太阳能新能源在建筑中的应用.ppt

新能源在建筑中的应用,Beijing University of Technology,主要内容,,可再生能源在建筑中的应用概述,,1,,太阳能热水系统,,3,,太阳能利用基础知识,,2,,太阳能供热,,4,,太阳能光伏发电与热电联供,,6,,太阳能空调,,5,,太阳能建筑一体化,,7,,太阳能蓄存、采光、遮阳与通风,,8,二、太阳能利用基础知识,内容：,2.1 太阳简介2.2 地球绕太阳的运行规律2.5 太阳能利用的特点与基本方式2.4 太阳能资源分布2.3 太阳辐射强度计算与测量,要求：,了解我国太阳能资源分布情况，掌握太阳能转换利用基本原理学习太阳能转换技术途径和方法掌握太阳辐射能、高度角、方位角等基本概念学习太阳能光热转换和光电转换的技术途径和常用设备，了解与建筑结合的太阳能利用设备和系统形式等2.1太阳简介,1.1.1太阳结构 太阳是离地球最近的一颗恒星太阳是一个主要由氢（约78.4%）和氦（约19.8%）组成的气体火球日地间的距离为1.49597892×l08km从地球上望去，太阳的张角为31°59’，把角度换算成弧度再乘上日地距离，便可得出太阳的直径为140万公里（1.392×106km），这是地球直径的109倍，如图2—1所示。

其体积是地球的130 多万倍太阳的质量为1.989×1027t，为地球质量的33万倍太阳的平均密度为1．4g/cm3，只有地球的四分之一，比水重近50％实际上，太阳各处的密度相差悬殊，外层的密度比较小，内部在承受外部巨大压力的倩况下，密度高达160 g/cm3，正因为如此，日心的引力要比地心的引力大29倍2.1太阳简介,直径＝139000km,地球=12700km,距离为1.5×108±30% km,太阳,地球,图1.太阳结构及其与地球距离,太阳主要由两大部分组成，即太阳内部和太阳大气太阳内部分为核心、内部中间层（辐射层）和对流层三个层次太阳大气分为光球层、色球层和日冕三个层次2.1太阳简介,1.核心区——太阳热能产生的基地太阳的核心区域半径是太阳半径的1/4，约为整个太阳质量的一半以上太阳核心的温度极高，达到1500万℃，压力也极大，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去太阳中心区的物质密度非常高每立方厘米可达160克太阳在自身强大重力吸引下，太阳中心区处于高密度、高温和高压状态。

是太阳巨大能量的发祥地 太阳中心区产生的能量的传递主要靠辐射形式2.1太阳简介,2.辐射区——太阳能先通过这里传播出去太阳中心区之外就是辐射层，辐射层的范围是从热核中心区顶部的0.25个太阳半径向外到0.71个太阳半径，这里的温度、密度和压力都是从内向外递减从体积来说，辐射层占整个太阳体积的绝大部分3.对流区——太阳能经过这里向太阳表层传播太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程即从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动这是太阳内部结构的最外层2.1太阳简介,4.光球太阳光球就是我们平常所看到的太阳圆面，通常所说的太阳半径也是指光球的半径光球层位于对流层之外，属太阳大气层中的最低层或最里层光球的表面是气态的，其平均密度只有水的几亿分之一，但由于它的厚度达500千米，所以光球是不透明的太阳黑子是光球层上的巨大气流旋涡，大多呈现近椭圆形，在明亮的光球背景反衬下显得比较暗黑，但实际上它们的温度高达4000℃左右，太阳黑子的变化存在复杂的周期现象，平均活动周期为11.2年这种变化反映了太阳辐射能量的变化2.1太阳简介,5.色球紧贴光球以上的一层大气称为色球层，平时不易被观测到，过去这一区域只是在日全食时才能被看到。

色球层厚约8000千米，它的化学组成与光球基本上相同，但色球层内的物质密度和压力要比光球低得多光球顶部接近色球处的温度差不多是4300℃，到了色球顶部温度竟高达几万度，再往上，到了日冕区温度陡然升至上百万度在色球上人们还能够看到许多腾起的火焰，这就是天文上所谓的“日珥”日珥分成宁静日珥、活动日珥和爆发日珥2.1太阳简介,6.日冕日冕是太阳大气的最外层日冕中的物质也是等离子体，它的密度比色球层更低，而它的温度反比色球层高，可达上百万摄氏度在日全食时在日面周围看到放射状的非常明亮的银白色光芒即是日冕 日冕的范围在色球之上，一直延伸到好几个太阳半径的地方日冕还会有向外膨胀运动，并使得冷电离气体粒子连续地从太阳向外流出而形成太阳风由上述可知，太阳并非是一恒定温度的黑体，而是有许多层不同波长放射、吸收的辐射体但是在利用太阳能热辐射系统中，则将太阳看成是一个温度为5762K，波长为0.3-3μm的黑色辐射体2.1太阳简介,1.1.2太阳辐射 1.太阳光谱 太阳辐射中辐射能按波长的分布，称为太阳辐射光谱，见图2从图中可看出，大气上界太阳光谱能量分布曲线，与用普朗克黑体辐射公式计算出的6000K的黑体光谱能量分布曲线非常相似。

因此可以把太阳辐射看作黑体辐射图2.太阳光谱,2.1太阳简介,2.太阳常数 太阳辐射通过星际空间到达地球表面当日地距离为平均值，在被照亮的半个地球的大气上界，垂直于太阳光线，每秒每平方米的面积上，获得的太阳辐射能量称为太阳常数，用Rsc(Solar constant)表示，单位为（ W/m2 ）1981年世界气象组织推荐的太阳常数值ISG=1367±7（W/m2），通常采用1367W/ m22.1太阳简介,3.太阳辐射在地球大气层中的衰减 大气层中不少气体分子是辐射吸收性气体，如氧、二氧化碳等，所以当天空太阳辐射透过地球大气层是，受到大气层的强烈衰减，一是受到氧、臭氧、水汽和二氧化碳等的吸收，二是受到大气层中空气分子、水汽和尘埃等反射或折射，从而形成慢向辐射人们把改变了原来辐射方向，又无特定方向的这部分太阳辐射，称为太阳散射辐射太阳辐射的部分辐射能将返回宇宙空间，另一部分到达地球表面直射辐射与散射辐射之和称为总辐射图3.太阳辐射在 大气中的减弱,2.1太阳简介,4.大气质量： 太阳光线穿过地球大气层的路程与太阳在天顶位置时光线穿过地球大气层的路程之比完全不同于通常所说的“质量”。

规定：在海平面上，当太阳处于天顶位置时，太阳光线垂直照射所通过的路程为1大气质量记为m大气层上界的大气质量m＝02.1太阳简介,地表海平面上任意一点A点的大气质量计算式为：,,,图3.大气质量,2.2地球绕太阳的运行规律,2.2.1地球绕太阳的运行规律地球的自转：地球绕地轴不断地自西向东旋转，其周期为24h 由于地球的自转，产生昼夜交替的现象图4.太阳受日射 情况示意图,2.2地球绕太阳的运行规律,地球的公转：由于地球自转轴与黄道平面法线的夹角为23°27´ ，并且地球的自转轴在公转时在空间的方向始终保持不变，使得太阳光线有时直射赤道，有时偏南，有时偏北，从而形成地球上季节的变化图5.太阳绕日运动,2.2地球绕太阳的运行规律,2.2.2 几个重要的天文参数（赤道坐标系）（1）赤纬角δ：地球中心与太阳中心连线与地球赤道平面的夹角它与所在地区无关，仅由日期决定,式中：δ-赤纬角 n-为一年中的日期序号,由春分算起的第d天的太阳赤纬，则：,,2.2地球绕太阳的运行规律,,图6 .赤道坐标系 图7. 太阳赤纬年变化,2.2地球绕太阳的运行规律,（2）时角ω：每小时地球自转的角度为15°，因此可采用一天中地球自转的角度来表示时间。

用来表示时间的地球自转的角度称为时角，并规定正午时角为零，上午时间取负，下午时角为正真太阳时H 的规定：以当地太阳位于正南向的瞬时为正午时差e: 真太阳时与钟表指示时间（平太阳时）之间的差值时差产生的原因：1）太阳与地球之间的距离和相对位置随时间变化2）地球赤道平面与黄道平面成一定的夹角23°27´2.2.2 几个重要的天文参数（地平坐标系）（1）天顶角 ：地球表面上某点水平面的法线与太阳光线的夹角为太阳高度角,2.2地球绕太阳的运行规律,图8.天顶角,2.2地球绕太阳的运行规律,（2）太阳高度角,式中， 太阳高度角 为地理纬度 为太阳赤纬 为时角,图9.太阳高度角,2.2地球绕太阳的运行规律,（3）太阳方位角γs：太阳至地面上某给定点的连线在水平面上的投影与正南向（当地子午线）的夹角规定：偏东为负，偏西为正或者：,图10.太阳方位角,2.2地球绕太阳的运行规律,（4）日出日没角及日照时间：太阳视圆面中心出没地平线的瞬间，称为日出和日没日出和日没时，太阳高度角 则由太阳高度角公式可以求出日出和日没的时角 为,,,,由于地球每小时自转15°，所以日用时间N可以用日出日没时角的绝对值除以15°每小时得到：,,2.3太阳辐射强度计算与测量,2.3.1 太阳辐射强度计算 到达地面的太阳总辐射由两部分组成：一是太阳以平行光的形式直接投射到地面上的太阳直射辐射；另一个是经过散射后到达地面的散射辐射。

1.到达地面水平面的太阳辐射强度（通量）（1）到达地表的法向太阳直射辐射强度 式中 --日-地距离修正值； --订正到m=2时的 值,,,2.3太阳辐射强度计算与测量,（2）水平面上的太阳直射辐射强度以及日总量水平面上的太阳直射辐射强度：式中 --水平面上直射辐射通量， ； --垂直于太阳光线表面上的直射辐射强度， ； --太阳高度角，（ ）； --太阳天顶角，（ ）2.3太阳辐射强度计算与测量,,,,,,,,,,图11. 倾斜面上直射 辐射射角的关系图,图12. 太阳直射辐射通 量与太阳高度角的关系,2.3太阳辐射强度计算与测量,,,,,,,,,,如果计算日总量，可将上式从日出至日没的时间t内积分，即可得到水平面直接辐射的日总量 ：,,（3）水平面上的太阳散射辐射强度,,2.3太阳辐射强度计算与测量,,,,,,,,,,,,（4）水平面上的太阳总辐射强度 到达地表水平面的太阳总辐射,,式中 --太阳总辐射量， --水平面上的直射辐射通量， --水平面上的散射辐射通量，,,式中， --斜面上AB上太阳光线的入射角。

2.3太阳辐射强度计算与测量,,,,,,,,,,,,,,2.到达地面任意倾斜面的太阳辐射强度（通量） 任意倾斜面的太阳总辐射强度为太阳直射辐射强度、太阳散射强度和地面反射辐射强度之和1）任意倾斜面太阳直射辐射强度,,,式中， --倾斜面与水平面的夹角 --当地纬度 --太阳赤纬 --时角 --斜面方位角式中， 为地面反射率，在没有具体数值的情况下可以取0.22.3太阳辐射强度计算与测量,,,,,,,,,,,,,,,（2）任意倾斜面太阳散射辐射强度,,（3）任意倾斜面获得的地面反射辐射强度,,2.3太阳辐射强度计算与测量,,,,,,,,,,,,,,2.3.2 太阳辐射的测量,。