太阳能及其物理特性与利用形式分析

太阳能是由太阳中的氢经过聚变而产生的一种能源。它分布广泛，可自由利用，取之不尽，用之不竭，是人类最终可以依赖的能源。太阳能以辐射的形式每秒钟向太空发射3.8×1019MW能量，其中有二十二亿分之一投射到地球表面。地球上一年中接收到的太阳辐射能高达1.8×1018kW·h，是全球能耗的数万倍。由此可见，太阳的能量有多么巨大。利用太阳能的分布式能源系统逐渐受到各国政府的重视。要想合理地利用太阳能，首先要了解太阳的物理特性、太阳辐射的性质以及我国的太阳能资源分布与利用形式等。

1.太阳的物理特性

人类对太阳的利用已有悠久的历史，中国早在两千多年前的战国时期就已经懂得用金属做成凹面镜聚集太阳光来点火。那么，太阳的能量是从哪里来的呢？正像一年四季人们亲身感受到的那样，太阳是一个热烘烘的大火球，每天都在向人们居住的地球放射大量的光和热。太阳位于地球所在的太阳系的中心。

太阳与地球、月亮最大的区别在于它是一个发光的巨大的气体恒星，是一个炽热的大气球。天文学家通常把其结构分成“里三层”和“外三层”。太阳内部的“里三层”，由中心向外依次是核反应区、辐射区和对流区：核反应区是太阳能产生的基地；辐射区是向外传播太阳能的区域；对流区是将太阳能向表层传播的区域。太阳外部有“外三层”，也就是我们日常所能看见的太阳大气层，它从里向外分别为光球层、色球层和日冕层。太阳表面温度约5770k，中心温度约1.56×108K，压力约为2000多亿大气压。由于太阳内部温度极高，压力极大，其内部物质早已离化而呈离子态，不同原子核的相互碰撞引起一系列类似氢弹爆炸的核子反应是太阳能量的主要来源。

2.太阳能辐射与吸收

太阳以光辐射的方式将能量输送到地球表面，其中一部分光线被反射或散射，一部分光线被吸收，只有大约70%的光线通过大气层到达地球表面。太阳光在到达地球平均距离处，垂直于太阳光方向的辐射强度（也称辐照强度，是指在单位时间内，垂直投射到地球某一单位面积上的太阳辐射能量，通常用W/m2或kW/m2表示）为一常数1.367kW/m2，此值称为太阳常数（Solar Constant）。到达地球表面的太阳辐照度（也称辐射通量，是指在单位时间内，投射在地球某一单位面积上太阳辐射能的量值，通常用kW·h/m2表示）与穿透大气层的厚度有关，通过太阳在任何位置与在天顶时日照通过大气到达测点路径的比值来描述大气质量AM（Air Mass）。

大气质量为零的状态（AM0），是指在地球空间外接收太阳光的情况。太阳与天顶轴重合时，路程最短，只通过一个大气层的厚度，太阳光线的实际路程与此最短距离之比称为光学大气质量。光学大气质量为1时的辐射也称为大气质量为1（AM1）的辐射。当太阳光线与地面垂直线呈一个角度θ时，大气质量＝1/cos θ。估算大气质量的简易方法是，测量高度为h的物体的投射阴影长度s，则大气质量＝

由于地面阳光的强度和光谱成分变化都很大，因此为了对不同地点测得的不同太阳能电池的性能进行有意义的比较，就必须确定一个地面标准，然后参照这个标准进行测量（一般采用AM1.5的分布，总功率密度为1kW/m2，即接近地球表面接收到的功率密度最大值）。太阳光的波长范围为10pm～10km，但绝大多数太阳辐射能的波长在0.29～3.0μm。

3.日地运动

地球以椭圆形的轨道绕太阳运行，椭圆形的轨道称为黄道，在黄道平面内，长轴为1.52×108km，短轴为1.47×108km。

①黄赤交角　地球与太阳赤道面大约呈23.45°（23°26′）夹角方向运行被太阳俘获，变成绕太阳旋转的行星。地轴即地球斜轴，又称地球自转轴，与黄道平面的夹角称为黄赤交角。

②角速度　地轴相对太阳的转动速度不一样：对北半球而言，夏天快、冬天慢；对南半球而言，夏天慢、冬天快。

③南北回归线与夏至、冬至日　当北半球为夏至日（6月21日或22日）时，南半球恰好为冬至日，太阳直射北纬23.45°的天顶，因而称北纬23.45°N纬度圈为北回归线。当北半球为冬至日（12月21日或22日）时，南半球恰好为夏至日，太阳直射南纬23.45°的天顶，因而称南纬23.45°S为南回归线。

④春分与秋分日　春分日（3月20日或21日）与秋分日（9月22日或23日），太阳恰好直射地球的赤道平面。

4.天球坐标

观察者站在地球表面，仰望星空，平视四周所看到的假想球面，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地运动。要确定太阳在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐标，常用的天球坐标有赤道坐标系和地平坐标系两种。

（1）赤道坐标系

赤道坐标系是以天赤道QQ′为基本圈，以天子午圈的交点O为原点的天球坐标系，PP′分别为北天极和南天极。由图3-1可见，通过PP′的大圆都垂直于天赤道。显然，通过P和球面上的太阳（Sθ）的半圆也垂直于天赤道，两者相交于B点。在赤道坐标系中，太阳的位置Sθ由时角ω和赤纬角δ两个坐标决定。

图3-1　赤道坐标系图

①时角ω相对于圆弧QB，从天子午圈上的Q点起算（即从太阳的正午起算），规定顺时针方向为正，逆时针方向为负，即上午为负，下午为正，通常用ω表示，其数值等于离正午的时间（小时）乘以15°。

②赤纬角δ同赤道平面平行的平面与地球的交线称为地球的纬度。通常将太阳的直射点的纬度，即太阳中心和地心的连线与赤道平面的夹角称为赤纬角，以δ表示。地球上赤纬角的变化如图3-2所示。对于太阳来说，春分日和秋分日的δ＝0°，向北极由0°变化到夏至日的+23.45°；向南极由0°变化到冬至日的-23.45°。赤纬角是时间的连续函数，其变化率在春分日和秋分日最大，大约一天变化0.5°。赤纬角仅仅与一年中的哪一天有关，而与地点无关，即地球上任何位置的赤纬角都是相同的。赤纬角可用Cooper方程近似计算：

图3-2　地球上赤纬角的变化

上述公式中，n为一年中的日期序号。例如，n＝1指的是元旦，n＝81指的是春分，n＝365指的是12月31日。这是一个近似计算公式，具体计算时不能得到春分日、秋分日的δ值同时为0的结果。更加精确的计算可用以下近似计算公式：

式中，N1＝92.975，为春分日到夏至日的天数；α1为从春分日开始计算的天数；

　　　N2＝93.269，为夏至日到秋分日的天数；α2为从夏至日开始计算的天数；

　　　N3＝89.865，为秋分日到冬至日的天数；α3为从秋分日开始计算的天数；

　　　N4＝89.012，为冬至日到春分日的天数；α4为从冬至日开始计算的天数；

例如，在春分日，α1＝0，以此类推。

下式比上式计算值的精确度提高了数倍，但计算较复杂，所以在一般情况下都用上式来计算赤纬角δ。

（2）地平坐标系

人在地面上观看空中的太阳相对地面的位置时，太阳相对地球的位置是相对于地面而言的，通常用高度角和方位角两个坐标决定。在某个时刻，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。(www.xing528.com)

①天顶角θZ天顶角就是太阳光线OP与地平面法线QP之间的夹角。

②高度角αS高度角就是太阳光线OP与其在地平面上投影线Pg之间的夹角，它表示太阳高出水平面的角度。高度角与天顶角之间的关系为：θZ+αS＝90°

③方位角γS方位角就是太阳光线在地平面上的投影与地平面上正南方向间的夹角γS。它表示太阳光线的水平投影偏离正南方向的角度，取正南方向为起始点（即0°），向西（顺时针方向）为正，向东为负。

图3-3　地平坐标系

（3）太阳能角的计算

①太阳高度角的计算　高度角与天顶角、纬度（φ）、赤纬角及时角之间的关系为sin αS＝cos θZ＝sin φsin δ+cos φcos δcos ω

在太阳正午时，ω＝0（正午以前为负，正午以后为正），上式可简化为

sin αS＝cos θZ＝sin φsin δ+cos φcos δ＝cos (φ-δ)＝sin [90°±(φ-δ)]

当正午太阳在天顶角以南（即对于北半球而言，φ＞δ）时，αS＝90°-（φ-δ）

当正午太阳在天顶角以北（即对于南半球而言，φ＜δ）时，αS＝90°+（φ-δ）

②方位角γS的计算　方位角与赤纬角、高度角、纬度及时角之间的关系为

sin γS＝cos δsin ω/sin αS

③日出、日落时的时角ωS　日出、日落时太阳高度角为0°，由太阳高度角的计算公式可得：cos ωS＝-tan φtan δ

日出时的时角为ωSr，其角度为负值；日落时的时角为ωSs，其角度为正值。对于某一地点而言，太阳日出与日落时的时角相对于太阳正午是对称的。

④日照时间N　日照时间是当地从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°得到。

⑤日出、日落时的方位角　日出、日落时太阳高度角为0°，此时，cos αS＝1，sin αS＝0，由此可得：

由此可知，由上述公式所得到的日出、日落时的方位角都有两组解，但只有一组是正确的。我国所处位置大致可划分为北热带（0°～23.45°）和北温带（23.45°～66.55°）两个气候带，当太阳赤纬角δ＞0°（夏半年）时，太阳升起和降落都落在北面的象限（即数学上的第一、二象限）；当太阳赤纬角δ＜0°（冬半年）时，太阳升起和降落都落在南面的象限（即数学上的第三、四象限）。

5.太阳能利用的基本形式

太阳能利用的基本形式有三种：太阳能热利用、太阳能热发电和太阳能光伏发电。

（1）太阳能热利用

太阳能热利用的基本原理是将太阳辐射能收集起来，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器三种。根据其所能达到的温度和用途的不同，太阳能热利用可分为低温利用（＜200℃）、中温利用（200℃～800℃）和高温利用（＞800℃）。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等，中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等，高温利用主要有高温太阳炉等。

太阳能热利用技术有几大特点：①技术比较成熟，商业化程度较高；②太阳能热效率比较高，如太阳能热水器、太阳灶、太阳能干燥器，其平均热效率能达到50%左右；③应用范围广，具有广阔的市场，如农业、畜牧业、种植业、建筑业、工业、服务业和人类日常生活领域均能推广和应用。

（2）太阳能热发电

太阳能热发电是先将太阳辐射能转换为热能，然后再按照某种发电方式将热能转换为电能的一种发电方式。

太阳能热发电技术可分为两大类型：一类是利用太阳热能直接发电，如利用半导体材料或金属材料的温差发电、真空器件中的热电子和热离子发电、碱金属的热电转换以及磁流体发电等。其特点是发电装置本体无活动部件，但它们目前的功率均很小，有的仍处于原理性试验阶段，尚未进入商业化应用。另一类是太阳能热动力发电，就是说，先把热能转换成机械能，然后再把机械能转换为电能。这种类型已达到实际应用的水平。美国、西班牙、以色列等国家和地区已建成具有一定规模的实用电站，通常所说的太阳能热发电即为这种类型的太阳能热发电系统。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将某种工质加热到数百摄氏度的高温，然后经过热交换器产生高温高压的过热蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机发电。从汽轮机出来的蒸汽，压力和温度均已大为降低，经冷凝器凝结成液体后，被重新泵回热交换器，又开始新的循环。世界上现有的太阳能热发电系统大致可分为槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统三大基本类型。

亚洲首座太阳能热发电实验电站，我国首个、亚洲最大的塔式太阳能热发电电站——八达岭太阳能热发电实验电站，历经6年科研攻关和施工建设于2012年8月在延庆建成，并成功发电。这也使我国成为继美国、西班牙、以色列之后，世界上第四个掌握太阳能热发电技术的国家。该实验电站位于八达岭镇大浮坨村，热发电实验基地占地300亩，基地内包括一个高119米的集热塔和100面共10000平方米的定日镜。2013年6月，该电站发电并入国家电网。电站正在建设1MW槽式热发电系统，投入使用后，发电量将进一步增加。

随着新技术、新材料和新工艺的不断发展，研究开发工作的不断深入，并随着常规能源的涨价和资源的逐步匮乏，以及大量燃用化石能源对环境影响的日益突出，发展太阳能热发电技术将会逐渐显现出其经济社会的合理性。特别是在常规能源匮乏、交通不便而太阳能资源丰富的边远地区，当需要热电联合开发时，采用太阳能热发电技术是切实可行的。

（3）太阳能光伏发电

太阳能光伏发电是利用半导体的光生伏特效应将太阳辐射能直接转换成电能，太阳能光伏发电的基本装置是太阳能电池。

太阳能电池本身无法单独构成发电系统，还必须根据不同的发电系统配备不同的辅助设备，如控制器、逆变器、储能蓄电池等。光伏发电系统可以配以蓄电池而构成可以独立工作的发电系统，也可以不带蓄电池，直接将太阳能电池发出的电力馈入电网，构成并网发电系统。

光伏发电具有许多优点，如安全可靠、无噪声、无污染，能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期较短，规模大小随意，无须架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合等。这些优点都是常规发电和其他发电方式所不具备的。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。