【文章內(nèi)容簡介】 保持聚光器的主光軸始終與太陽入射光線平行，就必須掌握太陽的運動規(guī)律。眾所周知，到達(dá)地球上的太陽輻射能隨季節(jié)、時刻、地球緯度的不同而變化，要掌握它的變化規(guī)律，就必須從地球與太陽的運動入手。 地球的運動規(guī)律 （ 1）地球的自轉(zhuǎn)和太陽時 地球繞著地州不斷自轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)一周，即經(jīng)度 360度，形成一晝夜 。一晝夜分為 24小時，所以地球每小時自轉(zhuǎn) 15度。 時間的計量室以地球自轉(zhuǎn)周期為依據(jù)的，地球每天自轉(zhuǎn)一周，計 24太陽時。太陽時和鐘表指示的時間是有差別的。在以后導(dǎo)出的太陽角度公式中，涉及的時間都是當(dāng)?shù)靥枙r，它的特點是午時（中午 12點）陽關(guān)正好通過當(dāng)?shù)刈游缇€，即在空中最高點處，它與日常使用的標(biāo)準(zhǔn)時間比不一致。下面首先介紹一下太陽時與鐘表的換算。 鐘表所指示的時間也稱為平太陽時（簡稱平時），它與真太陽時的之差叫做時差 E 。計 算如下 : ?????E （ 21） 式中 ?? 太陽時（分）； ? 平太陽時（分）。 根據(jù)國際協(xié)議規(guī)定，格林威治天文臺所在子午線處的平太陽時作為世界時間的標(biāo)準(zhǔn)，叫做世界時。我國采用 東經(jīng) 120 度經(jīng)圈上的平太陽時作為全國的標(biāo)準(zhǔn)時間，即“北京時間”。 用北京時間表示的某一經(jīng)度地區(qū)的平太陽時，可用下式表示： 小時標(biāo)準(zhǔn)時間 ) / 1 5L(L l o cst??? （ 22） 即 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 共 34 頁 分北京時間 )120(4 lo cL???? （ 23） stL 制定標(biāo)準(zhǔn) 時間采用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度，（ 176。）； locL 當(dāng)?shù)亟?jīng)度，（ 176。） 。 所在地點在東半球取負(fù)號，西半球取正號。 由式（ 21）和式（ 23）得 : ）（北京時 locL1204E ????? （ 24） 轉(zhuǎn)換過程中考慮了兩項修正，第一項 E 是地球饒日公轉(zhuǎn)時進(jìn)動和轉(zhuǎn)速變化而產(chǎn)生的修正，時差 E 以分為單位，可按下式計算： BBBE s o ??? （ 25） 364 )81(360 ?? nB （ 26） n為所求日期在一年中的日子數(shù)， 1? n? 365。 第二項是考慮所在地區(qū)的經(jīng)度 locL 與制定標(biāo)準(zhǔn)時間的經(jīng)度（我國定為東經(jīng) 120176。 ）之差所產(chǎn)生的修正。 地球繞太陽的運行規(guī)律 貫穿地球中心與南北相連的線稱為地軸。地球除了繞地軸自轉(zhuǎn)外，還繞著太陽循著偏心率得小得橢圓形軌道（通常稱為黃道）上運行，稱為公轉(zhuǎn)，運行周期為一年。橢圓的偏心率不大， 1月 1日近日點時，日地距離為 ， 7月 1日遠(yuǎn)日點時 ，相差約為 3%.地球自轉(zhuǎn)軸與橢圓軌道（黃道平面）的夾角為 66176。 3339。，該軸在空間的方向始終不變，因而赤道平面與黃道平 面的夾角為 23176。 2739。.但底薪與太陽中心的連線（及午時太陽光線）與地球赤道平面的夾角是一個以一年為周期變化的量，它的變化范圍為 ? 23176。2739。，這個角就是太陽赤緯角。赤緯角時地球繞日運行規(guī)律造成的特殊現(xiàn)象，它使處于黃道平面不同位置上的地球守到的太陽光線方向不同，從而形成地球四季的變化。北半球夏至（ 6月 22日）即南半球冬至，太陽光線正射北回歸線 ? =23176。 2739。；北半球冬至（ 12月 22日）即南半球夏至，太陽光正射南回歸線， ? =23176。 2739。；春分及秋分太陽正射赤道，赤緯角都為零，地球南、北半球日夜相等。 中高溫太陽能熱系統(tǒng)測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究 第 10 頁 共 34 頁 天球坐標(biāo) 所謂天球，就是人們站在地球表面上，仰望星空，在平視四周時看到的這個假想球面。根據(jù)相對運動原理，太陽好像在這個球面上周兒復(fù)始地運動一樣，若要確定太陽在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐標(biāo)。最常用的天球坐標(biāo)系是赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系。 （ 1） 太陽高度角、方位角 太陽的位置可以用兩個坐標(biāo)來表示 , 即太陽高度角和方位角。太陽高度角是太陽光線與地平面的夾角。太陽方位角是太陽光線在地面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角。子午線是指通過當(dāng)?shù)氐慕?jīng)線 ,即正南方和正北方的連線。 圖 21高度角、方位角示意圖 （ 2）赤道坐標(biāo)系 這是天赤道 為基本園，以天赤道和天子午圈的交點 Q為原點的天球坐標(biāo)系。圖 22中， P、 P39。分別為北天極和南天極。通過 PP39。的大圓都垂直于天赤道。顯然通過 P和球面上的太陽（點）的半圓也垂直于天赤道，兩者相交于 B點。 在赤道坐標(biāo)系中，太陽的位置由下列兩個坐標(biāo)決定： 第一個坐標(biāo)是圓弧 QB，通常稱為時角，用 ?表示。時角從天子午圈上的 Q點起草，即從太陽時正午起草，順時針方向為正，逆時針方向為負(fù)，就是上午為負(fù)，下午為正。它的數(shù)值等于離正午的時間（小時）乘以 15176。. 第二個坐標(biāo)時圓弧，叫做赤緯，用表示。赤緯從天赤道起算起。對于太陽來說，向北天極由春分、秋分日的 0 176。變化到夏至的正 23176。2739。；向南天極由春分、秋分日的 0176。變化華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 共 34 頁 到冬至的負(fù) 23176。2739。 太陽赤緯角 ? 可由 Cooper方程近似地計算： )365284360s in ( 0 n???? （ 27） 式中 n 是所求日期在一年中的日子數(shù)。 表 21 給出了各月每隔 4 天的赤緯值。太陽赤緯年際間變化很小，在太陽能應(yīng)用的計算中可以忽略不計。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 + + + + + + 5 + + + + + + 9 + + + + + + 13 + + + + + + 17 + + + + + + 21 + + + + + + 25 + + + + + + 29 + + + + + + 表 21太陽赤緯度 （ 2) 地平坐標(biāo)系 通過天球球心 O作一直線和觀測點鉛垂線平行，并與天球相交于 Z和 Z39。， Z點叫做天頂， Z39。點叫做天底。通過球心 O與 ZZ39。相垂直的平面在天球上所截出的大圓，叫做真地平。地平坐標(biāo)系就是以真地平為基本園，以南點 S為原點的天球坐標(biāo)系。見圖 23，天頂是基本的極，所有經(jīng)過天頂?shù)拇髨A都垂直于地平面，兩者相交與 M點。在地平坐標(biāo)系中，太陽 ?S 的位置由下列兩個坐標(biāo)確定： 第一個坐標(biāo)是天頂距離，即圓弧 ?ZS ，或天頂角 ?ZOS? ，用 z? 表示，也可用太陽的地平高度（簡稱“太陽高度”）表示，即圓弧 MS? 或中心 角 OMS?? 記作 s? 。天頂距和太陽高度有下列關(guān)系： 90?? sz ?? 176。 （ 28） 第二個坐標(biāo)時方位角，即圓弧 SM ，用 s? 。取南點 S為起點，向西（順時針方向）中高溫太陽能熱系統(tǒng)測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究 第 12 頁 共 34 頁 為正，向東為負(fù)。 圖 22 赤道坐標(biāo) 圖 23 地平坐標(biāo) 太陽能成像原理 聚光集熱器是利用太陽的直射輻射，經(jīng)聚光器反射到吸收器上成像。太陽本身是一個表面溫度為 6000K 左右的大火球，盡管太陽距離地球很遠(yuǎn)，但對地球來說，太陽并非點光源，而是一個球體。所以對地球上任意一點，入射太陽光之間具有一個很小的夾角?2 ，通常稱為太陽張角。其幾何示意如圖 24所示： 圖 24 太陽與地球之間的幾何關(guān)系 已知太陽直徑為 ? km，地球與太陽之間的平均距離為 ? km，根據(jù)圖 24 所示的幾何關(guān)系，求得太陽張角 ?2 。 0 0 4 6 in 8 5 ????? （ 29） 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 共 34 頁 16??? 39。 這就是說，太陽的直射輻射是以 39。32 的太陽張角入射到地球表面。這是分析一切聚光集熱器光熱性能的一個重要物理量。 太陽集熱器作用是在吸收器上形成一個太陽像，通常這個太 陽像是不清楚的。由于太陽光線具有 3239。的張角，所以太陽集熱器產(chǎn)生的太陽像是一個有限的尺寸，主要決定于光學(xué)系統(tǒng)本身的幾何形狀和尺寸。 理想的拋物面鏡 AOC，如圖 25所示，它能將平行與鏡面光軸的光線會聚一點 F。 F為該拋物面鏡的焦點， B為開口寬度， OF為焦距 f。由于實際的陽光并非平行光。所以太陽光經(jīng)拋物面鏡聚集后，不是一個點而是一個焦斑區(qū)域，如圖 26所示。 圖 25 理想拋物面鏡面的光學(xué)特性 中高溫太陽能熱系統(tǒng)測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究 第 14 頁 共 34 頁 圖 26 太陽光在理想拋物鏡面上的實際聚集情況 為了便于進(jìn)行分析，由圖 26截取一部分，表示于圖 27： 圖 27 理想拋物鏡面形成的理想太陽像 具有 3239。張角的太陽光入射到理想拋物面鏡上的一點（ x,y），按照反射定律，以點（ x,y）與焦點的連線為光軸。拋物線方程式為 fxy 42? ，對鏡面上的任何一點（ x,y），反射到焦點上的理論太陽像的尺寸是： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 共 34 頁 16tan2RW ? 39。 （ 210） 式中 R鏡面上的一點與焦點之間的距離， 其數(shù)值隨不同的反射點而不同。對任一拋物線，有 ?cosRfx ?? ， ?sinRy? ，從而?cos1 16tan2 ?? 39。fR。代入（ 210）式，求得 ?cos1 39。16tan4 ?? fW （ 211） 式中 ? 位置角，即任意一點的反射光軸與鏡面主光軸之間的夾角。其數(shù)值由 ? =0176。到? = max? ， max? 稱為拋物線的的邊緣角。 由 （ 211） 式可以 看到，焦距 f 決定了太陽像的大小，而開口寬度 B決定入射能量的多少。 槽式集熱器性能分析 （ 1）集熱器的聚光比 集熱器的聚光比是表示聚光系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。它說明自然陽光經(jīng)過集熱器的聚光總用后，能量密度可能提高的倍數(shù)。 聚光比按其定義不同分為幾何聚光比 GC 和能量聚光比 EC 。幾何聚光比 GC 定義為聚光器接受自然陽光的開口面積 bA 與接受面積 rA 之比。即rbG AAC ? 。 一般來說，幾何聚光比越高，可能達(dá)到的聚光溫度也越高，成本也越高。幾何聚光比代表集熱器一種幾何尺寸上 的概念，并不能用于吸收器的傳熱計算。因為按照一般熱彎工藝加工的曲面鏡總是存在著鏡面誤差。在實際的曲面鏡中，由于不同的鏡面誤差，其最終結(jié)果將使入射到集熱器開口面積上的直射太陽輻射不能全部反射到吸收器上。因此，在集熱器的性能分析中，就有一個區(qū)別于幾何聚光比的新概念 —— 能量聚光比 EC ，定義為吸收器上接受的平均能量密度 rI 與入射的直射太陽輻射強度 bI 之比，即rbE IIC? 。在一切情況下，對所有的聚光器， EG CC? 。只有理想的聚光器 EG CC? 。一般情況下，可表示為如下關(guān)系式 中高溫太陽能熱系統(tǒng)測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究 第 16 頁 共 34 頁 GopE CC ?? （ 212） 式中 op? 為光學(xué)效率， ????? ?op ? 聚光器的鏡面反射率 ?? 吸收器透明罩的透過率與吸收器吸收率得 乘積 ? 吸收器的光學(xué)采集因子 （ 2） 旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的聚光性能 圖 28表示典型的旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的光路分析。在這種聚光系統(tǒng)中，有一個重要的參數(shù)是口徑比 D，定義為開口直徑 B與焦距之間的比值，即fBD?。拋物面反射鏡的聚光比主要決定與口徑比，與吸收器的形狀也有一定的關(guān)系。 圖 28 旋轉(zhuǎn)拋物鏡面和圓板吸收器的光路分析 當(dāng)吸收器為 圓盤平板時，其幾何聚光比為： 22224141dBdBCG ???? （ 213） 由聚光比最大來確定集熱器的張角 ? 、直徑 B和吸收器直徑 d。由圖 28可得： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁 共 34 頁 39。16sinlr? （ 214） )39。16co s ()co s1( 39。16s i n2)39。16co s ( 39。16s i n)39。16co s ( ??????? ???? flrR （ 215） 吸收器的