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1、自 动 跟 踪 系 统抛 物 面 聚 光 器 只 能 收 集 太 阳 的 直 射 光 线 ， 而 对 散 射 部 分 无 能 为 力 。 因此 所 讨 论 的 光 路 主 要 直 射 太 阳 辐 射 能 。 抛 物 面 聚 光 器 的 聚 光 系 统 必 须 使 光 轴指 向 太 阳 ， 即 进 行 太 阳 的 高 度 角 和 方 位 角 的 跟 踪 。 高 度 角 跟 踪 机 构 的 作 用是 让 反 射 镜 绕 俯 仰 轴 旋 转 ， 以 跟 踪 太 阳 的 高 度 角 ， 即 上 下 转 动 。 方 位 角 跟 踪机 构 的 作 用 是 让 反 射 镜 绕 太 阳 方 位 旋 转 ， 它

2、 的 旋 转 平 面 是 水 平 面 ， 即 左 右 转动 。 按 照 入 射 光 线 和 主 光 轴 位 置 关 系 我 们 可 以 把 他 们 划 分 为 两 轴 跟 踪 型 和 单轴 跟 踪 型 。 (1)单 轴 跟 踪 型 ： 跟 踪 系 统 的 转 轴 南 北 (东 西 )方 向 安 装 ， 东 西(南 北 )转 动 跟 踪 。 (2)双 轴 跟 踪 型 ： 跟 踪 系 统 有 方 位 轴 和 俯 仰 轴 两 个 转 轴 。方 位 轴 垂 直 于 水 平 面 ， 俯 仰 轴 同 方 位 轴 垂 直 。 反 射 镜 同 时 绕 两 个 轴 转 动 以 使反 射 镜 的 光 轴 和 太

3、阳 光 线 方 向 一 致 。 单 轴 跟 踪 按 布 置 的 不 同 可 以 再 进 行 划 分 。所 以 常 见 的 抛 物 面 聚 光 器 归 纳 为 下 面 几 类 ：(1)南 北 地 轴 式 ： 跟 踪 系 统 的 转 轴 南 北 方 向 倾 斜 布 置 ， 东 西 跟 踪 。 跟 踪 系统 的 转 轴 指 向 地 球 的 北 极 并 与 地 平 面 倾 斜 一 角 度 ， 角 一 般 等 于 当 地 的地 理 纬 度 角 。(2)南 北 水 平 式 ： 跟 踪 系 统 的 转 轴 南 北 方 向 水 平 布 置 ， 东 西 转 动 跟 踪 。(3)东 西 水 平 式 ： 跟 踪 系

4、 统 的 转 轴 东 西 方 向 布 置 ， 南 北 转 动 跟 踪 。(4)两 轴 跟 踪 式 ： 跟 踪 系 统 存 在 着 方 位 轴 和 俯 仰 轴 两 条 转 轴 。 方 位 轴 垂 直于 地 平 面 。 俯 仰 轴 同 方 位 轴 垂 直 。 反 射 镜 同 时 绕 两 轴 转 动 以 使 反 射 镜 的 光 轴和 太 阳 光 线 方 向 一 致 。 如 图 1 所 示 ：图 1 几 种 跟 踪 方 式 原 理 图采 用 的 是 抛 物 面 聚 光 器 ， 双 轴 跟 踪 时 聚 光 器 收 集 到 的 能 量 最 大 ， 反 射镜 的 光 学 性 能 也 最 好 。1 时 钟 法

5、 由 于 地 球 除 沿 椭 圆 轨 道 绕 日 公 转 外 ， 还 绕 地 独 自 转 ， 因 此 从 地 面 上 的 观察 者 看 来 ， 太 阳 在 天 空 中 的 位 置 不 断 变 化 。 从 地 面 上 的 观 察 者 看 来 ， 太 阳 在天 空 半 球 内 的 位 置 完 全 可 以 由 天 顶 角 (或 高 度 角 )和 方 位 角 二 者 所 确 定 。 如图 2 所 示 。图 2 描 述 太 阳 位 置 的 地 平 面 坐 标 系太 阳 天 顶 角 度 为 自 观 察 者 所 在 地 的 天 顶 至 观 察 者 与 太 阳 连 线 之 间 的 夹 角 ；太 阳 高 度 角

6、 h 为 自 观 察 者 所 在 地 的 地 平 面 至 观 察 者 与 太 阳 连 线 之 间 的 夹 角 ，显 然 ， 太 阳 天 顶 角 和 太 阳 高 度 角 二 者 互 为 余 角 ， 即 h 90 （ 4 1）太 阳 方 位 角 r 为 自 观 察 者 所 在 地 朝 正 南 的 水 平 线 至 观 察 者 与 太 阳 连 线 在地 平 面 上 的 投 影 之 间 的 夹 角 。 通 常 规 定 ， 上 午 的 太 阳 方 位 角 为 正 ， 下 午 的 太阳 方 位 角 为 负 。 其 中 h 和 r 均 与 观 察 者 所 在 地 的 地 理 纬 度 、 一 年 中 的 日期

7、以 及 一 天 中 的 时 刻 (当 地 的 标 准 时 或 太 阳 时 )有 关 。根 据 太 阳 能 光 伏 系 统 所 在 位 置 的 地 理 纬 度 、 某 天 的 太 阳 赤 纬 度 和 某 个 时 刻 的 太 阳 时 角 ， 根 据 已 有 公 式 即 可 计 算 出 某 地 任 何 时 刻 太 阳 的高 度 角 h 和 方 位 角 r。这 一 方 法 是 根 据 太 阳 能 光 伏 发 电 系 统 所 在 地 理 位 置 的 时 间 ， 计 算 出太 阳 的 高 度 角 h 和 方 位 角 r， 从 而 确 定 出 步 进 电 机 驱 动 聚 光 器 根 据 太 阳 的 位置 相

8、 应 变 动 。 这 种 方 法 称 为 时 钟 跟 踪 法 。2 太 阳 角 度 计 算 方 法采 用 时 钟 跟 踪 方 法 ， 通 过 程 序 计 算 出 太 阳 在 反 射 镜 所 处 地 理 位 置 某 时 刻的 高 度 角 和 方 位 角 ， 同 反 射 镜 上 次 转 动 停 留 角 度 相 比 较 ， 计 算 出 反 射 镜 需 要转 动 的 角 度 ， 然 后 控 制 高 度 角 和 方 位 角 两 个 方 向 上 的 电 机 ， 驱 动 反 射 镜 转 动相 应 的 角 度 来 跟 踪 太 阳 。（ 1） 太 阳 赤 纬地 球 绕 太 阳 的 公 转 轨 道 为 椭 圆 形

9、 ， 太 阳 为 焦 点 之 一 ， 近 日 点 是 1 月3 日 ， 远 日 点 是 7 月 4 日 。 公 转 一 周 需 365.25 天 ， 将 360作 24 等 分 ，每 15为 一 个 节 气 ， 共 24 个 节 气 。地 球 自 转 轴 与 公 转 平 面 呈 6633 的 夹 角 ， 且 朝 向 不 变 。 地 球 自 转一 周 为 24 小 时 ， 所 以 地 球 每 小 时 自 转 15， 自 转 过 程 中 总 有 半 个 球 面 朝向 太 阳 ， 另 半 个 背 向 太 阳 ， 形 成 昼 夜 。太 阳 直 射 点 就 是 太 阳 光 线 与 地 平 面 的 垂 直

10、 交 点 。 太 阳 赤 纬 就 是 太 阳 直 射点 所 处 的 纬 度 ， 用 表 示 ， 即 由 地 心 指 向 日 心 的 连 线 与 地 球 赤 道 平 面 之 间的 夹 角 。 它 是 随 季 节 断 变 化 的 。 由 于 自 转 轴 与 公 转 平 面 不 垂 直 ， 且 地 球 统 日公 转 时 其 自 转 轴 在 空 间 的 方 向 不 变 ， 因 此 太 阳 赤 纬 将 随 地 球 在 公 转 轨 道 上 的位 置 不 同 而 变 化 ， 使 得 太 阳 直 射 点 变 动 于 南 北 回 归 线 之 间 ， 即 ： 2327 2327 ， 亦 即 随 一 年 中 的 不

11、 同 天 而 变 化 。 如 图 3 所 示 ， 目 前通 常 采 用 计 算 太 阳 赤 纬 的 近 似 公 式 为 ：图 3 太 阳 赤 纬（ 1）)284(650sin4.23n式 中 ： n 表 示 1 年 中 的 天 数 ， 1 月 1 日 取 为 1， 12 月 31 日 取 为 365。 按 照规 定 ， 当 太 阳 位 于 赤 道 以 北 时 ， 为 正 ， 太 阳 位 于 赤 道 以 南 时 、 为 负 。一 年 中 有 两 天 (n 80 和 n 264)太 阳 正 好 位 于 赤 道 平 面 内 ， 阳 光 垂 直 照 射赤 道 ， 因 此 这 两 天 的 0， 称 为

12、二 分 日 ， 或 分 别 称 为 春 分 日 和 秋 分 日 。 这两 天 太 阳 出 现 在 赤 道 上 的 时 间 正 好 是 1 2 小 时 ， 即 昼 长 和 夜 长 正 好 相 等 ，且 与 观 察 者 在 地 球 上 所 处 的 纬 度 无 关 。 在 夏 至 日 (6 月 21 日 )。 太 阳 位 于 北纬 23.45处 ， 即 取 其 最 大 的 正 值 。 该 天 北 半 球 的 昼 长 最 长 ， 北 极 为 极昼 ， 终 日 太 阳 不 落 ， 而 南 半 球 的 昼 长 最 短 ， 南 极 为 极 夜 ， 整 日 不 见 太 阳 。 相反 地 ， 在 冬 至 日 (

13、12 月 21 日 )， 太 阳 位 于 南 纬 23.45处 ， 即 取 其 最 大负 值 。 该 天 北 半 球 的 昼 长 最 短 而 南 半 球 的 昼 长 最 长 。图 3 太 阳 赤 纬 在 一 年 中 的 变 化利 用 公 式 （ 1） 进 行 计 算 时 ， 值 的 精 确 范 围 在 022 (最 大 正 偏 差发 生 在 5 月 1 日 )和 142 (最 大 负 偏 差 发 生 在 10 月 9 日 )之 间 ， 如 图3 所 示 。表 1-1 给 出 一 年 12 个 月 中 每 隔 4 天 的 太 阳 赤 纬 值 。 进 行 拉 格 朗 日 线 性插 值 ， 即 可

14、得 到 太 阳 能 工 程 计 算 所 要 求 的 准 确 到 0.5以 内 的 精 确 值 ， 并且 这 些 数 据 的 逐 年 变 化 一 般 可 以 忽 略 不 计 。其 具 体 插 值 方 法 ， 以 第 一 个 月 为 例 ， 设 第 一 天 的 赤 纬 度 为 s(1) = -23.1， 第 五 天 为 s(5) = -22.7， 第 九 天 为 s(9) = -22.2， 第 十 三 天 为 s(13) = -21.6， 第 十 七 天 为 s(17) = -20.9， 第 二 十 一 天 为 s(21) = -20.1， 第 二 十 五天 为 s(25) = -19.2， 第

15、二 十 九 天 s(29) = -18.2， 每 月 的 第 几 天 用 参 数 v 表示 。当 1 v 9 时 ， 设 a0 = 1， a1 = 5， a2 = 9由 l0 = (v - a1) * (v - a2) / (a0 - a1) * (a0 - a2)l1 = (v - a0) * (v - a2) / (a1 - a0) * (a1 - a2)l2 = (v - a0) * (v - a1) / (a2 - a0) * (a2 - a1) = l0 * s(1) + l1 * s(5) + l2 * s(9)当 10 v 17 时 ， 设 a0 = 9， a1 = 13， a2

16、 = 17由 l0 = (v - a1) * (v - a2) / (a0 - a1) * (a0 - a2)l1 = (v - a0) * (v - a2) / (a1 - a0) * (a1 - a2)l2 = (v - a0) * (v - a1) / (a2 - a0) * (a2 - a1)得 = l0 * s(9) + l1 * s(13) + l2 * s(17)当 18 v 25 时 ， 设 a0 = 17， a1 = 21， a2 = 25由 l0 = (v - a1) * (v - a2) / (a0 - a1) * (a0 - a2)l1 = (v - a0) * (v

17、- a2) / (a1 - a0) * (a1 - a2)l2 = (v - a0) * (v - a1) / (a2 - a0) * (a2 - a1)得 = l0 * s(17) + l1 * s(21) + l2 * s(25)当 v 25 时 ， 设 a0 = 21， a1 = 25， a2 = 29由 l0 = (v - a1) * (v - a2) / (a0 - a1) * (a0 - a2)l1 = (v - a0) * (v - a2) / (a1 - a0) * (a1 - a2)l2 = (v - a0) * (v - a1) / (a2 - a0) * (a2 - a1

18、)得 = l0 * s(21) + l1 * s(25) + l2 * s(29)其 中 ： 为 太 阳 的 赤 纬 角 ；同 理 ， 其 他 月 份 也 可 以 同 样 方 法 求 得 太 阳 赤 纬 角 。表 4- 1 太 阳 赤 纬 值月份日期赤 纬度 值月份日期赤 纬度 值月份日期赤 纬度 值11591317212529-23422 4222 1321 3720 5420 519 918 8215913172125-171916 1014 5513 3712 1510 509 2331591317212529-7536 214 483 141 300 5+1 303 441591317

19、212529+4145 467 178 4610 1211 3512 2614 1351591317212529+145016 217 918 1119 920 220 4921 3061591317212529+215722 2822 5223 1023 2223 2723 2523 1771591317212529+231022 5222 2821 5721 2120 3819 5018 5781591317212529+181417 1217 614 5513 4112 2311 29 3991591317212529+8357 75 374 62 341 1-0 322 6101591

20、3172125-2534 265 587 298 5810 2511 501115913172125-141115 2716 3817 4518 4819 4520 361215913172125-214122 1622 4522 4523 2023 2623 2529 13 12 29 21 21 29 23 17（ 2） 太 阳 的 时 角 。设 某 地 的 太 阳 时 角 Hs：Hs=Hls E/60（ Lsm Llso） /15 （ 2） 其 中 ： Hls 为 地 面 观 察 点 所 在 地 区 的 标 准 时 间 ， 我 国 为 北 京 时 间 ；Llso 为 地 面 观 察 点

21、所 在 地 区 所 对 应 的 经 度 ， 合 肥 经 度 为 117.27；Lsm 为 制 定 标 准 时 间 所 对 应 的 经 度 ， 北 京 时 间 取 经 度 为 东 经 120；E 为 地 球 公 转 引 起 的 Hs 和 钟 表 时 H（ 等 于Hls E/60（ Lsm Llso） /15） 之 间 的 修 正 值 ，E=9.87sin2B 7.53cosB 1.5sinB， 式 中 ： B=360（ n 81） /364， 其 中 n为 所 求 日 期 在 一 年 中 第 几 天 的 排 序 数 ， 1 月 1 日 为 第 一 天 ；最 后 一 项 东 半 球 取 “ ”，

22、西 半 球 取 “ ”， 我 国 为 东 半 球 取 “ ”。太 阳 的 时 角 定 义 为 ： 在 正 午 时 0， 每 隔 一 小 时 增 加 15， 上 午为 正 ， 下 午 为 负 。 即 15（ 12 Hs） （ 3）3 太 阳 高 度 角 、 方 位 角 计 算 ：太 阳 高 度 角 的 计 算 表 达 式 为 ：sin+coscoscos （ 4）sihh=90 太 阳 方 位 角 计 算 表 达 式 为 ：cos= （ 5）coshini式 中 ： 地 理 纬 度 ； 太 阳 赤 纬 ； 太 阳 时 角 。根 据 地 理 纬 度 太 阳 赤 纬 及 观 测 时 间 ， 利 用 上 两 式 可 以 求 出 任 何 地 区 、任 何 季 节 某 一 时 刻 的 太 阳 高 度 角 和 方 位 角 。 即 确 定 了 太 阳 的 位 置 ， 通 过驱 动 电 机 使 跟 踪 器 跟 踪 太 阳 位 置 。