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1—1太阳简介
太阳是离地球最近的一颗恒星,也是太阳的中心天体,%。太阳也是太阳系里惟一自己发光的天体,它给地球带来光和热。如果没有太阳光的照射,地面的温度将会很快地降低到接近绝对零度。由于太阳光的照射,地面平均温度才会保持在14℃左右,形成了人类和绝大部分生物生存的条件。除了原子能、地热和火山爆发的能量外,地面上大部分能源均直接或间接同太阳有关。
太阳是一个主要由氢和氦组成的炽热的气体火球,×105km(是地球半径的109倍),×1027t(是地球质量的33万倍),平均密度约为地球的1/4。太阳表面的有效温度为5762K,而内部中心区域的温度则高达几千万度。太阳的能量主要来源于氢聚变成氦的聚变反应,××1011kg的氦,×1023kW能量。这些能量以电磁波的形式,以3×105km/s的速度穿越太空射向四面八方。地球只接受到太阳总辐射的二十二亿分之一,×1014kW达到地球大气层上边缘(“上界”),由于穿越大气层时的衰减,×1013kW到达地球表面,这个数量相当于全世界发电量的几十万倍。
根据目前太阳产生的核能速率估算,氢的储量足够维持600亿年,而地球内部组织因热核反应聚合成氦,它的寿命约为50亿年,因此,从这个意义上讲,可以说太阳的能量是取之不尽、用之不竭
的。
太阳的结构和能量传递方式简要说明如下。
太阳的质量很大,在太阳自身的重力作用下,太阳物质向核心聚集,核心中心的密度和温度很高,使得能够发生原子核反应。这些核反应是太阳的能源,所产生的能量连续不断地向空间辐射,并且控制着太阳的活动。根据各种间接和直接的资料,认为太阳从中心到边缘可分为核反应区、辐射区、对流区和太阳大气。
(1)核反应区
在太阳半径25%()的区域内,是太阳的核心,集中了太阳一半以上的质量。此处温度大约1500万度(K),压力约为2500亿大气压(1atm=101325Pa),密度接近158g/cm3。这部分产生的能量占太阳产生的总能量的99%,并以对流和辐射方式向外辐射。氢聚合时放出伽玛射线,这种射线通过较冷区域时,消耗能量,增加波长,变成X射线或紫外线及可见光。
(2)辐射区
在核反应区的外面是辐射区,~,温度下降到13万度,。在太阳核心产生的能量通过这个区域由辐射传输出去。
(3)对流区
在辐射区的外面是对流区(对流层),~,温度下降为5000K,密度为10-8g/cm3。在对流区内,能量主要靠
对流传播。对流区及其里面的部分是看不见的,它们的性质只能靠同观测相符合的理论计算来确定。
(4)太阳大气
大致可以分为光球、色球、日冕等层次,各层次的物理性质有明显区别。太阳大气的最底层称为光球,太阳的全部光能几乎全从这个层次发出。太阳的连续光谱基本上就是光球的光谱,太阳光谱内的吸收线基本上也是在这一层内形成的。光球的厚度约为500km。色球是太阳大气的中层,是光球向外的延伸,一直可延伸到几千公里的高度。太阳大气的最外层称为日冕,日冕是极端稀薄的气体壳,可以延伸到几个太阳半径之远。严格说来,上述太阳大气的分层仅有形式的意义,实际上各层之间并不存在着明显的界限,它们的温度、密度随着高度是连续地改变的。
可见,太阳并不是一个一定温度的黑体,而是许多层不同波长放射、吸收的辐射体。不过,在描述太阳时,通常将太阳看作温度为6000K、~。
1-2 太阳与地球的位置关系
在设计太阳能电池应用系统时,不可避免的都会涉及到太阳高度角,方位角,日照时间等计算问题,因而必须对地球绕太阳运行的基本规律及其相关的天文背景有一定的了解。
(1)天球与天球坐标系
以观察者为球心,以任意长度(无限长)为半径,其上分布着所有天体的球面叫做天球。如图所示为天球及天球坐标系。通过天球的中心(即观察着的眼睛)与铅直线相垂直的平面称为地平面;地平面将天球分为上下两个半球;地平面与天球的交线是个大圆,称为地平圈;通过天球中心的铅直线与天球的交点分别称为天顶和天底。地球每天绕着它本身的极轴自西向东的自转一周;反过来说,假定地球不动,那么天球每天绕着它本身的轴线自西向东的自转一周,我们称之为周日运动。在周日运动过程中,天球上有两个不动点,叫做南天极和北天极,连接两个天极的直线称为天轴;通过天球的中心(即观察着的眼睛)与天轴相垂直的平面称为天球赤道面;天球赤道面与天球的交线是个大圆,称为天赤道。通过天顶和天极的大圆称为子午圈。
可以在上述这些极和圈(面)的基