太阳能光伏发电应用技术 课件-第2章 太阳辐射..pptx

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太阳能光伏发电应用技术,1,第2章太阳辐射,第2章太阳辐射,2,主要内容太阳概况日地运动天球坐标跟踪平面的角度太阳辐射量,2.1太阳概况,太阳的构造,3,太阳的内部可以分为：

核心区、辐射区和对流区三层。

核心区半径约为太阳半径的1/4，质量约占整个太阳质量的一半以上。

太阳的外部由光球层、色球层和日冕层三层构成。

人们看到的太阳表面叫光球层，太阳的可见光几乎全是由光球层发出的。

2.2日地运动,4,2.2.1地球概况地球的赤道半径略长、两极半径略短，极轴相当于扁球体的旋转轴。

其南半球略粗、短，南极向内下凹约30m；北半球略细、长，北极约向上凸出10m，其真实形状略呈梨形。

IUGG1980年公布的地球形貌主要数据,2.2日地运动,2.2.2真太阳时,日地运动示意图,5,以地球自转周期为基准的一种时间计量系统称为平太阳时。

平太阳时在该处下中天（子夜0点）的瞬间作为平太阳时零时。

太阳连续两次经过上中天（正午12点）的时间间隔，称为真太阳日。

1真太阳日又分为24真太阳时,这称为真太阳时。

真太阳时与平太阳时的关系：

真太阳时=平太阳时+时差值要确定真太阳时，需要将当地的北京时间推算成当地平太阳时，再将平太阳时换算成当地真太阳时。

其方法是：

中国当地平太阳时=北京时间+4分钟（当地经度-120），得到当地平太阳时，再加上时差值，可得出当地真太阳时。

2.2日地运动,太阳运行轨迹示意图,2.2.3日出和日落规律一年中只有春分日和秋分日是日出正东，日落正西；夏半年中，日出东偏北，日落西偏北方向；冬半年中，日出东偏南，日落西偏南方向；北纬23.45纬度圈为北回归线；南纬23.45为南回归线；,在春分日（北半球是3月20日或21日）与秋分日（北半球是9月22日或23日），太阳恰好直射地球的赤道平面。

6,2.3天球坐标,赤道坐标系,7,时间（小时）乘以15。

赤道坐标系在赤道坐标系中，太阳的位置M由时角w和赤纬角d两个坐标决定。

时角相对于圆弧QM，从天子午圈上的Q点起算（从太阳的正午起算），顺时针方向为正，逆时针方向为负，即上午为负，下午为正。

时角通常以w表示，它的数值等于离正午的,2.3天球坐标,赤道坐标系,2.3.1赤道坐标系2.赤纬角与赤道面平行的平面与地球的交线称为地球的纬度。

太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹角称为赤纬角，常以d表示。

春分和秋分日的d=0，向北天极由0变化到夏至日的+23.45；向南天极由0变化到冬至日的-23.45。

地球上任何位置，其赤纬角都是相同的。

赤纬角可用Cooper方程近似计算：

注：

n为一年中的日期序号，如元旦为n=1。

8,2.3天球坐标,2.3.2地平坐标系,地平坐标系,太阳相对地球的位置由高度角和方位角两个坐标决定，由于地球上各处的位置不同，因而各处的高度角和方位角也不相同。

天顶角qZ：

天顶角是指太阳光线MO与地平面法线OZ之间的夹角。

高度角as：

高度角是指太阳光线MO与其地平面上投影线OM之间的夹角。

它表示太阳高出水平面的角度。

高度角与天顶角的关系是：

qZ+as=90方位角gs：

方位角是指太阳光线在地平面上投影OM和地平面上正南方向线OS之间的夹角gs。

它表示太阳光线的水平投影偏离正南方向的角度。

9,2.3天球坐标,2.3.3太阳角的计算高度角的计算高度角、天顶角和纬度、赤纬角及时角的关系为：

在太阳正午时，w=0，式（2-4a）可简化为：

当正午太阳在天顶以南，即jd时：

当正午太阳在天顶以北，即jd时：

方位角gs的计算方位角与赤纬角、高度角、纬度及时角的关系为：

10,2.3天球坐标,可得,2.3.3太阳角的计算3.日出、日落的时角日出、日落时太阳高度角as为0，由cosws=-tanjtand，由于cosws=cos（-ws），故wsr=-ws；wss=ws,式中，wsr为日出时角；wss为日落时角。

以度表示，负值为日出时角，正值为日落时角。

可见对于某个地点，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日照时间是当地由日出到日落之间的时间间隔。

由于地球每小时自转15，所以日照时间N可以用日出、日落时角的绝对值之和除以15得：

11,2.3天球坐标,2.3.3太阳角的计算5.日出、日落时的方位角日出、日落时太阳高度角为aso=0，所以cosas=1，sinas=0，代入式cosgs,o=-sind/cosj得到的日出、日落时的方位角都有两组解，因此必须选择一组正确的解。

我国所处位置大致可划分为北热带和北温带两个气候带。

当太阳赤纬角d0（夏半年）时，太阳升起和降落都在北面的象限（数学上的第一、二象限）；d0（冬半年）时，太阳升起和降落都在南面的象限（数学上的第三、四象限）。

12,2.3天球坐标,2.3.3太阳角的计算6.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qT。

太阳入射角与其他角度之间的几何关系为：

式中，qT为太阳入射角；d为太阳赤纬角；j为当地纬度；b为斜面倾角；g为倾斜面方位角；w为时角；qZ为太阳天顶角；gs为太阳方位角。

13,2.4跟踪平面的角度,有些太阳能收集器以一定的方式跟踪太阳，目的是使太阳光照射到收集器平面的入射角最小，进而使平面接收到的太阳辐照量极大化。

对于这种运动平面需要知道太阳的入射角和平面的方位角。

跟踪系统可以根据其运动方式来分类：

一类是环绕单轴转动，轴可以是任何朝向的，实际上通常只有水平东、西向，水平南、北向，垂直或平行于地球轴这几种方向；另一类是双轴转动。

（1）对于按天调整沿水平东、西向轴转动的平面，使每天中午太阳直接辐射垂直入射到接收平面上时：

这个平面的倾角对于每天是固定的：

平面的方位角在一天中是0还是180，具体取决于纬度和赤纬角：

如果（j-d）0，则g=0,如果（j-d）0，则g=180,14,2.4跟踪平面的角度,

（2）对于绕水平东、西向轴转动的平面并可连续调整，要使太阳入射角极小化时：

平面倾角由下式确定：

如果太阳的方位角经过90，这类平面方位角的朝向将在0180之间变化，对于两半球：

15,2.4跟踪平面的角度,其倾角由下式确定：

平面的方位角g是90还是-90取决于太阳的方位角是大于0还是小于0：

如果gs0，则g=90如果gs0，则g=-90,（3）对于绕水平南、北向轴转动的平面并可连续调整，要使太阳入射角极小化时：

16,2.4跟踪平面的角度,（4）对于以固定倾角绕垂直于地球轴转动的平面，在其平面方位角与太阳方位角相等时，太阳入射角最小。

由，太阳入射角qT可由下式得出：

由于倾角是固定的，因此b为常数；平面的方位角g=gs（5）对于以双轴连续跟踪的平面，要使其入射角极小化时：

17,2.4跟踪平面的角度,（6）对于绕平行于地球轴线以南、北轴向转动的平面并连续调整，要使太阳入射角极小化时：

倾角是连续变化的，并且等于：

平面的方位角为：

式中，,18,2.5太阳辐射量,19,单位时间内，太阳以辐射形式发射的能量称为太阳辐射功率或辐射通量，单位是瓦（W）。

太阳投射到单位面积上的辐射功率（辐射通量）称为辐射度或辐照度，单位是瓦/米2（W/m2）。

在一段时间内太阳投射到单位面积上的辐射能量称为辐照量，单位是千瓦时/（米2日）（月、年）kWh/（m2d）（m、y）。

2.5太阳辐射量,2.5.1大气层外的太阳辐射1太阳常数在地球大气层之外，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量基本上是一个常数，这个辐照度称为太阳常数。

太阳常数的大小为：

用逆平方定律进行调整后得到太阳常数的结果为：

20,2.5太阳辐射量,2.5.1大气层外的太阳辐射2到达大气层上界的太阳辐射大气层上界水平面上的太阳日辐射量H0可以用下式计算：

式中，Isc为太阳常数；ws为日出、日落时角；d为太阳赤纬角同样也可以由此得到大气层上界水平面上的小时太阳辐射量：

式中，w1和w2为起始和终了的时角,21,2.5太阳辐射量,2.5.1大气层外的太阳辐射3大气质量（AM）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，此时路程最短，太阳光线的实际路程与此最短路程之比称为大气质量。

假定在1个标准大气压和0时，海平面上太阳光线垂直入射时的大气质量为AM=1，因此大气层上界的大气质量AM=0。

地面上的大气质量计算公式为：

大气质量的示意图式中，qZ为太阳天顶角；P为当地大气压；P0为海平面大气压。

22,2.5太阳辐射量,2.5.2到达地表的太阳辐照度1大气透明度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l的太阳辐照度Il,0，经过厚度为dm的大气层后，辐照度衰减为：

式中，g为日-地距离修正值；Pm为复合透明系数，它表征了大气对太阳辐射能的衰减程度。

式中，Il,n为到达地表的法向太阳辐照度；Il,0为大气层上界的太阳辐照度；Cl为大气的消光系数；m为大气质量单色光谱透明度全色太阳辐照度整个太阳辐射光谱范围内的单色透明度的平均值为Pm,23,2.5太阳辐射量,2.5.2到达地表的太阳辐照度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Pm值修正到大气质量为2的大气透明度，即：

式中，g为日-地变化修正值；Isc为太阳常数；,为修正到m=2时的Pm值。

24,2.5太阳辐射量,太阳直射辐照度与太阳高度角的关系图,式中，Ib为水平面直射辐照度；as为太阳高度角；qZ为太阳天顶角。

将式代入式可得,将上式在日出到日落的时间内积分，得到：

2.5.2到达地表的太阳辐照度3水平面上太阳直射辐照量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：

25,2.5太阳辐射量,2.5.2到达地表的太阳辐照度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角和大气透明度。

用下式表示：

式中，Id为散射辐照度；为太阳高度角；C1、C2为经验系数。

5水平面上的太阳总辐照度太阳总辐照度是到达地表水平面上的太阳直射辐照度和散射辐照度的总和，即：

I=Ib+Id式中，I为水平面上太阳总辐照度；Ib为水平面上直射辐照度；Id为水平面上散射辐照度。

26,2.5太阳辐射量,2.5.2到达地表的太阳辐照度6清晰度指数清晰度指数KT作为衡量太阳通过大气层时的衰减情况，定义为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。

水平面上月平均太阳辐照量与大气层外月平均太阳辐照量之比为月平均清晰度指数，表达式为水平面上日平均太阳辐照量H与大气层外日平均太阳辐照量H0之比为日平均清晰度指数KT，表达式为在某个小时，其水平面上的太阳辐照度I与大气层外太阳辐照度I0之比，即可认为是小时清晰度指数kT，表达式为,27,2.5太阳辐射量,2.5.2到达地表的太阳辐照度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，以下介绍不同时间段的近似计算方法。

（1）小时散射辐照量与总辐照量的比值：

，若kT0.22，若0.220.80式中，kT为小时清晰度指数。

28,2.5太阳辐射量,2.5.2到达地表的太阳辐照度7散射辐照量与总辐照量之比

（2）日散射辐照量与总辐照量的比值：

日散射辐照量与总辐照量的比值，按日落时角大于、小于或等于81.4两种情况，关系式分别如下：

对于ws81.4：

对于ws81.4：

29,2.5太阳辐射量,2.5.2到达地表的太阳辐照度7散射辐照量与总辐照量之比（3）月散射辐照量与总辐照量的比值：

采用Erbs等人1982年提出的经验公式来设法找出各月直射辐照量和散射辐照量各占多少比例：

时：

时：

对于ws81.4，并且有,30,对于Ws81.4，并且有,2.5太阳辐射量,2.5.3地表倾斜面上的小时太阳辐照度1倾斜面上的小时太阳直射辐照量IT,b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。

地表倾斜面上的小时太阳辐照量与直射辐照量有如下关系：

IT,b/In=cosqT倾斜面上的直射辐照量为：

倾斜面上的太阳直射辐照情况式中，b为倾斜面与水平面之间的夹角；j为当地纬度；d为太阳赤纬角；w为时角；g为倾斜面的方位角。

31,2.5太阳辐射量,2.5.3地表倾斜面上的小时太阳辐照度2倾斜面和水平面上小时直射辐照量的比值Rb倾斜面上和水平面上小时直射辐照量的比值为：

对于朝向赤道的倾斜面，g=0，可得：

对于北半球：

对于南半球：

如果在正午12:

00，w=0，可分别得到：

对于北半球：

对于南半球：

32,2.5太阳辐射量,2.5.3地表倾斜面上的小时太阳辐照度倾斜面上的小时散射辐照量倾斜面上的小时散射辐照量可由下式得到：

式中，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；b为倾斜面与水平面之间的夹角（倾角）地面反射辐照量假定地面反射是各向同性的，利用角系数的互换定律，可得到：

式中，r是地面反射率，与地表的覆盖状况有关，一般情况下，可取r=0.2。

33,2.5太阳辐射量,2.5.3地表倾斜面上的小时太阳辐照度5倾斜面上小时太阳总辐照量天空各向同性模型天空太阳散射辐射是各向同性的。

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。

也可以改写成,式中，R是倾斜面上小时太阳总辐照量IT与水平面上小时太阳总辐照量I的比值。

34,2.5太阳辐射量,2.5.3地表倾斜面上的小时太阳辐照度6倾斜面上小时太阳总辐照量天空各向异性模型

（1）HDKR模型在倾斜面上小时太阳总辐照量可用下式计算：

式中，；Ib为水平面上小时太阳直射辐照量；Id为水平面上小时太阳散射辐照量；Io为大气层外小时太阳总辐照量；Rb为倾斜面与水平面上小时太阳直射辐照量的比值；b为倾斜面与水平面之间的夹角（倾角）；r为地面反射率；I为水平面上小时太阳总辐照量。

35,2.5太阳辐射量,2.5.3地表倾斜面上的小时太阳辐照度6倾斜面上小时太阳总辐照量天空各向异性模型

（2）Perez模型倾斜面上的小时太阳散射辐照量可用下式计算：

式中，F1是环绕太阳系数；F2是水平亮度系数，其值是描述天空条件的天顶角qZ、清晰度和亮度三个参数的函数，分别由下式确定：

36,2.5太阳辐射量,2.5.3地表倾斜面上的小时太阳辐照度倾斜面上的小时太阳总辐照量由直射辐照量、各向异性散射辐照量、环绕太阳散射辐照量、水平散射辐照量和地面反射辐照量五项构成，关系式如下：

37,2.5太阳辐射量,2.5.4地表倾斜面上的月平均太阳辐照量1天空各向同性模型太阳散射和地面反射是各向同性的，倾斜面上的月平均太阳辐照量的计算公式为：

或式中，为倾斜面上月平均太阳总辐照量；为水平面上月平均太阳直射辐照量；为水平面上月平均太阳散射辐照量；为倾斜面与水平面上的太阳直射辐照量的比值。

对于北半球朝向赤道（g=0）的倾斜面上，可简化为：

38,2.5太阳辐射量,2.5.4地表倾斜面上的月平均太阳辐照量1天空各向同性模型式中，是各月平均代表日的日落时角，由下式确定：

对于南半球朝向赤道（gs=180）的倾斜面，同样可简化为：

其中，,39,2.5太阳辐射量,2.5.4地表倾斜面上的月平均太阳辐照量2天空各向异性模型

（1）Klein和Theilacker的方法,40,2.5太阳辐射量,2.5.4地表倾斜面上的月平均太阳辐照量2天空各向异性模型

（2）RETScreen方法总共分三个步骤：

假定当月各天都有与“月平均日”相同的太阳总辐照量。

计算倾斜面（或跟踪面）上所有的逐小时太阳总辐照量。

将倾斜面上在“月平均日”所有的逐小时太阳辐照量相加，就是该“月平均日”的太阳总辐照量，再考虑当月的天数，就可得到倾斜面上当月平均太阳总辐照量。

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