光伏发电技术2太阳辐射资料.pptx

光伏发电技术第二章 太阳辐射2.1 太阳概况2.2 太阳与地球2.3 天球坐标2.4太阳辐射量2.5 我国太阳能资源2.1 太阳概况1.太阳的基本参数太阳是宇宙中的一颗恒星。基本参数基本参数太阳太阳地球地球半径696000km109倍体积1.411018km31302500倍密度平均：1.409g/cm3中心：158g/cm3倍质量1.9891030kg33万倍温度表面：5700oC中心：几千万度寿命50亿年2.太阳的基本结构（1）里三层 核反应区 辐射区 对流区（2）外三层 （“大气层”）光球层 色球层 日冕层核反应区 位置：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。化学组成：氢 71.2%,氦 27%，氧、镁、氮、硅、硫、碳、硅、铜、铁、钴、钛等60多种元素仅占1.8%。参数：T=1500万度，P=2500亿大气压，158g/cm3 热核反应：核心不停地发生着氢核聚变成为氦核的热核反应（放出射线），每秒烧掉6亿多吨氢核燃料，向周围空间释放巨大能量（以对流和辐射的方式），这部分产生的能量占太阳总能量的99%。辐射区（radiation zone）位置：0.25R-0.8R 参数：T=13万度，0.079g/cm3 辐射：太阳核心产生的能量通过这个区域以辐射方式传输出去。对流区（convection zone)位置：0.8R-1.0R 参数：T=5000K，10-8g/cm3 对流：能量主要靠对流传输，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。光球层（ball of light）人们平常看到的、能发出明亮耀眼的太阳圆斑。太阳的可见光几乎全是由光球发出的。参数：厚度500km，表面温度5700 太阳黑子：光球层上的黑斑，是具有强磁场的漩涡，由于温度低，看起来是黑色的。黑子出现的情况不断变化，这种变化反映了太阳辐射能量的变化。平均活动周期为11.2年。米粒组织：光球表面有密密麻麻的斑点状结构，很像一颗颗米粒。它们极不稳定，一般持续时间仅为5-10min，其温度要比光球的平均温度高出300-400。目前认为，这种米粒组织是光球下面气体的剧烈对流造成的。色球层（chromosphere）位置：紧贴光球以上的一层大气层，这一区域只是在日全食时才能被看到。平均厚度约为2000km，是一层呈玫瑰色、稀疏透明的大气层。它由无数细小的火舌组成，其宽度约为几百千米。色球层的温度从内向外呈增长趋势，它以发出非可见光为主。化学组成：主要由氢、氦、钙等离子构成，与光球基本相同。日珥：在色球层的边缘，常常会突然窜出一片火舌般的气柱，高度可达几万公里，甚至1000多万公里（宁静日珥、活动日珥和爆发日珥）。耀斑：在极短的时间内，突然增亮。耀斑的爆发会使地磁场受到干扰（这时指南针失灵），电离层收到破坏，使它失去反射无线电波的功能，无线电通信尤其是短波通信，以及电视台、电台广播，会受到干扰甚至中断，此外还会破坏输电网（这对太阳能并网发电构成很大的威胁）。因此，检测太阳活动和太阳风的强度，适时作出空间气象预报，显得越来越重要。日冕层 位置：在色球之上 参数：它的厚度很大，一直延伸至好几个太阳半径的 地方。日冕层的亮度很小，仅为光球层的百万分之一，但温度却很高，达到100多万度。在日全食的短暂瞬间，常常可以看到太阳周围除了绚丽的色球外，还有一大片白里透蓝、柔和美丽的晕光，这就是太阳大气的最外层。日冕里的物质不但稀薄，而且还会向外膨胀，并使得热电离气体粒子连续的从太阳向外流出而形成“太阳风”。2.2 太阳与地球1.地球的形状略呈梨形2.地球的自转 地球绕地轴自西向东旋转，自转一周即一昼夜24小时。3.地球的公转 地球同时绕太阳循着称为黄道的椭圆形轨道运动。其周期为一年。地球自转轴与黄道面的法线倾斜成23.45 4.纬线与纬度赤道：在地球中腰画一个与地轴垂直的大圆圈，使圈上的每一点都和南北两极的距离相等。纬圈：在赤道的南北两边与赤道平行的圆圈。纬线：构成这些圆圈的线段。纬度共有90,赤道纬度为0,向两极排列，圈子越小，纬度越大。位于赤道以北点的纬度叫北纬，记为N，位于赤道以南点的纬度称南纬，记为S。南极就是南纬90,北极就是北纬90.纬度高低也标志着气候的冷热。2.3 天球坐标天球：以观察者为球心，以任意长度为半径，其上分布着所有天体的假想球面。按照相对运动原理，太阳似乎在这个球面上自东向西周而复始的运动。赤道坐标系 常用的天球坐标 地平坐标系 2.3.1 赤道坐标系天球赤道面：通过天球中心，与天轴相垂直的平面。天子午圈：通过南天极和北天极的大圆。赤道坐标系：以天赤道QQ 为基本圈，以与天子午圈的交点Q为原点的天球坐标系。通过北天极和球面上太阳的半圆垂直于天赤道，两者相交于B点。在赤道坐标系中，太阳的位置由时角和赤纬角两个坐标决定。1.时角规定：相对于圆弧QB，从天子午圈上的Q点算起（即从太阳的正午算起），顺时针方向为正，逆时针方向为负，即上午为负，下午为正。计算：离正午的时间15例2.1 早晨10点的时角。解：-2 15=-30例2.2 下午5点的时角。解：5 15=752.赤纬角（declination angle）定义：太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹角。春分日和秋分日=0夏至日=23.45冬至日=-23.45赤纬角仅仅与一年中的哪一天有关，而与地点无关。赤纬角的计算Cooper方程=23.45sin360(284+n）/365 （2.1）n 一年中的日期序号。例2.3 计算9月22日的赤纬角。解：9月22日，n=265，代入（2.1）式，=23.45sin360(284+265）/365 =-0.62.3.2 地平坐标系地平面：天文学上指与地球半径成直角的平面。地平坐标系：太阳相对于地球的位置是相对于地平面而言的。（天顶和天底）1.天顶角s太阳光线与地平面法线之间的夹角。2.高度角s太阳光线与其在地平面上投影线之间的夹角，表示太阳高出水平面的高度。3.方位角s太阳光线在地平面上的投影和地平面上正南方向线的夹角。赤道坐标系和地平坐标系2.3.3 太阳角的计算1.太阳高度角的计算sin s=coss=sinsin+cos cos cos（2.2a）正午时，时角=0sin s=coss=sinsin+cos cos （2.2b）=sin90-当正午太阳在天顶以南，即 时 s=90-+（2.2c）当正午太阳在天顶以北，即，根据式（2.2c）可得s=90-31.12+（-0.6）=58.28下午3时的时角为=3 15=45sin s=sin31.12sin（-0.6）+cos 31.12cos（-0.6）cos 45=0.5998s=36.862.方位角s的计算sin s=cos sin/cos s （2.3）cos s=(sin s sin-sin)/（cos s cos ）（2.4）例2.5 计算上海地区9月22日14时的太阳方位角。解：由例2.4可知上海地区的纬度=31.12，9月22日=-0.6，=2 15=30，先由（2.2a)求高度角sin s=sin31.12sin（-0.6）+cos 31.12cos（-0.6）cos 30=0.7359s=47.38，代入式（2.3）得到sin s=cos（-0.6）sin 30/cos 47.38=0.738s=47.63.日出、日落的时角日出、日落时 s=0，由此可得cos s=-tan tan （2.5）由于cos s=cos（-s），有 sr=-s，ss=s sr日出时角，ss日落时角对于某个地点，太阳的日出和日落时角相对于太阳正午是对称的。4.日照时间N=(ss+sr)/15 =2arccos(-tan tan)/15 （2.6）例2.6 计算上海地区在冬至日12月22日前后的日出、日落时角及全天日照时间。解：上海的=31.12，冬至日=-23.45，代入（2.5）式得cos s=-tan 31.12 tan（-23.45）=0.2619 sr=-74.82，ss=74.82全天日照时间N=(2 74.82)/15=9.98h5.日出日落时的方位角日出、日落时太阳高度角 s0=0，则 cos s，0=-sin/cos （2.7）例2.7 求上海地区9月22日的日出、日落方位角。解：上海的=31.12，9月22日=-0.6，代入(2.7)式，得cos s，0=-sin/cos =-sin（-0.6）/cos 31.12 =0.0223 s，0=89.30或 s，0=-89.302.4 太阳辐射量2.4.1 太阳辐射能 太阳的能量主要来源于太阳内部的核聚变反应，在核聚变过程中，质量亏损m约为0.4 1010kg，亏损质量可连续产生约3.865 1023kw的能量。这些能量以电磁波的形式穿越太空射向四面八方。地球仅接收到太阳总辐射的二十二亿分之一，即有1.73 1014kw辐射能到达大气层上边缘，由于穿越大气层时的衰减，最后约8.5 1013kw辐射能到达地球表面。到达地球表面的太阳辐射能大体分为三个部分：一部分转变为热能（约4.0 1013kw），使地球的平均温度大约保持在14，同时使地球表面的水不断蒸发，是云、雨、雪、江、河形成的原因；一部分（约有3.7 1013kw）用来推动海水及大气的对流运动，这便是海洋能、波浪能、风能的由来；还有一少部分（约有0.4 1013kw）被植物叶子的叶绿素所捕获，成为光合作用的能量来源。2.4.2太阳辐射光谱太阳发射电磁辐射能量在大气上界随波长的分布，称为太阳辐射光谱。太阳光谱大致可以分为三个光谱区 占太阳辐射能量的百分比紫外光谱 0.76 m 51.4%太阳光谱的波长范围非常宽，但太阳辐射的能量不是按波长均匀分布的，主要分布在0.3-3.0 m。2.4.3 太阳辐射能量换算关系1.太阳辐射功率（辐射通量）定义：单位时间内太阳以辐射形式发射的能量。单位：W2.辐射度（辐照度)定义：太阳投射到单位面积上的辐射功率。单位：w/m23.辐照量定义：在一段时间内太阳投射到单位面积上的辐射能量。单位：千瓦时/（平方米 日（月、年）kwh/m2 d（m、y）4.太阳辐射能量换算关系1cal=4.1868J=1.1628mWh（毫瓦时）1kWh（千瓦时）=1000000mWh（毫瓦时）=3.6MJ（兆焦）=859.845kcal（千卡）1MJ/m2=23.889cal/cm2=27.78mWh/cm2=1kWh/m2=3.6MJ/m285.98cal/cm2=100mWh/cm22.4.3大气层外的太阳辐射1.太阳常数 由于地球以椭圆形轨道绕太阳运行，因此太阳与地球之间的距离不是一个常数。某一点的辐射强度与距辐射源的距离的平方成反比，这意味着地球大气上方的太阳辐射强度会随日地间距离不同而异。然而，由于日地间距离太大（平均距离为1.5 108km），所以地球大气层外的太阳辐射强度几乎是一个常数。因此人们采用“太阳常数”来描述地球大气层上方的太阳辐射强度。太阳常数在地球大气层外，平均日地距离处，垂直于太阳光方向的单位面积上所获得的太阳辐射能。世界气象组织确定其值为 ISC=1367 7W/m22.到达大气层上界的太阳辐射大气层上界水平面上的太阳辐射日总量 （2.8）式中ISC是太阳常数；s是日出日落时角；为太阳赤纬角；为日地距离变化引起大气层上界的太阳辐射通量的修正值，由下式求出 （2.9）n为一年中的日期序号。例2.8 试计算北纬43处4月15日大气层上界水平面上的太阳辐射日总量。解：4月15日 n=105，=23.45sin360(284+105）/365=9.41由（2.5）式可以求出日出日落时角cos s=-tan 43 tan 9.41=-0.1545 s=98.9，代入式（2.8）得到3.大气质量太阳与天顶轴重合时，太阳光线穿过一个地球大气层的厚度，路程最短。大气质量：太阳光线的实际路程和此最短路程的比值。大气层上界的大气质量AM=0地面光伏应用中统一规定大气质量AM=1.5地面上的大气质量计算公式 （2.10）式中s为太阳天顶角，P为当地大气压，P0为海平面大气压。AM越大，说明光线经过大气的路径越长，受到的衰减越多，到达地面的能量就越少。在光伏系统工程计算中，可采用下式计算 （2.11）2.4.4 到达地表的太阳辐照度1.大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数。根据布克-兰贝特定律，波长为的太阳辐照度I,0经过厚度为dm的大气层后，辐照度衰减为dI,n=-c I,0 dm将上式积分得I,n=I,0 e-c m 或I,n=I,0 P mI,n为到达地表的法向太阳辐照度；I,0为大气层上界的太阳辐照度；c 为大气的消光系数；m为大气质量;P =e-c 为单色光谱透明度。全色太阳辐照度为 （2.12）设整个太阳辐射光谱范围内的单色透明度的平均值为P m，式（2.12)可写为 或 （2.13）为日地距离修正值，P m为复合透明系数，它表征了大气对太阳辐射能的衰减程度。2.到达地表的法向太阳直射辐照度为了比较不同大气质量情况下的大气透明度，必须将大气透明度修正到某个给定的大气质量。例如，将大气质量为m的大气透明度P m值修正到大气质量为2的大气透明度P 2，即 （2.14）P 2 m是m=2 时的P m值。3.水平面上的太阳直射辐照度由于太阳直射辐照入射到AC和AB平面上的能量是相等的，因此有 （2.15)式中，Ib为水平面上直射辐照度。将（2.14）式代入（2.15）式可得将上式从日出到日落的时间内积分，得到 （2.16）式中，Hb为水平面直射辐照日总量，将dt改用时角d 表示，则有 （2.17）4.水平面上的散射辐照度晴天时，到达地表水平面上的散射辐照度，主要取决于太阳高度和大气透明度，可用下式表示 （2.18）式中，Id为散射辐照度，c1、c2为经验系数。5.水平面上的太阳总辐照度 I=Ib+Id （2.19）太阳辐射通过大气，一部分到达地面，称为直接太阳辐射；另一部分为大气的分子、大气中的微尘、蒸汽等吸收、散射和反射。被散射的太阳辐射一部分返回宇宙空间；另一部分到达地面，到达地面的这部分称为散射太阳辐射。到达地面的散射太阳辐射和直接太阳辐射之和称为总辐射。6.清晰度指数KT 定义：地表水平面上的太阳总辐照度与大气层外太阳辐照度之比。月平均清晰度指数/日平均清晰度指数/小时清晰度指数 清晰度指数越大，表示大气越透明，衰减得越少，到达地面的太阳辐射强度越大。7.散射辐照量与总辐照量之比 影响直射辐照量与散射辐照量所占比例的因素很复杂，如果没有实际测量数据，可以根据近似计算公式来计算。倾斜面上太阳辐照量倾斜面上太阳辐照量为倾角、T为太阳光线与倾斜面法向的夹角、是倾斜面法向在水平面的投影与子午线的夹角2.4.5 地表倾斜面上的小时太阳辐照量 1.太阳入射角 太阳照射到地表倾斜面上时，定义太阳入射线与倾斜面法线之间的夹角为太阳入射角T，与其他角度的关系为 （2.20）（2.21）式中T为太阳入射角，斜面倾角，倾斜面方位角，s为太阳方位角。对于北半球朝向赤道（=0）的倾斜面 （2.22）对于南半球朝向赤道（=180）的倾斜面 （2.23）如果是在水平面上，即=0，可得 （2.24）例2.9计算北京地区在2月13日上午10:30，倾角45，方位角为15的倾斜面上的太阳入射角。解：北京地区的纬度=39.48,2月13日，n=44，=23.45sin360(284+44）/365=-14上午10:30，=-1.5 15=-22.5代入（2.20）式,可得cos T=0.8292则T=342.倾斜面上的小时太阳直射辐照量 一般，气象台测量的是水平面上的太阳辐照量，而在实际应用中，无论在光伏还是太阳能热利用，采光面通常是倾斜放置的，因此需要计算出倾斜面上的太阳辐照量。倾斜面上的太阳辐照量由太阳直射辐照量、散射辐照量和地面反射辐照量三部分组成。由图可知，地表倾斜面上的小时太阳总辐照量与直射辐照量有如下关系因此有 (2.25)将（2.20）式代入（2.25）式，可得 （2.26）3.倾斜面和水平面上小时直射辐照量的比值由（2.15）式和（2.26）式可得倾斜面和水平面上小时直射辐照量的比值为 (2.27)对于北半球 (2.28a）对于南半球 （2.28b）如果在正午12时，=0，可得对于北半球 （2.29a）对于南半球 （2.29b）例2.10 计算北京地区在2月13日上午10:30，朝向正南方，倾角为30的倾斜面与水平面上小时直射辐照量的比值。解：n=44,=-14,=-1.5 15=-22.5=39.48,4.倾斜面上的小时散射辐照量 （2.30）IT,d为倾斜面上小时散射辐照量，Id为水平面上小时散射辐照量5.地面反射辐照量假定地面是各向同性的，可得到 （2.31）一般情况下，可取0.2.6.倾斜面上的小时太阳总辐照量天空各向同性模型在倾斜面上的小时太阳总辐照量由三部分组成：太阳直射辐照量、散射辐照量和地面反射辐照量，即或可改写成 (2.32)7.倾斜面上的小时太阳总辐照量天空各向异性模型（1）HDKR模型（2）Perez模型2.4.4 地表倾斜面上的月平均太阳辐照量天空各向同性模型对于北半球朝向赤道（=0）的倾斜面对于南半球朝向赤道（=180）的倾斜面天空各向异性模型将水平面上的太阳辐照量转化成斜面上的太阳辐照量，基本的计算步骤。（1）确定倾角和纬度（2）找得按月平均的水平面上的太阳辐照量（3）确定每个月中有代表性的一天的水平面上的日落时角和倾斜面上的日落时角（4）确定大气层外的太阳辐照量（5）计算水平面和倾斜面上直接辐照量之比Rb(6)计算直接太阳辐照量（7）计算散射辐照量（8）确定地物表面反射率（9）计算太阳辐照总量2.5 我国太阳能资源1.太阳能资源分布在我国辽阔的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射量很大。西藏西部太阳能资源最丰富，原因：青藏高原地区广大，平均海拔最高（在4000m以上），大气层清洁、透明度好、纬度低，日照时间长。由日光城之称的拉萨市，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68%，太阳年总辐射量为8160MJ/m2四川、重庆和贵州等省市因雾多，阴雨天多，所以太阳年辐射总量较小。我国太阳能资源分布的主要特点是太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22-35这一带。青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心。太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部，这是由于北方多晴朗，南方多阴雨。在北纬30-40地区，太阳能的分布情况与一般太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能随着纬度的增加而增长。按接收太阳能辐射量大小，全国大致上可分为五类地区一类地区全年日照时数为3200-3300h，辐射量6700-8370MJ/m2；主要地区：青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。二类地区全年日照时数3000-3200h，辐射量5860-6700MJ/m2；主要地区：河北西北部、陕西北部、内蒙古南部宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。三类地区全年日照时数为2200-3000h，辐射量4950-5860MJ/m2；主要地区：山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。四类地区全年日照时数为1400-2200h，辐射量4190-5020MJ/m2；主要地区：长江中下游，湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。五类地区全年日照时数为1000-1400h，辐射量3350-4200MJ/m2；主要地区：四川、重庆和贵州。2.日照时间太阳光在一天当中从日出到日落实际的照射时间。3.日照时数在某一地点，一天当中太阳光达到一定的辐照度（120W/m2）时开始记录，直到小于此辐照度时停止记录，期间所经过的小时数。4.平均日照时数某一地点一年或若干年的日照时数总和的平均值。5.峰值日照时数将当地的太阳辐射量，折算成标准测试条件（1000W/m2）下的时数年峰值日照时数=某地年总辐射量*0.0116日峰值日照时数=某地年总辐射量*0.0116/365例.某地年水平总辐射量为130kcal/cm2,(1kcal=4.18kJ),太阳能方阵面上的辐射量是143kcal/cm2,求年峰值日照时数和日峰值日照时数.解：年峰值日照时数=143*0.0116=1658.8h 日峰值日照时数=1658.8h/365=4.54h/d