太陽能光伏發(fā)電應用技術2太陽輻射

14:52:1012.1太陽概況一些數據：太陽是一個巨大的熾熱的氣體球,其內部不斷進行著熱核反應,因而釋放巨大的能量。太陽的直徑約為139萬公里,比地球的直徑大109.3倍。太陽的體積約1.4122×107km3,比地球的體積大130萬倍。太陽與地球的平均距離約1.5億公里。太陽的表面溫度約57000C,中心高達2×1070C,壓力約為2000多億個大氣壓。太陽的質量約1.9892×1027t,相當于地球質量的333400倍。太陽的平均密度為1.41g/cm3,僅為地球密度的1/4。太陽每秒鐘釋放出的能量是3.865×1026J，相當于每秒鐘燃燒1.32×1016標準煤所發(fā)出的能量。太陽發(fā)出的能量大約只有1/22億到達地球，大約為173×104億KW。其中被大氣吸收大約19%；被大氣和塵粒反射回宇宙空間大約30%；穿過大氣到達地球表面的太陽輻射能約占51%(81×104億KW)。到達陸地表面大約只有17×104億KW，只占到達地球范圍內太陽輻射能的10%。17×104億KW的能量相當于全球一年內消耗總能量的3.5萬倍。被植物吸收的僅占0.015%，被人類作為燃料和食物的僅占0.002%。

14:52:1022.1太陽概況太陽外貌14:52:1032.1太陽概況太陽構造太陽從中心到邊緣可以分為：核反應區(qū)——太陽熱能產生的基地。輻射區(qū)——太陽能先通過這里傳播出去。對流區(qū)——太陽能經過這里向太陽表層傳播，是“輸送帶”。太陽大氣——大致可分為光球、色球、日冕等層次。14:52:1042.1太陽概況14:52:1052.1太陽概況太陽核：0-0.25rs，30%-50%ms

構成

宇宙原始成分

（H96%He4%）

較高的重元素含量（H50%重元素50%）輻射區(qū)：0.25-0.86rs，13萬度氣體完全電離對流區(qū)：0.86-1rs，溫度5000K

能量主要靠對流傳播太陽大氣：光球、色球、日冕14:52:1062.1太陽概況太陽光譜分布能量分配：紫外線占7％可見光占50％紅外線占43％太陽輻射波長范圍紫外線（7﹪）：0.15—0.4微米可見光（50﹪）：0.4----0.76微米（紅橙黃綠青藍紫）紅外線（43﹪）：0.76---4微米14:52:1072.1太陽概況太陽能量在大氣層中的吸收情況：到達陸地表面大約只有17×104億KW，只占到達地球范圍內太陽輻射能的10%。17×104億KW的能量相當于全球一年內消耗總能量的3.5萬倍。被植物吸收的僅占0.015%，被人類作為燃料和食物的僅占0.002%。14:52:1082.2日地運動

近日點日距1.47×108千米(每年1月3日左右)

遠日點日距1.52×108千米(每年7月4日前后)

平均日距1個天文單位(pc)

赤道半徑6378.137千米

極半徑6356.752千米

赤道周長40075.7千米

表面積5.1億平方千米

質量5.976e24千克

密度5.52克/立方厘米

重力加速度1G(9.8米/秒)

公轉周期365.2422平均太陽日

公轉行程9.4億千米

自轉周期23小時56分1.09秒(平均太陽時)地球形狀大小參數14:52:1092.2日地運動

據人造衛(wèi)星軌道參數分析，地球北極比標淮的旋轉橢球體要凸出約10m，南極則凹進約30m；北半球的中緯度區(qū)稍稍凹進，在南半球則稍稍凸出。據此可有兩點推論：

1)地球非嚴格的旋轉橢球體；

2)這一不規(guī)則的形態(tài)表明地球內部物質在分布上具有顯著不均勻性。

由于物質密度分布上的差異、彈、塑性變形及自轉的影響，地球更為準確的表面形態(tài)略似于一個“梨形”（嚴格地說寬度應大于高度）：14:52:10102.2日地運動14:52:10112.2日地運動地球的自轉軸與公轉運行的軌道面(黃道面)的法線傾斜成23027′夾角，而且在地球公轉時自轉軸的方向始終指向天球的北極，這就使得太陽光線直射赤道的位置有時偏南，有時偏北，形成地球上季節(jié)的變化。14:52:10122.3天球坐標人們站在地球表面，仰望天空，平視四周所看到的這個假想球面。按照相對運動原理，太陽好象在這個球面上周而復始地運動。

要確定太陽在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐標。

常用的天球坐標有赤道坐標系和水平坐標系兩種。2.3.1赤道坐標系是以天赤道QQ′為基本圈，以天子午圈的交點Q為原點的天球坐標系，PP′分別為北天極和南天極。通過PP′的大園都垂直于天赤道。顯然，通過P和球面上的太陽(Sθ)的半園也垂直于天赤道,兩者相交于B點。在赤道坐標系中，太陽的位置Sθ由下列兩個坐標決定:Q’QP’P(北天極)天赤道BSθOδω14:52:10132.3天球坐標14:52:10142.3天球坐標2.3.1赤道坐標系a.時角相對于圓弧QB，從天子午圈上的Q點起算(即從太陽的正午起算)，順時針方向為正；逆時針方向為負。即上午為負；下午為正。通常以ω表示，它的數值等于離正午的時間(小時)乘以150。b.赤緯角相對于圓弧，從天赤道起算，通常以δ表示。對于太陽來說，春分和秋分日的δ=00,向北天極由00變化到夏至日的+23027′；向南天極由00變化到冬至日的–23027′。Q’QP’P(北天極)天赤道BSθOδω14:52:10152.3天球坐標太陽赤緯可用Cooper方程近似計算:其中:n為一年中的日期序號，如元旦為n=1，春分為n=81。例題1.計算9月22日的赤緯.

解:9月22日時，n=265，代入上式得:δ=-0.60與地區(qū)無關。14:52:10162.3天球坐標2.3.2地平坐標系是人在地球上觀看空中的太陽相對于地平面的位置。這時，太陽相對地球的位置是相對于地平面而言的。通常用高度角和方位角兩個坐標決定。在某個時刻，由于地球上各處的位置不同，因而各處的高度角和方位角也不相同。a.天頂角θZ

太陽光線OP與地平面法線QP之間的夾角。b.高度角αs

太陽光線OP與其在地平面上投影線pg之間的夾角,它表示太陽高出水平面的角度。常用αs表示高度角與天頂角的關系是:

θZ+αs=900S南西東太陽QOgPθZαSγSc.方位角γs

太陽光線在地平面上投影和地平面上正南方向線之間的夾角γs。它表示太陽光線的水平投影偏離正南方向的角度。取向南方向為起始點，向西(順時針方向)為正，向東為負。14:52:10172.3天球坐標2.3.3太陽角的計算1.太陽高度角的計算高度角和緯度、赤緯及時角的關系是:太陽正午時，

ω=0，可簡化為:當正午太陽在天頂以南，即Φ>δ時:αs=900–Φ+δ當正午太陽在天頂以北，即Φ<δ時:

αs=900+Φ–δ例題2.計算上海地區(qū)9月22日正午12時和下午3時的太陽高度角.

解:上海地區(qū)的緯度是31.120，由例題1得到:

δ=-0.60；正午12時的時角:

ω=0；

下午3時的時角:

ω=3×15=450

正午12時的太陽高度角:由于Φ>δ時:

αs=900–Φ+δ

=900–

31.120+(–0.60)

=58.280

下午3時的太陽高度角:

sinαs=sin31.12sin(–0.6)+cos31.12cos(–0.6)cos45=0.5998

αs=36.86014:52:10182.3天球坐標2.方位角γs的計算方位角與赤緯、高度角、緯度及時角的關系是:例題3.計算上海地區(qū)9月22日14時的太陽方位角γs

解:由例題1可知:

δ=–0.60，φ=31.120，ω=2×15=300先求高度角:sinαs=sin31.12×sin(–0.6)+cos31.12×cos(–0.6)×cos30=0.7359

αs=47.380

代入:γs=47.60014:52:10192.3天球坐標3.日出日落時角ω0

日出日落時太陽高度角為0，可得到:cosω0=–tanφ×tanδ

由于cosω0=cos(–

ω0

)ω0日出

=–

ω0；

ω0日落

=ω0

以度表示，負值為日出時角，正值為日落時角。4.日照時間N

由于地球每小時自轉150，所以日照時間N可以用日出日落時角的絕對值之和除以150/小時。例題4.計算上海地區(qū)在冬至的日出日落時角及全天日照時間。解:上海的φ=31.120,冬至日的太陽赤緯δ=–23.450,代入公式得:

cosω0=–tanφ×tanδ=–tan31.12×tan(–23.45)=0.2619

ω0

=74.820

全天日照時間

N=2×74.82/15=9.98小時14:52:10202.3天球坐標5.日出日落時的方位角日出日落時太陽高度角為αs=0所以:cosαs=1；

sinαs=0代入:cosγs,0=–sinδ/sinφ上式得到的日出日落時的方位角都有兩組解，因此必須選擇一個正確的解。我國所處位置大致可劃分為北熱帶(0~23.450)和北溫帶(23.450~66.550)兩個氣候帶。當太陽赤緯δ>00時，太陽升起和降落都在北面的象限(即數學上的第一，二象限)；δ<00時,太陽升起和降落都在南面的象限(即數學上的第三，四象限)。例題5.求上海地區(qū)9月22日日出日落的方位角及全天日照時間:.

解:由以上例題已知:上海地區(qū)的φ=31.120,9月22日太陽赤緯:δ=-0.60

代入:cosγs,0=-sinδ/sinφ=-sin(-0.60)/sin31.120

=0.01223

γs,0=89.300;或γs,0=-89.300γs,0出

=-89.300;γs,0落

=89.300全天日照時間:小時14:52:10212.4太陽輻射量單位時間內,太陽以輻射形式發(fā)射的能量稱為太陽輻射功率或輻射通量,單位是瓦(W)。太陽投射到單位面積上的輻射功率(輻射通量)稱為輻射度或輻照度,單位是瓦/平方米(W/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射量或輻照量,單位是千瓦時/平方米?日(月、年)。由于歷史的原因，有時還用到不同的單位制，需要進行單位換算:1kwh=3.6MJ1卡=4.1868J=1.16278mwh1MJ/m2=23.889卡/cm2=27.8mwh/cm21kwh/m2=85.98卡/cm2=3.6MJ/m2=100mwh/cm214:52:10222.4太陽輻射量2.4.1大氣層外的太陽輻射1.太陽常數

在平均日地距離上，在地球大氣層上界，垂直于太陽光線的平面上，單位時間內在單位面積上所獲得太陽輻射能的數值。

根據1981年10月在墨西哥召開的世界氣象組織儀器和觀測方法委員會第8屆會議通過的最新數值:Isc=1367±7w/m2

實際上一年中日-地距離是變化的，因此Isc的值也稍有變化。2.到達大氣層上界的太陽輻射大氣層上界水平面上的太陽輻射日總量H0可以用下式計算:其中:Isc

—太陽常數ωs

—日出、日落時間

δ—太陽赤緯角γ—日-地距離變化引起大氣層上界的太陽輻射通量的修正值:14:52:10232.4太陽輻射量3.大氣質量（AM）

太陽光線穿過地球大氣的路徑與太陽光線在天頂方向垂直時的路徑之比。并假定在1個標準大氣壓和00C時，海平面上太陽光線垂直入射時的路徑為AM=1。因此大氣層上界的大氣質量AM=0。太陽在其他位置時，大氣質量都大于1。大氣質量越大，說明光線經過大氣的路徑越長，受到衰減越多，到達地面的能量就越少。

地面光伏應用中統一規(guī)定此值為1.5時，通常寫成AM1.5。大氣層上界為AM0。14:52:10242.4太陽輻射量在光伏系統工程計算中，可采用下式計算：太陽輻射穿過地球大氣時，由于大氣層對太陽光譜的吸收和散射，太陽光譜范圍和能量分布發(fā)生了變化。太陽高度為90°時，到達地面紫外線占4%，可見光占46%，紅外線占50%

30°3%，44%，53%

更低時0，30%，大氣質量越大，光線經過大氣的路程越長，受到衰減越多，到達地面的能量越少。14:52:10252.4太陽輻射量2.4.2到達地表的太陽輻射度1.大氣透明度

大氣透明度是表征大氣對于太陽光線透過程度的一個參數。在晴朗無云的天氣，大氣透明度高，到達地面的太陽輻射能就多。在天空中云霧或風沙灰塵多，大氣透明度低，到達地面的太陽輻射能就少。根據布克-蘭貝特定律，波長為λ的太陽輻射Iλ，經過厚度為dm的大氣層后，輻射衰減為:將上式積分得:式中:Iλ,n—到達地表的法向太陽輻射光譜強度

Iλ,0—大氣層上世界的太陽輻射光譜強度

Cλ

—大氣的消光系數

m

—大氣質量此式也可寫成：式中，稱為單色光譜透明度14:52:10262.4太陽輻射量將上式從波長0到∞的整個波段積分,就可得到全色太陽輻射:采用整個太陽輻射光譜范圍內的單色透明度的平均值,上式積分后為:或式中，為日地距離修正值；

為復合透明系數，表征大氣對太陽輻射能的衰減程度。2.到達地表的法向太陽直接輻射強度為了比較不同大氣質量情況下的大氣透明度，必須將大氣透明度修正到某個給定的大氣質量。例如將大氣質量為m的大氣透明度Pm值修正到大氣質量為2的大氣透明度P2。式中:γ

—日-地變化修正值.Isc

—太陽常數.訂正到m=2時的Pm值.14:52:10272.4太陽輻射量3.水平面上太陽直接輻射水平面由于太陽直接輻射入射到AC和AB平面上的能量是相等的

式中:Ib—水平面上直接輻射量，αs

—太陽高度角，

θz

—太陽天頂角因此:將上式從日出到日落的時間內積分,得到:式中:Hb為水平面直接輻射日總量.將式中的dt改用時角ω表示,即:則有:式中:T

—

晝夜長(一天為1440分鐘);

ω0—日出日落時角14:52:10282.4太陽輻射量4.水平面上的散射輻照度晴天時，到達地表水平面的散射輻照度，主要取決于太陽高度和大氣透明度，可用下式表示式中，為散射輻照度；為散射輻照度；為太陽高度角；為日出日落時角。5.水平面上的太陽總輻射度太陽總輻射度是到達地表水平面上的太陽直射輻照度和散射輻照度的總和，即6.清晰度指數有時還可以用清晰度指數KT作為衡量太陽通過大氣層時的衰減情況，定義為地表水平面上的太陽總輻射照度與大氣層外太陽輻照度之比，在不同周期內，數值并不相同。水平面上月平均太陽輻照量與大氣層外太陽輻照量之比為月平均清晰度指數，表達為14:52:10292.4太陽輻射量同樣，水平面上日平均太陽輻照量與大氣層外太陽輻照量之比為日平均清晰度指數，表達為在某個小時內，其水平面上的太陽總輻照量與大氣層外太陽輻照量之比為小時清晰度指數，表達為清晰度指數越大，表示大氣越透明，衰減得越少，到達地面的太陽輻射強度越大。7.散射輻照量與總輻照量之比即使兩地的太陽總輻照量相同，其直射輻照量與散射輻照量所占比例通常也并不同，如青藏高原地區(qū)的直射輻照分量就比較大。影響直射輻照量與散射輻照量所占比例的因素很復雜，如無實際測量數據，可以根據近似公式來確定。下面給出不同時間段的近似計算方法。14:52:10302.4太陽輻射量（1）小時散射輻照量與總輻照量的比值1982年Erbs等人提出了計算小時散射輻照度與總輻照量的近似公式式中，為小時清晰度指數。（2）日散射輻照量與總輻照量的比值Erbs等人在小時散射輻照量與總輻照量比值的基礎上，提出了日散射輻照量與總輻照量的比值，關系式如下：對于對于14:52:10312.4太陽輻射量（3）月散射輻照量與總輻照量的比值在太陽能應用系統設計中，常常需要知道當地的月平均太陽總輻射量和散射輻照量。但有時可能只有月平均太陽總輻照量的數據，這就要設法找到各月直射輻照量和散射輻照量各占多少比例，通?？捎靡韵陆涷灩剑簩τ谌炜眨慈扛采w云層的天空）的月平均散射輻照量，NASA于2011年9月6日發(fā)布了具體計算方法，詳見教材。14:52:10322.4太陽輻射量2.4.3地表傾斜面上的小時太陽輻照量太陽照射到地表傾斜面上時，定義太陽入射光線與傾斜面法線之間的夾角為太陽入射角，由此可得到太陽入射角與其他角度之間的幾何關系：并且有：對于北半球朝向赤道的傾斜面對于南半球朝向赤道的傾斜面如果在水平面14:52:10332.4太陽輻射量2.傾斜面上的小時太陽直射輻照量

IT,b/In=cos

θT

IT,b

=In

cos

θT其中:θT為傾斜面上的太陽光線入射角式中:β—傾斜面與水平面之間的夾角；φ—地理緯度；δ—太陽赤緯；

ω—時角；γn—傾斜面的方位角3.傾斜面和水平面上直接輻射通量的比值Rb水平面上的太陽輻射通量為:傾斜面的太陽輻射通量為:傾斜面和水平面上直接輻射通量的比值:14:52:10342.4太陽輻射量由天頂角:對北半球，朝向赤道的傾斜面,可以得到傾斜面上太陽光線的入射角:代入得到:對南半球，朝向赤道的傾斜面,可以得到傾斜面上太陽光線的入射