傾斜面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的計(jì)算

1、建筑工程學(xué)院市政工程系 27-Jun-211 太陽(yáng)能利用太陽(yáng)能利用 第一章 太陽(yáng)輻射 27-Jun-21 2 1 11 1、地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn) 1、基本概念 v地球的自轉(zhuǎn)：地球繞地軸不斷地自西向東旋轉(zhuǎn)，其周期為24h。 由于地球的自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生晝夜交替的現(xiàn)象。 v黃道平面：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2327。 27-Jun-21 3 v地球的公轉(zhuǎn)：由于地球自轉(zhuǎn)軸與黃道平面法線的夾角為 2327 ，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，使得太陽(yáng)光線有時(shí)直射赤道，有時(shí)偏南，有時(shí)偏北，從 而形成地球上季節(jié)的變化。 1 11 1、地球的自轉(zhuǎn)與

2、公轉(zhuǎn)、地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn) 春分（321）：太陽(yáng)直射赤道冬至（1221）：太陽(yáng)直射南回歸線 夏至（621）：太陽(yáng)直射北回歸線 秋分（921）：太陽(yáng)直射赤道 27-Jun-21 4 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 121、赤緯角 定義：地球中心與太陽(yáng)中心連線與地球赤道平面的夾角。它與所 在地區(qū)無(wú)關(guān)，僅由日期決定： 365 284 360sin45.23 n 式中：赤緯角 n為一年中的日期序號(hào)。 27-Jun-21 5 122、時(shí)角 定義：每小時(shí)地球自轉(zhuǎn)的角度為15，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)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)間取負(fù)，下午時(shí)角為正。 v真

3、太陽(yáng)時(shí)H 的規(guī)定： 以當(dāng)?shù)靥?yáng)位于正南向的瞬時(shí)為正午。 v時(shí)差e: 真太陽(yáng)時(shí)與鐘表指示時(shí)間（平太陽(yáng)時(shí)）之間的差值。 時(shí)差產(chǎn)生的原因：（1）太陽(yáng)與地球之間的距離和相對(duì)位置隨時(shí)間變化。 （2）地球赤道平面與黃道平面成一定的夾角（ 2327 ）。 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 27-Jun-21 6 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 v全年各日的時(shí)e（單位，min）可用下式近似計(jì)算： BBBesin5 . 1cos53. 72sin87. 9 3651, 364 81360 n n B v各月21日的時(shí)差e 27-Jun-21 7 v真太陽(yáng)時(shí)H與地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)Hs的換算： 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 式中

4、：Hs該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，單位為h； L當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度，單位為； Ls當(dāng)?shù)氐貐^(qū)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所根據(jù)的經(jīng)度，單位為； 對(duì)于東半球，取正，對(duì)于西半球，取負(fù)。 6015 eLL HH s s 27-Jun-21 8 例1：計(jì)算昆明地區(qū)東經(jīng)102的地方6月21日真太陽(yáng)時(shí)與 北京時(shí)間的關(guān)系。 v對(duì)于6月21日：e1.4; v北京時(shí)間依據(jù)東經(jīng)120 所規(guī)定的，即Ls120； 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 18. 1 60 4 . 1 15 120102 ss HHH 因此： 27-Jun-21 9 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 123、太陽(yáng)高度角h 定義：地球表面上某點(diǎn)與太陽(yáng)的連線與地平面之間的夾角?？捎?下式計(jì)算： 地平

5、面 南向 天頂 太陽(yáng) h z coscossinsinsinh 式中：當(dāng)?shù)鼐暥?，單位為?赤緯角，單位為 ； 太陽(yáng)時(shí)角，單位為 27-Jun-21 1 0 v可見(jiàn)：太陽(yáng)高度角h 隨地區(qū)隨地區(qū)、季節(jié)季節(jié)及每日時(shí)刻每日時(shí)刻的變化而變化。 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 124、天頂角Z 定義：地球表面上某點(diǎn)水平面的法線與太陽(yáng)光線的夾角。可由下 式計(jì)算： 地平面 南向 天頂 太陽(yáng) h z hz 90 27-Jun-21 11 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 125、太陽(yáng)方位角 定義：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 南向（當(dāng)?shù)刈游缇€）的夾角。 規(guī)定：偏東為負(fù)，偏西為正偏東為負(fù)，偏西為正。

6、 天頂 太陽(yáng) h z 地平面 南向 27-Jun-21 1 2 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 太陽(yáng)方位角可由下式計(jì)算： cosh sincos sin 當(dāng)采用上式計(jì)算出的sin 大于大于1時(shí)，太陽(yáng)方位角改用 下式計(jì)算： coscosh sinsinsinh sin 27-Jun-21 1 3 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 27-Jun-21 1 4 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 126、任意平面上的太陽(yáng)入射角i v任意表面的傾斜角 定義：任意傾斜面與水平面之間的 夾角。 地平面 南向 天頂 太陽(yáng) z 傾斜面法線 對(duì)于水平面：0 對(duì)于垂直面：90 27-Jun-21 1 5 1 12 2、太陽(yáng)角

7、、太陽(yáng)角 v任意表面的方位角 定義：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。規(guī)定： 面向東時(shí)為負(fù)，面向西時(shí)為正面向東時(shí)為負(fù)，面向西時(shí)為正。 南向 z 太陽(yáng) 天頂 地平面 傾斜面法線 27-Jun-21 1 6 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 v太陽(yáng)入射角i 定義：太陽(yáng)入射線與平面法線之間的夾角。 太陽(yáng)入射角 i 可由下式計(jì)算： )cos(coshsinsinhcoscosi 式中：斜面傾角，單位為； 太陽(yáng)方位角，單位為 ； 斜面方位角，單位為; h 太陽(yáng)高度角。 地平面 南向 天頂 太陽(yáng) i 傾斜面法線 27-Jun-21 1 7 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 幾種特殊的情況： v

8、對(duì)于水平面，0，則： v對(duì)于垂直面，90，則： v對(duì)于面向正南的傾斜面， 0，則： sinhcos i )cos(coshcosi sin)sin(coscos)cos(cosi 27-Jun-21 1 8 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 127、日出、日沒(méi)時(shí)角 定義：太陽(yáng)視園面中心出沒(méi)地平線瞬間的時(shí)角，亦即太陽(yáng)高度 角為0時(shí)的時(shí)角。 令 sinh0 )tantan(cos 1 0 coscossinsinsinh 則： v式中：正值對(duì)應(yīng)日落時(shí)角，負(fù)值對(duì)應(yīng)日升時(shí)角。 27-Jun-21 1 9 例2：計(jì)算昆明地區(qū)北緯25的 地方7月21日的日照時(shí)間。 v對(duì)于7月21日： 23.44 ; v北緯2

9、5的 地方：25； 1 12 2、太陽(yáng)角、太陽(yáng)角 )tantan(cos 1 0 0 0 01.100 則日照時(shí)間T： hT33.13 15 01.100 2 15 2 0 365 284 360sin45.23 n 27-Jun-21 2 0 1 13 3、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 131、直射輻射、散射輻射和總輻射 基本概念 v散射輻射：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)到地球表面的、并無(wú)特定方向的這部分太陽(yáng)輻 射。 v直射輻射：未被地球大氣層吸收、反射及折射仍保持原來(lái)的 方向直達(dá)地球表面的這部分太陽(yáng)輻射。 v總太陽(yáng)輻射：散射輻射與直射輻射的總和。 27

10、-Jun-21 2 1 1 13 3、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 132、太陽(yáng)常數(shù) 定義：太陽(yáng)與地球之間為年平均距離時(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、單位時(shí)間所接受的太陽(yáng) 輻射能，以I0 表示。 v最新測(cè)量結(jié)果表明：I01367 W/m2。 27-Jun-21 2 2 1 13 3、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 各月大氣層外邊界處的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化 月份月份123456789101112 I0 Wm-2 141914071391136713471329132113281343136313851406 v最大月與最小月相差約7。 為什么1月份的太陽(yáng)能常數(shù)最

11、大，而我國(guó)1月份的氣溫 卻較低？ 27-Jun-21 2 3 1 13 3、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 133、大氣質(zhì)量m 定義：太陽(yáng)光線穿過(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。完全不同于通常所說(shuō)的完全不同于通常所說(shuō)的“質(zhì)質(zhì) 量量”。 地球平面 天頂 大氣層 m=1 h m=1/sinh v規(guī)定：在海平面上，當(dāng)太陽(yáng)處 于天頂位置時(shí)，太陽(yáng)光線垂直照 射所通過(guò)的路程為1。 忽略地球曲率的的影響，大氣質(zhì)量 m由下式計(jì)算： sinh 1 m 27-Jun-21 2 4 1 13 3、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 134、晴天地球表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 基本概

12、念 v法向太陽(yáng)輻射強(qiáng)度IDN：與太陽(yáng)光線相垂直的表面上（即太 陽(yáng)光線法線方向）的太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度。 式中：I0垂直與大氣層外邊界處的太 陽(yáng)輻射強(qiáng)度； P大氣透明系數(shù) ； m 光線透過(guò)的大氣質(zhì)量。 m DN PII 0 h IDN 水平面 27-Jun-21 2 5 1 13 3、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 v水平面直射太陽(yáng)輻射強(qiáng)度IDH 水平面h IDN o A BIDH OBIABI DHDN sinhsinh 0 m DNDNDH pII OB AB II 在直角OAB中，有： 27-Jun-21 2 6 1 13 3、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 v水平面散射輻射強(qiáng)度IdH

13、 p p II m odH ln4 . 11 1 sinh 2 1 v水平面上的總輻射強(qiáng)度IH P P PIIII m m dHDHH ln4 . 112 1 sinh 0 27-Jun-21 2 7 1 13 3、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 135、任意傾斜面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 式中：ID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； IR傾斜面上所獲得的地面反射輻射強(qiáng)度。 RdD IIII v傾斜面上的總輻射強(qiáng)度I 27-Jun-21 2 8 直射輻射 傾斜面 水平面 ID IDN i h IDH 傾斜面法線 o A B C 1 13 3、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算 v傾斜面上太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度ID iII DND cos 在直角OAB中，有： 在直角OAC中，