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太阳光的特性
第二讲 太阳光的特性 由两个或两个以上氢原子核(如氢的同位素—氘和氚)结合成一个较重的原子核,同时发生质量亏损释放出巨大能量的反应叫做核聚变反应,其释放出的能量称为核聚变能。 2.2 太阳辐射 衡量太阳辐射能量的大小,科学家确定了一个度量太阳辐射强度的单位——辐射强度。 物理意义:在单位时间内,垂直投射在地球某一单位面积上的太阳辐射能量,通常用W/m2 表示,在阳光充足的白天投射到地球上的辐射强度大约为1000 W/m2 。 当天空晴朗,太阳在头顶直射且阳光在大气中经过的光程最短时,到达地球表面的太阳辐射最强。如下图所示,这个光程可用1/cos θ近似, θ是太阳光和本地垂线的夹角。 这个光程一般被定义为太阳辐射到达地球表面必须经过的大气光学质量AM,因此: 当θ=0度时,大气光学质量等于1或称AM1,当θ=60时,则是大气光学质量是2或AM2的情况。AM1.5(相当于太阳光和垂线方向成48.2度角)为光伏业界的标准。 任何地点的大气光学质量可以由下列公式估算: 上述关于大气质量的计算是以假定大气层是一个平面层为前提的,但是由于实际上大气层是弯曲的,当太阳接近于地平线时大气质量并不完全等于大气层的路径长度。在日出的时候,太阳的入射光线与垂直位置的夹角为90°,则计算得大气质量为无限大,但显然光线路径并不是无限大的。下面的方程则考虑了地球的曲率: 地球表面的标准光谱称为AM1.5G(G代表总的辐射,包括直接的和分散的辐射)或者AM1.5D(只包含直接的辐射)。AM1.5D的辐射强度近似于减少28%能量后的AM0光谱的光谱强度(18%被吸收,10%被散射)。总的光谱辐射强度要比直射的光谱强度高10%。从上面的计算可得AM1.5G的值近似为970W/m2。然而,由于整数计算比较方便以及入射太阳光存在固有的变化,人们规范了标准的AM1.5G光谱值为1KW/m2。 地球大气层外的标准光谱称为AM0,因为光没有穿过任何大气。这个光谱通常被用来预测太空中太阳能电池的表现。 基于大气质量的强度计算,一天中,太阳光的直射分量强度可由大气质量确定,其方程为: 即使在天气晴朗的时候,散射辐射中仍然有大约10%的直接辐射含量。因此在天气晴朗的时候垂直入射到地表的太阳光的总辐射量为: 太阳光穿过大气层到达地球表面时,太阳光被减少或消弱了大约30%,其影响因素如下: (1)由大气吸收absorb(氧气、臭氧、水蒸气、二氧化碳)、散射scattered和反射(烟雾、尘埃粒子)引起的太阳辐射能量的减少。 (2)由于大气对某些波长的较为强烈地吸收和散射而导致光谱含量的变化。 (3)分散的或间接的光谱组合被引入到太阳辐射中。 (4)当地大气层的变化引起入射光能量、光谱和方向的额外改变。 典型的晴空时,大气对入射太阳光的吸收和散射。 2.5 太阳的视运动 太阳视运动在很大程度上影响着太阳能收集器件获得的能量。当太阳光垂直入射到吸收平面时,在平面上的功率强度等于入射光的功率强度。然而,当太阳光与吸收平面的角度改变时,其表面的功率强度就会减小。当平面与太阳光平行时,功率强度基本上变为零。对于0度和90度之间的角,它们相对的功率强度为最大值乘于cos(θ),其中θ为太阳光与器件平面之间的夹角。 地球上某固定点与太阳的夹角决定于其所处的位置(地点所在的经度)、一年中的日期和一天中的时间。另外,太阳升起和落下的时刻决定于位置所在的经度。因此,刻画地球上某固定地点的太阳高度角需要纬度、经度、一年中的日期和一天中的时间。 1、偏向角 偏向角,用符号δ表示,由于地球绕其轴的自转和绕太阳的公转而存在季节性的变化。如果地球没有相对转轴倾斜,那么偏向角将一直为0°。然而地球相对于公转平面是倾斜了23.45°的,偏向角的大小就在±23.45°之间变化。只有在春分日和秋分日的时候偏向角才会等于0°。下面的动画描述了地球绕太阳公转以及偏向角的改变: 尽管事实上是地球绕着太阳转的,但是如果把它想象成是太阳绕着地球转的,将会变得更容易理解一些。这需要一定的坐标转换,在这个代替的坐标系统里,太阳是绕着地球转的。偏向角的角度可以由下面的方程算出: 式中d为观测偏向角时所在的一年中的天数。 在二分日(3月22日春分日和9月22日秋分日)时偏向角为0°,在北半球夏天时角度为正,北半球冬天时为负。在夏至日6月22日偏向角达到
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