太陽(yáng)能熱利用-太陽(yáng)能輻射

1、1太陽(yáng)能利用太陽(yáng)能利用第二章 太陽(yáng)輻射22.1 地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn) 地球的自轉(zhuǎn)：地球的自轉(zhuǎn)：地球繞地軸不斷自西向東旋轉(zhuǎn)，其周地球繞地軸不斷自西向東旋轉(zhuǎn)，其周期為期為24h。由于地球的自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生。由于地球的自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生晝夜交替晝夜交替的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 黃道平面：黃道平面：地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道平面。地球自轉(zhuǎn)地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道平面。地球自轉(zhuǎn)軸與黃道平面法線的夾角為軸與黃道平面法線的夾角為2326。 地球的公轉(zhuǎn)：地球的公轉(zhuǎn)：由于地球自轉(zhuǎn)軸與黃道平面法線的夾由于地球自轉(zhuǎn)軸與黃道平面法線的夾角為角為2327，并且地球的自轉(zhuǎn)軸在公轉(zhuǎn)時(shí)在空間的，并且地球的自轉(zhuǎn)軸在公轉(zhuǎn)時(shí)在空間的方向始終保持不變，

2、有時(shí)太陽(yáng)光線有時(shí)直射赤道，方向始終保持不變，有時(shí)太陽(yáng)光線有時(shí)直射赤道，有時(shí)偏南，有時(shí)偏北，從而形成地球上有時(shí)偏南，有時(shí)偏北，從而形成地球上季節(jié)變化季節(jié)變化。342.2 描述太陽(yáng)能的常用單位描述太陽(yáng)能的常用單位 輻射通量輻射通量：太陽(yáng)以輻射形式發(fā)出的功率，亦稱輻射：太陽(yáng)以輻射形式發(fā)出的功率，亦稱輻射功率，單位功率，單位W 輻照度輻照度：投射到單位面積上的輻射通量，單位：投射到單位面積上的輻射通量，單位W/m2 太陽(yáng)常數(shù)太陽(yáng)常數(shù)：地球位于日地平均距離時(shí)，地球大氣層：地球位于日地平均距離時(shí)，地球大氣層上邊界處，垂直于太陽(yáng)光線的表面上，單位面積、上邊界處，垂直于太陽(yáng)光線的表面上，單位面積、單位時(shí)間所接

3、受的太陽(yáng)輻射能，以單位時(shí)間所接受的太陽(yáng)輻射能，以I0表示。表示。 最新測(cè)量結(jié)果表明：最新測(cè)量結(jié)果表明： I0=（13677）W/m25太陽(yáng)的能量：太陽(yáng)的能量：61 1、大氣質(zhì)量：、大氣質(zhì)量：太陽(yáng)光穿過(guò)地球大氣層的路程與太陽(yáng)太陽(yáng)光穿過(guò)地球大氣層的路程與太陽(yáng)在天頂位置時(shí)光線穿過(guò)地球大氣層的路程之比。在天頂位置時(shí)光線穿過(guò)地球大氣層的路程之比。完全不同于通常所說(shuō)的完全不同于通常所說(shuō)的“質(zhì)量質(zhì)量”。規(guī)定：規(guī)定：把太陽(yáng)垂直照射地面時(shí)，把太陽(yáng)垂直照射地面時(shí)，光線所穿過(guò)的大氣路徑為光線所穿過(guò)的大氣路徑為1.1.忽略地球曲率的影響，大氣質(zhì)忽略地球曲率的影響，大氣質(zhì)量量m由下式計(jì)算：由下式計(jì)算：hmsin12.3

4、 影響地球表面太陽(yáng)輻射能的因素：影響地球表面太陽(yáng)輻射能的因素：2、大氣透明度：、大氣透明度：太陽(yáng)輻射通過(guò)地球大氣層時(shí)衰減的太陽(yáng)輻射通過(guò)地球大氣層時(shí)衰減的程度，記為程度，記為P 。一般情況下，透明度大的大氣，。一般情況下，透明度大的大氣，其能見(jiàn)度也大。其能見(jiàn)度也大。73 3、太陽(yáng)高度角太陽(yáng)高度角h h：地球表面上某點(diǎn)與太陽(yáng)的連線與地球表面上某點(diǎn)與太陽(yáng)的連線與地平面之間的夾角。地平面之間的夾角。wconhcossinsinsin式中，式中， -當(dāng)?shù)鼐暥?，單位為?dāng)?shù)鼐暥龋瑔挝粸?-赤緯角，單位為赤緯角，單位為 -太陽(yáng)時(shí)角，單位為太陽(yáng)時(shí)角，單位為可見(jiàn)，可見(jiàn)，h隨隨地區(qū)地區(qū)、季節(jié)季節(jié)及及每日時(shí)刻每日時(shí)刻

5、的變化而變化。的變化而變化。8)365284360sin(45.23n4、赤緯角、赤緯角：地球中心與太陽(yáng)中心連線與地球赤道平：地球中心與太陽(yáng)中心連線與地球赤道平面的夾角。與所在地區(qū)無(wú)關(guān)，僅由日期決定：面的夾角。與所在地區(qū)無(wú)關(guān)，僅由日期決定：式中，式中，n為一年中日期序號(hào)為一年中日期序號(hào)5、時(shí)角、時(shí)角 ：每小時(shí)地球自轉(zhuǎn)的角度為每小時(shí)地球自轉(zhuǎn)的角度為15，因此可采，因此可采用一天中地球自轉(zhuǎn)的角度來(lái)表示時(shí)間。用來(lái)表示時(shí)用一天中地球自轉(zhuǎn)的角度來(lái)表示時(shí)間。用來(lái)表示時(shí)間的地球自轉(zhuǎn)的角度稱為時(shí)角，并規(guī)定正午時(shí)角為間的地球自轉(zhuǎn)的角度稱為時(shí)角，并規(guī)定正午時(shí)角為零，上午時(shí)角取負(fù)，下午時(shí)角取正。零，上午時(shí)角取負(fù)，下

6、午時(shí)角取正。96 6、日照時(shí)間日照時(shí)間T T：太陽(yáng)在地平線出沒(méi)的瞬間，其太陽(yáng)高度角太陽(yáng)在地平線出沒(méi)的瞬間，其太陽(yáng)高度角h=0。 正值對(duì)應(yīng)日沒(méi)時(shí)角，負(fù)值對(duì)應(yīng)日出時(shí)角。正值對(duì)應(yīng)日沒(méi)時(shí)角，負(fù)值對(duì)應(yīng)日出時(shí)角。例：計(jì)算昆明地區(qū)北緯例：計(jì)算昆明地區(qū)北緯25的地方的地方7月月21日的日照時(shí)間。日的日照時(shí)間。 對(duì)于對(duì)于7月月21日：日： )tantan(cos10w1520wT )365284360sin(45.23n=23.44北緯北緯25的地方：的地方： = 25w0=100.01則日照時(shí)間則日照時(shí)間T： hwT33.131501.10021520107、入射角、入射角i: 太陽(yáng)入射線與平面法線之間的夾角

7、。太陽(yáng)入射線與平面法線之間的夾角。)cos(cossinsincoscoshhi式中，式中，-斜面傾角，單位為斜面傾角，單位為 -太陽(yáng)方位角，單位為太陽(yáng)方位角，單位為 -斜面方位角，單位為斜面方位角，單位為對(duì)于水平面，對(duì)于水平面， =0，則，則對(duì)于垂直面，對(duì)于垂直面， =90 ，則，則hisincos )cos(coscoshi118、太陽(yáng)方位角、太陽(yáng)方位角 : 太陽(yáng)至地面上某給定點(diǎn)的連線在太陽(yáng)至地面上某給定點(diǎn)的連線在水平面上的投影與正南方向的夾角。水平面上的投影與正南方向的夾角。9、任意表面方位角、任意表面方位角 : 任意傾斜面的法線在水平面任意傾斜面的法線在水平面上的投影與正南方向線的夾角

8、。上的投影與正南方向線的夾角。hwcossincossin122.4 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 1、直射輻射、散射輻射和總輻射：、直射輻射、散射輻射和總輻射： 散射輻射：散射輻射：經(jīng)過(guò)大氣和云層的反射、折射、散射經(jīng)過(guò)大氣和云層的反射、折射、散射作用改變了原來(lái)的傳播方向達(dá)到地球表面、并無(wú)作用改變了原來(lái)的傳播方向達(dá)到地球表面、并無(wú)特定方向的這部分太陽(yáng)輻射。特定方向的這部分太陽(yáng)輻射。 直射輻射：直射輻射：未被地球大氣層吸收、反射、折射仍未被地球大氣層吸收、反射、折射仍保持原來(lái)的方向直達(dá)地球表面的這部分太陽(yáng)輻射。保持原來(lái)的方向直達(dá)地球表面的這部分太陽(yáng)輻射。 總太陽(yáng)輻射：總太陽(yáng)輻射：散射輻射與直

9、射輻射的總和。散射輻射與直射輻射的總和。132、晴天地球表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、晴天地球表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算基本概念：基本概念：法向太陽(yáng)輻射強(qiáng)度法向太陽(yáng)輻射強(qiáng)度IDN:mDNPII0式中，式中，I0-垂直于大氣層外邊界處的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；垂直于大氣層外邊界處的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；P-大氣透明系數(shù)；大氣透明系數(shù)；m-光線通過(guò)的大氣質(zhì)量。光線通過(guò)的大氣質(zhì)量。水平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度水平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度IDH:hPIhIOBABIImDNDNDHsinsin014 水平面散射輻射強(qiáng)度水平面散射輻射強(qiáng)度IdH：PPhIImdHln4 . 111sin210水平面上的總輻射強(qiáng)度水平面上的總輻射強(qiáng)度IH：)ln4 .

10、11 (21sin0PPPhIIIImmdHDHH153、任意傾斜面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、任意傾斜面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算傾斜面上的總輻射強(qiáng)度傾斜面上的總輻射強(qiáng)度I：RdDIIII式中：式中：ID-傾斜面上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度；傾斜面上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度； Id-傾斜面上太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度；傾斜面上太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度； IR-傾斜面上所獲得的地面反射輻射強(qiáng)度；傾斜面上所獲得的地面反射輻射強(qiáng)度；16傾斜面上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度傾斜面上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度ID： 在直角在直角OAB中，有：中，有： ID= IDNcosi 在直角在直角OAC中，有：中，有： IDH= IDNsinh因此：因此： ID= IDHcosi

11、/sinh17 傾斜面上太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度傾斜面上太陽(yáng)散射輻射強(qiáng)度Id : 可由下式計(jì)算：可由下式計(jì)算： 傾斜面上所獲得的地面反射輻射強(qiáng)度傾斜面上所獲得的地面反射輻射強(qiáng)度IR:2cos2dHdII)2cos1 (2HGRII18192.5 太陽(yáng)能集熱器最佳傾角和最佳方位太陽(yáng)能集熱器最佳傾角和最佳方位 太陽(yáng)能集熱器的兩種安裝方式：太陽(yáng)能集熱器的兩種安裝方式： 非跟蹤式：非跟蹤式：太陽(yáng)能集熱器采光面的傾角固定不動(dòng)。太陽(yáng)能集熱器采光面的傾角固定不動(dòng)。 跟蹤式：跟蹤式：一天中太陽(yáng)能集熱器采光面的傾角隨太一天中太陽(yáng)能集熱器采光面的傾角隨太陽(yáng)高度角的變化而變化，使得太陽(yáng)光線始終垂直陽(yáng)高度角的變化而變化，使得

12、太陽(yáng)光線始終垂直照射集熱器的采光面，以獲得最大太陽(yáng)輻射能。照射集熱器的采光面，以獲得最大太陽(yáng)輻射能。跟蹤系跟蹤系統(tǒng)統(tǒng)：通：通過(guò)監(jiān)測(cè)過(guò)監(jiān)測(cè)太太陽(yáng)陽(yáng)的方位和的方位和調(diào)調(diào)整集整集熱熱板的方向，是集板的方向，是集熱熱板正板正對(duì)對(duì)太太陽(yáng)陽(yáng)，提高，提高集集熱熱效率效率20 對(duì)于非跟蹤太陽(yáng)能平板集熱器，為獲得最大的輻對(duì)于非跟蹤太陽(yáng)能平板集熱器，為獲得最大的輻射量，在正午時(shí)必須盡可能使集熱器采光面垂直射量，在正午時(shí)必須盡可能使集熱器采光面垂直太陽(yáng)光線。太陽(yáng)光線。 此時(shí)，有此時(shí)，有=Z解解釋為釋為什什么么在正午？根據(jù)太在正午？根據(jù)太陽(yáng)輻陽(yáng)輻射強(qiáng)度射強(qiáng)度計(jì)計(jì)算公式，算公式，h=90，I最大最大21 另一方面，根據(jù)

13、緯度、赤緯角及太陽(yáng)天頂角的另一方面，根據(jù)緯度、赤緯角及太陽(yáng)天頂角的關(guān)系，有：關(guān)系，有： Z= -因此，當(dāng)太陽(yáng)光線垂直于集熱器采光面時(shí)，有：因此，當(dāng)太陽(yáng)光線垂直于集熱器采光面時(shí)，有：= - 22不同使用場(chǎng)合下集熱器傾角的確定不同使用場(chǎng)合下集熱器傾角的確定 集熱器全年使用（如太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)）集熱器全年使用（如太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)） 在工程上，可近似認(rèn)為全年平均赤緯角為在工程上，可近似認(rèn)為全年平均赤緯角為0. 因此，這類集熱器的傾角按下式選?。阂虼?，這類集熱器的傾角按下式選取： =舉舉例昆明：北例昆明：北緯緯25度，全年使用，朝正南，拉度，全年使用，朝正南，拉薩緯薩緯度度30，建，建議議最佳安裝最佳安裝傾

14、傾角范角范圍為圍為40 5023 集熱器為集熱器為春分到秋分期間春分到秋分期間（夏季）使用（如太（夏季）使用（如太陽(yáng)能制冷、空調(diào)系統(tǒng)）：陽(yáng)能制冷、空調(diào)系統(tǒng)）：在工程上，可近似認(rèn)為全年平均赤緯角為在工程上，可近似認(rèn)為全年平均赤緯角為10. 因此，這類集熱器的傾角按下式選?。阂虼?，這類集熱器的傾角按下式選?。?= -10 集熱器為集熱器為冬至到春分期間冬至到春分期間（秋、冬季）使用（秋、冬季）使用（如太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)）：（如太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)）：在工程上，可近似認(rèn)為全年平均赤緯角為在工程上，可近似認(rèn)為全年平均赤緯角為-10. 因此，這類集熱器的傾角按下式選?。阂虼?，這類集熱器的傾角按下式選取： = +1

15、024對(duì)全年的總能量收入，還可利用如下圖進(jìn)行優(yōu)選：對(duì)全年的總能量收入，還可利用如下圖進(jìn)行優(yōu)選：詳細(xì)講此圖：詳細(xì)講此圖：45、55、3525上面的圖是在一定參數(shù)條件下得到的，有一定局限上面的圖是在一定參數(shù)條件下得到的，有一定局限性，也可參照一些書(shū)中給出表格及下公式，做適當(dāng)性，也可參照一些書(shū)中給出表格及下公式，做適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整。doptK3 .5432. 06 .43適用范圍：適用范圍：20 38 0.35Kd0.6Kd是日晴空指數(shù)，某天的日輻照與同日是日晴空指數(shù)，某天的日輻照與同日大氣層外日大氣層外日輻照之輻照之比，衡量天氣好壞指標(biāo)之一比，衡量天氣好壞指標(biāo)之一太太陽(yáng)輻陽(yáng)輻射射進(jìn)進(jìn)入大入大氣層氣層后被云，大后被云，大氣氣分子，臭分子，臭氧氧，C02，水蒸，水蒸氣氣，氣氣溶溶膠膠等各等各種種成分吸成分吸收、反射而收、反射而減減弱弱天文天文輻輻射的分布和射的分布和變變化不受大化不受大氣氣影影響響，主要，主要決決定于日地距離、太定于日地距離、太陽(yáng)陽(yáng)高度角和白高度角和白晝長(zhǎng)晝長(zhǎng)度。度。春分、秋分春分、秋分時(shí)時(shí)太太陽(yáng)陽(yáng)直射赤道，太直射赤道，太陽(yáng)陽(yáng)能最多能最多26 集熱器采光面的集熱器采光面的方位角方位角=0，即集熱器面向正，