太阳能基础知识

§1-1 太阳能的来源
太阳的作用是很大的：
第一，太阳能的蕴藏量可以说是用不完，而且 不会产生废气污染环境。
第二，皮肤需要阳光，日光浴对身体有好处， 小孩老人孕妇都需要晒太阳，阳光中的紫外线 也有杀菌能力。
第三，太阳能带来光照，使地球的大气循环， 使日夜四季的轮替，使地球冷暖产生变化。
§1-1 太阳能的来源
（包括光热转换、光电转换及光与生物质能的转换）、 地球对太阳辐射的几种反射。
第一章 太阳能基础知识
教学重点：
太阳辐射、太阳能的吸收、转换与储存。
教学难点：
太阳光谱的分布、太阳辐射的分类、太阳能的转换形式。
§1-1 太阳能的来源
太阳科普知识
太阳是一颗自己会发光的恒星，它源源不断地把光和 热送给地球，使世界上的作物生长，是地球上生命和 能量的来源。我们生活的地球，围着太阳运动，形成 了日、夜和四季。太阳是一个大火球，日珥是喷出太 阳表现的巨大红色火焰；黑子是炽热的气体漩涡，因 为温度比周围低，所以看起来暗些。而日食的形成则 是当地球、月亮和太阳处于一条直线上，月亮的阴影 将太阳遮住而出现的天文现象。
上述结果表明，太阳常数只具有平均值的意义， 而并非通常意义下的“常数”。
§1-3 太 阳 光 谱
太阳光谱：太阳发射的电磁辐射在大气顶上随波长度分 布叫做太阳光谱。
到达地面的太阳 辐射光谱分布是 地外太阳光谱和 大气成分的函数， 它对于地面太阳 电池系统及其他 一些应用是十分 重要的。
§1-3 太 阳 光 谱
§1-2 太 阳 常 数
此外，太阳本身的活动也会引起太阳辐射能的 波动。但是，多年来在世界各地的观测结果表明 ，太阳活动峰值年比太阳活动宁静年的辐射量只 不过增大２．５％左右。因此，在一般情况下， 可以认为太阳辐射量是比较稳定的，从而提出了 “太阳常数”这一概念。
所谓太阳常数，就是指在日地平均距离处垂 直于太阳光线的平面上，在单位时间内单位面积 上所接收到的太阳辐射能。它的单位可以用毫瓦 ／厘米２或者瓦／米。
113太阳光谱月份大气层外太阳辐射wm2大气层外太阳辐射能与月份变化规律113太阳光谱地球外太阳辐射光谱太阳常数1353wm2113太阳光谱太阳辐射光谱及波长范围与能量比率113太阳光谱113太阳光谱色彩波长范围紫040043??m蓝043047??m青047050??m绿050056??m黄056059??m橙059062??m红062076??m不同电磁波的具体波长范围可见光波长范围红红外外线线微微波波名称波长范围紫外线100?04??m可见光04??m076??m近红外076??m30??m中红外30??m60??m远红外60??m15??m超远红外15??m1mm毫米波110毫米厘米波110厘米分米波10厘米1米113太阳光谱紫紫蓝青绿黄橙赤04微米076微米你能从图中获得哪些信息
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。
太阳的结构
4、太阳大气
光球：太阳大气最底层，厚度约为500km。太阳的全部光 能几乎全从这个层次发出。太阳的连续光谱基本上就是光球 的光谱，太阳光谱内地吸收线基本上也是在这一层内形成。
色球：太阳大气的中层，是光 球向外延伸到几千公里高度。
§1-4 太阳高度角和方位角
日照的基本原理
日照的作用与建筑对日照的要求 – 日照:就是物体表面被太阳光直接照射的现象 . – 日照时数:是表示太阳照射的时数 . – 日照率:是以实际日照时数与同时间内 (如年、 月、日等)的最大可照时数的百分比。 – 日照的作用:促进生物机体的新陈代谢;防病;杀 菌;供热;立体. – 建筑对日照的要求：是根据建筑的不同使用性 质而定 .2h;3h
温度：约1500万 K 压力：约2500亿atm 密度：约158 g/cm3
占总能量的99%
对流 辐射
向外辐射
太阳的结构
2、辐射区
在核反应区外面，所属范围从0.25～0.8R，温度下 降到13万度，密度下降为0.079 g/cm3，在太阳核心 产生的能量通过这个区域由辐射传输出去。
3、对流区
在辐射区外面，所属范围从0.8～1.0R，温度下降为 5000K，密度为10-8 g/cm3，能量主要靠对流传播。
太阳常数
§1-2 太 阳 常 数
太阳常数Isc：在平均日地距离时，地球大气层上
界垂直于太阳光线表面的单位面积上单位时间内所接收
到的太阳辐射能。其参考值为Isc = (1367±7) W/m2。
I0
Isc
1
0.034
cos
2 n
365
Iscr
Isc：平均日地距离时的太阳辐射强度 I0：大气层上界某一任意时刻的太阳辐射强度 n：距离1月1日地天数 r：日地间距引起的修正值
太阳大气抛出的高 能带电粒子扰动地 球磁场
太阳大气抛出的高 能带电粒子与极地 高空大气碰撞产生
影响地球气候变化
尚在研究中
§1-1 太阳能的来源
二、太阳的主要成分
氢：78％
太阳的主要成分
氧 :20％
§1-2 太 阳 常 数
地球除自转外并以椭圆形轨道绕太阳运行
地球与太阳之间的距离不是一个常数
地球大气层上界的太阳辐射强度 随日地间距离的不同而不同 由于日地间的距离很大，其相对变化量是很小的，由 此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过±3.4%。这就意 味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。
§1-2 太 阳 常 数
1957年，国际辐射委员建议在整个国际地球物理 年观测资料中，将太阳常数的值取为１３８.４毫瓦 ／厘米２或者１３８４瓦／米２。随着测量技术的不 断提高，太阳常数的观测值也越来越精确了。
近年来，利用人造卫星、火箭和高空气球观测的 结果，已将太阳常数的值测定为１３５.７毫瓦／厘 米２或者１３５７瓦／米２。
太 阳
太阳概况
1.什么是太阳 辐射?
2.太阳辐射的能 量有多大?
3.为什么太阳有如此 4.太阳辐射对地球和人
巨大的能量?
类有什么影响?
太阳辐射大约只有二十二亿 分之一到达地球。
太阳辐射
太阳是一个巨大炽热的气体球， 主要成分是氢和氦，表面温度约
为6000K 。
在日地平均距离条件下， 在地球大气上界，垂直于太 阳光线的1平方厘米面积上， 1分钟接受到的太阳辐射能量， 称为太阳常数。
层位 次置
太阳外部结构表
概念
厚 亮温 度 度度
太阳活动
光
明亮发光的太
球
阳表面
由
逐 逐逐
色 里 光球外呈玫瑰 渐 渐 渐 球 到 色的大气 变 变 变
外
厚 弱高
日 冕
色球外很稀薄 的完全电离的
太阳大气
黑子 耀斑
太阳 活动 主要 标志
日珥
太阳风
太阳活动对地球的影响
活动形 太阳大 式 气层
对地球的影响
太阳能的热储存方式、光敏电阻的工作原理， 太阳能的特点。
（2） 理解太阳的主要组成元素、 太阳高度角和方位角的概念、太阳光谱的分布、
第一章 太阳能基础知识
太阳光谱能量分布、可见光的波段范围、 太阳直接辐射和散射辐射的概念、 光生伏打效应的概念。 （3）重点掌握太阳的基本参数、 太阳能的几种常用转换形式
太阳
太阳是一个主要 由氢和氦组成的炽 热的气体火球
半径：6.96x105km （地球半径的109倍）
质量：约为1.99x1027t （地球质量的33万倍）
表面有效温度：5762K 中心区域温度：几千万度
太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应， 每 秒 有 6.57x1011kg 的 氢 聚 合 生 成 6.53x1011kg 的 氦，连续产生3.90x1023kW的能量。
一、太阳的构造
太阳
内球：内球的外层是出于对流之中的流体区域
太阳大气
光球层：平常能看见的部分
色球层：最外面一层密度很小的 日冕，形状不规则。
太阳系
太阳是离地 球最近的一颗 恒星，也是太 阳系的中心天 体，位于离银 河系中心约3 万光年。它的 质量占太阳系 总质量的 99.865%。
太阳系
太阳也是太阳 系里唯一自己 发光的天体， 它给地球带来 光和热。没有 太阳光的辐射， 地面的温度将 很快地降低到 接近绝对零度。
§1-3 太 阳 光 谱
表２列出了各种颜色的波长及其光谱范围。
§1-4 太阳高度角和方位角
1957年，国际辐射委员建议在整个国际地球物理 年观测资料中，将太阳常数的值取为１３８．４毫
的不断提高，太阳常数的观测值也越来越精确了。 近年来，利用人造卫星、火箭和高空气球观测的结
上述结果表明，太阳 常数只具有平均值的意义，而并非通常意义下的“ 常数”。
太阳辐射和太阳常数
§1-2 太 阳 常 数
太阳常数 由于地球是沿一椭圆轨道围绕太阳公转的，所以太阳到 置不同而有所差异的，如下图所示。
§1-2 太 阳 常 数
由此可见，在一年当中，日地之间的距离变化可达 ５×１０６千米，这个数字的绝对值虽然很大，但是与日 地之间的平均距离相比，却只有± 图１所示。 因此，这种距离变化所引起的到达地球大气 上界的太阳能的变化量最多也只有±６．７％。
第一章 太阳能基础知识
1.1 太阳能来源 1.2 太阳常数 1.3 太阳光谱 1.4 太阳高度角和方位角 1.5 太阳直接辐射和散射辐射 1.6 太阳能的吸收、转换和储存 1.7 我国太阳能资源
1.8 太阳能利用的广阔前景
第一章 太阳能基础知识
教学要求：
（1） 了解太阳能的热核反应、 太阳常数的概念、太阳的物质形态、散射的概念、 大气的散射和吸收、地球对太阳辐射的几种反射、
黑子
光球层
太阳活动高峰年、太阳活动低峰年， 11年为周期。地球气候变化。
耀斑、 日珥 色球层
磁暴，影响短波通讯，干扰电子设 备，甚至威胁宇航器。
太阳风 日冕层
极光
太阳活动对地球的影响
出现时间 太阳活动的影响
产生原因
黑子、耀 斑增多时
无线电短波受干扰甚 至中断
出现“磁暴”现象两极高Fra bibliotek出现极光太阳活动发射的电 磁波扰动地球大气 层(其中的电离层)
太阳辐射波长的 范围很广，波长 从0～。不同波 长的辐射能力差 异很大。波长在 很长和很短的部 分内，能量都很 小，绝大部分能 量 集 中 在 0.20 ～ 4m之间，占太 阳辐射总能量的 99％。
大气层外太阳辐射(W/m2)
§1-3 太 阳 光 谱
月份
大气层外太阳辐射能与月份变化规律
地球外太阳辐射光谱 (太阳常数＝1353W/m2)
紫蓝青绿黄橙赤
§1-3 太 阳 光 谱
太阳辐射是电磁辐射的一种，它是物质的一种形 式，既具有波动性，也具有粒子性，在本质上与无 线电波没有什么差异，只是波长和频率不同而已。 太阳辐射光谱的主要波长范围为０.１５～４微米， 而地面和大气辐射的主要波长范围则为３～２０微 米。在气象学中，就根据波长的不同，常把太阳辐 射叫做短波辐射，而把地面和大气辐射叫做长波辐 射。
日冕：太阳大气最外层，为极 端稀薄的气体壳，可延伸到几 个太阳半径之远。
该分层仅有形式意义，各层 之间并不存在明显界限。
太阳大气环
日冕层—太阳风
太
阳 大
色球层—耀斑，日珥
气
层 光球层—黑子
太阳内部
太阳大气结构及太阳活动示意图
§1-1 太阳能的来源
§1-1 太阳能的来源
§1-1 太阳能的来源
§1-1 太阳能的来源
太阳光谱是连续的，且辐射特性与绝对黑体辐射近似；
能量各波段所占比例不同，近紫外、可见光、近红外和 中红外部分约占太阳总辐射的84.62%；X射线、射线、 远紫外、远红外及微波波段的总能量不到1%。
地表接受的太阳辐射曲线与大气外的曲线不同，差异主 要由大气引起。
吸收：水、氧、臭氧、二氧化碳等；散射。
§1-3 太 阳 光 谱
毫米波
微 波
厘米波
分米波
1~10毫米 1~10厘米 10厘米~1米
不同电磁波的具体波长范围
色彩 波长范围
紫
0.40~0.43m
蓝
0.43~0.47m
青
0.47~0.50m
绿
0.50~0.56m
黄
0.56~0.59m
橙
0.59~0.62m
红
0.62~0.76m
可见光波长范围
太阳辐射最强的波段为？ 你能从0.图4 微中米获得哪0些.76信微息米？
太
1calcm-2min-1m-1 = 697.8 Wm-2
阳
辐
照
度
分
布
曲
线
参 教 表1-2：太阳光谱辐 表1-3：没有大气时地表水平面上
考材
照度的积分值
太阳辐照日总量月平均值
§1-3 太 阳 光 谱
实线是大气上界的太 阳辐射光谱； 虚线是温度在 6000K 时 的 黑 体 辐 射光谱。
太阳辐射能随波长的分布曲线。
§1-3 太 阳 光 谱
太阳辐射的光谱可以划分为几个波段。波长短于 ０.４微米的称为紫外波段，从０.４微米到０.7５微 米的称为可见光波段，而波长长于０.７５微米的则 称为红外波段， 它还可以细分为近红外０.７５－２ ５微米和远红外２５－１０００微米两个波段。 在 可见光谱的波长范围内，不同波长的电磁辐射对于 人眼产生不同的颜色感觉。
§1-3 太 阳 光 谱
§1-3 太 阳 光 谱
太阳辐射光谱及 波长范围与能量比率
§1-3 太 阳 光 谱
§1-3 太 阳 光 谱
名称
波长范围
紫外线
100Å~0.4m
可见光
0.4m~0.76m
近红外
0.76m~3.0m
红 外
中红外
3.0m~6.0m
线
远红外
6.0m~15m
超远红外
15m~1mm
这些能量以 电磁波的形式 以 3x105km/s 的速度穿越太 空射向四面八 方。地球只接 收到总辐射的 22亿分之一。
太阳的结构
由内向外 内部分为核心层（日核）、 辐射层、对流层 大气层又分为光球层、色 球层及日冕
核反应区 辐射区 对流区 太阳大气
太阳的结构
太阳的结构
1、核反应区
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。