第2章太阳与太阳能PPT讲稿.ppt

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1、第2章太阳与太阳能第1页，共58页，编辑于2022年，星期一第第2章章 太阳太阳与太阳能与太阳能 太阳与太阳能太阳与太阳能第2页，共58页，编辑于2022年，星期一2.1 太阳太阳2.1.1 太阳基本物理参数太阳基本物理参数 太阳是距地球最近的恒星。太阳是距地球最近的恒星。半径半径：R=6.96 105 km(地球的地球的109倍）；倍）；体体积积：1.4122 107 km3(地球的地球的130万万倍）倍）；质量：质量：约为约为1.991027t（地球质量的（地球质量的33万倍）；万倍）；平均密度：平均密度：1.409g/cm3(地球密度的地球密度的1/4)；160g/cm3(核心核心)；温

2、度：温度：5770(表面表面)，1.56 107(核心核心)；日地平均距离：日地平均距离：1.5 108km；太阳光到达地球表面时间：太阳光到达地球表面时间：约约8 18；年龄：约年龄：约50亿年；亿年；寿命：寿命：100亿年。亿年。第3页，共58页，编辑于2022年，星期一2.1 太阳太阳2.1.2 太阳的太阳的结结构构如如图图2-1所示所示 1.里三层里三层太阳内部太阳内部 核反应区：核反应区：0.25R内，温度内，温度1500万度，太阳一半的质万度，太阳一半的质量，压力约量，压力约2500亿大气压；氢聚合时放出亿大气压；氢聚合时放出 射线，这种射线射线，这种射线通过较冷区域时，消耗能量，

3、增加波长，变成通过较冷区域时，消耗能量，增加波长，变成X射线或紫射线或紫外线及可见光。外线及可见光。辐射区：辐射区：0.250.8R范围，温度范围，温度13万度，密度万度，密度0.079g/cm3;太阳能量通过这个区域由辐射传输出去。太阳能量通过这个区域由辐射传输出去。对流区：对流区：0.81.0R范围，温度范围，温度5000度，密度度，密度10 8g/cm3；太阳能量主要靠对流传播。太阳能量主要靠对流传播。第4页，共58页，编辑于2022年，星期一2.1 太阳太阳2.1.2 太阳的太阳的结结构构如如图图2-1所示所示 图图2-1 太阳结构和能量太阳结构和能量传递方式示意图传递方式示意图第5页

4、，共58页，编辑于2022年，星期一2.1 太阳太阳2.1.2 太阳的太阳的结结构构如如图图2-1所示所示 图图2-1 太阳结构示意图太阳结构示意图第6页，共58页，编辑于2022年，星期一2.1 太阳太阳2.1.2 太阳的太阳的结结构构如如图图2-1所示所示 2.外三层外三层太阳外部太阳外部（太阳（太阳大气）大气）光球层：厚度光球层：厚度500km，温度，温度5700，太阳的全部光能几，太阳的全部光能几乎全从这个层次发出。太阳的连续光谱基本上就是光球的光乎全从这个层次发出。太阳的连续光谱基本上就是光球的光谱，太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。谱，太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一

5、层内形成的。太阳黑子产生。太阳黑子产生。色球层：厚度色球层：厚度2000km，温度由内向外升高，温度由内向外升高，4300几几万度万度；边缘产生日珥、耀斑（极光）等。；边缘产生日珥、耀斑（极光）等。日冕层：内冕层高度日冕层：内冕层高度17万万km，温度，温度100万度；外冕层高万度；外冕层高度在度在17万万km以上，温度低于内冕层。以上，温度低于内冕层。太阳大气分太阳大气分层层并不并不严严格，格，实际实际是是连续变连续变化的。化的。第7页，共58页，编辑于2022年，星期一太阳黑子色球层和日珥日全食期间的太阳色球层色球层和日冕层第8页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与

6、地球2.2.1太阳与地球的位置关系太阳与地球的位置关系 1.天球与天球坐标系天球与天球坐标系 天球：天球：观察者为球心，任意长度为半径观察者为球心，任意长度为半径 的球的球面面(图图2-2)；地平面地平面，地平圈；地平圈；天顶天顶和天底天底；周日运动周日运动 南天极南天极和北天极北天极，天轴；天轴；天球赤道面，天赤道；天球赤道面，天赤道；子午圈子午圈 图图2-2 天球及天球坐标系天球及天球坐标系 第9页，共58页，编辑于2022年，星期一球面三角基础知识球面三角基础知识一、球面上的圆一、球面上的圆 （大圆、小圆）（大圆、小圆）定理：任何平面和球面的交线都是正圆。定理：任何平面和球面的交线都是正

7、圆。定义：定义：通过球心的平面与球面的交线，是直径最大的圆，叫做通过球心的平面与球面的交线，是直径最大的圆，叫做大圆。大圆。不通过球心的平面与球面的交线，叫小圆。不通过球心的平面与球面的交线，叫小圆。二、球面上两点的距离二、球面上两点的距离三、圆的极三、圆的极 大圆的极点大圆的极点 =通过球心与大圆所在平面相垂的直线与球面的两个通过球心与大圆所在平面相垂的直线与球面的两个交点。交点。四、球面角四、球面角五、圆弧与角的度量五、圆弧与角的度量 1 1（弧度）（弧度）=360/2=360/2（度）（度）=206265=206265（角秒）（角秒）第10页，共58页，编辑于2022年，星期一天天 球球

8、 在晴朗的夜晚，仰望天在晴朗的夜晚，仰望天空空,眼前像有一个半球形的夜眼前像有一个半球形的夜幕天穹幕天穹,上面点缀着无数闪烁上面点缀着无数闪烁发亮的明星，感觉自己仿佛发亮的明星，感觉自己仿佛是处在这个天穹的中心是处在这个天穹的中心,这就这就是人们对是人们对“天球天球”的印象。的印象。n 天文学家为了研究天体的位天文学家为了研究天体的位置和天体的运动引入了置和天体的运动引入了“天天球球”的概念和天球坐标。的概念和天球坐标。第11页，共58页，编辑于2022年，星期一n 天球是一天球是一个假想的球，个假想的球，它是以观测它是以观测者（或地心、者（或地心、日心）为中日心）为中心，以无穷心，以无穷远为

9、半径的远为半径的球，所有天球，所有天体都投影在体都投影在这个球面上。这个球面上。天球天球第12页，共58页，编辑于2022年，星期一天顶、天底和真地平天顶、天底和真地平天顶：天顶：Z Z 过天球中心做一直过天球中心做一直线与观测点的铅垂线平行，线与观测点的铅垂线平行，交天球于两点，位于观测者交天球于两点，位于观测者头顶的一点称天顶。头顶的一点称天顶。天底天底：Z Z 与天顶相对的另一交点与天顶相对的另一交点为天底。为天底。真地平：真地平：过天球中心做一与铅垂过天球中心做一与铅垂线垂直的平面，与天球相交的线垂直的平面，与天球相交的大圆为真地平。大圆为真地平。第13页，共58页，编辑于2022年，

10、星期一天极与天赤道天极与天赤道天球的轴是地球自转轴天球的轴是地球自转轴的延伸，叫的延伸，叫天轴天轴，天，天轴与天球有两个交点，轴与天球有两个交点，叫作叫作天极天极,北天极北天极：地球北极延伸：地球北极延伸的点的点南天极南天极：地球南极延伸：地球南极延伸的点。的点。north celestial poleNCP 北天极北天极south celestial poleSCP 南天极南天极第14页，共58页，编辑于2022年，星期一north celestial polesouth celestial pole通过天球的中心与通过天球的中心与天轴垂直的平面叫天轴垂直的平面叫做天球赤道面，天做天球赤道面

11、，天球赤道面与天球的球赤道面与天球的交线是个大圆，称交线是个大圆，称为天赤道。通过天为天赤道。通过天顶和天极的大圆称顶和天极的大圆称为子午圈。为子午圈。天赤道是地球赤道的天赤道是地球赤道的扩展扩展第15页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 2.地平坐标系地平坐标系 地平坐标系：以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点地平坐标系：以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系为原点的坐标系(图图2-3)；地平经圈地平经圈：通过天顶和太阳：通过天顶和太阳（或任一天体）（或任一天体）X作一大圆；作一大圆；地平经度地平经度A：从原点：从原点S沿地沿地平圈顺时针方向计量的弧

12、平圈顺时针方向计量的弧SM，或方位角或方位角A；地平纬度地平纬度h：弧：弧XM，或高度，或高度角角h，向上为正，向下为负；，向上为正，向下为负；天顶距天顶距Z：自：自Z起计量的弧起计量的弧ZX。Z=90h 图图2-3 地平坐标系地平坐标系 第16页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 3.时角坐标系时角坐标系 时角坐标系时角坐标系：以：以天赤道为基本圈，北天极为基本点天赤道为基本圈，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天赤道和子午圈在南点附近的交点为原点的坐标系的坐标系(图图2-3)；通过北天极和太阳（或任一通过北天极和太阳（或任一天体）天体）X作一

13、大圆，叫做作一大圆，叫做时圈时圈；时圈交天赤道于时圈交天赤道于T点；点；从原点从原点Q沿天赤道顺时针方沿天赤道顺时针方向计量，弧向计量，弧QT为为时角时角，以度、以度、分、秒为单位来表示，也可以分、秒为单位来表示，也可以时、分、秒为单位来表示；时、分、秒为单位来表示；弧弧XT叫做叫做赤纬赤纬，以度、以度、分、秒为单位来表示；从天赤分、秒为单位来表示；从天赤道算起，向上为正，向下为负。道算起，向上为正，向下为负。图图2-4 时角坐标系时角坐标系 第17页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 当天体作周日运动时，天体的赤纬当天体作周日运动时，天体的赤纬 不随周日运动而变

14、不随周日运动而变化，但天体的时角化，但天体的时角 却从却从0均匀地增加到均匀地增加到360。此外，在同。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一瞬间，在地理经度不同的观测地点观测同一天体的时角 是不同的，即同一天体的时角是不同的，即同一天体的时角 随观测地点而异。随观测地点而异。图图2-4 时角坐标系时角坐标系 第18页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球2.2.1 地球的地球的纬线纬线与与纬纬度度 地地轴轴：地球自地球自转转的的轴线轴线，通，通过过地球的南北极和地球中心。地球的南北极和地球中心。赤道：赤道：地球中腰与地球中腰与赤道赤道垂直且与

15、南北极距离相等的大垂直且与南北极距离相等的大圆圆圈。圈。纬线纬线：赤道的南北两赤道的南北两边边若干与赤道平行的若干与赤道平行的圆圆圈，即圈，即纬纬圈，构成圈，构成纬纬圈的圈的线线段，称段，称为纬线为纬线。纬纬度：度：赤道南、北各有赤道南、北各有90，规规定赤道定赤道为纬为纬度度0，分，分别别向向两极排列，南、北极分两极排列，南、北极分别为别为南、北南、北纬纬90。纬纬圈越小，圈越小，纬纬度度越高。越高。纬纬度的高低度的高低标标志气候的冷志气候的冷热热。030，低，低纬纬度区；度区；3060，中，中纬纬度区；度区；6090，高，高纬纬度区。度区。第19页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2

16、 太阳与地球太阳与地球2.2.1 地球的地球的经线经线与与经经度度 经线经线：南北极南北极间间若干南北方向的且与赤道垂直的大若干南北方向的且与赤道垂直的大圆圆圈，即圈，即“经经圈圈”，构成，构成经经圈的圈的线线段称段称为经线为经线，即地面上，即地面上连连接南北极的接南北极的线线，表示南北方向，所有，表示南北方向，所有经线长经线长度相等。度相等。经经度：度：计算经度（计算经度（0）的起始线，通过伦敦格林尼治天文）的起始线，通过伦敦格林尼治天文台原址的经线，规定为台原址的经线，规定为0 经线，即经线，即本初子午本初子午线线，它是确定地，它是确定地球球经经度和全球度和全球时时刻的刻的标标准参考准参考

17、线线。子午。子午线总长线总长度度40008km。第20页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球2.2.2 地球绕太阳的运行规律地球绕太阳的运行规律 地球自转：地球绕着通过它本身南极和北极的地球自转：地球绕着通过它本身南极和北极的“地轴地轴”自西向东转动。每转一周（自西向东转动。每转一周（360）为一昼夜，一昼夜又分为）为一昼夜，一昼夜又分为24h（实际一个恒星日为（实际一个恒星日为23小时小时56分分4.0905秒），所以地球秒），所以地球每小时自转每小时自转15。地球公转：地球绕太阳循地球公转：地球绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道黄道)

18、上运行，称为上运行，称为“公转公转”。其周期为一年，一年为其周期为一年，一年为365天天（实际一个恒星年为（实际一个恒星年为365天天6小时小时6分分9秒）。秒）。第21页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球2.2.2 地球绕太阳的运行规律地球绕太阳的运行规律 地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）的法线倾斜成斜成23 27 的夹角（的夹角（黄赤交角黄赤交角），而且地球公转时其自转轴），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。的方向始终不变，总是指向天球的北极。图图2-5 地球绕太阳运行及其影响地球

19、绕太阳运行及其影响第22页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球2.2.3 太阳的视运动太阳的视运动 地球上人们观察到的太阳运动轨迹，称地球上人们观察到的太阳运动轨迹，称太阳视运动太阳视运动（The sun looks at motion），实质是相对运动。），实质是相对运动。图图2-6 观察者在南纬或北纬观察者在南纬或北纬35 时所观察到的太阳的视运动时所观察到的太阳的视运动（是地球自转平面是地球自转平面(赤道平面赤道平面)与地球围绕太阳公转平面与地球围绕太阳公转平面(黄道平面黄道平面)之间的夹角之间的夹角(23 2723.45)）第23页，共58页，编辑于2022

20、年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球太阳视运动轨迹的极坐标描述太阳视运动轨迹的极坐标描述图图2-7 观察者在南纬观察者在南纬35时太阳视运动轨道的极坐标图时太阳视运动轨道的极坐标图第24页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球2.2.4 太阳高度角、方位角、日照时间的计算太阳高度角、方位角、日照时间的计算 1.太阳赤纬角库珀方程太阳赤纬角库珀方程 太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角赤纬角，以，以 表表示（见图示（见图2-8）。在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但）。在一年当中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过不超过 23 2

21、7 的范围。夏天最大变化到夏至日的的范围。夏天最大变化到夏至日的+23 27，冬天最小变化到冬至日的冬天最小变化到冬至日的 23 27。太阳赤纬按库珀太阳赤纬按库珀(Cooper)方程计算方程计算式中，式中，n为一年中从元旦算起的日期序号，如在春分，为一年中从元旦算起的日期序号，如在春分，n=81,则则=0。自春分日起的第自春分日起的第d天的太阳赤纬为天的太阳赤纬为第25页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 Z-天顶；天顶；n-倾斜面法线；倾斜面法线；S-指向太阳的向量；指向太阳的向量；-倾斜面与水平面的夹角；倾斜面与水平面的夹角；z-天顶角，指向太阳的向量天顶角

22、，指向太阳的向量S与天顶与天顶Z的夹角；的夹角；h-太阳高度角，指向太阳太阳高度角，指向太阳的向量的向量S与地平面的夹角；与地平面的夹角；-太阳方位角，指向太阳的向量太阳方位角，指向太阳的向量S在地面上的在地面上的投影与南北方向线间夹角；投影与南北方向线间夹角；T-指向太阳的向量指向太阳的向量S与倾斜面法线与倾斜面法线n的夹角；的夹角；n-法线法线n在地面上的投影与南北方向线的夹角在地面上的投影与南北方向线的夹角 图图2-8太阳角的定义太阳角的定义（与地平面呈（与地平面呈 角的一角的一个倾斜面与太阳辐射的个倾斜面与太阳辐射的几何关系）几何关系）第26页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2

23、 太阳与地球太阳与地球 太阳的太阳的视视位置位置，用太阳的，用太阳的高度角高度角和和方位角方位角表示，如表示，如图图3-3所示。所示。图图3-3 太阳高度角和方位角太阳高度角和方位角第27页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 太阳赤纬角太阳赤纬角图图3-3 一年中一年中太阳赤太阳赤纬纬角的角的变变化化规规律律第28页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 太阳的太阳的时角时角 太阳的时角太阳的时角用用 表示，它定义为：在正午时表示，它定义为：在正午时 0，每隔，每隔1小时增小时增15，上午为正，下午为负。，上午为正，下午为负。例如：例如：

24、上午上午11时，时，+15；上午上午8时，时，15(12 8)=60；下午下午1时，时，-15；下午下午3时，时，-153-45。第29页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 太阳高度角太阳高度角，太阳中心直射到地面的光，太阳中心直射到地面的光线线与当地水平面与当地水平面间夹间夹角角(h)，表示太阳的高度，日出日落，表示太阳的高度，日出日落为为0，正午，正午为为90。太阳高度角是地面太阳高度角是地面获获得太阳能得太阳能强强弱的重要因素。太阳高度弱的重要因素。太阳高度角随角随纬纬度和度和时间变时间变化，正午太阳高度角化，正午太阳高度角（h）计计算公式：算公式：sinh

25、=sin sin+cos cos cos t式中，式中，为观测为观测点地理点地理纬纬度度；为为太阳赤太阳赤纬纬角；角；为为地球自地球自转转角速度；角速度；t为地方时。为地方时。可可视为视为常数常数(15/h)，则有，则有sinh=sin sin+cos cos=cos()太阳方位角，太阳方位角，太阳光太阳光线线在地平面上的投影与当地子午在地平面上的投影与当地子午线线正南方的正南方的夹夹角角()，向西，向西为为正，向正，向东为负东为负，变变化范化范围围 180；它表示它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。它表示它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。第30页，共58页，编辑于2022年，星期一

26、2.2 太阳与地球太阳与地球 （1）太阳高度角）太阳高度角h 太阳中心直射到地面的光太阳中心直射到地面的光线线与当地水平面与当地水平面间夹间夹角角(h)，表，表示太阳的高度。示太阳的高度。在天文学中，太阳高度角的计算公式为在天文学中，太阳高度角的计算公式为sinh=sin sin+cos cos cos （2-3）式中，式中，为观测点地理纬度；为观测点地理纬度；为当日观测时刻的太阳赤纬为当日观测时刻的太阳赤纬角；角；为观测时刻的太阳时角。其中单位均以度（为观测时刻的太阳时角。其中单位均以度（）计。）计。正午时，正午时，0，cos=1，式（，式（2-3）可简化为）可简化为sinh=sin sin

27、+cos cos=cos()因为因为cos()sin90()，所以，所以，sinh=sin90()（2-4）第31页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 （1）太阳高度角）太阳高度角h 正午时，若太阳在天顶以南，即正午时，若太阳在天顶以南，即 ，取，取sin90()，从而有从而有h=90 （2-5）若太阳在天顶以北，即若太阳在天顶以北，即 ，取，取sin90 ()，从而有，从而有h=90 在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则 ，从而有从而有h90。注意：注意：地理纬度地理纬度，北半球取正值，南半球取负值；太阳，北半球取

28、正值，南半球取负值；太阳赤纬角赤纬角，太阳位于赤道以北时取正值，位于赤道时，太阳位于赤道以北时取正值，位于赤道时=0，位于赤道以南时取负值。位于赤道以南时取负值。第32页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 （1）太阳高度角）太阳高度角h例例2-1 计算夏至日南回归线上的正午太阳高度角。计算夏至日南回归线上的正午太阳高度角。解：解：夏至日正午太阳赤纬角夏至日正午太阳赤纬角 =23 27；南回归线纬度南回归线纬度 =23 27 。所以太阳高度角为所以太阳高度角为h=90()=90(66 33 0)=23 27 第33页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与

29、地球太阳与地球 （2）太阳方位角）太阳方位角 太阳光太阳光线线在地平面上的投影与当地子午在地平面上的投影与当地子午线线正南方的正南方的夹夹角角()，向西，向西为为正，向正，向东为负东为负，变变化范化范围围 180；它表示它表示它表示它表示太阳的方位，决定太阳光的入射方向。太阳的方位，决定太阳光的入射方向。由图由图2-8的几何关系，太阳方位角计算公式为的几何关系，太阳方位角计算公式为 （2-6）也可用下式计算也可用下式计算 （2-7）根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间，利用式（根据地理纬度、太阳赤纬及观测时间，利用式（2-6）或）或式（式（2-7）中任一个可以求出任何地区、任何季节某一时刻）中任一

30、个可以求出任何地区、任何季节某一时刻的太阳方位角。的太阳方位角。第34页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 （3）日照时间）日照时间 太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角h0，若不考，若不考虑地表面曲率及大气折射的影响，根据式（虑地表面曲率及大气折射的影响，根据式（2-3），可得出），可得出日出日没时角的表达式日出日没时角的表达式cos tan tan （2-8）式中，式中，为日出或日没时角，以度表示；正为日没时角，为日出或日没时角，以度表示；正为日没时角，负为日出时角。负为日出时角。对于北半球，当对于北半球，当 1 tan t

31、an 1，由式，由式(2-8)可得可得 arccos(tan tan)(2-9)因为因为cos =cos()，所以，所以 出出，没没 。第35页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 （3）日照时间）日照时间 由式（由式（2-9）可求得任何季节、任何纬度上的昼长。求出）可求得任何季节、任何纬度上的昼长。求出时角时角 后，日出日没时间用后，日出日没时间用 求出，一天中可能的求出，一天中可能的日照时间日照时间T（昼长）可由下式给出（昼长）可由下式给出 (1-10)第36页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 例例2-3 计算上海地区计算上海地区

32、9月月22日中午日中午12时和下午时和下午2时的太阳时的太阳高度角和方位角，以及该地区冬至日的日出日没时角及全高度角和方位角，以及该地区冬至日的日出日没时角及全天日照时间。天日照时间。解：解：上海地区的纬度上海地区的纬度 31.12。9月月22日距春分日的时间日距春分日的时间n265，则当日的赤纬角为，则当日的赤纬角为 正午正午12时的时角时的时角 0，下午，下午2时的时角时的时角 15 230。中午中午12时的太阳高度角：由于时的太阳高度角：由于 ，则，则h=90 9031.12(0.6)58.28 第37页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 下午下午2时的太阳

33、高度角：时的太阳高度角：Sinhsin sin+cos cos cos sin31.12 sin(0.6)cos31.12 cos(0.6)cos30 0.7359 h47.38 下午下午2时的太阳方位角时的太阳方位角由此可得由此可得 47.6。第38页，共58页，编辑于2022年，星期一2.2 太阳与地球太阳与地球 冬至日的太阳赤纬角冬至日的太阳赤纬角 23.45，则，则cos tan tan tan31.12 tan(23.45)0.2619因此，上海地区冬至日的日出时角因此，上海地区冬至日的日出时角 出出 74.82，日落时，日落时角角 没没74.82，全天日照时间，全天日照时间第39页

34、，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能2.3.1 太阳辐射能太阳辐射能 太阳组成太阳组成：炙热的气体火球炙热的气体火球(氢：氢：71.3%，氦：，氦：27%，其它：，其它：1.8%)；太阳能：太阳能：核聚变反应（氢聚变成氦）核聚变反应（氢聚变成氦）6.571011kg/s氢氢6.53 1011kg/s氦氦 质量亏损质量亏损m=0.41010kg/s 能量转换能量转换E=mc2=3.90 1023 kW 总辐射功率：总辐射功率：3.865 1026J/s(相当于相当于1.32 1016t标煤能量标煤能量/s);地球上界辐射能：地球上界辐射能：1.77 1014 kW(二十二亿分

35、之一二十二亿分之一)；地球表面辐射能：地球表面辐射能：8.5 1013kW(大气衰减大气衰减)。（GB：标标煤燃煤燃烧值烧值29305kJ/kg）第40页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能2.3.1 太阳辐射能太阳辐射能（地球表面辐射能）地球表面辐射能）到达地球表面的太阳辐射能大体分为到达地球表面的太阳辐射能大体分为三部分三部分：一部分转变为热能（约一部分转变为热能（约4.0 l013 kW)，使地球的平均温度，使地球的平均温度大约保持在大约保持在l4，造成适合各种生物生存和发展的自然环，造成适合各种生物生存和发展的自然环境，同时使地球表面的水不断蒸发，造成全球每年约境，

36、同时使地球表面的水不断蒸发，造成全球每年约50 1016 km3的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落的降水量，其中大部分降水落在海洋中，少部分落在陆地上，这就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。在陆地上，这就是云、雨、雪、江、河、湖形成的原因。第二部分（约有第二部分（约有3.7 1013 kW）用来推动海水及大气的对）用来推动海水及大气的对流运动，这便是海流能、波浪能、风能的由来。流运动，这便是海流能、波浪能、风能的由来。第三部分（约第三部分（约4 1012 kW）的太阳能被植物叶子的叶绿素）的太阳能被植物叶子的叶绿素所捕获，成为光合作用的能量来源所捕获，成为光合作用的能量来源。第41

37、页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能2.3.1 太阳辐射能太阳辐射能（地球上的能流图（地球上的能流图）火山火山0.3太阳辐射太阳辐射173000 单位：单位：106 MW短波的直接反射短波的直接反射52000直接转换直接转换为热能为热能81000121000长波辐射长波辐射40000光合作用光合作用40化石燃料化石燃料风、波浪风、波浪370蒸发、降雨蒸发、降雨39590衰变衰变潮汐潮汐3地热地热32第42页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能 太阳能辐射量太阳能辐射量 太阳在单位时间内以辐射形式发射出的能量称太阳的太阳在单位时间内以辐射形式发射出的能量

38、称太阳的辐辐射功率射功率，也叫辐射通量，单位是瓦特，也叫辐射通量，单位是瓦特(W=J/s)；投射到单位；投射到单位面积上的辐射通量叫面积上的辐射通量叫辐照度辐照度，单位是瓦，单位是瓦/米米2(W/m2)；从单位；从单位面积上接收到的辐射能称为面积上接收到的辐射能称为曝辐射量曝辐射量，单位为焦耳，单位为焦耳/米米2(J/m2)；在在一段时间一段时间内（如每小时、日、月、年等）太阳内（如每小时、日、月、年等）太阳投射到单位面积上的辐射能量称为投射到单位面积上的辐射能量称为辐照量辐照量，单位是千瓦时，单位是千瓦时/(平方米平方米 日日(月、年月、年)（kW h/(m2 d(m、y)。单位换算：单位换

39、算：1kW h=3.6MJ 1cal=4.1868J=1.1627mW h 1MJ/m2=23.889cal/cm2=27.8mW h/cm2 1kW h/m2=85.98cal/cm2=3.6MJ/m2=100mW h/cm2第43页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能 2.3.2太阳辐射光谱太阳辐射光谱太阳发射的电磁辐射能量在太阳发射的电磁辐射能量在大气上界大气上界随波长的分布，称随波长的分布，称为太阳为太阳辐射光谱辐射光谱（能譜）。太阳以光辐射的形式将能量传（能譜）。太阳以光辐射的形式将能量传送到地球表面，但由于地送到地球表面，但由于地球大气层的存在，到达地球大气层的

40、存在，到达地面的太阳光谱与大气上界面的太阳光谱与大气上界的太阳光谱有所不同，其的太阳光谱有所不同，其辐射光谱分布如图辐射光谱分布如图2-9所示。所示。图中阴影部分，表示太阳图中阴影部分，表示太阳辐射被大气所吸收的部分。辐射被大气所吸收的部分。图图2-9太阳辐射的光谱分布太阳辐射的光谱分布第44页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能 2.3.2太阳辐射光谱太阳辐射光谱太阳辐射能量随波长的分布，称为太阳辐射能量随波长的分布，称为太阳光谱太阳光谱（能谱）能谱）。发发射光射光谱谱：连续连续光光谱谱；明；明线线光光谱谱 吸收光吸收光谱谱：太阳光：太阳光谱谱属于吸收光属于吸收光谱谱。地

41、球上界的太阳地球上界的太阳辐辐射光射光谱谱：波波长长0.154.0 m的光，的光，99%；0.40.76 m(可见光可见光)，40.3%；0.76 m(红外光红外光)，51.4%；最大辐射能量最大辐射能量波长波长，0.475 m.图图2-9太阳辐射的光谱分布太阳辐射的光谱分布第45页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能2.3.3 到达地球表面上的太阳辐射能到达地球表面上的太阳辐射能 1.太阳常数（太阳常数（solar constant）太阳常数是指在日地平均距离处，地球大气层外（大气太阳常数是指在日地平均距离处，地球大气层外（大气上界）垂直于太阳光线的平面上，单位时间、单位

42、面积内上界）垂直于太阳光线的平面上，单位时间、单位面积内所接受的所有波长的太阳总辐射能量值，它基本上是一个所接受的所有波长的太阳总辐射能量值，它基本上是一个常数，所以这个辐照度称为常数，所以这个辐照度称为太阳常数太阳常数。太阳常数值被世界气象组织确定为：太阳常数值被世界气象组织确定为：I0（1367 7）W/m2 对于不是垂直照射的情况，到达水平面上的太阳辐射强对于不是垂直照射的情况，到达水平面上的太阳辐射强度与太阳常数之间存在着下面的关系：度与太阳常数之间存在着下面的关系：I=I0sinh （2-11）式中，式中，h为太阳高度角；为太阳高度角；I0为太阳常数；为太阳常数；I为投射到大气上界为

43、投射到大气上界水平面上的太阳辐射强度。水平面上的太阳辐射强度。第46页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能 2.到达地球表面上的太阳辐射能到达地球表面上的太阳辐射能 到达地面的太阳辐射一部分以平行光的方式直接到达，到达地面的太阳辐射一部分以平行光的方式直接到达，称为称为直接辐射直接辐射；另一部分是太阳光线经大气散射，投射到；另一部分是太阳光线经大气散射，投射到地面的称为地面的称为散射辐射散射辐射；直接辐射与散射辐射的总和为地球；直接辐射与散射辐射的总和为地球接受到的太阳接受到的太阳总辐射能量总辐射能量。图图2-10 大气对太阳大气对太阳辐射的影响辐射的影响第47页，共58页

44、，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能 （1）影响地球表面上太阳辐射能的因素）影响地球表面上太阳辐射能的因素 天文因素：日地距离；太阳赤纬角；太阳时角。天文因素：日地距离；太阳赤纬角；太阳时角。地理因素：地理位置；海拔高度。地理因素：地理位置；海拔高度。物理因素：大气透明度；接受太阳辐射面的表面物理物理因素：大气透明度；接受太阳辐射面的表面物理化学性质，包括表面涂层性质。化学性质，包括表面涂层性质。几何因数：接收太阳辐射面的倾斜度和方位角。几何因数：接收太阳辐射面的倾斜度和方位角。图图2-10 大气对太阳大气对太阳辐射的影响辐射的影响第48页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3

45、太阳能太阳能 （2）大气层对太阳辐射的衰减作用）大气层对太阳辐射的衰减作用大气衰减大气衰减 大气衰减大气衰减在于大气层中的各种气体、水滴、尘埃等杂质在于大气层中的各种气体、水滴、尘埃等杂质对太阳光的作用对太阳光的作用，形成大气层对太阳光线是一种不透明介形成大气层对太阳光线是一种不透明介质，主要质，主要衰减作用衰减作用：吸收作用；吸收作用；散射作用；散射作用；漫反射作用。漫反射作用。大气衰减与太阳光线大气衰减与太阳光线经过大气的路径长短有经过大气的路径长短有关，路径越长，衰减越关，路径越长，衰减越厉害。厉害。（与太阳高度（与太阳高度相关）相关）图图2-10 大气对太阳辐射的影响大气对太阳辐射的影

46、响第49页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能 （3）大气质量）大气质量m 为了能够方便地研究太阳辐射受地球大气衰减作用的影为了能够方便地研究太阳辐射受地球大气衰减作用的影响，将太阳辐射通过大气的厚度称为大气质量（响，将太阳辐射通过大气的厚度称为大气质量（air-mass，AM），其），其确切定义确切定义是：太阳光线通过大气的实际距离与大是：太阳光线通过大气的实际距离与大气的垂直厚度之比，它是一个无量纲的量，用气的垂直厚度之比，它是一个无量纲的量，用m表示。表示。图图2-11 大气质量示意图大气质量示意图第50页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能 海平

47、面上太阳光线垂直入射（太阳高度角海平面上太阳光线垂直入射（太阳高度角h90）时，）时，m=1，记为，记为AM1；大气层上界的大气质量；大气层上界的大气质量m=0（AM0）；）；m=1.5，写成，写成AM1.5，表示太阳光线通过大气的实际距离为，表示太阳光线通过大气的实际距离为大气垂直厚度的大气垂直厚度的1.5倍。倍。大气大气质质量越大，量越大，说说明太阳光明太阳光线经过线经过大气的路径越大气的路径越长长，受，受到的衰减越多，到达到的衰减越多，到达地面的能量就越少地面的能量就越少。大气质量计算公式大气质量计算公式 图图2-11 大气质量示意图大气质量示意图第51页，共58页，编辑于2022年，星

48、期一2.3 太阳能太阳能 3.落在倾斜表面上的辐射落在倾斜表面上的辐射 落在水平面上的直射成分落在水平面上的直射成分S需要转换成在相对水平面倾角需要转换成在相对水平面倾角为为 的斜面上的直射成分的斜面上的直射成分S，如图，如图2-12所示。所示。h 90 -南半球纬度，适用于南半球纬度，适用于位于南半球，朝北的太位于南半球，朝北的太阳能组件；阳能组件；h90+-北半球纬度，适用于北半球纬度，适用于位于北半球，朝南的太位于北半球，朝南的太阳能组件。阳能组件。图图2-12 光线落在与水平面成光线落在与水平面成 角的斜面上角的斜面上 第52页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能

49、2.3.4我国的太阳能资源我国的太阳能资源 1.太阳能资源分布太阳能资源分布 我国陆地每年接受的太阳能辐射量约为我国陆地每年接受的太阳能辐射量约为5.021022J，相，相当于当于1.7万亿吨标准煤的能量（标准煤的燃烧值：国标，万亿吨标准煤的能量（标准煤的燃烧值：国标，29305kJ/kg；行业标准，；行业标准，29271kJ/kg），数量是非常巨大），数量是非常巨大的。全国各地太阳年辐射总量达的。全国各地太阳年辐射总量达33508370MJ/m2，中值为，中值为5860MJ/m2。第53页，共58页，编辑于2022年，星期一2.3 太阳能太阳能 年年辐辐射射总总量：量：33508370MJ/

50、m2，但不，但不稳稳定。定。（1）一）一类类地区：日照地区：日照32003300h/a；辐辐射量射量（67008370）MJ/(m2a)，相当于相当于225285kg标标煤燃煤燃烧烧能量。能量。（2）二）二类类地区：日照地区：日照30003200h/a；辐辐射量射量（58606700）MJ/(m2 a)，相当于，相当于200225kg标标煤燃煤燃烧烧能量。能量。（3）三三类类地区：日照地区：日照22003000h/a；辐辐射量射量（49505680）MJ/(m2 a)，相当于，相当于170200kg标标煤燃煤燃烧烧能量。能量。（4）四四类类地区：日照地区：日照14002200h/a；辐辐射量（