第一章_太阳能基础知识

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
太阳科普知识
太阳能的来源
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。
§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。
微 波
远红外 超远红外 毫米波 厘米波 分米波
6.0m~15m 15m~1mm
1~10毫米
绿
黄 橙
0.50~0.56m
0.56~0.59m 0.59~0.62m
1~10厘米 10厘米~1米
红
0.62~0.76m
不同电磁波的具体波长范围
可见光波长范围
太阳辐射最强的波段为？
你能从图中获得哪些信息？ 0.4 微米 0.76微米
§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。
2 n I 0 Isc 1 0.034cos Isc r 365
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
（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。
§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－ ２５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。
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。
§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±３．３％的变化， 如图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％。
§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。
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。
活动形 太阳大 式 气层
黑子 光球层
对地球的影响
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。 磁暴，影响短波通讯，干扰电子设 备，甚至威胁宇航器。 极光
耀斑、 日珥 色球层
太阳风 日冕层
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
太阳活动发射的电 无线电短波受干扰甚 磁波扰动地球大气 至中断 层(其中的电离层) 太阳大气抛出的高 黑子、耀 出现“磁暴”现象 能带电粒子扰动地 球磁场 斑增多时 太阳大气抛出的高 两极高空出现极光 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
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太 阳 光 谱
§1-3
太 阳 光 谱
§1-3
名称
紫外线 可见光 红 外 线 近红外 中红外
太 阳 光 谱
波长范围
100Å~0.4m
0.4m~0.76m 0.76m~3.0m
色彩
紫 蓝 青
波长范围
0.40~0.43m 0.43~0.47m 0.47~0.50m
3.0m~6.0m
§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 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。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”。
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
大气层外太阳辐射(W/m2)
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)
§1-3 太 阳 光 谱
§1-3
太阳辐射光谱及 波长范围与能量比率
太阳能的来源
太阳外部结构表
层 位 次 置
光 球
概念 明亮发光的太 阳表面 光球外呈玫瑰 色的大气 色球外很稀薄 的完全电离的 太阳大气
厚 度
亮 温 度 度
太阳活动 太阳 活动 主要 标志
黑子
由 色 里 球 到 外
日 冕
逐 渐 变 厚
逐 渐 变 弱
逐 渐 变 高
耀斑 日珥
太阳风
太阳活动对地球的影响
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。
§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
一、太阳的构造
第一章
1.1
太阳能基础知识
太阳能来源 太阳常数 太阳光谱 1.2 1.3
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、 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、
§1-3
太 阳 辐 照 度 分 布 曲 线 参教 考材
太 阳 光 谱
1calcm-2min-1m-1 = 697.8 Wm-2
表1-2：太阳光谱辐 照度的积分值
表1-3：没有大气时地表水平面上 太阳辐照日总量月平均值
§1-3
太 阳 光 谱
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％。
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
太阳的结构
核反应区 辐射区 对流区 太阳大气
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。 温度：约1500万 K 压力：约2500亿atm 密度：约158 g/cm3 占总能量的99%
太阳能的来源
内球：内球的外层是出于对流之中的流体区域 太阳 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。
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 巨大的能量?
4.太阳辐射对地球和人 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。
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
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。
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 地球的距离是随时间也就是随地球在椭圆轨道上的位 置不同而有所差异的，如下图所示。
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。
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 气 层
色球层—耀斑，日珥 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