第2讲-太阳能基础知识解剖课件

第二讲 太阳能基础知识太阳能的特点，太阳能利用的方式及途径，太阳几何学（太阳天顶角、太阳高度角、太阳方位角、太阳赤纬角、时角、太阳入射角等概念），太阳辐射的计算（辐射通量、曝辐射量、辐照度、太阳常数、太阳辐射在大气中的衰减、直射辐射、散射辐射、反射辐射、倾斜面上太阳辐射的计算），我国太阳能资源的分布。说明：地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都来源于太阳；即使是化石能源从根本上来说，也是远古以来贮存下来的太阳能。地球能流图地球能流图一、太阳的构造及与地球的关系一、太阳的构造及与地球的关系 太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。它是一个炽热的气态球体，它的直径约为1.39106km，(地球赤道半径约6700km，是地球直径的109倍），质量约为2.2l027t，为地球质量的33.2万倍，体积则比地球大130万倍，平均密度为地球的1/4。其主要组成气体为氢（约80）和氦（约19）。日地平均距离为1.5108km，从太阳发出的光线到达地球需要8分钟。太阳的结构太阳的结构在太阳平均半径23（0.23R）的区域内是太阳的内核内核，其温度约为8百万4千万K，密度为水的80100倍，占太阳全部质量的40，总体积的15。这部分产生的能量占太阳产生总能量的90。氢聚合时放出射线，当它经过较冷区域时由于消耗能量，波长增长，变成X射线或紫外线及可见光。从0.230.7R的区域称为“辐射输能区辐射输能区”，温度降到13万K，密度下降为0.079g/cm3。0.71.0R之间称为“对流区对流区”，温度下降到5000K，密度下降到10-8g/cm3。太阳的外部是一个光球层光球层，它是人们肉眼所看到的太阳表面，其温度为5762K，厚约500km，密度10-6g/cm3，是由强烈电离的气体组成。太阳能绝大部分辐射都是由此向太空发射的。光球外面分布着不仅能发光，而且几乎是透明的太阳大气，称之为“反变层反变层”，它是由极稀薄的气体组成，厚约数百公里，它能吸收某些可见光的光谱辐射。“反变层”的外面是太阳大气上层，称之为“色球层色球层”，厚约11.5104km，大部分由氢和氦组成。“色球层”外是伸入太空的银白色日冕（日珥），温度高达1百万度，高度有时达几十个太阳半径。地球与太阳的相对大小直径1.27107m直径1.39109m太阳地球321.4951011m(1.7%)太阳常数G=1353W/m2非比例画法非比例画法太阳直径是地球直径的109倍，太阳离地球的平均距离是太阳直径的107倍地球上看到的太阳平面张角为32地球四季是如何形成的？地球昼夜又是如何形成的？贯穿地球中心与南、北两极相连的线称为地轴地轴。地地球球自自转转：地球绕地轴自西向东转动。自转的平均角速度为 7.29210-5rad/s，在地球赤道上的自转线速度为 465m/s，自转一周约24h（23.9348h），即15/h。地地球球公公转转：在椭圆形轨道上围绕太阳公转，运行一周为1年，约365天（365.2564天）。地球公转的角速度和线速度都不是固定的值，随着日地距离的变化而改变。地球在过近日点时，公转的速度快，角速度和线速度都超过它们的平均值，角速度为1111/d，线速度为30.3km/s；地球在过远日点时，公转的速度慢，角速度和线速度都低于它们的平均值，角速度为5711/d，线速度为29.3km/s。地球自转轴与椭圆轨道平面（称黄黄道道平平面面）的夹角为6633。地轴在空间的方位始终不变，因而赤道平面与黄道平面的夹角为2327。这就造成了太阳光线垂直照射在地球表面的位置一年中在 2327 纬度之间变化，这就是地球上形成四季的原因。地球公转速度的变化，是造成地球上四季不等长的根本原因。地球绕日公转轨道是一个接近正圆的椭圆，太阳位于椭圆轨道的一个焦点上地球公转轨道总长度是940,000,000千米近日点近日点远日点远日点6月22日 12月23日9月23日 3月21日地球在一年中相对地球在一年中相对太阳的位置太阳的位置二、二、太阳辐射的特性太阳辐射的特性 从太阳的构造可见，太阳并不是一个温度恒定的黑体，而是一个多层的有不同波长发射和吸收的辐射体。不过在太阳能利用中通常将它视为一个温度为6000K，发射波长为0.33m的黑体。1.太阳常数太阳常数 昼夜是由于地球自转而产生的，而季节是由于地球的自转轴与地球围绕太阳公转的轨道的转轴呈2327的夹角而产生的。由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数，而且一年里每天的日地距离也不一样。众所周知，某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数（不超过3.4）。近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为1353 W/m1353 W/m2 2。2.到达地面的太阳辐射到达地面的太阳辐射 太阳照射到地平面上的辐射由两部分组成直接日射直接日射和散射日射散射日射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。直接日射直接日射是指直接来自太阳其辐射方向不发生改变的辐射；散射日射散射日射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射，它由三部分组成：太阳周围的散射（太阳表面周围的天空亮光），地平圈散射（地平圈周围的天空亮光 或暗光），及其他的天空散射辐射。另外，非水平面也接收来自地面的反射辐射。3.波长分布波长分布 太阳能的波长分布可以用一个黑体辐射来模拟，黑体的温度为6000K。太阳能波长分布在紫外光、可见光和红外光波段。这些波段受大气衰减的影响程度各不相同。可见光辐射的大部分可到达地面，但是上层大气中的臭氧却吸收了大部分紫外光辐射。近年来，由于臭氧层变薄，特别是南极和北极地区，到达地面的紫外光辐射越来越多。入射的红外光辐射，有一部分被二氧化碳、水蒸气和其他气体吸收，而在夜间来自地球表面的较长波长的红外辐射大部分则传到了外空。这些温室气体在上层大气中的积累，可能会使大气吸收能力增加，从而导致全球气候变暖和天气变得多云。虽然臭氧减少对太阳能集热器的影响甚微，但温室效应可能会增大散射辐射，并可能严重影响太阳能集热器的作用。太阳能的特点太阳能蕴藏量巨大，具有持久性 太阳能到达地球大气层上的能量可达173,000TW（仅为太阳总辐射能量的22亿分之一）。相当于每秒590万吨标准煤放出的热量。到达地球外表高层的太阳能中，30%被大气层反射，23%被吸收，47%左右可到达地面。相当于全世界发电量的几十万倍。另外地球估计已存在47亿多年，其寿命还有60亿年以上。太阳能具有普遍性 处处都有阳光，不用输送是一种洁净、无污染的能源能量密度低 在海平面上的标准峰值强度为1kW/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kW/m2地面太阳能的强弱因地区、气候、昼夜等自然条件而变化。a.a.太阳能热发电太阳能热发电 b.b.太阳能光伏发电太阳能光伏发电 c.c.太阳能海水淡化太阳能海水淡化 d.d.太阳能热水太阳能热水 e.e.太阳能建筑采暖太阳能建筑采暖 f.f.太阳灶太阳灶 g.g.太阳能干燥太阳能干燥热风 h.h.太阳能制冷与空调太阳能制冷与空调 太阳能利用的方式和途径太阳几何学太阳几何学太阳几何学是研究太阳与地球及太阳能集热器之间相互关系的科学研究太阳与地球及太阳能集热器之间相互关系的科学，是太阳能利用的基础知识。1.地平坐标系地平坐标系 以观察者所在地为原点建立坐标系，正南方、正东方、正上方（天顶）为三个坐标轴太阳方位角太阳方位角 s s：太阳天顶角太阳天顶角 z：观察者所在地的天顶与观察者和太阳连线之间的夹角。太阳高度角太阳高度角 s s：观察者所在地平线与观察者和太阳连线之间的夹角。自观察者所在地朝正南的水平线和观察者与太阳连线在地平面上的投影之间的夹角。规定：太阳偏东时方位角为负，偏西时方位角为正z+s=902.赤道坐标系赤道坐标系 以地心为坐标原点，极轴p指向北极，其余两轴位于赤道平面内，其中m轴自地心指向观察者所在的子午圈（地球表面的经线圈）与赤道平面的交点，e轴指向m以东90处。太阳赤纬角太阳赤纬角：由地心指向日心的连线与地球赤道平面之间的夹角时角时角：s在赤道平面的投影与m轴之间的夹角规定规定：上午时角为负，下午时角为正。每15代表1小时从1月1日算起的天数从北半球看，当太阳位于赤道以北时，为正；当太阳位于赤道以南时，为负赤纬角与地球公转有关，而时角与地球自转有关赤纬角与地球公转有关，而时角与地球自转有关一年中有两天的太阳赤纬为零，称为二分日，分别为春分日和秋分日。在夏至日，太阳位于北纬23.45处，取最大值，北半球昼长最长，北极为极昼；南半球昼长最短，南极为极夜。在冬至日，太阳位于南纬23.45处，取绝对值最大的负值，北半球昼长最短而南半球昼长最长。赤纬角和地点无关，只和日赤纬角和地点无关，只和日期有关，其值全世界都一样期有关，其值全世界都一样3.各角度间的关系关系式太阳高度角的计算正午时，=0，所以，因为，日出日落时角及日照时间计算日出日落时，太阳高度角日出日落时，太阳高度角 s=0，太阳天顶角，太阳天顶角 z=90 即有，求解0，有正负两个解，分别代表日落（sunset）和日出（sunrise）一天可能的日照小时数为：一天可能的日照小时数为：日出日落方位角的计算日出日落时，太阳高度角日出日落时，太阳高度角 s=0，sin s=0，cos s=1有正负两个解，分别代表日落和日出方位角太阳入射角太阳光线与接收表面法线之间的夹角太阳光线与接收表面法线之间的夹角u水平面的太阳入射角即为天顶角u倾斜面的太阳入射角由其倾角和方位角确定u太阳入射角也可由太阳天顶角z和太阳方位角s确定正南参考，偏东为负，偏西为正表面太阳方位角当当90 时，太阳光进入表面阴影，成为无效照射时，太阳光进入表面阴影，成为无效照射计算示例试求天津市在冬至日的日出、日落时刻与方位角以及可能日照时间天津市纬度=3906，冬至日的太阳赤纬角=-23 27冬至日的日出日落时刻为日出时刻：12-4.62=7.38，即上午7点23分日落时刻：12+4.62=16.62，即下午4点37分可能日照时间为：N=24.62=9.24h，即9小时14分日出时刻方位角：日出时刻方位角：日落时刻方位角：日落时刻方位角：正南偏西正南偏东在所有太阳角度计算公式中所指的时间都是太阳时，太阳时与各地使在所有太阳角度计算公式中所指的时间都是太阳时，太阳时与各地使用的标准时间并不一致。转换关系为：用的标准时间并不一致。转换关系为：太阳时太阳时=标准时间标准时间+E 4(L标准标准 L当地当地)L标准标准时间采用的标准经度，（）；L当地当地的经度，（）。E为时差，单位：分钟。公式中东半球为负号，西半球取正号。地球自转一周360，所需时间24小时；因此相当于每小时转15。由于各地所采用的时间标准不一样，所以我们生活中的时间并不是真正太阳升起降落的时间（称为太阳时）。太阳时的午时（中午12时）太阳光线正好通过当地的子午线。（或简单地说，正好在南北方向上）太阳时太阳时 我国取东经120为标准时间（即北京时间），所以太阳时太阳时=北京时间北京时间+E 4(120L当地当地)(单位:分钟)分钟n是所求日期在一年中的日子数（从一月一日算起）。时差曲线时差曲线课后思考题课后思考题1.河北工业大学北辰校区节能楼（39.238 N，117.066 E）屋顶布置的集热器倾角为25，方位角为-21，试计算：（1）5月1日和12月1日的日出、日落北京时刻，以及日出、日落太阳方位角；（2）在5月1日和12月1日该集热器能接收到太阳辐射的北北京时间京时间。提示：太阳光能照射到集热器的必要条件是入射角小于提示：太阳光能照射到集热器的必要条件是入射角小于90。也就是说，集。也就是说，集热器能接收到太阳辐射的时间分界点为入射角等于热器能接收到太阳辐射的时间分界点为入射角等于90 。另外还要考虑两个。另外还要考虑两个问题：（问题：（1）与日出日落时刻的关系，不可能早于日出时刻或晚于日落时刻；与日出日落时刻的关系，不可能早于日出时刻或晚于日落时刻；（2）太阳表面方位角的问题，太阳表面方位角小于）太阳表面方位角的问题，太阳表面方位角小于90度时，太阳光线总是可度时，太阳光线总是可以照射到集热器表面以照射到集热器表面太阳辐射基本概念辐射通量辐射通量 太阳以辐射形式发射出的功率称为辐射功率，也叫辐射通量，单位W辐照度辐照度 投射到单位面积上的辐射通量，W/m2辐照量（曝辐量）辐照量（曝辐量）单位面积上接收到的辐射能，J/m2。辐照度对时间的积分太阳常数太阳常数 在日地平均距离的条件下，在地球大气层上界，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所接收到的太阳辐射能量几乎是一个常数，称为太阳常数I0=1353W/m2美国国家宇航局数据太阳辐射在大气中的衰减太阳辐射经过大气层后，被散射和吸收，达到地面的太阳辐射衰减了，其减少量为：光程H-大气层的厚度衰减系数，1/m大气质量大气质量：太阳光线通过的大气路程与太阳处于天顶时光所穿过的大气路程之比，称为大气质量AM1.5表示大气质量为1.5AM1.5，地面常用，地面常用，844W/m2 太阳辐射穿过地球大气层时的衰减太阳辐射穿过地球大气层时的衰减太阳光谱中的太阳光谱中的x x射线射线射线射线及其它波长更短的辐射，因在电离层被氮、及其它波长更短的辐射，因在电离层被氮、氧及其它大气分子强烈吸收而不能穿越大气到达地表氧及其它大气分子强烈吸收而不能穿越大气到达地表大部分大部分紫外线紫外线紫外线紫外线被臭氧吸收被臭氧吸收 可见光可见光可见光可见光能量减弱，主要是地球大气强烈散射引起的能量减弱，主要是地球大气强烈散射引起的 红外光谱红外光谱红外光谱红外光谱能量减弱，主要是由于水汽对太阳辐射选择性吸收的能量减弱，主要是由于水汽对太阳辐射选择性吸收的结果结果 波长超过波长超过波长超过波长超过2500 2500 m m的辐射的辐射的辐射的辐射，在大气上界本来就很低，加上二氧，在大气上界本来就很低，加上二氧化碳和水对它的强烈吸收，能到达地面的能量就更小化碳和水对它的强烈吸收，能到达地面的能量就更小 因此，到达地面的太阳能，只考虑因此，到达地面的太阳能，只考虑290290 mm25002500 mm的辐射就的辐射就行了。行了。38Resource Characteristics 地面附近太阳辐射光谱图卫星的测量表明，太阳光的波长分布非常宽广，从0.2450m，但大致可分为三个部分：紫外线，可见光和红外线。波长范围/m 所占总能量百分率/%相应范围的辐照度/W/m2 紫 外 线 可 见 光 红 外 线 00.38795 0.380.7847.29640 0.7845.71618 地球表面的太阳辐射直射辐射 大气层外的辐射经过吸收和散射后直接到达地球的辐射散射辐射 经过地球大气多次散射之后到达地面的辐射太阳辐射被空气分子、云和空气中的各种微粒分散成无方向性、但不改变其单色组成的辐射集热器平面的辐射直射辐射Ib、散射辐射Is、反射辐射Ir水平面上的直射辐射IbH倾斜面上的直射辐射IbT太阳直射辐射的倾斜因子照射在水平面和倾斜面上的天空的散射分量是相同的，但水平面所接收到的散射辐射来自整个天空，而倾斜面接收到的是来自部分天空太阳散射辐射的倾斜因子太阳反射辐射的倾斜因子地面反射率不同地表面反射率沙漠沙漠干裸地干裸地湿裸地湿裸地干草地干草地湿草地湿草地森林森林新雪新雪残雪残雪水表面水表面0.24-0.280.1-0.20.08-0.09 0.15-0.25 0.14-0.260.04-0.10.810.64-0.70.69倾斜面上的全天日照量从日出到日落全天照射在倾斜面上的太阳辐射日总量为Rs、Rg只与集热器倾角有关，故对于确定集热器为常数。Rb与太阳光线入射角及天顶角有关。Rb是入射角的函数，Rb=f()。而入射角又随地理纬度、太阳赤纬角、集热器倾角、集热器方位角及太阳时角变化，即=f(，)。需要在一天内参与积分运算。如果斜面朝正南放置，则我国的太阳能资源资源带号资源带分类年辐照量，MJ/m2日照小时数主要分布地区资源丰富带670028003300宁夏北部、甘肃北部、新疆东南部、青海西部和西藏西部资源较富带5400670030003200河北北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部资源一般带4200540022003000山东东南部、河南东南部、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南及陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部、天津、北京和台湾西南部资源缺乏带420014002200湖南、湖北、广西、江西、浙江、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部以及黑龙江、台湾北部中国4个太阳能资源带的年辐照量及地区分布 中国的太阳能资源与同纬度的其他国家相比，除四川盆地和与其相毗邻的地区外，绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，和美国类似，比日本、欧洲条件优越得多。在中国太阳能资源最丰富的地区,每平米面积上一年内接受的太阳辐射总量大于6700MJ，比230kg标准煤燃烧所发出的热量还要多。与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。尤其以西藏西部的太阳能资源最为丰富，全年日照时数达29003400h，年辐射总量高达70008000 MJ/m2，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位。中国太阳能最贫乏的地区则在四川、贵州及重庆地区，由于该地区地势低洼,常年太阳能见度很低，年日照小时数不足1400h。、类地区，年日照时数大于2200h，太阳年辐射总量高于4200 MJ/m2，是中国太阳能资源丰富或较丰富的地区，约占全国总面积的2/3以上，具有利用太阳能的良好条件。类地区，虽然太阳能资源条件较差，但如果能因地制宜，采用适当的方法和装置，仍具有一定的实用意义。天津典型年水平面太阳日总辐射年变化图日总辐射(MJ/m2)1/12/13/14/15/16/17/18/19/110/111/112/105101520253035天津典型年水平面太阳月总辐射年变化图月份月总辐射(MJ/m2)1234567891011120100200300400500600700220.5281.3446.2527.5632.1553.4506.2496.8451.3345.5203.1211.8指标，kWh/（m2a）资源丰富程度1740资源丰富14001740资源较丰富11601400资源较贫乏1160资源贫乏中华人民共和国气象行业标准QX/T892008太阳能资源评估方法中，则以太阳总辐射的年总量为指标，把太阳能资源划分为4个丰富等级，如表所示。太阳能资源丰富程度等级集热器的最佳倾角和最佳方位选择集热器倾角及方位角对集热器表面辐照量的影响规律集热器倾角及方位角随季节使用性应如何确定？集集热热器器倾倾角角集集热热器平面年器平面年总辐总辐照量，照量，MJ/m2010203040506070809025003000350040004500500055006000地面反射率地面反射率00.20.40.60.8不同地面反射率下集热器平面年总辐照量随集热器倾角的变化（方位角=0）月份月份集集热热器平面月器平面月总辐总辐照量照量(MJ/m2)123456789101112100150200250300350400450500550600650700集集热器器倾角（角（o）0102030405060708090集热器平面月总辐照量随集热器倾角的变化（方位角=0，地面反射率=0.2）集热器平面月总辐照量随方位角的变化（=0.2，=30o）集热器平面上年总辐照量随的方位角的变化（=0.2，=30o）集热器平面上年总辐照量随方位角和集热器倾角的变化（=0.2）集热器的最佳倾角和最佳方位选择（1）对可跟踪的太阳能集热器，应使太阳光垂直入射为最佳。（2）对一天调节一次的，应以正午太阳光垂直入射为最佳，=90，但考虑是下午或晚上用能，方位角可考虑为朝南偏西1015。（3）对一月调节一次的，应以月平均日太阳能收集量最大为最佳。（4）一年调节一次的或季度调节一次的，根据下面一般原则选择：对全年的：=05，=对于夏半年（春分到秋分）：=05，=(1015)对于冬半年（秋分到次年春分）：=05，=+(10 15)原则:使用期内收集的太阳能最多课后思考题课后思考题2.我们感觉到早晚的太阳辐射强度要比正午时弱，原因是什么？3.太阳能热水器的集热器方位角和倾角应该如何设置以适应季节的变化？4.在当地时间正午12点时，太阳正好在我们的头顶正上方，这句话对吗？5.几个基本概念的理解：太阳赤纬角、太阳高度角、太阳天顶角、太阳方位角、时角、真太阳时、太阳入射角