太陽的視運動與跟蹤
The Sun's Apparent Motion and Tracking
太陽的視運動

無論那一種太陽能利用裝置的安裝與使用都要考慮太陽的方位與運動,特別是聚光太陽能集熱裝置必須對準太陽才可能獲得太陽能,本節(jié)先簡介太陽視運動的基本規(guī)律再介紹聚光太陽能集熱裝置如何跟蹤太陽實現(xiàn)聚光集熱。

我們站在大地上看到太陽從東方升起,經過天空再到西方降落,這本是地球自轉形成的現(xiàn)象,為分析方便我們假設太陽是繞我們作圓周運動,稱之為視運動。下面是太陽視運動動畫,綠色平面是我們所在位置的地平面,是一個無限大的平面,O點是我們的觀察點,通過該點作東西方向與南北方向兩條直線、通過O點作一條與地球自轉軸平行的地軸線(藍色線),顯然這是北回歸線以北的地點,通過地軸線與南北線的平面是垂直于地面的;太陽是繞地軸線運動的,運動軌跡在與地軸線垂直的平面上,是以地軸為圓心的圓(紅色的大圓)。 動畫格式 .mp4,分辨率480X400。

動畫1--太陽視運動動畫
圖1是太陽的視運動圖,與動畫相似,地軸線與南北線之間的夾角φ等于O點所在地的緯度。在圖中繪有三個軌跡圓,中間的軌跡圓是春分或秋分時的太陽視運動軌跡,太陽從正東方升起在正西方落下,此時正午太陽與地面的夾角α2為90度減去φ;左邊的軌跡圓是夏季的太陽視運動軌跡,早上太陽從東偏北方向升起,晚上太陽從西偏北方向落下,中午的太陽較春分時高,正午太陽與地面的夾角α1大于α2;右邊的軌跡圓是冬季的太陽視運動軌跡,早上太陽從東偏南方向升起,晚上太陽從西偏南方向落下,中午的太陽較春分時低,正午太陽與地面的夾角α3小于α2。

太陽的視運動圖

圖1--太陽的視運動圖
太陽在空中的具體位置通常是采用地平坐標系或赤道坐標系來標注。

地平坐標系

在地平坐標系中,太陽在空中的具體位置是用高度角與方位角來標注的,圖2是地平坐標系示意圖,圖中大圓是夏季我們在O點看到的太陽視運動軌跡,在軌跡上的數(shù)字6至18標注了從早上6點鐘至下午18點鐘的太陽位置。

太陽高度角是O點指向太陽的向量S與地面的夾角α,圖中正午12時的太陽高度角是S2與地面的夾角α2;上午10時的太陽高度角是S1與地面的夾角α1;下午15時的太陽高度角是S3與地面的夾角α3。

太陽方位角是向量S在地面的投影線與南北方向線(當?shù)氐淖游缇€)間的夾角γ,圖中正午12時的太陽方位角是S2的投影線與南北方向線間的夾角,該角為0;上午10時的太陽方位角是S1的投影線與南北方向線間的夾角γ1;下午15時的太陽方位角是S3的投影線與南北方向線間的夾角γ3。

方位角以正南方向為0度,由南向東轉為負值,由南向西轉為正值,如太陽在正東方,方位角為-90度,在正東南方時,方位為-45度,在正西南方時方位角為45度,方位角直到正北方合在±180度。

太陽的地平坐標系

圖2--太陽的地平坐標系
由于隨著季節(jié)變化太陽軌跡圓在地軸線上的位置在不停變化,嚴格說每天同一時刻太陽的高度角與方位角都是不同的。

赤道坐標系

赤道坐標系是建立在天球坐標系中,為簡單易懂本課件繞開天球坐標系直接介紹其原理。在赤道坐標系中,太陽在空中的具體位置是用時角與赤緯角來標注的,圖3是赤道坐標系示意圖,圖中大圓是夏季我們在O點看到的太陽視運動軌跡,在軌跡上的數(shù)字9與12標注了上午9時與中午12時的太陽位置。

在圖中有一個赤道平面,是過O點與地球赤道平行的平面,該平面與地軸線垂直。從O點到太陽的連線與赤道平面的夾角δ稱為赤緯角,δ1是上午9時太陽的赤緯角,δ2是中午12時太陽的赤緯角。隨著地球繞太陽轉動,赤緯角在不停變化,每天同一時刻太陽的赤緯角不同。夾角δ一年的變化范圍是正23度27分至負23度27分一個來回,算起來每天最大變化不超過0.5度。

太陽的赤道坐標系

圖3--太陽的赤道坐標系

子午面是過地軸線與垂直線的平面,其在地面的投影叫子午線,與過O點的南北線重合,直線OQ是子午面與赤道面的交界線。在上午9時,太陽與O點連線S1在赤道平面上的投影線與OQ線的夾角ω是此時太陽的時角。12時太陽與O點連線S2在赤道平面上的投影線與OQ線的夾角ω是0,即時角為0。時角是從OQ線起算,順時針方向為正,反時針方向為負,也即上午的時角為負,下午的時角為正,太陽每小時轉動15度。

視日跟蹤法

通過太陽在天空中的位置計算來控制跟蹤的方法稱為視日跟蹤法。在結構上常采用地平坐標系跟蹤與極軸式跟蹤兩種方式。

地平坐標系跟蹤

地平坐標系跟蹤 建立在地平坐標系,是通過太陽的高度角與方位角來尋找太陽的位置,在需要跟蹤太陽的太陽能裝置安裝兩根轉軸,一根垂直于地面用來調整方位角稱方位軸,另一根與地面平行用來調整高度角稱俯仰軸,地平坐標系跟蹤方式也稱為雙軸跟蹤方式。通過計算機算出每天每時的太陽的高度角與方位角即可對準太陽。由于太陽的高度角與方位角都在不停變化,所以兩個軸都要不停的轉動才能對準太陽。

?極軸式跟蹤

極軸式跟蹤 建立在赤道坐標系,是一種較簡便的跟蹤方法,我們觀察到向量S與地軸線的夾角β在一天內幾乎不變,在下圖中顯示了太陽在9時、12時、17時的夾角β1、β2、β3,三個夾角在一天內相差很小,夾角β一年的變化范圍是正23度27分至負23度27分一個來回,每天最大變化不超過0.5度。把需要跟蹤太陽的太陽能裝置的轉軸平行于地軸線,稱為極軸,這樣只需按每小時15度繞極軸勻速轉動即可跟蹤太陽,每天只需微調一下夾角β即可,對要求不高的場合可幾日調一下夾角β。由于極軸式跟蹤主要的運動是繞極軸轉動故也可看成是單軸跟蹤

極軸式跟蹤示意圖

圖4--極軸式跟蹤示意圖
視日跟蹤是開環(huán)控制,控制數(shù)據(jù)由計算產生,要求太陽能裝置定位非常準確、運轉機構要精密、基座要穩(wěn)定牢固。
傳感器跟蹤
傳感器跟蹤也就是光電跟蹤,在太陽能裝置上安裝光電傳感器,其軸線與太陽能裝置的聚焦軸線平行,光電傳感器檢測太陽光方向是否偏離傳感器軸線,當太陽光發(fā)生偏離時,傳感器就發(fā)出偏差信號,計算機根據(jù)此偏差信號控制執(zhí)行機構,使太陽能裝置重新對準太陽光聚焦。傳感器跟蹤屬閉環(huán)控制,傳感器跟蹤的靈敏度高,可做到較高的跟蹤精度,但有云和陰雨天無法進行跟蹤,往往要配合視日跟蹤共同控制。
旋轉拋物面集熱器的跟蹤

旋轉拋物面集熱器屬點狀接收器的集熱器,在許多應用中采用較高的聚光比,要求有準確的跟蹤,多采用視日跟蹤與傳感器跟蹤雙重控制、并采用雙軸跟蹤結構。?

下圖是一個旋轉拋物面集熱器的軸結構示意圖,在支座上端穿有主轉軸,主轉軸與地軸平行;在主轉軸上有俯仰轉軸支架,俯仰轉軸與主轉軸垂直;旋轉拋物面鏡背面固定有支撐件,通過俯仰轉軸與俯仰轉軸支架連接。

旋轉拋物面集熱器

圖5--旋轉拋物面集熱器

旋轉拋物面集熱器繞主轉軸轉動即可跟蹤太陽,俯仰轉軸以修正太陽軌道位置,屬于極軸式跟蹤。高精度跟蹤須連續(xù)修正俯仰角或一日內數(shù)次修正俯仰角,對聚光比較低的太陽能裝置可每日修正一次俯仰角。

下面是旋轉拋物面集熱器跟蹤太陽的動畫,動畫格式 .mp4,分辨率480X400。

動畫2--旋轉拋物面集熱器轉動的動畫
對于圓形菲涅耳透鏡聚光集熱器等點狀接收器的集熱器也是采用同樣的控制方法。
?槽式太陽能集熱器的跟蹤
槽式太陽能集熱器由于其特殊結構有幾種不同的跟蹤方式。
極軸式跟蹤
槽式太陽能集熱器由于較長,其主轉軸與槽鏡柱面平行,主轉軸與地軸平行安裝,在下面動畫中槽鏡背面的藍線是主轉軸線,下面綠色地面上的綠線是南北方向線,與槽鏡垂直的藍線是槽形拋物面中心法線,紅色大圓是太陽視軌跡,紅色圓柱是接收器,鏡面上綠色與黃色線是太陽光線。動畫演示了極軸式跟蹤槽式太陽能集熱器從上午到下午跟蹤太陽光的運動,動畫格式 .mp4,分辨率480X400。。
動畫3--槽鏡極軸式跟蹤動畫
集熱器繞主轉軸轉動就可以跟蹤太陽,由于槽鏡與春秋分時的太陽光垂直,其他時間偏差也不大,可獲得最多的太陽光,在緯度低的地方尤其明顯。但其槽鏡長度受到限制,短的槽鏡使集熱管的活動接頭大量增加,結構復雜成本高,實際上很少應用。
南北向布置
槽式太陽能集熱器主轉軸與槽鏡柱面平行,主轉軸按南北方向安裝并與地面平行,在下面動畫中槽鏡背面的藍線是主轉軸線,下面綠色地面上的綠線是南北方向線,與槽鏡垂直的藍線是槽形拋物面中心法線,紅色大圓是太陽視軌跡,藍色大圓是與主轉軸垂直的平面(也與地面垂直),紅色圓管是接收器,鏡面上綠色與黃色線是太陽光線。動畫演示了南北向槽式太陽能集熱器從上午到下午跟蹤太陽光的運動,動畫格式 .mp4,分辨率480X400。。
動畫4--槽鏡南北方向布置的跟蹤動畫
南北向槽式太陽能集熱器平行于地面安裝,可使用較長的槽鏡與集熱管,管間連接也方便,適合建造大型的太陽能場,由于平行與地面,在緯度較高的地區(qū)太陽較低,對太陽能的接受也就少了一些,但在低緯度地區(qū)就好很多。
東西向布置?
槽式太陽能集熱器按東西方向布置,在下面動畫中綠色地面上的綠線是東西方向線,紅色大圓是太陽軌跡的平面,與槽鏡垂直的藍線是槽形拋物面中心法線,它在太陽軌跡的平面上,紅色圓管是接收器,鏡面上綠色與黃色線是太陽光線。動畫格式 .mp4,分辨率480X400。
動畫5--槽鏡東西方向布置的跟蹤動畫
當太陽從東方到西方均可把太陽光聚集到集熱管上,只不過只有正午時才是垂直于槽鏡面,所獲太陽能最多,在上午與下午由于陽光斜射,所獲太陽能要少些,在早上與晚上,雖有陽光但能得到的太陽能很小,這是它最大的缺點。在槽鏡背面也有轉軸,僅用于定時調整槽鏡的俯仰角。東西方向布置的槽式太陽能集熱器調整簡單,調整量也小,幾乎一整天只需微調一次即可,結構與調整簡單是最大的優(yōu)點。
 
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