《太阳能利用技术基础与工程实践》王光伟编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《太阳能利用技术基础与工程实践》

【作　者】王光伟编著

【丛书名】太阳能利用技术系列丛书

【页 数】 304

【出版社】 天津：天津大学出版社 , 2021.11

【ISBN号】978-7-5618-6616-0

【价 格】48.00

【分 类】太阳能利用-研究

【参考文献】 王光伟编著. 太阳能利用技术基础与工程实践. 天津：天津大学出版社, 2021.11.

图书封面：

图书目录：

《太阳能利用技术基础与工程实践》内容提要：

本书是一本太阳能综合利用的著作，既有关于太阳能利用技术原理的介绍，又有太阳能工程实践应用的具体方法和要求。第1章是太阳能基础知识，旨在为太阳能利用技术和工程实践提供必要的知识支撑。从第2章到12章依次介绍了太阳能光热利用、太阳能温室、太阳能光伏及光热发电、太阳房、太阳能光化学利用、太阳能海水淡化工程和太阳能污水处理工程。其中，太阳能光热利用、太阳能温室和太阳能光伏发电是本书的重点内容，论述详细，篇幅较大，每个模块都有工程案例，因为这些与社会经济发展和民众生产生活息息相关。

《太阳能利用技术基础与工程实践》内容试读

第1章地球运动及太阳能基础知识

太阳能是由太阳内部的热核聚变产生并向宇宙空间辐射的能量。它取之不尽，用之不竭，无污染，不需要运输，是理想的、洁净的绿色可再生能源，也是可重复利用的最大能源之一。但太阳能的能流密度低，且到达地面的太阳能受到日夜、阴晴和气候变化的影响，要有效利用太阳能，必须合理设计、安装、施工、使用和维护太阳能利用装置。因此，应熟悉有关地球运动规律、大气变化规律以及太阳辐射的基础知识。

1.1地球运动与相关参数

1.1.1地球自转

地球绕地轴自西向东自转，周期为23时56分4秒。研究表明，每过100年，地球自转减慢0.002秒。地球自转角动量变小，导致月球以每年3~4厘米的速度远离地球，使月球绕地球公转的周期变长。除潮汐摩擦外，地球半径的可能变化、地核和地幔的耦合、地表物质分布的改变及地球轨道的进动等也会引起地球自转周期变化。

1.1.2地球公转

地球的公转轨道是椭圆形，轨道半长轴为

1.496×108km,轨道的偏心率为0.0167，公转

3月21日前后

的平均轨道速度为29.79km/s,公转轨道面(黄道面)与地球赤道面的交角约为23°26'，

春分

称为黄赤交角，也称太阳赤纬角，一般用6表

冬到

示。地球自转产生了昼夜更替，地球公转及黄

太

赤交角的存在形成了四季，见图1-1

从地球上看，太阳沿黄道逆时针运动，黄

6月22日

712月22日

前后

秋分

道和赤道在天球上有两个成180°的交点，其

前后

中太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道

9月23日前后

的那一点为春分点，与春分点相隔180°的

一点为秋分点，太阳分别在每年的春分(3月

图1-1地球绕太阳运行示意图

21日前后)和秋分(9月23日前后)通过春分点和秋分点。对北半球，当太阳分别经过春分点和秋分点时，就进人春季或秋季。太阳越过春分点到达最北的那一点称为夏至点，与之相差180°的另一点称为冬至点，地球分别于每年6月22日前后和12月22日前后通过夏至点和冬至点。同样，对北半球，当地球在夏至点和冬至点附近时，将进入夏季和冬季。上述情况，对于南半球正好相反。

1.1.3地球运动规律

地球公转一周形成四季。四季有两个显著特征：一是气温高低不同，二是昼夜长短互异。黄赤交角δ决定了南北回归线的纬度，它是以年为周期的变化量，规定赤道以北为正值，赤道以南为负值。一年四季的变化可看作是赤纬角δ的变化。图1-1展示了地球绕太阳公转的四季节变换情况，图1-2表明了一年二十四节气时对应的日地相对位置。

地球绕太阳公转，每天都处在轨道的不同点上，太阳光直射在地球上的纬度范围也在变化。例如，在夏

2

太阳能利用技术基础与工程实践

至日，太阳光直射于北纬23°26'；冬至日，太阳光直射于南纬23°26'；春分日，太阳光直射于赤道：秋分日，太阳光再次直射于赤道。地理上将南、北纬23°26'的两条纬线称为南、北回归线。图1-3是中纬度地区一年内太阳的运行轨迹示意图。

夏至

谷雨

清明软惊蛰雨水

立夏

小满

大寒

春分、秋分

芒种

小寒

夏至

冬至

小暑

大雪

大暑

小雪

立秋

立冬

处暑

降

白露秋分寒露

图1-2二十四节气时对应的日地相对位置

图13中纬度地区一年内太阳的运行轨迹示意图

在某一地区，随季节变化的黄赤交角可由下式计算：

6=23.43°sin

360°x284+n

(1-1)

365

式中：n为一年中从元旦算起的天数，如春分日，n=81,8=0,自春分日算起的第d天的黄赤交角：

6=23.43°sin360°xd

(1-2)

365

地球绕太阳运行的轨道是椭圆，日地距离在一年内是不断变化的。1月初，地球经过近日点，它离太阳比日地平均距离短1.7%；7月初，地球经过远日点，离太阳比日地平均距离长1.7%；每年4月初和10月初，日地距离接近日地平均距离，太阳光到达地球需8分18秒。日地距离变化对到达地面的太阳辐照度有直接影响。

1.1.4太阳角的计算

1.太阳高度角

太阳高度角是太阳辐射测量和太阳能利用中不可缺少的参数。在讨论地球的自转和公转与地球上昼夜和四季变化的关系时，先不考虑地球的公转，地球每24小时自转一周，形成昼夜。地球由西向东自转，北半球的人看到太阳东升西落，太阳光线与地平面之间的夹角称为太阳高度角，简称太阳高度，用h表示，h随着时间而变化，如图1-4所示。

天中，太阳高度h每时每刻都在变化，太阳高度角h由下式求出：sin h=sinsin cos cos 6 cos

(1-3)

式中：0为观测点的地理纬度；δ为观测时刻的黄赤交角；ω为观测时刻的太阳时角。

在正午时太阳时角w=0°，每隔1小时绝对值增大15°，上午为正，下午为负。例如：在上午11时，0=15°；在上午8时，0=15°×(12-8)=60°；在下午1时，ω=-15°；在下午3时，0=-15°×3=-45°。正午时，0=0°，则cosw=1,式(1-3)简化为：

sin h=sinsin 6+cos cos 6=cos(-6)因为cos(p-8)=sin[90°±(p-8)],所以：

sinh=sin[90°±(p-δ)]

(1-4)

正午时，若太阳在天顶以南，p>6,取sinh=sin[90°-(p-8)],从而有：h=90°-p+6

(1-5)

在南北回归线内，正午时太阳正对天顶，则0=6，h=90°。

第1章地球运动及太阳能基础知识

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由式(1-3)可以算出任何纬度、任何季节、任何时刻的太阳高度角h。计算时，通常作如下规定：在北半球，地理纬度取正值：黄赤交角在太阳位于赤道以北时取正值，位于赤道时取0°，位于赤道以南时取负值。在应用中，太阳高度角一般通过式(1-3)计算得到。

2.太阳方位角

某一时刻，从地球中心向太阳中心作连线，该连线在地平面上的投影与正南方向的夹角称为太阳方位角，用y表示。一般规定正南方为0°，向西为正值，向东为负值，其变化范围为-180°~180°。图1-5给出了太阳方位角和高度角的示意图。

天顶

北天极P人

M太阳

太阳能集热器

北点N

高度角方O

南点S

方位角y

M

倾角a

太阳高度角为

南天极P

天底

图1-4太阳高度角示意图

图1-5太阳方位角和高度角示意图

太阳方位角y,可按以下两式计算：

CoSy=sin h sin o-sin

(1-6)

cos h coscos6 cos@

siny=

(1-7)

cosh

根据地理纬度0、黄赤交角δ及观测时间，用式(1-6)或(1-7)均可求出任何地区任何季节某一时刻的太阳方位角y。

一天中，太阳高度角及方位角是不断变化的，同一时刻不同地点的太阳高度角和方位角也不相同。太阳在天空中的位置，通常用这两个参量描述。掌握太阳高度角和方位角的变化规律，对有效利用太阳能具有实际意义。

1.1.5日照时间

日照时间是指一天中从日出到日落的时间。因地球自转和公转，不同纬度地区的日照时间有所不同。夏季，北半球纬度越高，日照时间越长；冬季，北半球纬度越高，日照时间越短。

根据太阳高度角的计算公式(1-3)，太阳在地平线的出没瞬间，高度角h=0°。若不考虑地表曲率及大气折射影响，可得日出和日落时太阳时角的表达式：

cosω=-tantan

(1-8)

式中：ω为日出或日落的太阳时角，以度表示，正值为日落时角，负值为日出时角，由此可得：

ω=arccos(tan tan6)

（1-9)

因为cosw=c0s(-w),式(1-9)有两个解，正根对应于日落时刻，负根对应于日出时刻。

利用式(1-9)可求得任何季节、任何纬度上的日照时间。一天中可能的日照时间N的计算公式

如下：

2

N=∠arccost(tantan)

(1-10)

15

第1章地球运动及太阳能基础知识

5

1.2.2可见光区

可见光分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种单色光，波长范围为0.380.76m(见表1-1)。植物生长（光合作用)取决于可见光部分。可见光的能量约占太阳辐射能的40.3%。

1.2.3红外光区

红外光波长大于0.76μm,波长超过0.8m的红外光不能引起光化学反应，只能提高植物的温度并加速水分的蒸发。红外光的能量约占太阳辐射能的51.5%。

可利用太阳能主要分布在波长0.43.0m,集中在可见光和红外光区，表1-1给出了各种不同颜色光的波长，表1-2给出了不同太阳光波长范围的辐射能量数值。

表11各种不同颜色太阳光的波长范围和中心波长

单位：m

颜色

波长

中心波长

颜色

波长

中心波长

紫

0.380-0.455

0.430

黄一绿

0.550-0.575

0.560

蓝

0.4550.485

0.470

黄

0.575-0.585

0.580

靛

0.485-0.505

0.495

橙

0.585-0.620

0.600

绿

0.505-0.550

0.530

红

0.620-0.760

0.640

表1-2不同太阳光波长区的辐射能流密度

项目

紫外光区

可见光区

红外光区

波长范围/m

<038

0.38-0.76

>0.76

相应的辐射能流密度/(wm)

95

640

618

所占总能量的百分数%

8.2

40.3

51.5

1.3到达地表的太阳能及其测量

1.3.1直达日照、散乱日照与全天日照

大气中的细小尘埃会吸收或散射太阳能。然而，即使大气比较洁净也会出现散射，其散射的强度与波长的4次方成反比（瑞利定律）。由于短波长的蓝色光的散射强度较大，所以晴天时可以看到碧蓝色的天空。太阳光直接到达地球表面的部分称为直达日照。散射或反射日照部分称为散乱日照。直达日照与散乱日照的总和称为全天日照。图17示出了地表的直达日照和散乱日照与太阳光波长的关系。

利用太阳能时，散乱日照是不容忽视的。晴天时，散乱日照强度占全天日照强度的10%~15%，该比例随着云量的增加而增大。太阳完全被云遮挡时，散乱日照为100%。图1-8为某地区某年水平面日照量的测量值。由图可知，夏天时散乱日照所占比例较大，散乱日照量占年累计值的52%左右。除沙漠地带外，世界的大部分地区的散乱日照量占全天日照量的年累计值的50%左右。

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太阳能利用技术基础与工程实践

1200

1000

全天日照

80

直达日照

400

散乱日照

200

0

0.4

0.8

1.2

1.6

2.02.42.8

波长/μm

图1-7地表的直达日照和散乱日照与太阳光波长的关系

180

160

■散乱日照量

■直达日照量

140

10

40

20

3

4

5

67891011

12

月份

图1-8直达日照量与散乱日照量的年变化直方图

1.3.2日照诸量

1.日照强度

日照强度一般用单位面积、单位时间的太阳辐射能量来表示，单位为W/2。照射到地面的太阳光

强随时间而变化，是影响太阳能利用装置性能的重要变量，太阳能电池的发电功率和太阳能热水器的热效率也随太阳光的强度而变。

日照强度会因季节、时刻、天气等因素影响而变化。晴天时，全天日照强度中散乱日照强度所占比例较低，而阴天时全天日照强度与散乱日照强度基本相同，几乎无直达日照。当然，在不同地方，全天日照强度中散乱日照强度所占比例也不尽相同。

2.日照量

日照量由日照强度与时间决定。一般来说，日照量用单位时间内单位面积上入射太阳能的平均值来衡量，单位为Wh/m2。

3.日照时间

按照世界气象组织1981年的定义，直达日照强度120Wm2称为日照界限值。一年内，某地太阳直接辐照度在地面不小于120Wm2的时间之和称为年日照时数，单位为h。一般采用年平均日照小时数来衡量一

···试读结束···