太阳能光伏发电应用技术2太阳辐射.pptx
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1、05:55:5212.1 太阳概况一些一些数据:数据:太阳太阳是一个巨大的炽热的气体球是一个巨大的炽热的气体球,其内部不断进行着热核反应其内部不断进行着热核反应,因而释放巨大的能量因而释放巨大的能量。太阳的直径约为太阳的直径约为139139万公里万公里,比地球的直径大比地球的直径大109.3109.3倍倍。太阳的体积约太阳的体积约1.4122101.4122107 7kmkm3 3,比地球的体积大比地球的体积大130130万倍万倍。太阳与地球的平均距离约太阳与地球的平均距离约1.51.5亿公里亿公里。太阳的表面温度约太阳的表面温度约570057000 0C,C,中心高达中心高达21021070
2、70C C,压力约为压力约为20002000多亿个大气压多亿个大气压。太阳太阳的质量约的质量约1.98921.9892101027 27 t,t,相当于地球质量的相当于地球质量的333400333400倍倍。太阳太阳的平均密度为的平均密度为1.41g/cm1.41g/cm3 3,仅为地球密度的仅为地球密度的1/41/4。太阳每秒钟释放出的能量是太阳每秒钟释放出的能量是3.8653.86510102626J J,相当于每秒钟燃烧相当于每秒钟燃烧1.321.3210101616标准煤所发标准煤所发出的能量出的能量。太阳太阳发出的能量大约只有发出的能量大约只有1/221/22亿到达地球亿到达地球,大
3、约为大约为17317310104 4亿亿KWKW。其中被其中被大气吸收大约大气吸收大约19%19%;被大气和尘粒反射回宇宙空间大约被大气和尘粒反射回宇宙空间大约30%30%;穿过大气到达地球表面的穿过大气到达地球表面的太阳辐射能约占太阳辐射能约占51%(8151%(8110104 4亿亿KW)KW)。到达陆地表面大约只有到达陆地表面大约只有17 104亿亿KW,只占到达地球范围内太阳辐射能的只占到达地球范围内太阳辐射能的10%。17 104亿亿KW的能量相当于全球一年内消耗总能量的的能量相当于全球一年内消耗总能量的3.5万倍万倍。被被植物吸收的仅占植物吸收的仅占0.015%,被人类作为燃料和食
4、物的仅占被人类作为燃料和食物的仅占0.002%。05:55:5222.1 太阳概况太阳外貌05:55:5232.1 太阳概况太阳构造太阳构造太阳从中心到边缘可以分为:太阳从中心到边缘可以分为:核反应区核反应区太阳热能产生的基地。太阳热能产生的基地。辐射区辐射区太阳能先通过这里传播太阳能先通过这里传播出去。出去。对流区对流区太阳能经过这里向太阳太阳能经过这里向太阳表层传播,是表层传播,是“输送带输送带”。太阳大气太阳大气大致可分为光球、色大致可分为光球、色球、日冕等层次。球、日冕等层次。05:55:5242.1 太阳概况05:55:5252.1 太阳概况太阳核:太阳核:0-0.25 r0-0.2
5、5 rs s,3030%-50%m%-50%ms s 构成构成 宇宙原始成分宇宙原始成分 (H 96%He4%H 96%He4%)较高的重元素含量较高的重元素含量 (H50%H50%重元素重元素50%50%)辐射区:辐射区:0.25-0.86 r0.25-0.86 rs s,1313万度万度 气体完全气体完全电离电离对流区:对流区:0.86-1 r0.86-1 rs s,温度,温度5000K5000K 能量能量主要靠对流主要靠对流传播传播太阳大气:太阳大气:光球、色球光球、色球、日冕、日冕05:55:5262.1 太阳概况太太阳阳光光谱谱分分布布能量分配:紫外线占紫外线占7 7可见光占可见光占
6、5050红外线占红外线占4343太阳辐射太阳辐射波长范围波长范围紫外线(紫外线(7):):0.150.4微米微米可见光(可见光(50 ):):0.4-0.76微米(红橙黄绿青蓝紫)微米(红橙黄绿青蓝紫)红外线(红外线(43 ):):0.76-4微米微米05:55:5372.1 太阳概况太太阳阳能能量量在在大大气气层层中的中的吸收情况:吸收情况:到到达达陆陆地地表表面面大大约约只只 有有 17 104亿亿KW,只只占占到到达达地地球球范范围围内内太太阳阳辐辐射射能的能的10%。17 104亿亿KW的的能能量量相相当当于于全全球球一一年年内内消消耗耗总总能能量量的的3.5万倍万倍。被被植植物物吸吸
7、收收的的仅仅占占0.015%,被被人人类类作作为为燃燃料料和和食食物物的的仅占仅占0.002%。05:55:5382.2 日地运动 近日点日距近日点日距1.47101.47108 8千米千米(每年每年1 1月月3 3日左右日左右)远日点日距远日点日距1.52101.52108 8千米千米(每年每年7 7月月4 4日前后日前后)平均日距平均日距1 1个天文单位个天文单位(pc)(pc)赤道半径赤道半径6378.1376378.137千米千米 极半径极半径6356.7526356.752千米千米 赤道周长赤道周长40075.740075.7千米千米 表面积表面积5.15.1亿平方千米亿平方千米 质
8、质 量量5.976e245.976e24千克千克 密密 度度5.525.52克克/立方厘米立方厘米 重力加速度重力加速度1 G(9.81 G(9.8米米/秒秒)公转周期公转周期365.2422 365.2422 平均太阳日平均太阳日 公转行程公转行程9.49.4亿千米亿千米 自转周期自转周期2323小时小时5656分分1.091.09秒秒(平均太阳时平均太阳时)地球形状大小参数地球形状大小参数05:55:5392.2 日地运动 据人造卫星轨道参数分析,地球据人造卫星轨道参数分析,地球北极比标淮的旋转椭球体要凸出约北极比标淮的旋转椭球体要凸出约10m10m,南极则凹进约,南极则凹进约30m30m
9、;北半球的中;北半球的中纬度区稍稍凹进,在南半球则稍稍凸纬度区稍稍凹进,在南半球则稍稍凸出。据此可有两点推论:出。据此可有两点推论:1 1)地球非严格的旋转椭球体地球非严格的旋转椭球体;2 2)这一不规则的形态表明地球内这一不规则的形态表明地球内部物质在分布上具有显著不均匀性。部物质在分布上具有显著不均匀性。由于物质密度分布上的差异、弹、塑性变形及自转的影由于物质密度分布上的差异、弹、塑性变形及自转的影响,地球更为准确的表面形态略似于一个响,地球更为准确的表面形态略似于一个“梨形梨形”(严格地(严格地说宽度应大于高度):说宽度应大于高度):05:55:53102.2 日地运动05:55:531
10、12.2 日地运动地球的自转轴与公转运行的地球的自转轴与公转运行的轨道面轨道面(黄道面黄道面)的法线倾斜的法线倾斜成成23230 02727夹角夹角,而且在地球而且在地球公转时自转轴的方向始终指公转时自转轴的方向始终指向天球的北极向天球的北极,这就使得太这就使得太阳光线直射赤道的位置有时阳光线直射赤道的位置有时偏南偏南,有时偏北有时偏北,形成地球形成地球上季节的变化上季节的变化。05:55:53122.3 天球坐标 人们人们站在地球表面站在地球表面,仰望天空仰望天空,平视四周所看到的这个假想球面平视四周所看到的这个假想球面。按照按照相对运相对运动原理动原理,太阳好象在这个球面上周而复始地运动太
11、阳好象在这个球面上周而复始地运动。要要确定太阳在天球上的位置确定太阳在天球上的位置,最方便的方法是采用天球坐标最方便的方法是采用天球坐标。常用常用的天球坐标有的天球坐标有赤道坐标系赤道坐标系和和水平坐标系水平坐标系两种两种。2.3.1 赤道坐标系赤道坐标系是以天赤道是以天赤道QQ为基本圈为基本圈,以天子午圈的交以天子午圈的交点点Q为原点的天球坐标系为原点的天球坐标系,PP 分别为北天分别为北天极和南天极极和南天极。通过通过PP 的大园都垂直于天赤的大园都垂直于天赤道道。显然显然,通过通过P和球面上的太阳和球面上的太阳(S)的半园的半园也垂直于天赤道也垂直于天赤道,两者相交于两者相交于B点点。在
12、赤道坐标系中在赤道坐标系中,太阳的位置太阳的位置S由下列两个由下列两个坐标决定坐标决定:QQPP(北天极北天极)天赤道天赤道BSO05:55:53132.3 天球坐标05:55:53142.3 天球坐标2.3.1 赤道坐标系赤道坐标系a.时角时角 相对于圆弧相对于圆弧QB,从天子午圈上从天子午圈上的的Q点起算点起算(即从太阳的正午起算即从太阳的正午起算),顺时针方向为正顺时针方向为正;逆时针方向逆时针方向为负为负。即上午为负即上午为负;下午为正下午为正。通常以通常以表示表示,它的数值等于离它的数值等于离正午的时间正午的时间(小时小时)乘以乘以150。b.赤纬角赤纬角 相对于圆弧相对于圆弧,从天
13、赤道起算从天赤道起算,通通常以常以表示表示。对于太阳来说对于太阳来说,春春分和秋分日的分和秋分日的=00,向北天极由向北天极由00变化到夏至日的变化到夏至日的+23027;向南天向南天极由极由00变化到冬至日的变化到冬至日的23027。QQPP(北天极北天极)天赤道天赤道BSO05:55:53152.3 天球坐标太阳赤纬可用太阳赤纬可用Cooper方程近似计算方程近似计算:其中其中:n为一年中的日期序号为一年中的日期序号,如元旦为如元旦为n=1,春分春分为为n=81。例题例题1.计算计算9月月22日的赤纬日的赤纬.解解:9月月22日时日时,n=265,代入上式得代入上式得:=-0.60 与地区
14、无关与地区无关。05:55:53162.3 天球坐标2.3.2 地平坐标系地平坐标系是是人在地球上观看空中的太阳相对于地平面人在地球上观看空中的太阳相对于地平面的位置的位置。这时这时,太阳相对地球的位置是相对太阳相对地球的位置是相对于地平面而言的于地平面而言的。通常用高度角和方位角两通常用高度角和方位角两个坐标决定个坐标决定。在某个时刻在某个时刻,由于地球上各处的位置不同由于地球上各处的位置不同,因而各处的高度角和方位角也不相同因而各处的高度角和方位角也不相同。a.a.天顶角天顶角Z Z 太阳光线太阳光线OPOP与地平面法线与地平面法线QPQP之间的夹角之间的夹角。b.b.高度角高度角s s
15、太阳光线太阳光线OPOP与其在地平面上投影线与其在地平面上投影线pgpg之间之间的夹角的夹角,它表示太阳高出水平面的角度它表示太阳高出水平面的角度。常常用用s s表示表示 高度角与天顶角的关系是高度角与天顶角的关系是:Z Z+s s=90=900 0S南西东太阳QOgPZ ZS SS Sc.方位角方位角s s 太阳光线在地平面上投影和地平面太阳光线在地平面上投影和地平面上正南方向线之间的夹角上正南方向线之间的夹角s s。它表它表示太阳光线的水平投影偏离正南方向示太阳光线的水平投影偏离正南方向的角度的角度。取向取向南方向为起始点南方向为起始点,向西向西(顺时针方向顺时针方向)为正为正,向东为负向
16、东为负。05:55:53172.3 天球坐标2.3.3 太阳角的计算太阳角的计算1.太阳太阳高度角的计算高度角的计算高度角和纬度、赤纬及时角的关系是高度角和纬度、赤纬及时角的关系是:太阳正午时太阳正午时,=0,可简化为可简化为:当当正午正午太阳在天顶以南太阳在天顶以南,即即时时:s=900+当当正午正午太阳在天顶以北太阳在天顶以北,即即时时:s=900+=900 31.120+(0.60)=58.280 下午下午3时的太阳高度角时的太阳高度角:sins=sin31.12sin(0.6)+cos31.12cos(0.6)cos45=0.5998 s=36.86005:55:53182.3 天球坐
17、标2.方位角方位角s的计算的计算方位角方位角与赤纬与赤纬、高度角高度角、纬度及时角的关系是纬度及时角的关系是:例题例题3.计算上海地区计算上海地区9月月22日日14时的太阳方位角时的太阳方位角s 解解:由例题由例题1可知可知:=0.60,=31.120,=215=300先求高度角先求高度角:sin s=sin31.12sin(0.6)+cos31.12cos(0.6)cos30=0.7359 s=47.380 代入代入:s=47.60005:55:54192.3 天球坐标3.日出日出日落时角日落时角0 日出日落时太阳高度角为日出日落时太阳高度角为0,可得到可得到:c o s 0=tantan
18、由于由于 c o s 0=c o s(0)0日出日出=0;0日落日落=0 以度表示以度表示,负值为日出时角负值为日出时角,正值为日落时角正值为日落时角。4.日照时间日照时间N 由于地球每小时自转由于地球每小时自转150,所以日照时间所以日照时间N可以用日出日落时角的绝对值之和可以用日出日落时角的绝对值之和除以除以150/小时小时。例题例题4.计算上海地区在冬至的日出日落时角及全天日照时间计算上海地区在冬至的日出日落时角及全天日照时间。解解:上海的上海的=31.120,冬至日的太阳冬至日的太阳赤纬赤纬=23.450,代入公式得代入公式得:cos0=tantan=tan31.12tan(23.45
19、)=0.2619 0=74.820 全天日照时间全天日照时间 N=274.82/15=9.98小时小时05:55:54202.3 天球坐标5.日出日出日落时的日落时的方位角方位角日出日落时太阳高度角为日出日落时太阳高度角为s=0 所以所以:coss=1;sins=0代入代入:cos s,0=sin/sin上式得到的日出日落时的方位角都有两组解上式得到的日出日落时的方位角都有两组解,因此必须选择一个正确的解因此必须选择一个正确的解。我国所我国所处位置大致可划分为北热带处位置大致可划分为北热带(023.450)和北温带和北温带(23.45066.550)两个气候带两个气候带。当太阳赤当太阳赤纬纬0
20、0时时,太阳升起和降落都在北面的象限太阳升起和降落都在北面的象限(即数学上的第一即数学上的第一,二象限二象限);00时时,太太阳升起和降落都在南面的象限阳升起和降落都在南面的象限(即数学上的第三即数学上的第三,四象限四象限)。例题例题5.求上海地区求上海地区9月月22日日出日落的方位日日出日落的方位 角及角及全天日照时间全天日照时间:.解解:由以上例题已知由以上例题已知:上海地区的上海地区的=31.1231.120 0,9月月22日太阳赤纬日太阳赤纬:=-0.6=-0.60 代入代入:cos cos s,0s,0=-sin=-sin/sin/sin=-sin(-0.6-sin(-0.60)/s
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