太陽能和太陽光譜-課件

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太陽光譜

2太陽能資源分布4太陽能利用方式及分類31太陽輻射能的測量與計(jì)算33第1章太陽能和太陽光譜1ppt課件Schl.ofOptoelectronicInform1、太陽能利用方式及分類

主要有三種利用方式：“光-熱”轉(zhuǎn)換、“光-電”轉(zhuǎn)換、

“光-化學(xué)”轉(zhuǎn)換（1）“光-熱”轉(zhuǎn)換：是太陽能熱利用的基本方式利用太陽能將水（或其它液體溶液）加熱，以便利用廣泛用于：采暖、制冷、干燥、溫室、烹飪、工農(nóng)業(yè)等應(yīng)用實(shí)例：太陽能熱水器、太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)、太陽能干燥、太陽房、太陽灶、太陽能聚光熱轉(zhuǎn)換裝置，等。Schl.ofOptoelectronicInform.

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2ppt課件1、太陽能利用方式及分類Schl.ofOptoelect太陽能熱水器Schl.ofOptoelectronicInform.

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3ppt課件太陽能熱水器Schl.ofOptoelectronic太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)Schl.ofOptoelectronicInform.

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4ppt課件太陽能制冷空調(diào)系統(tǒng)Schl.ofOptoelectron太陽能干燥Schl.ofOptoelectronicInform.

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5ppt課件太陽能干燥Schl.ofOptoelectronicI太陽房Schl.ofOptoelectronicInform.

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6ppt課件太陽房Schl.ofOptoelectronicInfSchl.ofOptoelectronicInform.

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太陽房7ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太陽灶8ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太陽能聚光熱轉(zhuǎn)換裝置9ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太陽能聚光熱轉(zhuǎn)換裝置10ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太陽能聚光熱轉(zhuǎn)換裝置11ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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太陽能聚光熱轉(zhuǎn)換裝置12ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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13ppt課件Schl.ofOptoelectronicInform（1）“光-熱”轉(zhuǎn)換（續(xù)）：按照溫度高低可分為高溫利用：＞800℃；中溫利用：200～800℃

低溫利用：200℃以下（2）“光-電”轉(zhuǎn)換：太陽能電池及其并網(wǎng)發(fā)電，是典型的太陽能“光-電”轉(zhuǎn)換物理基礎(chǔ)是“光電效應(yīng)”可直接利用，也可將電能存儲下來有兩種利用方式：1）直接光發(fā)電：光伏發(fā)電、光偶極子發(fā)電

2）間接光發(fā)電：光熱動力、光熱離子、熱光伏、光熱溫差、光化間接、光生物Schl.ofOptoelectronicInform.

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14ppt課件（1）“光-熱”轉(zhuǎn)換（續(xù)）：（2）“光-電”轉(zhuǎn)換：Schl.Schl.ofOptoelectronicInform.

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Solar光電轉(zhuǎn)換裝置15ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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16ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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17ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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18ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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19ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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20ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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21ppt課件Schl.ofOptoelectronicInform（3）“光-化學(xué)”轉(zhuǎn)換：處于研究開發(fā)階段一個(gè)設(shè)想是：用半導(dǎo)體材料制成特殊“電極”，太陽能（可能輔以聚光作用）光照下產(chǎn)生有效電能。

產(chǎn)生的電極輸出電能，可以：電解水而制氫可以構(gòu)建電解質(zhì)儲能，如利用Ca(OH)2或金屬氫化物熱分解儲能利用方式：動力應(yīng)用——熱力機(jī)-斯特林發(fā)電機(jī)、光壓轉(zhuǎn)輪化學(xué)應(yīng)用——光聚合、光分解生物應(yīng)用——速生植物、油料植物Schl.ofOptoelectronicInform.

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22ppt課件（3）“光-化學(xué)”轉(zhuǎn)換：Schl.ofOptoelect2、太陽光譜

萬物生長靠太陽！太陽對地球來說，是唯一永恒的能源！太陽結(jié)構(gòu)、太陽活動規(guī)律、太陽輻射性質(zhì)、太陽與地球相對運(yùn)動規(guī)律、地球表面太陽輻射特點(diǎn)等，我們了解多少？2.1太陽的結(jié)構(gòu)和輻射能來源太陽的結(jié)構(gòu)至今還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有弄清楚！地球上已發(fā)現(xiàn)的109種元素，17種為人造元素，其余92種太陽里都有！太陽是距離地球最近的一顆恒星，日地距離1.49597892×108km；太陽直徑是地球的109倍，體積比地球大130多萬倍；太陽內(nèi)部密度160g/cm3，日心引力比地心引力大29倍左右。Schl.ofOptoelectronicInform.

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23ppt課件2、太陽光譜Schl.ofOptoelectronicSchl.ofOptoelectronicInform.

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24ppt課件Schl.ofOptoelectronicInformSchl.ofOptoelectronicInform.

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25ppt課件Schl.ofOptoelectronicInform2.1太陽的結(jié)構(gòu)和輻射能來源（續(xù)）一般認(rèn)為：太陽是處于高溫高壓下的一個(gè)大火球Schl.ofOptoelectronicInform.

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26ppt課件2.1太陽的結(jié)構(gòu)和輻射能來源（續(xù)）Schl.ofOpt2.1太陽的結(jié)構(gòu)和輻射能來源（續(xù)）2.1.1太陽結(jié)構(gòu)（依據(jù)上圖）（1）太陽核熱核反應(yīng)區(qū)，半徑0.2Rd

溫度高達(dá)數(shù)千萬度，壓強(qiáng)高達(dá)數(shù)億個(gè)大氣壓，物質(zhì)以離子態(tài)存在以對流和輻射的形式向外釋放伽馬射線（2）吸收層（輻射層）厚度約0.6Rd，溫度約70×104℃，壓強(qiáng)數(shù)十萬個(gè)大氣壓對伽馬射線的吸收、再發(fā)射，實(shí)現(xiàn)能量傳遞，是一個(gè)漫長的過程（一個(gè)光子脫離太陽可能需要1000年的時(shí)間）高能伽馬射線經(jīng)過X射線、極紫外線、紫外線，逐漸變?yōu)榭梢姽夂推渌问降妮椛洹?/p>

太陽是地球生植物可見天體！Schl.ofOptoelectronicInform.

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27ppt課件2.1太陽的結(jié)構(gòu)和輻射能來源（續(xù)）Schl.ofOpt（3）對流層吸收層外至1倍太陽直徑的范圍內(nèi)溫度、壓力和密度變化梯度很大，物質(zhì)處于劇烈上下對流狀態(tài)對流產(chǎn)生的低頻聲波，可通過光球?qū)觽鬏數(shù)教柕耐鈱哟髿猓?）光球?qū)雍穸燃s為500km

表面溫度接近6000℃，這是太陽的平均有效溫度光球內(nèi)溫度梯度較大，大氣透明度有限，有臨邊昏暗現(xiàn)象幾乎全部可見光從光球?qū)影l(fā)射出去存在太陽黑子現(xiàn)象，具有強(qiáng)磁場的低溫漩渦（4000℃），對地球氣候和生態(tài)影響較大光球面上的熱氣團(tuán)產(chǎn)生于對流層，時(shí)隱時(shí)現(xiàn)Schl.ofOptoelectronicInform.

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28ppt課件（3）對流層Schl.ofOptoelectronic（5）色球?qū)庸馇驅(qū)右酝?，厚?000km，幾乎透明，全日食能看見，或使用專門濾光鏡觀察溫度從底層的數(shù)千度上升到頂部的數(shù)萬度玫瑰紅色舌狀氣體叫日珥，可高于光球幾十萬公里；也有針狀的高溫等離子小日珥，高達(dá)9000km，寬約1000km，平均壽命5min

色球與日冕之間發(fā)生的劇烈爆發(fā)，稱為耀斑，此時(shí)從射電波段到輻射通量會突然增強(qiáng)，高能粒子和等離子噴發(fā)，對地球空間環(huán)境產(chǎn)生很大影響（6）日冕色球外是伸入太空的銀白色日冕由各種微粒構(gòu)成：太陽塵埃質(zhì)點(diǎn)、電離粒子和電子溫度高達(dá)100多萬度日冕有時(shí)伸入太空幾萬公里，形成太陽風(fēng)，打擊到地球大氣層，產(chǎn)生磁暴或極光，影響地球磁場和通訊Schl.ofOptoelectronicInform.

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29ppt課件（5）色球?qū)覵chl.ofOptoelectronic2.1.2太陽輻射能來源來源于高溫高壓下進(jìn)行的熱核聚變反應(yīng)：

“碳-氮循環(huán)”、“質(zhì)子-質(zhì)子循環(huán)”（1）碳-氮循環(huán)

整個(gè)過程中，12C并未消耗，只起觸媒作用，而N,O等是中間產(chǎn)物。最終結(jié)果是4個(gè)氫核聚變變成1個(gè)氦核。Schl.ofOptoelectronicInform.

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30ppt課件2.1.2太陽輻射能來源整個(gè)過程中，12C

式中，是重氫（氘，氫的同位素）整個(gè)過程中，2D并未消耗，只起觸媒作用。最終結(jié)果也是4個(gè)氫核聚變變成1個(gè)氦核。（2）質(zhì)子-質(zhì)子循環(huán)

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31ppt課件式中，是重氫（氘，氫的同位（3）核聚變反應(yīng)能量損耗計(jì)算

氫核的質(zhì)量：1.672×10-24g

氦核的質(zhì)量：6.644×10-24g

反應(yīng)的質(zhì)量損失：△m=(4×1.672-6.644)×10-24g=0.044×10-24g

愛因斯坦質(zhì)量定律：E=mc2

計(jì)算表明：1g氫質(zhì)量，可轉(zhuǎn)換為9×1013J能量熱核反應(yīng)中，質(zhì)量損耗0.7%

所以：1g氫原子在反應(yīng)中產(chǎn)生6.3×1011J能量可以計(jì)算得出：太陽上的氫含量足夠維持800億年的輻射損耗。（地球的地質(zhì)年齡約為40億年）Schl.ofOptoelectronicInform.

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32ppt課件（3）核聚變反應(yīng)能量損耗計(jì)算Schl.ofOptoele2.2日地運(yùn)動規(guī)律2.2.1地球繞太陽運(yùn)動橢圓軌道稱為黃道，面內(nèi)長軸152×106km，短軸147×106kmSchl.ofOptoelectronicInform.

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33ppt課件2.2日地運(yùn)動規(guī)律Schl.ofOptoelectro日地運(yùn)動及季節(jié)變換（1）赤黃交角地軸與黃道平面的夾角，23.45°（2）角速度地軸相對太陽的轉(zhuǎn)速不一樣，對北半球：夏天快、冬天慢；對南半球：夏天慢、冬天快。（3）南北回歸線與夏至、冬至日北半球夏至日（6月21日）時(shí)，南半球恰好為冬至日：太陽直射北緯

23.45°的天頂，因而稱23.45°N緯度圈為北回歸線。北半球冬至日（12月22日）時(shí)，南半球恰好為夏至日：太陽直射南緯

23.45°，因而稱南緯23.45°S緯度圈為南回歸線。（4）春分與秋分日

3月21日春分，9月23日秋分。這兩天太陽恰好直射地球的赤道平面。Schl.ofOptoelectronicInform.

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34ppt課件日地運(yùn)動及季節(jié)變換Schl.ofOptoelectron2.2.2赤緯角的變化緯度：與赤道平面平行的平面與地球的交線。經(jīng)度：地球上某一點(diǎn)與兩級點(diǎn)連線與0度經(jīng)線所在平面的夾角。

0°經(jīng)線（本初子午線）：英國倫敦近郊格林尼治天文臺原址所在經(jīng)線位置。赤緯角：太陽中心和地心連線與赤道平面的夾角δ

式中：（從春分到夏至），從春分開始計(jì)算的天數(shù)（從夏至到秋分），從夏至開始計(jì)算的天數(shù)（從秋分到冬至），從秋分開始計(jì)算的天數(shù)（從冬至到春分），從冬至開始計(jì)算的天數(shù)

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35ppt課件2.2.2赤緯角的變化Schl.ofOptoel2.2.3太陽視運(yùn)動在地平坐標(biāo)系中，赤道上的春分、秋分日，太陽從正東地平面升起，經(jīng)過天頂軸，從正西地平線下落。在北半球，春、秋分日及冬、夏至日（二分二至日），太陽有特定的運(yùn)動軌跡。Schl.ofOptoelectronicInform.

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36ppt課件2.2.3太陽視運(yùn)動Schl.ofOptoelectr2.2.4太陽在地平坐標(biāo)系中的角度關(guān)系2.2.5太陽在赤道平面系中的角度關(guān)系Schl.ofOptoelectronicInform.

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37ppt課件2.2.4太陽在地平坐標(biāo)系中的角度關(guān)系Schl.ofO2.2.6余弦定律

任意傾斜面的輻照度同該表面法線與入射線方向之間夾角的余弦成正比。這一定律在計(jì)算到達(dá)地面的太陽輻射能時(shí)，有重要作用。2.3太陽的電磁波譜太陽光由不同能量的光子組成太陽光同時(shí)也是具有不同頻率和波數(shù)的電磁波Schl.ofOptoelectronicInform.

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38ppt課件2.2.6余弦定律2.3太陽的電磁波譜Schl.ofSchl.ofOptoelectronicInform.

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39ppt課件Schl.ofOptoelectronicInform2.4地球表面上的太陽輻射能太陽是以光輻射的方式將能量輸送到地球表面的，必須經(jīng)過大氣層太陽輻射通過大氣層時(shí)被吸收、散射或反射，輻射強(qiáng)度減弱到達(dá)地面的太陽光譜與大氣層外的太陽光譜不同通常用大氣質(zhì)量（AM）來表達(dá)上述情況2.4.1太陽常數(shù)

大氣質(zhì)量為零（AM0）的定義：在地球大氣層之外，地球-太陽平均距離處，垂直于太陽光方向的單位面積上的輻射能基本為一常數(shù)，這個(gè)輻射強(qiáng)度稱為太陽常數(shù)，或稱此輻射為大氣質(zhì)量為零（AM0）的輻射。Schl.ofOptoelectronicInform.

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40ppt課件2.4地球表面上的太陽輻射能2.4.1太陽常數(shù)Schl.

太陽常數(shù)精確測量的困難：（1）測量工作受到輻射測量準(zhǔn)確度的制約，極限僅有10-3；（2）輻射基準(zhǔn)在20世紀(jì)就經(jīng)歷了2次變動，標(biāo)尺本身具有不確定性；（3）太陽常數(shù)不是理論推導(dǎo)的結(jié)果，是具有嚴(yán)格物理內(nèi)涵的常數(shù)。由于太陽運(yùn)動的不確定性，因而太陽輻射也具有不確定性；（4）測量位置的不確定性：宇航器上？高山上？飛機(jī)上？氣球上？火箭上？大氣實(shí)際干擾程度不同。需要“訂正”方法和統(tǒng)一“認(rèn)識”；（5）大氣層外，真空低溫環(huán)境中，微小變化會影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；（6）目前，光伏技術(shù)采用太陽常數(shù)1.353kW/m2，這個(gè)數(shù)值是由裝在氣球、高空飛機(jī)和宇航飛船上的儀器，“加權(quán)平均”的結(jié)果。Schl.ofOptoelectronicInform.

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41ppt課件太陽常數(shù)精確測量的困難：Schl.ofOp2.4.2地球表面的陽光強(qiáng)度陽光穿過地球大氣層，至少衰減了30%，主要原因是：（1）瑞利散射或大氣分子散射，對所有波長都有衰減，對短波衰減最大（2）懸浮微粒和灰塵的散射（3）大氣不同氣體分子的吸收（4）除了大氣直接輻射外，由于大氣散射還存在間接輻射或散射輻射10～20%太陽與天頂軸重合時(shí)路程最短，只通過一個(gè)大氣層厚度；太陽光線實(shí)際路程與最短路程之比，稱“光學(xué)大氣質(zhì)量”光學(xué)大氣質(zhì)量為1（m=1）時(shí)，稱AM1輻射大氣質(zhì)量AM1.5的定義（入射角α=48°）：總功率密度為1kW/m2（100mW/cm2）

地球表面接收到的功率密度的最大值。Schl.ofOptoelectronicInform.

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42ppt課件2.4.2地球表面的陽光強(qiáng)度Schl.ofOptoel2.5太陽光譜太陽輻射在大氣層外隨波長的分布，叫“太陽光譜”

“太陽光譜”是衛(wèi)星電源系統(tǒng)、宇航器熱環(huán)境最佳設(shè)計(jì)及材料選擇的重要依據(jù)太陽輻射的波長范圍包括0.1nm以下宇宙射線到無線電波電磁波譜的絕大部分Schl.ofOptoelectronicInform.

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43ppt課件2.5太陽光譜Schl.ofOptoelectroni

AM1.5

的能量光譜被國際上普遍采用，作為地球表面測量太陽電池效率的

“標(biāo)準(zhǔn)光譜”（圖2.11）對上述光譜積分，在無云的太空下，相對于太陽法向方向表面的能量電流密度定義為（比AM1光譜稍微大一點(diǎn)）：

jE,AM1.5=1.0kW/m2Schl.ofOptoelectronicInform.

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44ppt課件Schl.ofOptoelectronicInform3、太陽輻射能的測量與計(jì)算

3.1太陽輻射能的測量光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，安裝地的日照情況數(shù)據(jù)至關(guān)重要！數(shù)據(jù)的獲取要使用到各種測量儀表。直接輻射和散射輻射數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度、風(fēng)速和風(fēng)向；影響日照的因素：緯度、高度、氣候類型、主要植被、當(dāng)?shù)氐乩硖卣鳎唤?jīng)常使用的數(shù)據(jù)是：當(dāng)?shù)厮矫嫔峡傒椛涞娜掌骄?。Schl.ofOptoelectronicInform.

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45ppt課件3、太陽輻射能的測量與計(jì)算Schl.ofOptoele

輻射能測量儀表主要類型：天空輻射計(jì)：又稱太陽表，記錄在全天空2°視場內(nèi)投射到水平面上的全波段輻射，必須遠(yuǎn)離高的物體；散射輻射計(jì)：在天空輻射計(jì)上用特制圓盤或遮日環(huán)檔去太陽直接輻射，可直接測量散射輻射；棒移式總輻射計(jì)：標(biāo)準(zhǔn)天空輻射計(jì)與影環(huán)式輻射計(jì)的結(jié)合，用棒的陰影每隔幾秒經(jīng)過傳感器，遮擋直接輻射，引起記錄值下降，可測量直接輻射及散射輻射與時(shí)間的關(guān)系；直接輻射計(jì)：視場很小6°，連續(xù)跟蹤太陽，測量直接輻射；日照時(shí)數(shù)計(jì)（日長計(jì)）：測量太陽輻射延續(xù)時(shí)間，用透鏡聚焦燒穿紙記錄日照時(shí)間。Schl.ofOptoelectronicInform.

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46ppt課件輻射能測量儀表主要類型：Schl.ofOptoele3.2太陽輻射能的計(jì)算各地太陽能資源不一樣，需要利用實(shí)測值作為計(jì)算的依據(jù)；計(jì)算太陽輻射能的方法很多，有的十分復(fù)雜；借助計(jì)算機(jī)，可以很快得出到達(dá)任意傾面的太陽輻射：利用球面三角公式，可求出每天日出日落時(shí)間、任意時(shí)刻太陽高度角、方位角；將到達(dá)水平面上的太陽輻射能分為直接輻射和散射輻射二部分；將任意到達(dá)傾斜面的太陽輻射分成直接輻射、散射輻射和地面反射。Schl.ofOptoelectronicInform.

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47ppt課件3.2太陽輻射能的計(jì)算Schl.ofOptoelect（1）太陽高度角的定義和計(jì)算定義：太陽高度角（h）為太陽光線與地表水平面之間的夾角（0°≤h≤90°）式中：為觀測點(diǎn)緯度，為赤緯角，是時(shí)角。的含義是太陽直射點(diǎn)緯度（直射線與赤道平面之間的夾角）是用角度表示的時(shí)間，每15°為一小時(shí)。正午：=0；上午：＞0；下午：＜0。正午時(shí)刻h的計(jì)算公式：Schl.ofOptoelectronicInform.

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48ppt課件（1）太陽高度角的定義和計(jì)算Schl.ofOptoele（2）太陽方位角的定義和計(jì)算定義：太陽方位角（A）為太陽光線在水平面上的投影和當(dāng)?shù)刈游缇€的

夾角

式中，正南：A=0

正南以西：A＞0

正南以東：A＜0

日出日沒時(shí)（h=0）：北半球A的季節(jié)變化：除北極外，一年中只有春分日和秋分日，日出正東日；夏半年內(nèi)，日出東偏北方向，日沒西偏北方向，且越近夏至日，日出日沒方位越偏北；冬半年內(nèi)，日出東偏南方向，日沒西偏南方向，且越近冬至日，日出日沒方位越偏南。Schl.ofOptoelectronicInform.

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49ppt課件（2）太陽方位角的定義和計(jì)算Schl.ofOptoele（3）水平面上太陽輻射能的計(jì)算

水平面上太陽輻射能為水平面上直射輻射和散射輻射之和，即：

（4）到達(dá)傾斜面上太陽輻射能的計(jì)算圖中：β為傾角

θ為太陽光線與傾斜面法向的夾角

α是傾斜面法向在水平面的投影與子午線的夾角Schl.ofOptoelectronicInform.

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50ppt課件（3）水平面上太陽Schl.ofOptoelectron傾斜面上接收到的太陽輻射總量由直接輻射量、天空散射量及地面反射量三部分組成。根據(jù)Hay模型：

式中，是傾斜面上直接輻射量與水平面上直接輻射量的比值：Schl.ofOptoelectronicInform.

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51ppt課件傾斜面上接收到的太陽輻射總量由直接輻射量其中：當(dāng)時(shí)：當(dāng)時(shí)：當(dāng)時(shí)：所以，Schl.ofOptoelectron