第1章 太陽與太陽能

1、第第1章章 太陽和太陽能太陽和太陽能太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用原理太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用原理 黃漢云編著黃漢云編著第第1章章 太陽太陽和太陽能和太陽能 太陽和太陽能太陽和太陽能1.1 太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1 1.1.1 .1.1 太陽基本物理參數(shù)太陽基本物理參數(shù) 太陽是距地球最近的恒星。太陽是距地球最近的恒星。 半徑：半徑： R R=6.96 =6.96 10105 5 km km ( (地球的地球的109109倍）；倍）； 體積：體積：1.41221.4122 10107 7 kmkm3 3( (地球的地球的130130萬倍）；萬倍）； 質(zhì)量：約為質(zhì)量：約為1.991.99101

2、02727t t（地球質(zhì)量的（地球質(zhì)量的3333萬倍）；萬倍）； 平均密度：平均密度：1.409g/cm1.409g/cm3 3( (地球密度的地球密度的1/4)1/4)；160g/cm160g/cm3 3( (核心核心) )； 溫度：溫度：57705770(表面表面) )，1.561.56 10107 7 (核心核心) )； 日地平均距離：日地平均距離：1.51.5 10108 8kmkm； 太陽光到達(dá)地球表面時間：約太陽光到達(dá)地球表面時間：約8 8 1818 ； 年齡：約年齡：約5050億年；億年； 壽命：壽命：100100億年。億年。 自轉(zhuǎn)周期：自轉(zhuǎn)周期：25-3025-30天天 距最近

3、的恒星的距離：距最近的恒星的距離：4.34.3光年光年 宇宙年：宇宙年：225225百萬年百萬年 總輻射功率：總輻射功率：3.833.8310102626J/sJ/s1.1.2 太陽的結(jié)構(gòu)太陽的結(jié)構(gòu)如圖如圖1-1所示所示 1. 里三層里三層太陽內(nèi)部太陽內(nèi)部 核反應(yīng)區(qū)：核反應(yīng)區(qū)：0.25R內(nèi)，溫度內(nèi)，溫度1500萬度，太陽一半的質(zhì)萬度，太陽一半的質(zhì)量，壓力約量，壓力約2500億大氣壓；氫聚合時放出億大氣壓；氫聚合時放出 射線，這種射線射線，這種射線通過較冷區(qū)域時，消耗能量，增加波長，變成通過較冷區(qū)域時，消耗能量，增加波長，變成X射線或紫射線或紫外線及可見光。外線及可見光。 輻射區(qū)：輻射區(qū)：0.2

4、50.8R范圍，溫度范圍，溫度13萬度，密度萬度，密度0.079g/cm3;太陽能量通過這個區(qū)域由輻射傳輸出去。太陽能量通過這個區(qū)域由輻射傳輸出去。 對流區(qū)：對流區(qū)：0.81.0R范圍，溫度范圍，溫度5000度，密度度，密度10 8g/cm3；太陽能量主要靠對流傳播。太陽能量主要靠對流傳播。 1.1 太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1.1 太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1.1.2 太陽的結(jié)構(gòu)太陽的結(jié)構(gòu)如圖如圖1-1所示所示 2.外三層外三層太陽外部太陽外部（太陽（太陽大氣）大氣） 光球?qū)樱汉穸裙馇驅(qū)樱汉穸?00km，溫度，溫度5700，太陽的全部光能幾，太陽的全部光能

5、幾乎全從這個層次發(fā)出。太陽的連續(xù)光譜基本上就是光球的光乎全從這個層次發(fā)出。太陽的連續(xù)光譜基本上就是光球的光譜，太陽光譜內(nèi)的吸收線基本上也是在這一層內(nèi)形成的。譜，太陽光譜內(nèi)的吸收線基本上也是在這一層內(nèi)形成的。太陽黑子產(chǎn)生。太陽黑子產(chǎn)生。 色球?qū)樱汉穸壬驅(qū)樱汉穸?000km，溫度由內(nèi)向外升高，溫度由內(nèi)向外升高，4300幾幾萬度萬度；邊緣產(chǎn)生日珥、耀斑（極光）等。；邊緣產(chǎn)生日珥、耀斑（極光）等。 日冕層：內(nèi)冕層高度日冕層：內(nèi)冕層高度17萬萬km，溫度，溫度100萬度；外冕層高萬度；外冕層高度在度在17萬萬km以上，溫度低于內(nèi)冕層。以上，溫度低于內(nèi)冕層。 太陽大氣分層并不嚴(yán)格，實際是連續(xù)變化的。太陽

6、大氣分層并不嚴(yán)格，實際是連續(xù)變化的。1.1 太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1.1 太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽表面結(jié)構(gòu)太陽表面結(jié)構(gòu)1.1 太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)極光極光日珥日珥1.1 太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)太陽基本物理參數(shù)及結(jié)構(gòu)1.1.3 太陽的太陽的成分成分氫：占太陽體積的氫：占太陽體積的71.2%71.2%氦：占氦：占27%27%其他：占其他：占1.8%1.8%1.2 太陽能的來源太陽能的來源 圖圖1 1- -3 3（1 1）太陽結(jié)構(gòu)和能量太陽結(jié)構(gòu)和能量傳遞方式示意圖傳遞方式示意圖1.3 太陽能量的傳遞和輻射方式太陽能量的傳遞和輻射方

7、式1.3.1 太陽能量的傳遞太陽能量的傳遞1.3 太陽能量的傳遞和輻射方式太陽能量的傳遞和輻射方式1.3.2 太陽能量的輻射太陽能量的輻射（1 1）輻射的分類）輻射的分類（2 2）影響太陽能）影響太陽能量輻射的因素量輻射的因素太陽輻射能太陽輻射能 太陽組成太陽組成：炙熱的氣體火球炙熱的氣體火球(氫：氫：71.3%，氦：，氦：27%，其，其它：它：1.8%) ； 太陽能：太陽能：核聚變反應(yīng)（氫聚變成氦）核聚變反應(yīng)（氫聚變成氦）6.571011kg/s氫氫6.53 1011kg/s氦氦 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損m=0.41010kg/s 能量轉(zhuǎn)換能量轉(zhuǎn)換E=mc2 =3.90 1023 kW 總輻射功率：

8、總輻射功率：3.865 1026J/s(相當(dāng)于相當(dāng)于1.32 1016t標(biāo)煤能量標(biāo)煤能量/s); 地球上界輻射能：地球上界輻射能：1.77 1014 kW(二十二億分之一二十二億分之一 )； 地球表面輻射能：地球表面輻射能： 8.5 1013kW (大氣衰減大氣衰減)。（GB：標(biāo)煤燃燒值：標(biāo)煤燃燒值29305kJ/kg）1.3 太陽能量的傳遞和輻射方式太陽能量的傳遞和輻射方式 太陽輻射能太陽輻射能（地球表面輻射能）地球表面輻射能） 到達(dá)地球表面的太陽輻射能大體分為到達(dá)地球表面的太陽輻射能大體分為三部分三部分： 一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽s一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽s4.0 l013 kW)，使地球的平均溫度，

9、使地球的平均溫度大約保持在大約保持在l4，造成適合各種生物生存和發(fā)展的自然環(huán)，造成適合各種生物生存和發(fā)展的自然環(huán)境，同時使地球表面的水不斷蒸發(fā)，造成全球每年約境，同時使地球表面的水不斷蒸發(fā)，造成全球每年約50 1016 km3的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落在陸地上，這就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。在陸地上，這就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。 第二部分（約有第二部分（約有3.7 1013 kW）用來推動海水及大氣的對）用來推動海水及大氣的對流運動，這便是海流能、波浪能、風(fēng)能的由來。流運動，這便是海流能、波浪能、風(fēng)能的由來。

10、第三部分（約第三部分（約4 1012 kW ）的太陽能被植物葉子的葉綠素）的太陽能被植物葉子的葉綠素所捕獲，成為光合作用的能量來源所捕獲，成為光合作用的能量來源 。 1.3 太陽能量的傳遞和輻射方式太陽能量的傳遞和輻射方式1.4 太陽能貯存方式太陽能貯存方式（1 1）電能貯存）電能貯存（2 2）熱能貯存）熱能貯存（3 3）潛熱貯存）潛熱貯存（4 4）化學(xué)貯存）化學(xué)貯存（5)5)太陽池貯存太陽池貯存（6 6）氫能貯存）氫能貯存（7 7）機械能貯存）機械能貯存1.5 經(jīng)度和緯度的確定經(jīng)度和緯度的確定1.5.1 地球的緯線與緯度地球的緯線與緯度 地軸：地軸：地球自轉(zhuǎn)的軸線，通過地球的南北極和地球中心

11、。地球自轉(zhuǎn)的軸線，通過地球的南北極和地球中心。 赤道：赤道：地球中腰與地球中腰與赤道赤道垂直且與南北極距離相等的大圓垂直且與南北極距離相等的大圓圈。圈。 緯線：緯線：赤道的南北兩邊若干與赤道平行的圓圈，即緯赤道的南北兩邊若干與赤道平行的圓圈，即緯圈，構(gòu)成緯圈的線段，稱為緯線。圈，構(gòu)成緯圈的線段，稱為緯線。 緯度：緯度：赤道南、北各有赤道南、北各有90 ，規(guī)定赤道為緯度，規(guī)定赤道為緯度0 ，分別向，分別向兩極排列，南、北極分別為南、北緯兩極排列，南、北極分別為南、北緯90 。緯圈越小，緯度。緯圈越小，緯度越高。緯度的高低標(biāo)志氣候的冷熱。越高。緯度的高低標(biāo)志氣候的冷熱。 030 ，低緯度區(qū)；，低緯

12、度區(qū)； 3060 ，中緯度區(qū)；，中緯度區(qū)； 6090 ，高緯度區(qū)。，高緯度區(qū)。1.5.2 地球的經(jīng)線與經(jīng)度地球的經(jīng)線與經(jīng)度 經(jīng)線：經(jīng)線：南北極間若干南北方向的且與赤道垂直的大圓南北極間若干南北方向的且與赤道垂直的大圓圈，即圈，即“經(jīng)圈經(jīng)圈”，構(gòu)成經(jīng)圈的線段稱為經(jīng)線，即地面上連構(gòu)成經(jīng)圈的線段稱為經(jīng)線，即地面上連接南北極的線，表示南北方向，所有經(jīng)線長度相等。接南北極的線，表示南北方向，所有經(jīng)線長度相等。 經(jīng)度：經(jīng)度：計算經(jīng)度（計算經(jīng)度（0 ）的起始線，通過倫敦格林尼治天文）的起始線，通過倫敦格林尼治天文臺原址的經(jīng)線，規(guī)定為臺原址的經(jīng)線，規(guī)定為0 經(jīng)線，即經(jīng)線，即本初子午線，它是確定地本初子午線，它

13、是確定地球經(jīng)度和全球時刻的標(biāo)準(zhǔn)參考線。子午線總長度球經(jīng)度和全球時刻的標(biāo)準(zhǔn)參考線。子午線總長度40008km。1.5.3 二十四節(jié)氣二十四節(jié)氣 1.5 經(jīng)度和緯度的確定經(jīng)度和緯度的確定1.6.1 太陽常數(shù)太陽常數(shù) 太陽常數(shù)是指在日地平均距離處，地球大氣層外（大氣太陽常數(shù)是指在日地平均距離處，地球大氣層外（大氣上界）垂直于太陽光線的平面上，單位時間、單位面積內(nèi)上界）垂直于太陽光線的平面上，單位時間、單位面積內(nèi)所接受的所有波長的太陽總輻射能量值，它基本上是一個所接受的所有波長的太陽總輻射能量值，它基本上是一個常數(shù)，所以這個輻照度稱為常數(shù)，所以這個輻照度稱為太陽常數(shù)太陽常數(shù)。 太陽常數(shù)值被世界氣象組織

14、確定為：太陽常數(shù)值被世界氣象組織確定為：I0（1367 7）W/m2 對于不是垂直照射的情況，到達(dá)水平面上的太陽輻射強對于不是垂直照射的情況，到達(dá)水平面上的太陽輻射強度與太陽常數(shù)之間存在著下面的關(guān)系：度與太陽常數(shù)之間存在著下面的關(guān)系：I= I0sinh （2-11）式中，式中，h為太陽高度角；為太陽高度角； I0為太陽常數(shù)；為太陽常數(shù)；I為投射到大氣上界為投射到大氣上界水平面上的太陽輻射強度。水平面上的太陽輻射強度。1.6 太陽常數(shù)和太陽光譜太陽常數(shù)和太陽光譜 地球繞太陽的運行規(guī)律地球繞太陽的運行規(guī)律 地球自轉(zhuǎn)：地球繞著通過它本身南極和北極的地球自轉(zhuǎn)：地球繞著通過它本身南極和北極的“地軸地軸”

15、自自西向東轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)一周（西向東轉(zhuǎn)動。每轉(zhuǎn)一周（360 ）為一晝夜，一晝夜又分為）為一晝夜，一晝夜又分為24h（實際一個恒星日為（實際一個恒星日為23小時小時56分分4.0905秒），所以地球秒），所以地球每小時自轉(zhuǎn)每小時自轉(zhuǎn)15 。 地球公轉(zhuǎn)：地球繞太陽循地球公轉(zhuǎn)：地球繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道著偏心率很小的橢圓形軌道(黃道黃道)上運行，稱為上運行，稱為“公轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)”。其周期為一年，一年為其周期為一年，一年為365天天（實際一個恒星年為（實際一個恒星年為365天天6小時小時6分分9秒）。秒）。1.6 太陽常數(shù)和太陽光譜太陽常數(shù)和太陽光譜 地球繞太陽的運行規(guī)律地球繞太陽的運行規(guī)律 地球的自

16、轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運行的軌道面（黃道面）的法線傾地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運行的軌道面（黃道面）的法線傾斜成斜成23 27 的夾角（的夾角（黃赤交角黃赤交角），而且地球公轉(zhuǎn)時其自轉(zhuǎn)軸），而且地球公轉(zhuǎn)時其自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。的方向始終不變，總是指向天球的北極。圖圖1-4 地球繞太陽運行及其影響地球繞太陽運行及其影響1.6 太陽常數(shù)和太陽光譜太陽常數(shù)和太陽光譜1.6 太陽常數(shù)和太陽光譜太陽常數(shù)和太陽光譜太陽的視運動太陽的視運動 地球上人們觀察到的太陽運動軌跡，稱地球上人們觀察到的太陽運動軌跡，稱太陽視運動太陽視運動（The sun looks at motion），實質(zhì)是相對運動。），實質(zhì)是

17、相對運動。 圖圖1-5a觀察者在南緯或北緯觀察者在南緯或北緯35 時所觀察到的太陽的視運動時所觀察到的太陽的視運動（ 是地球自轉(zhuǎn)平面是地球自轉(zhuǎn)平面(赤道平面赤道平面)與地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)平面與地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)平面(黃道平面黃道平面)之間的夾角之間的夾角( 23 2723. 45 ) ） 1.6 太陽常數(shù)和太陽光譜太陽常數(shù)和太陽光譜1.6 太陽常數(shù)和太陽光譜太陽常數(shù)和太陽光譜1.6.2 太陽光譜太陽光譜（1 1）太陽光譜的定）太陽光譜的定（2 2）光譜的分類）光譜的分類1.6 太陽常數(shù)和太陽光譜太陽常數(shù)和太陽光譜太陽輻射光譜太陽輻射光譜太陽發(fā)射的電磁輻射能量在太陽發(fā)射的電磁輻射能量在大氣上界大氣上

18、界隨波長的分布，稱隨波長的分布，稱為太陽為太陽輻射光譜輻射光譜（能（能譜譜）。太陽以光輻射的形式將能量傳）。太陽以光輻射的形式將能量傳送到地球表面，但由于地送到地球表面，但由于地球大氣層的存在，到達(dá)地球大氣層的存在，到達(dá)地面的太陽光譜與大氣上界面的太陽光譜與大氣上界的太陽光譜有所不同，其的太陽光譜有所不同，其輻射光譜分布如圖輻射光譜分布如圖2-9所示。所示。圖中陰影部分，表示太陽圖中陰影部分，表示太陽輻射被大氣所吸收的部分。輻射被大氣所吸收的部分。太陽輻射的光譜分布太陽輻射的光譜分布1.6 太陽常數(shù)和太陽光譜太陽常數(shù)和太陽光譜太陽輻射光譜太陽輻射光譜太陽輻射能量隨波長的分布，稱為太陽輻射能量隨

19、波長的分布，稱為太陽光譜太陽光譜（能譜）能譜）。 發(fā)射光譜：連續(xù)光譜；明線光譜發(fā)射光譜：連續(xù)光譜；明線光譜 吸收光譜：太陽光譜屬于吸收光譜。吸收光譜：太陽光譜屬于吸收光譜。 地球上界的太陽輻射光譜：地球上界的太陽輻射光譜：波長波長0.154.0 m的光，的光，99%； 0.40.76 m(可見光可見光)，40.3%； 0.76 m(紅外光紅外光)，51.4%；最大輻射能量最大輻射能量波長波長，0.475 m.太陽輻射的光譜分布太陽輻射的光譜分布1.6 太陽常數(shù)和太陽光譜太陽常數(shù)和太陽光譜 1.7.1太陽高度角和方位角定義太陽高度角和方位角定義太陽高度角太陽高度角，太陽中心直射到地面的光線與當(dāng)?shù)?/p>

20、水平面，太陽中心直射到地面的光線與當(dāng)?shù)厮矫骈g夾角間夾角(h)，表示太陽的高度，日出日落為，表示太陽的高度，日出日落為0 ，正午為，正午為90 。太陽高度角是地面獲得太陽能強弱的重要因素。太陽高度太陽高度角是地面獲得太陽能強弱的重要因素。太陽高度角隨緯度和時間變化，正午太陽高度角角隨緯度和時間變化，正午太陽高度角（h）計算公式：計算公式：sinh=sin sin +cos cos cos t式中，式中， 為觀測點地理緯度為觀測點地理緯度； 為太陽赤緯角；為太陽赤緯角； 為地球自轉(zhuǎn)為地球自轉(zhuǎn)角速度；角速度；t為地方時。為地方時。 可視為常數(shù)可視為常數(shù)(15 /h)，則有，則有sinh=sin s

21、in +cos cos =cos() 太陽方位角，太陽方位角，太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€正南方的夾角正南方的夾角( )，向西為正，向東為負(fù)，變化范圍，向西為正，向東為負(fù)，變化范圍 180 ；它表示它表示太陽的方位，決定太陽光的入射方向。它表示它表示太陽的方位，決定太陽光的入射方向。1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 太陽的太陽的視位置視位置，用太陽的，用太陽的高度角高度角和和方位角方位角表示，如圖表示，如圖1-9所示。所示。 圖圖1-9 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 Z-天頂；天頂；n-

22、傾斜面法線；傾斜面法線；S-指向太陽的向量；指向太陽的向量； -傾斜面與水平面的夾角；傾斜面與水平面的夾角； z-天頂角，指向太陽的向量天頂角，指向太陽的向量S與天頂與天頂Z的夾角；的夾角；h-太陽高度角，指向太陽太陽高度角，指向太陽的向量的向量S與地平面的夾角；與地平面的夾角； -太陽方位角，指向太陽的向量太陽方位角，指向太陽的向量S在地面上的在地面上的投影與南北方向線間夾角；投影與南北方向線間夾角； T-指向太陽的向量指向太陽的向量S與傾斜面法線與傾斜面法線n的夾角；的夾角； n-法線法線n在地面上的投影與南北方向線的夾角在地面上的投影與南北方向線的夾角 太陽角的定義太陽角的定義（與地平面

23、呈（與地平面呈 角的一角的一個傾斜面與太陽輻射的個傾斜面與太陽輻射的幾何關(guān)系）幾何關(guān)系）1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 太陽的太陽的時角時角 太陽的時角太陽的時角用用 表示，它定義為：在正午時表示，它定義為：在正午時 0，每隔，每隔1小時增小時增15 ，上午為正，下午為負(fù)。，上午為正，下午為負(fù)。 例如：例如： 上午上午11時，時， +15 ； 上午上午8時，時， 15(12 8)=60 ； 下午下午1時，時， -15 ； 下午下午3時，時， -153-45 。 1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 太陽高度角、方位角、日照時間的計算太陽高度角、方位角、日照時間的計算 太陽

24、赤緯角庫珀方程太陽赤緯角庫珀方程 太陽光線與地球赤道面的交角就是太陽的太陽光線與地球赤道面的交角就是太陽的赤緯角赤緯角，以，以 表表示（見圖示（見圖2-8）。在一年當(dāng)中，太陽赤緯每天都在變化，但）。在一年當(dāng)中，太陽赤緯每天都在變化，但不超過不超過 23 27 的范圍。夏天最大變化到夏至日的的范圍。夏天最大變化到夏至日的+23 27 ，冬天最小變化到冬至日的冬天最小變化到冬至日的 23 27 。 太陽赤緯按庫珀太陽赤緯按庫珀(Cooper)方程計算方程計算式中，式中，n為一年中從元旦算起的日期序號，如在春分，為一年中從元旦算起的日期序號，如在春分，n=81,則則 =0。 自春分日起的第自春分日起

25、的第d天的太陽赤緯為天的太陽赤緯為365284360sin45.23n3652sin45.23d1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 太陽赤緯角太陽赤緯角 一年中一年中太陽赤緯角的變化規(guī)律太陽赤緯角的變化規(guī)律1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 （1）太陽高度角）太陽高度角h 太陽中心直射到地面的光線與當(dāng)?shù)厮矫骈g夾角太陽中心直射到地面的光線與當(dāng)?shù)厮矫骈g夾角(h)，表，表示太陽的高度。示太陽的高度。在天文學(xué)中，太陽高度角的計算公式為在天文學(xué)中，太陽高度角的計算公式為sinh=sin sin +cos cos cos （2-3）式中，式中， 為觀測點地理緯度；為觀測點地理緯度；

26、 為當(dāng)日觀測時刻的太陽赤緯為當(dāng)日觀測時刻的太陽赤緯角；角； 為觀測時刻的太陽時角。其中單位均以度（為觀測時刻的太陽時角。其中單位均以度（ ）計。）計。 正午時，正午時， 0，cos =1，式（，式（2-3）可簡化為）可簡化為sinh=sin sin +cos cos =cos()因為因為cos()sin90()，所以，所以，sinh= sin90() （2-4） 1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 （1）太陽高度角）太陽高度角h 正午時，若太陽在天頂以南，即正午時，若太陽在天頂以南，即 ，取，取sin90 ()，從而有從而有 h=90 若太陽在天頂以北，即若太陽在天頂以北，即 ，取，

27、取sin90 ()，從而有，從而有h=90 在南北回歸線上，有時正午時太陽正對天頂，則在南北回歸線上，有時正午時太陽正對天頂，則 ，從而有從而有h90 。 注意：注意：地理緯度地理緯度 ，北半球取正值，南半球取負(fù)值；太陽，北半球取正值，南半球取負(fù)值；太陽赤緯角赤緯角 ，太陽位于赤道以北時取正值，位于赤道時，太陽位于赤道以北時取正值，位于赤道時 =0，位于赤道以南時取負(fù)值。位于赤道以南時取負(fù)值。1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 （1）太陽高度角）太陽高度角h例例1 計算夏至日南回歸線上的正午太陽高度角。計算夏至日南回歸線上的正午太陽高度角。 解：解：夏至日正午太陽赤緯角夏至日正午太陽

28、赤緯角 =23 27 ； 南回歸線緯度南回歸線緯度 = 23 27 。 所以太陽高度角為所以太陽高度角為h=90 ()=90 (66 33 0 )=23 27 1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 （2）太陽方位角）太陽方位角 太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€正南方的夾角太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€正南方的夾角( )，向西為正，向東為負(fù)，變化范圍，向西為正，向東為負(fù)，變化范圍 180 ；它表示它表示它表示它表示太陽的方位，決定太陽光的入射方向。太陽的方位，決定太陽光的入射方向。 由圖由圖2-8的幾何關(guān)系，太陽方位角計算公式為的幾何關(guān)系，太陽方位角計算公式為 也可用下式計算也

29、可用下式計算 根據(jù)地理緯度、太陽赤緯及觀測時間，利用根據(jù)地理緯度、太陽赤緯及觀測時間，利用上面式子上面式子中中任一個可以求出任何地區(qū)、任何季節(jié)某一時刻任一個可以求出任何地區(qū)、任何季節(jié)某一時刻的太陽方位角。的太陽方位角。coscoshsinsinsinhcoscoshsincossin1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 （3）日照時間）日照時間 太陽在地平線的出沒瞬間，其太陽高度角太陽在地平線的出沒瞬間，其太陽高度角h0，若不考，若不考慮地表面曲率及大氣折射的影響，根據(jù)式（慮地表面曲率及大氣折射的影響，根據(jù)式（2-3），可得出），可得出日出日沒時角的表達(dá)式日出日沒時角的表達(dá)式cos t

30、an tan 式中，式中， 為日出或日沒時角，以度表示；正為日沒時角，為日出或日沒時角，以度表示；正為日沒時角，負(fù)為日出時角。負(fù)為日出時角。 對于北半球，當(dāng)對于北半球，當(dāng) 1 tan tan 1，由式，由式上式上式可得可得 arccos( tan tan ) 因為因為cos = cos( )，所以，所以 出出 ， 沒沒 。1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 （3）日照時間）日照時間 由由前面式子前面式子可求得任何季節(jié)、任何緯度上的晝長。求出可求得任何季節(jié)、任何緯度上的晝長。求出時角時角 后，日出日沒時間用后，日出日沒時間用 求出，一天中可能的求出，一天中可能的日照時間日照時間T（晝長

31、）可由下式給出（晝長）可由下式給出 ht/15)tantanarccos(152T1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 例例2-3 計算上海地區(qū)計算上海地區(qū)9月月22日中午日中午12時和下午時和下午2時的太陽時的太陽高度角和方位角，以及該地區(qū)冬至日的日出日沒時角及全高度角和方位角，以及該地區(qū)冬至日的日出日沒時角及全天日照時間。天日照時間。 解：解：上海地區(qū)的緯度上海地區(qū)的緯度 31.12 。 9月月22日距春分日的時間日距春分日的時間n265，則當(dāng)日的赤緯角為，則當(dāng)日的赤緯角為 正午正午12時的時角時的時角 0 ，下午，下午2時的時角時的時角 15 230 。 中午中午12時的太陽高度

32、角：由于時的太陽高度角：由于 ，則，則h=90 9031.12 ( 0.6 )58.28 6 . 0365265284360sin45.23365284360sin45.23n1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 下午下午2時的太陽高度角：時的太陽高度角： Sinhsin sin +cos cos cos sin31.12 sin( 0.6 )cos31.12 cos( 0.6 )cos30 0.7359 h47.38 下午下午2時的太陽方位角時的太陽方位角由此可得由此可得 47.6 。738. 038.47cos30sin)6 . 0cos(coshsincossin1.7 太陽高度

33、角和方位角太陽高度角和方位角 冬至日的太陽赤緯角冬至日的太陽赤緯角 23.45 ，則，則cos tan tan tan31.12 tan( 23.45 )0.2619因此，上海地區(qū)冬至日的日出時角因此，上海地區(qū)冬至日的日出時角 出出 74.82 ，日落時，日落時角角 沒沒74.82 ，全天日照時間，全天日照時間h98. 9h1582.742h152)tantanarccos(152T1.7 太陽高度角和方位角太陽高度角和方位角 到達(dá)地球表面上的太陽輻射能到達(dá)地球表面上的太陽輻射能 到達(dá)地面的太陽輻射一部分以平行光的方式直接到達(dá)，到達(dá)地面的太陽輻射一部分以平行光的方式直接到達(dá)，稱為稱為直接輻射直

34、接輻射；另一部分是太陽光線經(jīng)大氣散射，投射到；另一部分是太陽光線經(jīng)大氣散射，投射到地面的稱為地面的稱為散射輻射散射輻射；直接輻射與散射輻射的總和為地球；直接輻射與散射輻射的總和為地球接受到的太陽接受到的太陽總輻射能量總輻射能量。 大氣對太陽大氣對太陽輻射的影響輻射的影響1.8 太陽直接輻射、散射輻射和總輻射太陽直接輻射、散射輻射和總輻射 （1）影響地球表面上太陽輻射能的因素）影響地球表面上太陽輻射能的因素 天文因素：日地距離；太陽赤緯角；太陽時角。天文因素：日地距離；太陽赤緯角；太陽時角。 地理因素：地理位置；海拔高度。地理因素：地理位置；海拔高度。 物理因素：大氣透明度；接受太陽輻射面的表面

35、物理物理因素：大氣透明度；接受太陽輻射面的表面物理化學(xué)性質(zhì)，包括表面涂層性質(zhì)?；瘜W(xué)性質(zhì)，包括表面涂層性質(zhì)。 幾何因數(shù)：接收太陽輻射面的傾斜度和方位角。幾何因數(shù)：接收太陽輻射面的傾斜度和方位角。 大氣對太陽大氣對太陽輻射的影響輻射的影響1.8 太陽直接輻射、散射輻射和總輻射太陽直接輻射、散射輻射和總輻射 （2）大氣層對太陽輻射的衰減作用）大氣層對太陽輻射的衰減作用大氣衰減大氣衰減 大氣衰減大氣衰減在于大氣層中的各種氣體、水滴、塵埃等雜質(zhì)在于大氣層中的各種氣體、水滴、塵埃等雜質(zhì)對太陽光的作用對太陽光的作用，形成大氣層對太陽光線是一種不透明介形成大氣層對太陽光線是一種不透明介質(zhì)，主要質(zhì)，主要衰減作用

36、衰減作用： 吸收作用；吸收作用； 散射作用；散射作用； 漫反射作用。漫反射作用。 大氣衰減與太陽光線大氣衰減與太陽光線經(jīng)過大氣的路徑長短有經(jīng)過大氣的路徑長短有關(guān)，路徑越長，衰減越關(guān)，路徑越長，衰減越厲害。厲害。（與太陽高度（與太陽高度相關(guān)）相關(guān)） 大氣對太陽輻射的影響大氣對太陽輻射的影響1.8 太陽直接輻射、散射輻射和總輻射太陽直接輻射、散射輻射和總輻射 （3）大氣質(zhì)量）大氣質(zhì)量m 為了能夠方便地研究太陽輻射受地球大氣衰減作用的影為了能夠方便地研究太陽輻射受地球大氣衰減作用的影響，將太陽輻射通過大氣的厚度稱為大氣質(zhì)量響，將太陽輻射通過大氣的厚度稱為大氣質(zhì)量（air-mass，AM），其，其確切

37、確切定義定義是：是：太陽太陽光線通過大氣的實際距離光線通過大氣的實際距離與與大大氣的垂直厚度氣的垂直厚度之比，它是一個無量綱的量，用之比，它是一個無量綱的量，用m表示。表示。 大氣質(zhì)量示意圖大氣質(zhì)量示意圖1.8 太陽直接輻射、散射輻射和總輻射太陽直接輻射、散射輻射和總輻射 海平面上太陽光線垂直入射（太陽高度角海平面上太陽光線垂直入射（太陽高度角h90 ）時，）時，m=1，記為，記為AM1；大氣層上界的大氣質(zhì)量；大氣層上界的大氣質(zhì)量m=0（AM0）；）；m=1.5，寫成，寫成AM1.5，表示太陽，表示太陽光線通過大氣的實際距離為光線通過大氣的實際距離為大氣垂直厚度的大氣垂直厚度的1.5倍倍。 大

38、氣質(zhì)量越大，說明太陽光線經(jīng)過大氣的路徑越長，受大氣質(zhì)量越大，說明太陽光線經(jīng)過大氣的路徑越長，受到的衰減越多，到達(dá)到的衰減越多，到達(dá)地面的能量就越少地面的能量就越少 。 大氣質(zhì)量計算公式大氣質(zhì)量計算公式 大氣質(zhì)量示意圖大氣質(zhì)量示意圖sinh1seczAM1.8 太陽直接輻射、散射輻射和總輻射太陽直接輻射、散射輻射和總輻射h：太陽高度角：太陽高度角z：天頂角天頂角 落在傾斜表面上的輻射落在傾斜表面上的輻射 落在水平面上的直射成分落在水平面上的直射成分S需要轉(zhuǎn)換成在相對水平面傾角需要轉(zhuǎn)換成在相對水平面傾角為為 的斜面上的直射成分的斜面上的直射成分S ，如圖所示。，如圖所示。 h 90 -南半球緯度，

39、適用于南半球緯度，適用于位于南半球，朝北的太位于南半球，朝北的太陽能組件；陽能組件； h90+ -北半球緯度，適用于北半球緯度，適用于位于北半球，朝南的太位于北半球，朝南的太陽能組件。陽能組件。 光線落在與水平面成光線落在與水平面成 角的斜面上角的斜面上 hsin)hsin(SS1.8 太陽直接輻射、散射輻射和總輻射太陽直接輻射、散射輻射和總輻射1.12 太陽能輻射強度太陽能輻射強度 2.平均日照時數(shù)和峰值日照時數(shù)平均日照時數(shù)和峰值日照時數(shù) 日照時間日照時間是指太陽光在一天當(dāng)中從日出到日落實際的是指太陽光在一天當(dāng)中從日出到日落實際的照射時間。照射時間。 日照時數(shù)日照時數(shù)是指在某一地點，一天當(dāng)中

40、太陽光達(dá)到一定是指在某一地點，一天當(dāng)中太陽光達(dá)到一定的輻照度（一般以氣象臺測定的的輻照度（一般以氣象臺測定的120W/m2為標(biāo)準(zhǔn)）時開始為標(biāo)準(zhǔn)）時開始記錄，直到小于此輻照度時停止記錄，期間所經(jīng)過的小時記錄，直到小于此輻照度時停止記錄，期間所經(jīng)過的小時數(shù)。日照時數(shù)小于日照時間。數(shù)。日照時數(shù)小于日照時間。 平均日照時數(shù)平均日照時數(shù)是指某一地點一年或若干年的日照時數(shù)是指某一地點一年或若干年的日照時數(shù)總和的平均值。例如，某地總和的平均值。例如，某地1985年到年到1995年實際測量的年年實際測量的年平均日照時數(shù)是平均日照時數(shù)是2053.6h，日平均日照時數(shù)就是，日平均日照時數(shù)就是5.63h。 1.13 日照時間和日照時數(shù)日照時間和日照時數(shù) 峰值日照時數(shù)峰值日照時數(shù)是指將當(dāng)?shù)氐奶栞椛淞?，折算成?biāo)準(zhǔn)是指將當(dāng)?shù)氐奶栞椛淞浚鬯愠蓸?biāo)準(zhǔn)測試條件（輻照度測試條件（輻照度1000W/m2）下的時數(shù)。）下的時數(shù)。 峰值日照時數(shù)峰值日照時數(shù)=斜面日輻射量斜面日輻射量/3600（h） 1.13 日照時間和日照時數(shù)日照時間和日照時數(shù) 太陽能輻射量太