3到達地球表面上的太陽輻射能

1.太陽常數（solarconstant）太陽常數是指在日地平均距離處，地球大氣層外（大氣上界）垂直于太陽光線的平面上，單位時間、單位面積內所接受的所有波長的太陽總輻射能量值，它基本上是一個常數，所以這個輻照度稱為太陽常數。太陽常數值被世界氣象組織確定為：I0＝（13677）W/m2對于不是垂直照射的情況，到達水平面上的太陽輻射強度與太陽常數之間存在著下面的關系：I=I0sinh

（2-11）式中，h為太陽高度角；I0為太陽常數；I為投射到大氣上界水平面上的太陽輻射強度。2.3

太陽能

2.到達地球表面上的太陽輻射能到達地面的太陽輻射一部分以平行光的方式直接到達，稱為直接輻射；另一部分是太陽光線經大氣散射，投射到地面的稱為散射輻射；直接輻射與散射輻射的總和為地球接受到的太陽總輻射能量。

圖2-10大氣對太陽輻射的影響2.3

太陽能

（1）影響地球表面上太陽輻射能的因素

①天文因素：日地距離；太陽赤緯角；太陽時角。②地理因素：地理位置；海拔高度。③物理因素：大氣透明度；接受太陽輻射面的表面物理化學性質，包括表面涂層性質。④幾何因數：接收太陽輻射面的傾斜度和方位角。圖2-10大氣對太陽輻射的影響2.3

太陽能

（2）大氣層對太陽輻射的衰減作用—大氣衰減

大氣衰減在于大氣層中的各種氣體、水滴、塵埃等雜質對太陽光的作用，形成大氣層對太陽光線是一種不透明介質，主要衰減作用：①吸收作用；②散射作用；③漫反射作用。大氣衰減與太陽光線經過大氣的路徑長短有關，路徑越長，衰減越厲害。（與太陽高度相關）圖2-10大氣對太陽輻射的影響2.3

太陽能

（3）大氣質量m為了能夠方便地研究太陽輻射受地球大氣衰減作用的影響，將太陽輻射通過大氣的厚度稱為大氣質量（air-mass，AM），其確切定義是：太陽光線通過大氣的實際距離與大氣的垂直厚度之比，它是一個無量綱的量，用m表示。圖2-11大氣質量示意圖2.3

太陽能海平面上太陽光線垂直入射（太陽高度角h＝90）時，m=1，記為AM1；大氣層上界的大氣質量m=0（AM0）；m=1.5，寫成AM1.5，表示太陽光線通過大氣的實際距離為大氣垂直厚度的1.5倍。

大氣質量越大，說明太陽光線經過大氣的路徑越長，受到的衰減越多，到達地面的能量就越少。大氣質量計算公式圖2-11大氣質量示意圖2.3

太陽能

3.落在傾斜表面上的輻射落在水平面上的直射成分S需要轉換成在相對水平面傾角為的斜面上的直射成分S，如圖2-12所示。

h＝＝90

-南半球緯度，適用于位于南半球，朝北的太陽能組件；

h＝90+-北半球緯度，適用于位于北半