光伏发电技术2太阳辐射资料.pptx
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1、 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
2、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
3、: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。
4、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
5、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
6、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
7、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
8、 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
9、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
10、+(-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=0.7359
11、s=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=
12、-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
13、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 1
14、013kw)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
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