太阳的视运动与跟踪

太阳的视运动与跟踪

The Sun's Apparent Motion and Tracking

太阳的视运动

无论那一种太阳能利用装置的安装与使用都要考虑太阳的方位与运动，特别是聚光太阳能集热装置必须对准太阳才可能获得太阳能，本节先简介太阳视运动的基本规律再介绍聚光太阳能集热装置如何跟踪太阳实现聚光集热。 我们站在大地上看到太阳从东方升起，经过天空再到西方降落，这本是地球自转形成的现象，为分析方便我们假设太阳是绕我们作圆周运动，称之为视运动。下面是太阳视运动动画，绿色平面是我们所在位置的地平面，O点是我们的观察点，通过该点作东西方向与南北方向两条直线、通过O点作一条与地球自转轴平行的地轴线（浅蓝色线），显然这是北回归线以北的地点，通过地轴线与南北线的平面是垂直于地面的；太阳是绕地轴线运动的，运动轨迹在与地轴线垂直的平面上，是以地轴为圆心的圆（红色的大圆）。

动画1  太阳视运动动画

下图是太阳的视运动图，与动画相似，地轴线与南北线之间的夹角φ等于O点所在地的纬度。在图中绘有三个轨迹圆，中间的轨迹圆是春分或秋分时的太阳视运动轨迹，太阳从正东方升起在正西方落下，此时正午太阳与地面的夹角α2为90度减去φ；左边的轨迹圆是夏季的太阳视运动轨迹，早上太阳从东偏北方向升起，晚上太阳从西偏北方向落下，中午的太阳较春分时高，正午太阳与地面的夹角α1大于α2；右边的轨迹圆是冬季的太阳视运动轨迹，早上太阳从东偏南方向升起，晚上太阳从西偏南方向落下，中午的太阳较春分时低，正午太阳与地面的夹角α3小于α2。

图1  太阳的视运动图

太阳在空中的具体位置是用高度角与方位角来标注的，下图是太阳角示意图，图中大圆是夏季我们在O点看到的太阳视运动轨迹，在轨迹上的数字6至18标注了从早上6点钟至下午18点钟的太阳位置。 太阳高度角是O点指向太阳的向量S与地面的夹角α，图中正午12时的太阳高度角是S2与地面的夹角α2；上午10时的太阳高度角是S1与地面的夹角α1；下午15时的太阳高度角是S3与地面的夹角α3。 太阳方位角是向量S在地面的投影线与南北方向线间的夹角γ，图中正午12时的太阳方位角是S2的投影线与南北方向线间的夹角，该角为0；上午10时的太阳方位角是S1的投影线与南北方向线间的夹角γ1；下午15时的太阳方位角是S3的投影线与南北方向线间的夹角γ3。 方位角以正南方向为0度，由南向东转为负值，由南向西转为正值，如太阳在正东方，方位角为-90度，在正东北方时，方位为-135度，在正西南方时方位角为45度， 直到在正北方合在±180度。 由于随着季节变化太阳轨迹圆在地轴线上的位置在不停变化，严格说每天同一时刻太阳的高度角与方位角都是不同的。

图2  太阳角示意图

视日跟踪法

通过太阳在天空中的位置计算来控制跟踪的方法称为视日跟踪法。在结构上常采用地平坐标系跟踪与极轴式跟踪两种方式。    地平坐标系跟踪是通过太阳的高度角与方位角来寻找太阳的位置，在需要跟踪太阳的太阳能装置安装两根转轴，一根垂直于地面用来调整方位角称方位轴，另一根与地面平行用来调整高度角称俯仰轴，这种跟踪方式也称为双轴跟踪方式。通过计算机算出每天每时的太阳的高度角与方位角即可对准太阳。由于太阳的高度角与方位角都在不停变化，所以两个轴都要不停的转动才能对准太阳。    极轴式跟踪是一种较简便的跟踪方法，我们观察到向量S与地轴线的夹角β在一天内几乎不变，在下图中显示了太阳在9时、12时、17时的夹角β1、β2、β3，三个夹角在一天内相差很小，夹角β一年的变化范围是正23度27分至负23度27分一个来回，每天最大变化不超过0.5度。把需要跟踪太阳的太阳能装置的转轴平行于地轴线，称为极轴，这样只需按每小时15度绕极轴匀速转动即可跟踪太阳，每天只需微调一下夹角β即可，对要求不高的场合可几日调一下夹角β。由于主要的运动是绕极轴转动故也称为单轴跟踪。

图3  极轴式跟踪示意图

视日跟踪是开环控制，控制数据由计算产生，要求太阳能装置定位非常准确、运转机构要精密、基座要稳定牢固。

传感器跟踪

传感器跟踪也就是光电跟踪，在太阳能装置上安装光电传感器，其轴线与太阳能装置的聚焦轴线平行，光电传感器检测太阳光方向是否偏离传感器轴线，当太阳光发生偏离时，传感器就发出偏差信号，计算机根据此偏差信号控制执行机构，使太阳能装置重新对准太阳光聚焦。传感器跟踪属闭环控制，传感器跟踪的灵敏度高，可做到较高的跟踪精度，但有云和阴雨天无法进行跟踪，往往要配合视日跟踪共同控制。

旋转抛物面集热器的跟踪

旋转抛物面集热器属点状接收器的集热器，在许多应用中采用较高的聚光比，要求有准确的跟踪，多采用视日跟踪与传感器跟踪双重控制、并采用双轴跟踪结构。  下图是一个旋转抛物面集热器的轴结构示意图，在支座上端穿有主转轴，主转轴与地轴平行；在主转轴上有俯仰转轴支架，俯仰转轴与主转轴垂直；旋转抛物面镜背面固定有支撑件，通过俯仰转轴与俯仰转轴支架连接。

图4  旋转抛物面集热器

旋转抛物面集热器绕主转轴转动即可跟踪太阳，俯仰转轴以修正太阳轨道位置，它基本上是一套单轴结构系统，若实时修正太阳的轨道位置同样可达到高精度跟踪。对聚光比较低的太阳能装置可每日修正一次。 下面是旋转抛物面集热器跟踪太阳的动画

动画2  旋转抛物面集热器转动的动画

对于圆形菲涅耳透镜聚光集热器等点状接收器的集热器也是采用同样的控制方法。

槽式太阳能集热器的跟踪

槽式太阳能集热器由于其特殊结构有几种不同的跟踪方式。

极轴式跟踪

槽式太阳能集热器由于较长，其主转轴与槽镜柱面平行，主转轴与地轴平行安装，在下面动画中槽镜背面的蓝线是主转轴线，下面绿色地面上的绿线是南北方向线，与槽镜垂直的蓝线是槽形抛物面中心法线，红色大圆是太阳视轨迹，红色圆柱是接收器，镜面上绿色与黄色线是太阳光线。动画演示了极轴式跟踪槽式太阳能集热器从上午到下午跟踪太阳光的运动。

动画3  极轴式跟踪动画

集热器绕主转轴转动就可以跟踪太阳，由于槽镜与春秋分时的太阳光垂直，其他时间偏差也不大，可获得最多的太阳光，在纬度低的地方尤其明显。但其槽镜长度受到限制，短的槽镜使集热管的活动接头大量增加，结构复杂成本高，实际上很少应用。

南北向布置

槽式太阳能集热器主转轴与槽镜柱面平行，主转轴按南北方向安装并与地面平行，在下面动画中槽镜背面的蓝线是主转轴线，下面绿色地面上的绿线是南北方向线，与槽镜垂直的蓝线是槽形抛物面中心法线，红色大圆是太阳视轨迹，蓝色大圆是与主转轴垂直的平面（也与地面垂直），红色圆管是接收器，镜面上绿色与黄色线是太阳光线。动画演示了南北向槽式太阳能集热器从上午到下午跟踪太阳光的运动。

动画4  南北方向布置的跟踪动画

南北向槽式太阳能集热器平行于地面安装，可使用较长的槽镜与集热管，管间连接也方便，适合建造大型的太阳能场，由于平行与地面，在纬度较高的地区太阳较低，对太阳能的接受也就少了一些，但在低纬度地区就好很多。

东西向布置

槽式太阳能集热器按东西方向布置，在下面动画中绿色地面上的绿线是东西方向线，红色大圆是太阳轨迹的平面，与槽镜垂直的蓝线是槽形抛物面中心法线，它在太阳轨迹的平面上，红色圆管是接收器，镜面上绿色与黄色线是太阳光线。

动画5  东西方向布置的跟踪动画

当太阳从东方到西方均可把太阳光聚集到集热管上，只不过只有正午时才是垂直于槽镜面，所获太阳能最多，在上午与下午由于阳光斜射，所获太阳能要少些，在早上与晚上，虽有阳光但能得到的太阳能很小，这是它最大的缺点。在槽镜背面也有转轴，仅用于定时调整槽镜的俯仰角。东西方向布置的槽式太阳能集热器调整简单，调整量也小，几乎一整天只需微调一次即可，结构与调整简单是最大的优点。