第1章太阳能基础

第1章太阳能基础第1节概述一、太阳能的特点由于太阳持续、恒定地向地球辐射输送大量能量，部分经过植物的光合作用转化成了生物质能；经过成千万、上亿年的地球生物、地质演化，古代的动植物遗体在地壳内部温度、压力的作用下，变化形成了煤、石油、天然气等矿物燃料；江河湖海中的水，经阳光照晒蒸发，凝结降落在地球上不同的海拔高处，形成了水能；空气经太阳照射加热，产生密度差，形成风能。因此，地球上上述这些主要的能源都来自太阳能。资料1-1 认识太阳我们肉眼看到的太阳高悬在蔚蓝的天空，金光灿烂，绚丽多姿，轮廓清晰，表面十分平静。但是实际上太阳是一个巨大的球状炽热气团，整个表面是一片沸腾的火海，极不平静，每时每刻都在不停地进行着热核反应。根据科学家的研究和探索，我们对太阳已经有了一定的了解，下表列出了一些基本参数。

太阳能有如下特点：(1)太阳能蕴藏量巨大，具有持久性。太阳是一个巨大的能源库，其总辐射能量约为3.75×1020MW，到达地球大气层上界的能量为1.73×1011MW，太阳光透过大气层达到地球表面的能量约为8.1×1010MW。太阳估计已经存在了47亿多年，估计寿命还有60亿年以上。

因此可以说太阳能是取之不尽、用之不竭的。(2)太阳能具有普遍性。阳光普照大地，处处都有太阳能，可以就地利用，不需要到处寻找，更不需要进行运输。这对于解决偏远地区以及交通不便的乡村、海岛的能源供应，具有很大的优越性。(3)太阳能是一种洁净、无污染的能源。它本身不会对环境造成污染，也不影响生态平衡。(4)太阳能能量密度低。在晴朗白昼的正午，在垂直于太阳光的地面上，1m2面积所能接受的

太阳能，平均只有1kW左右。而且，太阳能的能量分布随波长而变，有些光能转换形式只对一定波段的辐射比较敏感，因而转换效率较低。如当前实验室中太阳能电池取得的最高光电转换效率也不过20%，投入使用的太阳电池转换效率一般在11%~15%之间。因此在实际利用时，往往需要一套面积相当大的太阳能收集设备，使得占地面积大、用料多、结构复杂、成本高，影响了推广应用。(5)地面太阳能的强弱因地区、气候、昼夜等自然条件而变化，为人类大规模开发利用带来诸多技术上以及经济上的困难，如收集(即如何将低品位的太阳能转换为高品位的能量)、储存(即如何解决太阳能本身的间歇性问题)、转换(即女口何更有效地利用已经收集到的能量)，以及经济性(即如何使太阳能的开发与利用具有经济上的可行性和可比性)等。上述问题的解决已成为太阳能开发利用技术能否广泛推广使用的关键。二、太阳能利用的方式与途径太阳能利用主要有太阳能热利用、太阳能热发电、太阳能光发电等。通过把太阳辐射能转换成热能来实现对太阳能的利用称为太阳能热利用；利用太阳能所转换的热能加热水或其他工质，产生一定温度和压力的蒸汽，推动汽轮发电机组获得电能，称为太阳能热发电，也有人将其并入太阳能热利用之中；而利用半导体器件的光伏效应原理，把太阳辐射能转换成电能称太阳能光发电。太阳能电池就是利用的太阳能光发电。当今世界上的太阳能电池种类繁多，主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅薄膜电池、砷化镓电池和硫化镉电池等。目前，太阳能的热利用已相当普遍。根据热利用系统的集热温区不同又分为低温、中温和高温太阳能热利用系统。低温系统(80℃以下)主要包括热水器、太阳灶、被动式太阳房、末阳能干燥、太阳能海水淡化、太阳能制冷等，其利用技术已日趋成熟。中温太阳能利用系统(80~350℃)，主要给工业生产中提供中温用热，如木材的干燥、纺织品的漂白印染、塑料制品的热压成形和化工的蒸馏等。中温太阳能利用系统的集热器都要一定程度的聚光，其蓄热比低温系统困难得多，这些问题的解决还有待进一步研究。高温太阳利用系统(350℃以上)主要用于大型热发电，它的集热系统形式主要是旋转抛物面聚光集热器或中心塔式定日镜场。这两者(特别是定日镜)的投资耗费太大，它的应用目前尚处在实验阶段。除了上述太阳能的主要利用方式外，太阳能还可用于光合成生物发电(太阳生物发电)以及光化学制氢，但是技术上仍处于最初的实验阶段，离投入实际应用相去甚远。光合成生物发电是利用植物的光合成过程或光合成产物(碳水化合物)直接取出电子进行发电的方法。例如，利用藻类叶绿体中所存在的光子，进行水的光分解产生电子，然后用适当的电子传导媒体，直接取出电子进行发电(发电效率可望达到⒛%以上)；或者将光合成的结果——　被蓄积于藻类体内的碳水化合物(糖原)通过呼吸作用进行分解，然后用适当的电子传导媒体对所产生的电子直接提取进行发电。光化学制氢方式较多，包括光化学分解水制氢、光电化学电池分解水制氢和太阳光络合催化分解水制氢等。光化学分解水制氢是利用光直接照在电解液上，通过电解质的作用，将其中的水分解为氢和氧；光电化学电池分解水制氢是通过光电化学电池将太阳能转换成电能，并直接在电池的阴极产生氢气；太阳光络合催化分解水制氢是通过络合物(催化剂)吸收光能，产生电荷分离、转移和集结，并通过一系列偶联过程，最终使水分解为氧和氢。第2节太阳几何学太阳几何学是研究太阳与地球及太阳能集热器之间相互关系的科学，是太阳能利用的基础知识。一、地平坐标系以观察者所在地为原点建立坐标系，正南方、正东方、正上方(天顶)为三个坐标轴，单位矢量分别为i，j，k，如下图所示。(1)太阳天顶角θｚ：观察者所在地的天顶与观察者和太阳连线之间的夹角。(2)太阳高度角αｓ：观察者所在的地平线与观察者和太阳连线之间的夹角。有θz+αs =90°。(3)太阳方位角γｓ：自观察者所在地朝正南的水平线和观察者与太阳连线在地平面上的投影之间的夹角。通常规定，太阳偏东时的方位角为负，偏西时的方位角为正。在此坐标系内，由观察者指向太阳位置的单位矢量s可以表示为

二、赤道坐标系(地心坐标系)以地心为坐标系原点，极轴p指向北极，其余两轴位于赤道平面内，其中m轴自地心指向观察者所在的子午圈(地球表面的经线圈，即子午面与地球表面的交线)与赤道平面的交点，e轴指向m以东90°处，如下图所示。

在此坐标系中，太阳位置的单位矢量s可以表示为(1)太阳赤纬(角)δ：由地心指向日心的连线与地球赤道平面之间的夹角。通常计算太阳赤纬的近似公式为

式中，n为一年中从1月1日算起的天数。从北半球看，当太阳位于赤道以北时，δ为正；当太阳位于赤道以南时，δ为负。

一年内有两天，太阳正好位于赤道平面内，阳光垂直照射赤道，这两天的δ=0，称为二分日，分别是春分日和秋分日。在夏至日，太阳位于北纬23.45°处，δ取最大的正值，该天北半球的昼长最长，北极为极昼；而南半球的昼长最短，南极为极夜。相反的，在冬至日，太阳位于南纬23.45°处，即δ取绝对值最大的负值，该天北半球的昼长最短而南半球的昼长最长。(2)时角ω：s在赤道平面的投影与m轴之间的夹角。通常规定上午的时角为负，下午的时角为正。每15°代表1小时。三、坐标变换将地平坐标系变换至地心坐标系，使二者具有相同的原点，如下图所示。可见，E轴和e轴重合，V轴和m轴之间的夹角即为观察者所在的纬度φ。单位矢量s在这两个坐标系中的分量之间存在下列关系：

将s的各分量代入，可得下列关系式：

利用前面的表达式，可以对太阳位置的角度进行计算。1、太阳高度角αｓ太阳高度角的计算式为正午时，ω=0°，上式可以化简为可以得到各角度的关系如下图所示。

2、日出日落时角日出日落时，太阳高度角αs=0°，则得到

解得该式有两个解，即求出时角后，由于每15°代表1小时，则一天可能的日照小时数为

四、太阳入射角太阳光线入射角θ，即为太阳光线与接收表面法线之间的夹角。对于水平放置的平面，其法线竖直向上，与观察者所在地指向天顶的极轴重合，所以太阳入射角与太阳天顶角相同。对于一个斜面，其方向可由其倾角和方位角确定，如下图所示。在观察者所在的地平坐标系中，斜面法线方向上的单位矢量可以表示为则n和s之间的夹角θ可以由下式给出：

太阳入射角也可以用太阳天顶角(或高度角)θｚ和太阳方位角γｓ来表述，可得对于朝正南放置的斜面，日照时间的时角为

第3节太阳辐射一、基本概念描述太阳能的几个常用术语如下。1、辐射通量太阳以辐射形式发射出的功率称为辐射功率，也叫做辐射通量，单位为W。2、曝辐射量单位面积上接收到的辐射能称为曝辐射量，单位为J/m2。3、辐照度投射到单位面积上的辐射通量叫做辐照度，单位为W/m2。4、太阳常数在日地平均距离的条件下，在地球大气层上界，垂直于太阳光线的单位面积上，在单位时间内所接收的太阳辐射能量称为太阳常数。太阳可以看成是一个表面温度Ts=5762K的黑体。取太阳直径Ds=1.39253×106km，利用斯

蒂芬-玻尔兹曼定律，太阳辐射可以计算如下：

式中，Is为单位太阳表面的辐射能，Is=62.5×106W/m2。地球与太阳的平均距离，最新测定的精确数值为A1U1=149 598 020km，则地球大气层上界的入射辐射能量为

这一数值变化很小，称为太阳常数。经过长期的实测，确定太阳常数为(1367±7)W/m2。总太阳辐射的99%位于0.276~4.96um的波长范围内，大约90%的辐射能量是在可见光和近红外的范围内(λ=0.3~1.5um)。二、太阳辐射在大气中的衰减太阳辐射经过大气层，被散射和吸收，到达地面的太阳辐射衰减了，太阳光谱的能量分布也发生了变化，如下图所示。

波长为λ的太阳辐射，经过距离为击的大气层后，辐射的减少量可以用下式计算：式中，αλ为衰减系数，1/m。上式对整个大气层的光程m积分，可以得到辐射穿过大气的一般传输定律，即

式中，I0λ是波长为λ的太阳光在大气层上界处的辐射强度。由下图可见，光程m可以表示如下：