第1章 太阳与太阳能

1.6 太阳常数和太阳光谱
1.6.1 太阳常数
太阳常数是指在日地平均距离处，地球大气层外（大气 上界）垂直于太阳光线的平面上，单位时间、单位面积内 所接受的所有波长的太阳总辐射能量值，它基本上是一个 常数，所以这个辐照度称为太阳常数。 太阳常数值被世界气象组织确定为： I0＝（13677）W/m2 对于不是垂直照射的情况，到达水平面上的太阳辐射强 度与太阳常数之间存在着下面的关系： I= I0sinh （2-11） 式中，h为太阳高度角； I0为太阳常数；I为投射到大气上界 水平面上的太阳辐射强度。
1.6 太阳常数和太阳光谱
地球绕太阳的运行规律
地球自转：地球绕着通过它本身南极和北极的“地轴” 自西向东转动。每转一周（360）为一昼夜，一昼夜又分为 24h（实际一个恒星日为23小时56分4.0905秒），所以地球 每小时自转15。 地球公转：地球绕太阳循 着偏心率很小的椭圆形轨道 (黄道)上运行，称为“公转”。 其周期为一年，一年为365天 （实际一个恒星年为365天6小时 6分9秒）。
1.4 太阳能贮存方式
（1）电能贮存 （2）热能贮存 （3）潜热贮存 （4）化学贮存 （5)太阳池贮存 （6）氢能贮存 （7）机械能贮存
1.5 经度和纬度的确定
1.5.1 地球的纬线与纬度
地轴：地球自转的轴线，通过地球的南北极和地球中心。 赤道：地球中腰与赤道垂直且与南北极距离相等的大圆 圈。 纬线：赤道的南北两边若干与赤道平行的圆圈，即纬 圈，构成纬圈的线段，称为纬线。 纬度：赤道南、北各有90，规定赤道为纬度0，分别向 两极排列，南、北极分别为南、北纬90。纬圈越小，纬度 越高。纬度的高低标志气候的冷热。 0~30，低纬度区； 30~60，中纬度区； 60~90，高纬度区。
1.7 太阳高度角和方位角
太阳赤纬角
一年中太阳赤纬角的变化规律
1.7 太阳高度角和方位角
（1）太阳高度角h 太阳中心直射到地面的光线与当地水平面间夹角(h)，表 示太阳的高度。在天文学中，太阳高度角的计算公式为 sinh=sinsin+coscoscos （2-3） 式中，为观测点地理纬度；为当日观测时刻的太阳赤纬 角；为观测时刻的太阳时角。其中单位均以度（）计。 正午时，＝0，cos=1，式（2-3）可简化为 sinh=sinsin+coscos=cos() 因为cos()＝sin[90()]，所以， sinh= sin[90()] （2-4）
1.6 太阳常数和太阳光谱
地球绕太阳的运行规律
地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾 斜成2327的夹角（黄赤交角），而且地球公转时其自转轴 的方向始终不变，总是指向天球的北极。
图1-4 地球绕太阳运行及其影响
1.6 太阳常数和太阳光谱
1.6 太阳常数和太阳光谱
太阳的视运动
地球上人们观察到的太阳运动轨迹，称太阳视运动（The sun looks at motion），实质是相对运动。
1.7 太阳高度角和方位角
太阳的视位置，用太阳的高度角和方位角表示，如图1-9 所示。
图1-9 太阳高度角和方位角
1.7 太阳高度角和方位角
太阳角的定义 （与地平面呈角的一 个倾斜面与太阳辐射的 几何关系）
Z-天顶；n-倾斜面法线；S-指向太阳的向量；-倾斜面与水平面的夹角； z-天顶角，指向太阳的向量S与天顶Z的夹角；h-太阳高度角，指向太阳 的向量S与地平面的夹角；-太阳方位角，指向太阳的向量S在地面上的 投影与南北方向线间夹角；T-指向太阳的向量S与倾斜面法线n的夹角； n-法线n在地面上的投影与南北方向线的夹角
1.5 经度和纬度的确定
1.5.2 地球的经线与经度
经线：南北极间若干南北方向的且与赤道垂直的大圆
圈，即“经圈”，构成经圈的线段称为经线，即地面上连
接南北极的线，表示南北方向，所有经线长度相等。 经度：计算经度（0）的起始线，通过伦敦格林尼治天文 台原址的经线，规定为0经线，即本初子午线，它是确定地 球经度和全球时刻的标准参考线。子午线总长度40008km。 1.5.3 二十四节气
1.6 太阳常数和太阳光谱
太阳辐射光谱
太阳辐射能量随波长的分布，称为太阳光谱（能谱）。 发射光谱：连续光谱；明线光谱 吸收光谱：太阳光谱属于吸收光谱。 地球上界的太阳辐射光谱： 波长0.15~4.0m的光，99%； 0.4~0.76m(可见光)，40.3%； <0.4m(紫外光)，8.3%； >0.76m(红外光)，51.4%； 最大辐射能量波长，0.475m.
太阳辐射的光谱分布
1.7 太阳高度角和方位角
1.7.1太阳高度角和方位角定义
太阳高度角，太阳中心直射到地面的光线与当地水平面 间夹角(h)，表示太阳的高度，日出日落为0，正午为90。 太阳高度角是地面获得太阳能强弱的重要因素。太阳高度 角随纬度和时间变化，正午太阳高度角（h）计算公式： sinh=sinsin+coscoscost 式中，为观测点地理纬度；为太阳赤纬角；为地球自转 角速度；t为地方时。可视为常数(15/h)，则有 sinh=sinsin+coscos=cos() 太阳方位角，太阳光线在地平面上的投影与当地子午线 正南方的夹角()，向西为正，向东为负，变化范围180； 它表示它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。
对流区：0.8~1.0R范围，温度5000度，密度108g/cm3；
太阳能量主要靠对流传播。
1.1 太阳基本物理参数及结构
1.1 太阳基本物理参数及结构
1.1.2 太阳的结构—如图1-1所示
2.外三层—太阳外部（太阳大气） 光球层：厚度500km，温度5700℃，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，太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。 太阳黑子产生。 色球层：厚度2000km，温度由内向外升高，4300℃~几 万度；边缘产生日珥、耀斑（极光）等。 日冕层：内冕层高度17万km，温度100万度；外冕层高 度在17万km以上，温度低于内冕层。 太阳大气分层并不严格，实际是连续变化的。
（GB：标煤燃烧值29305kJ/kg）
1.3 太阳能量的传递和辐射方式
太阳辐射能（地球表面辐射能）
到达地球表面的太阳辐射能大体分为三部分： 一部分转变为热能（约4.0 l013 kW)，使地球的平均温度 大约保持在l4℃，造成适合各种生物生存和发展的自然环 境，同时使地球表面的水不断蒸发，造成全球每年约50 1016 km3的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落 在陆地上，这就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。 第二部分（约有3.7 1013 kW）用来推动海水及大气的对 流运动，这便是海流能、波浪能、风能的由来。 第三部分（约4 1012 kW ）的太阳能被植物叶子的叶绿素 所捕获，成为光合作用的能量来源 。
1.7 太阳高度角和方位角
（1）太阳高度角h 正午时，若太阳在天顶以南，即>，取sin[90 ()]， 从而有 h=90 若太阳在天顶以北，即<，取sin[90 ()]，从而有 h=90 在南北回归线上，有时正午时太阳正对天顶，则＝， 从而有h＝90。 注意：地理纬度，北半球取正值，南半球取负值；太阳 赤纬角，太阳位于赤道以北时取正值，位于赤道时=0， 位于赤道以南时取负值。
太阳能光伏发电应用原理
黄汉云编著
第1章 太阳和太阳能
第1章 太阳和太阳能
太阳和太阳能
1.1 太阳基本物理参数及结构
1.1.1 太阳基本物理参数
太阳是距地球最近的恒星。 半径： R=6.96 105 km (地球的109倍）； 体积：1.4122107 km3(地球的130万倍）；
质量：约为1.99×1027t（地球质量的33万倍）；
图1-5a观察者在南纬或北纬35时所观察到的太阳的视运动 （是地球自转平面(赤道平面)与地球围绕太阳公转平面 (黄道平面)之间的夹角(＝2327′＝23. 45) ）
1.6 太阳常数和太阳光谱
1.6.2 太阳光谱
（1）太阳光谱的定 （2）光谱的分类
1.6 太阳常数和太阳光谱
1.6 太阳常数和太阳光谱
1.7 太阳高度角和方位角
（1）太阳高度角h 例1 计算夏至日南回归线上的正午太阳高度角。 解：夏至日正午太阳赤纬角 =2327； 南回归线纬度 = 2327<。 所以太阳高度角为 h=90 ()=90 ( 23272327)=4306 例2 计算春分日北极圈上的正午太阳高度角。 解：春分日正午太阳赤纬角 =0； 北极圈纬度 = 6633>。 所以太阳高度角为 h=90 ()=90 (66330)=2327
太阳高度角、方位角、日照时间的计算
太阳赤纬角－库珀方程 太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以表 示（见图2-8）。在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但 不超过2327的范围。夏天最大变化到夏至日的+2327， 冬天最小变化到冬至日的2327。 太阳赤纬按库珀(Cooper)方程计算 284 n δ 23.45 sin 360 365 式中，n为一年中从元旦算起的日期序号，如在春分，n=81, 则=0。 自春分日起的第d天的太阳赤纬为 2d δ 23.45 sin 365
1.1 太阳基本物理参数及结构
1.1.2 太阳的结构—如图1-1所示 1. 里三层—太阳内部 核反应区：0.25R内，温度1500万度，太阳一半的质 量，压力约2500亿大气压；氢聚合时放出射线，这种射线 通过较冷区域时，消耗能量，增加波长，变成X射线或紫 外线及可见光。 辐射区：0.25~0.8R范围，温度13万度，密度0.079g/cm3; 太阳能量通过这个区域由辐射传输出去。
太阳辐射光谱
太阳发射的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（能谱）。太阳以光辐射的形式将能量传 送到地球表面，但由于地 球大气层的存在，到达地 面的太阳光谱与大气上界 的太阳光谱有所不同，其 辐射光谱分布如图2-9所示。 图中阴影部分，表示太阳 辐射被大气所吸收的部分。
太阳辐射的光谱分布
1.3 太阳能量的传递和辐射方式
1.3.2 太阳能量的辐射
（1）辐射的分类
（2）影响太阳能
量辐射的因素
1.3 太阳能量的传递和辐射方式
太阳辐射能
太阳组成：炙热的气体火球(氢：71.3%，氦：27%，其 它： 1.8%) ； 太阳能：核聚变反应（氢聚变成氦） 6.57× 1011kg/s氢6.531011kg/s氦 质量亏损m=0.4× 1010kg/s 能量转换E=mc2 =3.901023 kW 总辐射功率：3.8651026J/s(相当于1.321016t标煤能量/s); 地球上界辐射能：1.771014 kW(二十二亿分之一 )； 地球表面辐射能： 8.51013kW (大气衰减)。
1.1 太阳基本物理参数及结构
太阳表面结构
1.1 太阳基本物理参数及结构
极光
日珥
1.1 太阳基本物理参数及结构
1.1.3 太阳的成分
氢：占太阳体积的71.2%
Hale Waihona Puke Baidu
氦：占27%
其他：占1.8%
1.2 太阳能的来源
1.3 太阳能量的传递和辐射方式
1.3.1 太阳能量的传递
图1-3（1）太阳结构和能量 传递方式示意图
1.7 太阳高度角和方位角
太阳的时角
太阳的时角用 表示，它定义为：在正午时＝0，每隔 1小时增15，上午为正，下午为负。 例如： 上午11时，＝+15； 上午8时， ＝15(128)=60； 下午1时， ＝-15； 下午3时， ＝-153＝-45。
1.7 太阳高度角和方位角
平均密度：1.409g/cm3(地球密度的1/4)；160g/cm3(核心)； 温度：5770℃(表面)，1.56107 ℃(核心)； 日地平均距离：1.5108km； 太阳光到达地球表面时间：约818； 年龄：约50亿年； 寿命：100亿年。 自转周期：25-30天 距最近的恒星的距离：4.3光年 宇宙年：225百万年 总辐射功率：3.83×1026J/s