kk那么太阳的能量是从那里来的呢
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那么 太阳 的能量 是从 那里 来 的呢 ?正像
一
年 四季 里人 们 亲 身感 受 到 的 那样 , 太
● 中国科学院 马胜红 陆虎俞
阳是 一个热 烘烘 的大 火球 ,每 天都 在 向 人类居住 的地 球放射 出大 量的 光和热 。 太 阳位 于地 球 所 在 的 太 阳 系 中 心 。
太 阳的构造 十分 复杂 , 日常所 能看 见 的
部分 叫光 球 , 光球 之上是 透 明程度不 同的太 阳大气 。太 阳表面 温度 大约 5 0 ' 中心 温度 高 达约 2 l7 压力 约 为 2 0 7 0E, x 0q C, O o多 亿 大气 压 。由 于太 阳 内部 温 度极 高 , 力 极 大 , 压 物质 早 已离 化 而呈现 等离子 态 。不 同原 子核 的相对 碰撞 , 引起 一系 列核 子反 应 ,其 中类 似于 氢 弹爆 炸 的热核 反 应 ,是太 阳能量 的 主要来 源。太 阳的能量 是 向四面八 方辐 射 的 , 秒钟投 射到 地球 上的 每 能量 约为 1 5 x 0 . 7 1”焦耳 , 当于 6 1 6 7 相  ̄ 0 吨标 准 煤 。形象 的 比
半球 时 , 地球 的北 半球朝 太 阳倾斜 。 夏季 白天 时 间很长 , 之有 加 利 的地球 轴倾 斜 , 造成 了夏 季与 冬季 太 阳能辐 射总量 的 巨大差
别。
() 3 地形地 貌及 障碍 物 的影响 。在 日常 生活 中经 常会看 到 如下 现象 : 当上午或 下午 太 阳斜 照时 , 大 的山峰 、 高 树林 会遮 住 太 阳 , 屋 、 囱等建筑 物 也会 挡住 阳光 。 房 烟 上述 现象在 冬天 就更 为 突 出 , 天 时太 阳在 地 球 的南 半 球上 空 , 北 半 球 的人看 去 冬 在
喻就是地 球每 天从 太 阳那 里获得 5 多亿 吨 的标准煤 (. 4 千 5 8 ̄ 1
1 ” 。按 目前 的发 电水平 可 转换 成 1 1 O) 4 0万亿 K h电 ( .1 w 1 × 4
太 阳离地平 线 的距 离较 夏 天近 的多 。 由于太 阳斜射 的影 响 , 阳
光更 容易被 地形 地貌及 障碍物 遮挡 。
1 wh 。 0 k ) 遗憾 的是 人类 目前还 没能 力将 如此 巨大的能 量转换
成 电能 , 有办法 储存 它 。值 得庆 幸的 是现在 人类 已可 以将 更没 少量 的太 阳能转 换成 电能并 储存 起 来 ,这就 是 本讲 座介 绍 的
太阳能光 伏发 电技术 。 1 . 太 阳辐射 及影 响 因素 2
2 获 取 资 源 数 据
21 对 资源数 据的要 求 .
在 进行 光伏 系统设 计前 , 从 当地 的气象 站或 相关部 门获 应 取候选 场地 的 太阳资 源 和气候 状况 的数 据 。 阳资源数 据 主要 太 包 括 : 月的太 阳能 总辐 射量 ( 照度 ) 太 阳总辐 射量 和辐射 各 辐 或
为 了衡 量 太阳
能辐 射量 的大小 , 学家们 确定 了一个 度量 科 太阳辐射 强度 的单位— —辐 照强 度 ( 亦称 “ 射强度 ” , 的物 辐 )它
强度 的每月 日平均 值 。 候状 况 的数据 主要包 括 : 平均 气温 , 气 年
年最 高气温 , 最低 气温 , 年 内最 长连续 阴 天数 ( 降水或 降 年 一 含 雪 天 ) 年平 均风速 , , 年最 大风 速 , 年冰雹 次数 , 年沙 暴 日数 。其 中 , 阳总辐射 量 的各月 数值 是必 不可少 的。 外 , 太 此 还应 提供 上 述 各项 数据 最 近 5 1 - 0年 的 累计 数 据 , 以评 估 太 阳资 源和 气候 状 况数 据 的有效性 。 () 1 设计 月 。 计光 伏 系统 时 , 设 通常要 求 提供 总辐射 量 的各
理 意 义是 : 在单 位 时 间内 , 直投 射 在地 球某 一 单位 面积 上 的 垂
太阳辐射 能量 , 通常 用 W/ m2或 k m 表示 。 阳光充 足 的白 W/ 在 天投射 到地 球 上 的辐照 强度 大 约 1o w/ 还有 一 个度 量 太 Oo m ;
阳辐射量 大小 的单 位—— 辐 照度 ( 称“ 亦 辐射通 量” , 的物理 )它
意义是 : 规定 的 时间 内 , 射在 地球 某 一单 位 面积 上太 阳辐 在 投 射 能的量值 , 通常用 k / Wh m 表示 。 在一 个 具体 的场 地 太 阳能 的 多少 将 取 决 于 诸 多 因 素 , 这 些 因素包 括 大 气条件 ,地球 相 对于 太 阳 的位 置 和 附近 的障碍 物 等。 () 1 大气条件 对 太阳辐 射 的影 响 。地球表 面接 收 的太 阳辐 射 要受 到大气 条件 的影响 而 衰减 , 主要 原 因是 由空 气分 子 、 水 蒸 气和尘 埃 引起 的大 气散 射 和 由臭 氧 、水蒸 气 和二 氧化 碳 引
起 的大气 吸收 。在 晴朗夏 天的正 午 时刻 , 大约 有 7 %的太 阳辐 O
月 日 均值 数据 。如果 全年 系统 负载 始终 是恒 定的 , 辐射量 平 则
最 低 的月份 被称 为设计 月 。 () 2 峰值 太 阳小 时 。为便 于 不 同地 点 日照条 件 的 比较 , 规 定: 辐照 强度 等于 1 0 w/ 的 日照小 时数 , 0 0 m 被称 为 “ 峰值 太 阳 小时” 。例 如 : 5峰值 太 阳小 1= k / t 5 Wh m  ̄
22 数 据 的有 效性与 评估 .
将 气 象站 或相 关 部 门提 供 的 太 阳资源 数据 用 于光 伏 系统 设计, 在某些 情 况下仍 需 对其有 效性 进行 评估 。 () 1 当一 个具 体场 地 的太 阳资源 数据 不够完 整或 缺少 多年 的 累积 数据 , 必须 对太 阳辐 射 的有效性 和量 值进 行评估 。 则
射 穿过大 气层 直接 到达 地球 表 面 ; 有 7 另 %左 右 的太 阳辐 射经
大气
分子和粒子散射以后 , 也最终抵达地面; 其余 的被大气吸
收或经散 射返 回太空 。
() 2 地球 相对太 阳位置 的影 响。地 球到 太 阳的距 离 和地球 轴 的倾斜 同样 影 响到 太 阳能 辐射 量 。 当 6 8月份 夏 天来 到北 -
( ) 然 当地 的 太 阳资 源数 据 比较 完 整 , 且 太 阳辐 射情 2虽 而
况也较 好 , 由于候 选场 地处 于 多山地 区或 附近存 在 明显 影响 但
…
一
宙
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太 阳辐 射 的地形地 貌 。 在这 种情 况下 要通 过研 究候 选场周 围邻
地 球是 以一 定 的倾 角绕轨 道运行 , 阳正 午时在 地平线 以上全 太 年 有不 同 的仰角 。 当太 阳从 地 平 线 刚 刚升 起 和 落下 时 ,此时 的高 度 角是 0 度 。 当太 阳以 0度 方 位角 位于 天空 的正南 方时 , 将是 太 阳在 这
那 一 天的最 大最 高度 角 , 称那 个时 刻为 太 阳的正 午 。
近地 区的平 均数 据变化 , 评估 当地 太 阳资源 数据 的有效 性 。 来
2 3 场 地 定 位 _
231 确定 方位 . .
() 1 方位 角。 阳从 地平 线升 起后 , 正南 方 由东 向西移 动 太 在 的位 置称为 方位 角 , 以正南 方 为基 准的东 西 向角度 来测量 并 以 度计 量 。地 球 自转一周 为 3 0度 , 昼夜 2 6 一 4小时 , 因此 太 阳升 起后 在方位 角上 每小 时移 动 1 。 5度
( ) 角 。 了使 阳光 垂直 照射 在太 阳 电池 板 上 , 2倾 为 在安装 时 太 阳电池板 与水 平 面之 间要有 一个 角度 , 常称 电池板 与水 平 通 面 的夹 角为倾 角 ( 图 1 , 见 ) 以度计 量 。根 据几何 学原 理 , 欲使 阳
人们从 日常生活中都有这样的体验 , 中午 日当头是阳光最
好 的时刻 , 因此确 定场地 接收 日照 的最佳 方位 十分 重要 。确 定 方位 最重要 的是测定 场地 的正南 方 向 , 定 时需要 一些 简单 的 测
光 垂 育照射 在太 阳 电池板 上 ,则电 池板 的倾 角 应按 下式计 算 :
倾 角= 0一 9 。 高度 角 ( 角 ) 由于地球 是 以一定 的倾 斜 角绕轨 道 仰 。 运 行 , 阳正 午 时在 地平 线 以上 的 仰 角 , 年都 有一 个周 期性 太 每 的改 变 。如果使 电 池板 的倾 角 每天 跟踪太 阳仰 角 的变化 , 仅 不 在 技 术上有 一定 难度 , 而且成 本也 很 高。
工具, 如罗盘 ( 亦称指南 针 )计算 器 和直 的细杆 等 。 、 测定 场 地 的
正 南方 向通常 有 以下 三种 方法 :
①罗盘 ( 指南针 ) 测定法。当使用罗盘定向时 , 罗盘针 的 N
极 对准 的是地 球磁 场的 S极 , 为“ 性南
” 称 磁 。磁性 南与 “ 正南 ”
之 间存 在一定 的偏移 , 此偏移 称 为磁偏 角 。如果磁 偏角 不 大则
可 近似 地将“ 磁性 南” 确定 为正南 方 向。 如需要 准确 的测 定 太阳
的正南 方位 , 可 以查找 当地 的地球 磁 偏 角数 值 。 罗 盘测 定 则 对 法 的结 果进行 适 当的修正 。 ② 时区 正午法 。 众所 周 知 , 中午 1 2点 太阳所 处的方 位 就是 正 南方 向 。然 而 , 这种说 法是 要有 前提 的 , 即中午 1 指 的是 2点 当地 区的 1 。 地理 知识 中我们 可 以了解 到 , 2点 从 地球 自转 一周 为2 4小 时 , 球东 西 向的经度 为 3 0度 , 地 6 因此 地球 按 时间 可分 () 3 纬度 。以角 度大 小表示 的地球赤 道距 南 向或北 向 的间 隔距 离 。 为纬度 。 称 一个 地 区的纬度 比较容 易确定 , 以向当地 可
水平面( 面) 地
图 1 太 阳 电 池 板 倾 角示 意 圈
为 1 度一个 时 区 , 5 供有 2 个 时 区。根据 上述 时 区划分 原 理计 4
算 出所 在地域 的时 区 ,则当地 时 区 1 太 阳所处 的方 位 就是 2点 正 南方 向 了。 例如 : 北京 地 区大约位 于东 经 1 6度 , 宁地 区大 1 西 约位于 东经 1 1 , 0 度 两地 近似 相差 1 , 5度 即一 个时 区 。按 北京
’
的气 象部 门或 地质 部 门查 询 , 也可 以从 地 图上查 找 。
根据 气 象方 面 的 知识 , 当倾 角 等于 纬 度时 , 在 太 阳 电池 射 板上 的平 均 日照强 度最 高 。 了优 化太 阳电池方 阵 接收 日光 的 为 性能 , 电池 板 的倾 角 应 等于 纬度 加 l 度 4 l 5分 ; 如果 系 统 的主 要 负 载在 夏天 使用 , 如水 泵 , 例 则方 阵倾 角应 等于 纬度减 1 1度
时 间计 时 , 北京 地 区的太 阳正午 就是 1 2点 ; 西宁 地区 的太 阳正
午应该 是北 京时 间正午 1点 。 新疆 乌鲁 木 齐地 区大约 位于 东经 8 7度 , 当地 的太 阳正午 应该 是 北京 时间 下午 两点 左 右 , 以此 类 推 。如 果希 望将 方位定 的更 为准确 , 还可 以将 每个时 区再 划 分
4 分, 5 全年 平均倾 角 等于 纬度加 5 。 纬度 可确定 出全 年任 度 用
何 给 定位 置太 阳正 午时在 地平 线上 的 高度 。 太 阳 电池 的光一电转换 能 力不 仅 与 太 阳辐 照 强度 有关 , 还 与 日光 的入射 角有 关 。只有太 阳光 垂直 于光伏 组件 面板 时 . 太 阳 电池方 阵的 电能输 出才 可 以达到 最佳 值 。 阳 电池 板 以前面 太 所 述 的方 位角 和倾 角 直 接朝 向太 阳 ,此 时 的 日光入 射 角称 为 “ 准入 射角 ” 标 。
方 阵安 装倾 角应 以“ 设计 月 ” 日照强度 的最 高值 为 准 , 这样 可保 证 一 般年 份 日照 最差 的月份 也 能满 足 系统 负 载 的能量 需 求 ,所设 计 的 系统 也 就 能满 足负 载 用 电和保 证 蓄 电池 能充 满 电 。如果 每月 的负 载是 变化 的 , 么 就要 逐月核 查每 月 的辐射 那 量和 测算 每月 的负 载耗 电量 。
为 1 一个 分时来 进行 时区 的修正 。 度 利 用“ 区正午法 ” 定正 南方 向时 , 时 确 还有 一个 更简 便 的方
法: 首先 根据 时 区划 分 原理 计算 出所在 地 域 的时 区 , 后 在地 然 面( 垂直 于水平 面 ) 立一 根大约 1 - . 2米 的细杆 。以 当地时 区为 5 准, 分别 于 上午 9点 和下午 3点 ( 上午 1 和下 午 2点 ) 或 0点 在
地面上 划 出木杆 的阴影 位置线 。这 样两 阴影线 形成 一个 夹 角 ,
此 夹角 的等 分线方 向 即为 当地 的正 南—— 正北 方 向 。 ⑧ 立秆见 影法 。 上述确 定 当地时 区的方 法需 要一 定 的地理 知识。 如果 只要 求近 似地找 到 正南方 , 利用 下述 的“ 可 立竿 见影 法 ” 在 地 面 ( 直 于水 平 面 ) 一根 大 约 1 ~ 2米 的细 杆 ( : 垂 立 . 5 长
一
些 更 好 ) 在 近 于 中 午前 后 的 l 2小 时 之 内 , 断 观察 并 在 , 一 不
3 场地 条 件评 估
31 阴 影 影 响 .
地面上 记 录细杆 阴影 的长短 变 化 , 中最短 阴影 所指 的方 向 即 其 为当地 的正南—— 正 北方 向 。
232 确 定倾角 ..
太阳 电池是 依靠 日光 的照 射而 发 电的 , 当光伏 组 件的 1 3光 被遮 挡 时 , 太 阳 电池 方 阵 的性能 有 严 重影 响 , 至在 太 阳 电 对 甚 池 板 上 的一 个小 小 阴影 也 能够 使 其 性 能降 低 8 %。因此在 光 0 伏 系 统设 计 中减 小 和消除 阴影 栅 为重 要 。 细的确 定 阳光 通路 仔
( ) 度 角 。太 阳在 地平 线 以上 的高 度 称为 高 度角 ( 仰 1高 或 角 ) 以地平 面 与太 阳所在 位置 的夹 角来 测量并 以度 计量 。 , 由于
蜀用/ 皇电 大0 众6 2 o 2
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和避 开 阴影对 降低 光伏 系 统 的发 电成 本非 常重 要 。场 地 出现 的阴影经常来 自树 木 、 草木 、 附近 的建 筑 , 还有 太 阳收集器 的撑 杆 和金属线 等 。作 为一般 原则 , 确定 从上 午 9点至下 午 3点 没 有 阴影为好 。 冬季 的月份 , 在 当太 阳的仰角 低和 阴影时 间长 时 ,
上 午 1 ~ 午 2点 时 . 明场 地 的 日照 时 间太 短 , 考虑 另 O点 下 说 应
外选 择场 地 。
33 确
定 太 阳 入 口 ( 径 ) - 路
仔细调查场地以避免太阳电池板上的阴影。在屋顶 、 南墙
上 或 院子里 , 通过 直 接观 测 , 为场 地 的全 年 E照 情况 找 到一 个 t 最佳 方位 。 如 果场 地定 位 于南 北 2 5度 ( 低纬 度 ) 间 , 以使用 下 面 之 可
阴影 是一 个 比较 大 的问题 ,更 应 引起 光伏 系统 设计 者 和光 伏
电站 运行 人员 的 重视 。 中国位 于地 球 的北 半球 ,对太 阳电池 方 阵 发 电 最不 利 的 阴影 出现 在 1 2月 2 1日 ( 即冬 至 ) 后 一 前
段 时间 。
叙述的太阳场地的评价方法,使用这个方法只需要 1 2 , 或 人
一
为消 除 阴影影 响 ,选择 场 地后 必 须确 认 以下条 件 是否 满
足 : 一年 的任何 月 份 , 向太 阳 电池 方 阵 的阳光 都不 会被 遮 在 投 挡; 每天上 午 9点至下 午 3点 , 伏组 件无 阴影 ; 光 识别 上午 9点
个 罗盘 和下 面的 附表 。
附裹 太 阳 窗 四 面至 地 平 线 的 垂 直 角
至下午 3 点遮挡太阳电池方阵的障碍物 ,消除产生阴影的因
素 。如无法 消除产生 阴影 的 因素 , 也可 考虑移 动太 阳电池 方阵 或增 加阵容 量 , 以祢补 由于 阴影造 成 的损失 。 32 场地 日照条 件分析 . ( ) 般评估 。当按 要求 收集 到侯选 场地 的太 阳能资 源数 1一 据 资料后 , 还应 到现 场仔 细 观察 场 地附 近 的彰 碍物 , 估太 阳 评 阴影对太 阳电池 方阵 发 电影 响 ,并 提 出 避开 彰碍 物 或移 开彰 碍 物的建议 。通过 在屋顶 、 上或 院子 里 , 墙 通过直 接观 测 , 为场
注 :. 于 满足 9点一 午 3点 的 太 阳 窗 , 不 满足 8点一 午 4点 的 太 1对 下 但 下 阳窗 , 增加 l%的 方 阵容 量 或 将 熏 低 电池 板 的 底 部 。 少安 装 在 障 碍 可 5 至
物 的 l 3高 度上 。 /
地 的全年 日照条件 寻找一 个最 佳方 位 。
一
2对 于 满足 l . O点一 午 2点 的 太 阳 窗 , 增 加 3 % 的 P 方 阵 客 量 。 下 可 3 V
对 于北半 球 , 南是 最普 通 的方 位 , 正 如果 太 阳电 池方 阵面 向正南或 0度方位 角 , 每天 的 日照性能将 是最 好 的。 而 , 然 应考 虑 当地气候 特征 的影 响并 仔 细评价 。例 如 : 如果场地 附 近早晨 有 雾笼罩 , 则需 要调 整 太 阳电池 方 阵略微 偏 向 西南 , 以获取 滞 后 中午一段 时间 的更 为有效 的太 阳辐射 。 ( ) 算方 阵运行 时间 。 阳 电池方 阵可运行 时 间越长 , 2测 太 意 味着太 阳每 日可 发 出更 多 的电能 。因此 当方 阵在 场地 的方 位 和高
度 初步 确定 后 。需要 评估 和测定 太 阳 电池在 不 同季 节里 每 日平均 可运行 时间 。 ( ) 阳窗 。在评 价场地 时 , 3太 必须 在全 天选择 一个 日照 好 、 无阴影 的时 间段 作 为太 阳 电池方 阵 的运 行 时间 ,这 个最适 宜 的时间 区间称为 太 阳窗。 “ 太阳窗 ” 概念 可 以反映场地 的 日照 时间 和路 径状 况 。 依据 场 地 日照条件 的不 同 ,太 阳 窗可 以选 在上 午 9点一 午 3点 , 下 也 可 以定在上 午 8点半 一 午 3点 半等 等 。在 夏季 , 阳升起 下 太
用于 低纬度 的太 阳场 地评 价 :
() 1 场地位 置 。
( ) 录所 在地 的纬 度 。 2记
( ) 录场 地 的磁偏 差 。 3记 () 在 P 4站 V方 阵场 地 , 眼 睛 瞄 准最 低 电池 板 底部 的高 用 度 , 用罗 盘定位 正南 方 。 使 ( ) 出胳 膊用 肉 眼确定 南北 线 , 6伸 如果 有必 要可设 置地 标 。
() 出胳 膊用 肉眼确定 东西 线 , 7伸 如果 有必 要可设 置地 标 。
() 8 一个胳 膊水 平指 向北 面 , 另一 个胳 膊在 头上 方伸 直 , 二
者成 9。 。 O角
( ) 助你 的胳 膊 目测确 立 9 。 9借 o 弧度 后 , 肉眼 以 12 14 用 / 、/ 和 13来 分割 弧度 。 / (0 参见 附表 , 出所在 纬度 的太 阳窗 。 1) 找 ( 1 根据 P 1) V方 阵底部 的位置 和 高度 , 目测 太 阳窗南北 两 侧 。 如果 任何 一个 方 向不 能接 受 , 必须建 议移 动 障碍物 或将 、 都 场 地移 到另外 的位 置 。
的早 , 日落却 很晚 , 日照时间 比冬季 要长很 多 。 因此 夏季 的太 阳
窗 比冬季 的太 阳窗开得 大 。 也就 是方 阵 的可 运行 时间长 。 太 阳 “ 窗” 大小 除受 季节 影响 外 , 与场 地 周 围的环 境 条件 有关 。例 还 如 : 地东 西两 侧 的高 山 、 林 和高 大建 筑 物等都 会 减少 太 阳 场 树
电池的运行 时 间 。
一
(2  ̄果南北方向合适, 1 )t t l 继续勘测东西方向。检查上午 8
点一 下午 4点太 阳窗的路 径 。注意 , 果 阴影容 易被移 开 , 以 如 可 不管太 阳窗 内存在 的 阴影 0 (3 有 时方 阵 在地 面上 的最 低 高 度 已 确定 , 者 增 加 了 1) 或 1%的方 阵容量 ,但 如果有 必要 仍 需重 复评 价上 午 9点 一 午 5 下
3点的太 阳窗 。
年 四季 的“ 阳窗 ” 间是不 同 的。欲准确 的测 定“ 阳 太 时 太
窗” ,首先需 要向气 象部 门查询 当地不 同季 节太 阳 日出 日落 的
方位角和正午的高度角( 仰角)然后再根据场地的具体条件加 ,
以修正 。如果仅 需要 近似 的场地 “ 阳窗 ” 间 , 太 时 则通过 目测 即
可。
(4  ̄ 果 有必要 , 要重 复评 价上 午 1 1 )f t l 还 O点一 下午 2点 的太 阳窗 。当仅仅 存在 上午 1 O点一 午 2点 的太 阳窗 的情 况下 , 下 应 考虑 另外 选择 场地 ( 果必 须选 择 这个 场 地 , 应增 加 3 %的 如 则 3 方阵容 量 , 但这 将大 在增 加 系统 的成 本 ) 。
“ 阳窗” 间段 大于 上 午 9点 一 午 3点 的场 地 , 日照 太 时 下 从 时间方 面评价是 满足 光伏 电站要 求 的。 太 阳窗 ” 间段小 于 当“ 时
大众用 电2 o / o 62
骞 _