太阳辐射简述讲解.docx

太阳辐射简述讲解.docx

《太阳辐射简述讲解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳辐射简述讲解.docx（24页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

太阳辐射简述讲解

1太阳辐射简述

本章主要介绍太阳辐射的基本知识，并说明太阳辐射的计算方法。

为了利用太阳能，有必要了解和掌握有关太阳辐射的基本知识，以便更好地进行太阳能光伏发电系统的设计和应用。

1.1太阳简介

太阳是离地球最近的一颗恒星，也是太阳系的中心天体，它的质量占太阳系总质量的99.865%。

太阳也是太阳系里唯一自己发光的天体，它给地球带来光和热。

如果没有太阳光

的照射，地面的温度将会很快地降低到接近绝对零度。

由于太阳光的照射，地面平均温度才会保持在14℃左右，形成了人类和绝大部分生物生存的条件。

除了原子能、地热和火山爆

发的能量外，地面上大部分能源均直接或间接同太阳有关[3]

太阳是一个主要由氢和氦组成的炽热的气体火球，半径为6069×105m（是地球半径的109倍），质量约为1.99×1027t的33万倍），平均密度约为地球的1/4太阳表面的有效温度为5762K，而内部中心区域的温度则高达几干万度。

太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应，每秒有6.57×1011kg的氢聚合生成6.53×1011kg的氦，连续产生3.90×1023kw能量。

这些能量以电磁波的形式，以3×105km/s的速度穿越太空射向四面八方。

地球只接受到太

14

阳总辐射的二十二亿分之一，即有1.77×10k达到地球大气层上边缘（“上界”），由于穿越大气层时的衰减，最后约805×1013kw到达地球表面，这个数量相当于全世界发电量的几十万倍。

根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的储量足够维持600亿年，而地球内部组织因热核反应聚合成氦，它的寿命约为50亿年，因此，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是取

之不尽、用之不竭的。

太阳的结构和能量传递方式如图1-1所示，简要说明如下。

太阳的质量很大，在太阳自身的重力作用下，太阳物质向核心聚集，核心中心的密度和温度很高，使得能够发生原子核反应。

这些核反应是太阳的能源，所产生的能量连续不断地向空间辐射，并且控制着太阳的活动。

根据各种间接和直接的资料，认为太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和太阳大气。

（1）核反应区

在太阳半径25%（即0.25R）的区域内，是太阳的核心，集中了太阳一半以上的质量。

此

3

处温度大约1500万度（K），压力约为2500亿大气压（1atm=101325Pa）,密度接近｝158g/cm3。

这部分产生的能量占太阳产生的总能量的99%，并以对流和辐射方式向外辐射。

氢聚合时放

出伽玛射线，这种射线通过较冷区域时，消耗能量，增加波长，变成X射线或紫外线及可见光。

（2）辐射区

在核反应区的外面是辐射区，所属范围从0.25～0.8R温度下降到13万度，密度下降为0.079g/cm2。

在太阳核心产生的能量通过这个区域由辐射传输出去。

（3）对流区

在辐射区的外面是对流区（对流层），所属范围从0.8～1.0R,温度下降为5000K,密度为10-8g/cm3。

在对流区内，能量主要靠对流传播。

对流区及其里面的部分是看不见的，它们的性质只能靠同观测相符合的理论计算来确定。

（4）太阳大气

大致可以分为光球、色球、日冕等层次，各层次的物理性质有明显区别。

太阳大气的最底层称为光球，光谱基本上就是光球的光谱太阳的全部光能几乎全从这个层次发出。

太阳的连续，太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。

光球的厚度约为50Okrn。

色球是太阳大气的中层，是光球向外的延伸，一直可延伸到几千公里的高度。

太阳大气的最外层称为日冕，日冕是极端稀薄的气体壳，可以延伸到几个太阳半径之远。

严格说来。

上述太阳大气的分层仅有形式的意义，实际上各层之间并不存在着明显的界限，它们的温度、密度随着高度是连续地改变的。

可见，太阳并不是一个一定温度的黑体，而是许多层不同波长放射、辐射体。

不过，在描述太阳时，通常将太阳看作是温度为6000K、波长为0.3～3μm的黑色辐射体。

1.2太阳与地球的位置关系

在设计太阳电池应用系统时，不可避免地都会涉及到太阳高度角、方位角、日照时间等计算问题，因而必须对地球绕太阳运行的基本规律及其相关的天文背景有一定了解。

（l）天球与天球坐标系

以观察者为球心，以任意长度（无限长）为半径，其上分布着所有天体的球面叫做天球。

图l-2所示为天球及天球坐标系。

通过天球的中心（即观察者的眼睛）与铅直线相垂直的平面称为地平面;地平面将天球分为上下两个半球;地平面与天球的交线是个大圆，称为地平圈;通过夭球的中心的铅直线与天球的交点分别称为天顶和天底。

地球每天绕着它本身的极轴自西向东地自转一周;反过来说，

假定地球不动，那么天球将每夭绕着它本身的轴线自东向西地自转一周，我们称之为周日运动。

在周日运动过程中，天球上有两个不动点，叫做南天极和北天极，连接两个天极的直线

称为天轴;通过天球的中心（即观察者的眼睛）与天轴相垂直的平面称为天球赤道面;天球赤道面与天球的交线是个大回，称为天赤道。

通过天顶和天极的大圆称为子午圈。

可以在上述这些极和圈（面）的基础上定义几种天球坐标系，以便研究天体在天球上的位置和它们的运动规律。

最常用的有地平坐标系和赤道坐标系;后者根据原点的不同又可细分为时角坐标系和赤道坐标系。

下面着重介绍与设计太阳电池应用系统有关的地平坐标系和时角坐标系。

（2）地平坐标系以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系叫做地平坐标系，如图1一3

所示。

通过天顶和太阳（或任一天体）X作一大国，叫做地平经圈，地平经圈交地平圈于M点;从原点s沿地平圈顺时针方向计量，弧SM为地平经度，或方位角A;弧XM为地平纬度，或高度角h，向上为正，向下为负。

弧ZX称为天顶距，自Z起计量，用Z表示。

显然Z=90。

一h.由于天体有周日运动，所以天体的地平坐标随着时间在不断地变化着。

此外，天体的地平坐标还和观测者在地面上的位置有一定关系，即地平坐标随观测地点而异。

（3）时角坐标系以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标系叫作时角坐标系或第一赤道坐标系，如图}_}所示。

通过北天极和太阳（或任一天体）X作一大圆，叫做时圈;时圈交天赤道于T点;从原点Q沿天赤道顺时针方向计量，弧QT为时角τ，τ以度、分、秒为单位来表示，也可以时，分、秒为单位来表示;弧XT叫做赤纬δ,δ以度、分、秒为单位来表示;从天赤道算起，向上为正，向下为负。

当天体作周日运动时，天体的赤纬沙不随周日运动而变化，但天体的时角τ却从0。

均匀地增加到360.此外，在同

一瞬间，在地理经度不同的观测地点观测同一天体的时角τ是不同的，即同一天体的时角τ随观测地点而异。

以上只是简要介绍了一点相关的天文背景知识。

如果要准确计算太阳高度角、方位角、日照时间等数据，还需要了解以上坐标系之间的转换关系，这又牵涉到时间系统，有兴趣的读者可以找一些有关的天文方面的资料进行知识补充[2～6]。

作者在本书附录A中提供了计

算太阳高度角、方位角、日照时间等的实用程序，利用此实用程序，读者可以不需要十分了解相关的天文背景知识，也可以准确地计算太阳高度角、方位角、日照时间等数据.

1.3地球绕太阳的运行规律

众所周知，地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东地自转一周。

每转周（3600）为一昼夜，一昼夜又分为24h,所以地球每小时自转15°

地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道（黄道）上运行，称为“公转”，

其周期为一年。

地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾斜成23027'的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。

因此。

地球处于运行轨道的不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。

图1-5（a）表示地球绕太阳运行的四个典型季节日的地球公转的行程图，图1-5（b）表示对应于上述四个典型季节日地球受到太阳照射的情况。

假设观察者位于地球北半球中纬度地区，我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。

每年的春分日（3月21日），太阳从赤道以南到达赤道（太阳的赤纬占δ=00），地球北半球的天文春季开始。

在周日视运动中，太阳出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。

太阳在正午的高度等于90。

-φ（φ为观察者当地的地理纬度）。

春分过后，太阳的升落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。

夏至日（6月22日），太阳正午高度达到最大值90。

-φ+23o27'，白昼最长，这时地球北半球天文夏季开始。

夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。

秋分日（9月23日），太阳又从赤道以北到达赤道（太阳的赤纬占δ=00），地球北半球的天文秋季开始。

在周日视运动中，太阳又出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。

秋分过后，太阳的升落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时太阳的高度逐日减低。

冬至日（12月22日），太阳正午高度达到最小值90。

-φ+23o27',黑夜最长，这时地球北半球天文冬季开始。

冬至过后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日（3月21日）太阳从赤道以南到达赤道。

1.4计算太阳高度角、方位角、日照时间

1.4.1库珀方程

太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以δ表示。

在一年当中，太阳赤纬每

天都在变化，但不超过士23o27'的范围。

夏天最大变化到夏至日的+23°27';冬天最小变化到冬至日的-238。

太阳赤纬随季节变化，按照库珀（Cooper）方程，由式（l-1）计算

284n

δ23.45sin（360）（1-1）

365

式中，n为一年中的天数，如:

在春分，n=81则δ=0，自春分日起的第d天的太阳赤纬为

δ23.45sin（2πd）（1-2）

365

表1-1给出了各月每隔4日的太阳赤纬，这些数值在计算中十分有用。

1.4.2

太阳角的计算

如图l一6所示，指向太阳的向量S与天顶Z的夹角定义为天顶角，用θz表示;向量S

与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h表示;S在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用γ表示。

太阳的时角用ω表示，它定义为:

在正午时ω=0，每隔一小时增15o，上午为正，下午为负。

例如:

上午11时，ω=15o;上午8时，ω=15o×（12-8）=60o;下午1时，ω=-15o;下午3时，ω=-15o×3=-45o

（l）太阳高度角

计算太阳高度角的表达式为

sinh=sin

φsinδ+cosφcosδ=cos（φ-δ）

因为，cos（φ-δ）=sin[90（φ-δ）]

（1-4）

所以，sinh=sin[90（φ-δ）]

正午时，若太阳在天顶以南，即φ>δ，取

sinh=sin[90

（φ-δ）]（1-5）

从而有，h=90+φ-δ

在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有

φ=δ

从而，h=90o

（2）

太阳方位角太阳方位角按下式计算

cosωθ=-tanφtanδ（1-8）

式中，ωθ为日出或日没时角，以度表示，正为日没时角，负为日出时角；对于北半球，当-1≤-tanφtanδ≤1，解式（l-8），有

ω=arccos（-tanφtanδ）（1-9）

因为Cosωθ=Cos（-ωθ），所以cosωθ出=-ωcosωθ没=ωθ

求出时角ωθ后，日出日没时间用t=ω求出。

一天中可能的日照时间由

15/h下式给出

2

Narccos（tanφtanδ）（1-10）

15

1.5太阳常数和太阳光谱

1.51太阳常数我们已经知道，地球除自转外并以椭圆形轨道绕太阳运行，也就是说，太阳与地球之间的距离不是一个常数。

这就意味着，地球大气层上界的太阳辐射强度随日地间距离的不同而不同。

实际上，由于日地之间距离很大.其相对变化量是很小的，由此引起的太阳辐射强度的相对变化不超过3.4%。

这就意味着地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。

因此

人们使用“太阳常数”来描述大气层上界的太阳辐射强度。

太阳常数Isc的定义为:

在平均日地距离时，地球大气层上界垂直于太阳光线表面的单

位面积上单位时间内所接收到的太阳辐射能。

其参考值为Isc=（13677士7）w/m2。

由上述定义知道，Isc是平均日地距离时的太阳辐射强度。

若设大气层上界某一任意时刻的太阳辐射强度为I0，则

Iscr

I0Isc[I0.034cos（2πn）]

365

n——距离1月1日的天数;

r——日地间距引起的修正值。

1.5.2太阳光谱

太阳发射的电磁辐射在大气顶上随波长的分布叫做太阳光谱。

到达地面的太阳辐射光谱分布是地外太阳光谱和大气成分的函数，它对于地面太阳能电池系统应用及其他一些应用是十分重要的。

表1-2列出了太阳光谱辐照度的积分值[8]

表1-3列出了没有大气时地球表面水平面上太阳辐射日总量月平均值[3]

1.6地面太阳辐射的理论估算

地面太阳辐射包括直接辐射和散射辐射。

直接接收到的、不改变方向的太阳辐射称为直接太阳辐射;接收到的被大气层反射和散射后方向改变的太阳辐射称为散射辐射。

太阳辐射穿过地球大气层时，不仅受到大气层中的空气分子、水汽及灰尘所散射，而且受到大气中氧、臭氧、水和CO2的吸收，所以经过大气而达到地面的太阳直接辐射显著衰减。

可以从理论上较严格地分析太阳直接光谱经大气层后的衰减情况[7]。

由于有关理论比较复杂且工程设计中不方便利用，本节将讨论用一种较简单的方法，来估算太阳直接辐射穿过大气层后的强度。

1.6.1大气质量

“大气质量”是一个无量纲量，它是太阳光线穿过地球大气的路径与太阳光线在天顶角方向时穿过大气路径之比，并假定在标准大气压（1013265Pa）和气温0℃时，海平面上太阳光线垂直入射的路径为1。

显然，地球大气上界的大气质量为零。

当天顶角为60o时，m=2。

如图1-7所示，A为地球海平面上一点，O，O'为大气上界的点。

太阳在天顶位置时，太阳光线路程OA为大气质量。

太阳位于S'点时，大气质量为

（1-11）

O'A1m（h）==secθz=

OAsinh

式（1-1）是从三角函数关系推导出来的，是以地表为水平面，忽略了大气的曲率及折射因

素的影响.当h≥30o时，式（1-11）计算值与大气质量的观测值非常接近，其精度达0.01;但

当h<30o时，由于折射和地面曲率的影响增大，式（1-11）计算结果不准确。

在太阳能电池应用系统工程计算中，可采用下式计算

m（h）=[1229+（614sinh）2]1/2-614sinh（1-12）

在中国日射观测站，当h﹤20°，采用表1-4查算大气质量m值。

温度对m影响，一般可以忽略不计。

对于海拔高度较大的地区，应对大气压力进行订正，即

式中Z观测地点的海拔高度;

P（z）观测地点的大气压,以Pa表示。

1.6.2.大气透明度的引入在设计太阳能电池应用系统时，必须掌握到达该地区的太阳辐射能，即掌握该地区太阳辐射的年、月总量。

由于太阳辐射观侧站很稀疏，靠观测站提供的资料远不能满足需要。

所以借助理论计算是十分必要的。

有人提出用下式计算太阳辐射通过大气后的强度

I=IscPm

式中P—大气透明度;

m—大气质量。

太阳辐射能在通过大气层时会产生一定衰减，表征大气对辐射衰减程度的一个重要参数就是大气透明度。

根据布克一兰贝特（Bonguer-Lambert）定律，当波长为λ的太阳辐射I0,λ经过dm厚的大气层后，辐射衰减量为

dIλ=-aλI0,λdm

式中，aλ为大气消光系数。

将上式积分，得

-aλm

Iλ=I0,λe

或

m

Iλ=I0,λPλ

式中Pλ—单色光谱的透明度或“透明系数”

I0,λ--波长为人的辐射的初始强度;

Iλ—通过大气的波长为孟的太阳辐射强度。

设投射到地表法向单色光的光谱辐射强度为In,λ,则

m

In,λ=rI0,λPλ对全色太阳光，只要将上式对整个波长从0→∞积分便可得到

∞∞

（1-15）

In0In,λdλ0I0,λPλmdλ

由此得到

Pm与m有着复杂的关系，它表征着大气对太阳辐射能的衰减程度。

表1-5给出各种大气透明度下太阳直接辐射的平均强度与大气质量的关系[9].。

1.6.3垂直于太阳光线的地表上的直接辐射弧度

观察式（1-16），p与m相关。

为了简化，通常将大气透明度订正到某一给定的大气质量，例如，将Pm二修正到m=2的透明度P2，这时，计算垂直于太阳光表面上的直接辐射强度Ib.n公式为

对于大多数地区而言，直接根据日射观测资料来确定勿是可能的。

只要近似地确定P2

值，利用式（1-18）便可计算出到达地表法线方向人射的太阳辐射强度。

为了应用方便，将m换成太阳高度角，在日地平均距离时各种大气透明度下直接辐射的平均强度随太阳高度角的变化见表1-6。

利用这个表，根据太阳高度角可查出某一透明度的

辐射强度值，经日地距离修正（即乘以r，便可得出某一透明度下法向太阳直接辐射强度Ib,n

值。

各地区四季的大气透明度可通过查阅资料确定。

1.6.4水平面上的直接太阳辐射前面已经分析了到达地表与太阳光线垂直的表面上太阳辐射强度，借此，不难求出水平面上的直接太阳辐射。

如图1-8所示，AB面代表水平面，AC面代表垂直于太阳光线的表面.由△ABC有

AC=ABsinh

由于太阳直接人射到AC和AB平面上的能量是相等的，如以H表示，则

上式中，若dt用时角表示，dt=T，则上式变为

2π

式（l-21）只是一种数学表达式.实际上，由于pMm很复杂，不便直接积分，所以通常的办法是按一个小时一个小时计算，而每个小时内的直接太阳辐射总通量可根据其平均太阳高度角查表通过计算求得。

设某一小时平均太阳高度为hi，这样，第i小时内水平面上的直接太阳辐射总通量为

IH,b=60·rIb,nsinhI（1-22）假定一夭内从日出到日没共N个小时，则水平面上直接太阳辐射日总量由下式决定NN

HH,bHH,b,i60rIb,nsinhi（l-23）

i1i1知道了日总量，月总量和年总量通过计算不难求出。

1.7工程中常用的计算太阳辐射的方法

1.6中介