太阳能追踪-毕业设计论文(编辑修改稿)

太阳能追踪-毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

保持聚光器的主光轴始终与太阳入射光线平行，就必须掌握太阳的运动规律。 众所周知，到达地球上的太阳辐射能随季节、时刻、地球纬度的不同而变化，要掌握它的变化规律，就必须从地球与太阳的运动入手。 地球的运动规律 （ 1）地球的自转和太阳时 地球绕着地州不断自转，自转一周，即经度 360度，形成一昼夜。 一昼夜分为 24小时，所以地球每小时自转 15度。 时间的计量室以地球自转周期为依据的，地球每天自转一周，计 24太阳时。 太阳时和钟表指示的时间是有差别的。 在以后导出的太阳角度公式中，涉及的时间都是当地太阳时，它的特点是午时（中午 12点）阳关正好通过当地子午线，即在空中最高点处，它与日常使用的标准时间比不一致。 下面首先介绍一下太阳时与钟表的换算。 钟表所指示的时间也称为平太阳时（简称平时），它与真太阳时的之差叫做时差 E。 计 算如下 : E （ 21） 式中  太阳时（分）；  平太阳时（分）。 根据国际协议规定，格林威治天文台所在子午线处的平太阳时作为世界时间的标准，叫做世界时。 我国采用 东经 120 度经圈上的平太阳时作为全国的标准时间，即“北京时间”。 用北京时间表示的某一经度地区的平太阳时，可用下式表示： 小时标准时间 ) / 1 5L(L l o cst （ 22） 即 华北科技学院毕业设计（论文） 第 9 页 共 34 页 分北京时间 )120(4 lo cL （ 23） stL 制定标准 时间采用的标准经度，（ 176。 ）； locL 当地经度，（ 176。 ）。 所在地点在东半球取负号，西半球取正号。 由式（ 21）和式（ 23）得 : ）（北京时 locL1204E  （ 24） 转换过程中考虑了两项修正，第一项 E 是地球饶日公转时进动和转速变化而产生的修正，时差 E 以分为单位，可按下式计算： BBBE s o  （ 25） 364 )81(360  nB （ 26） n为所求日期在一年中的日子数， 1 n 365。 第二项是考虑所在地区的经度 locL 与制定标准时间的经度（我国定为东经 120176。 ）之差所产生的修正。 地球绕太阳的运行规律 贯穿地球中心与南北相连的线称为地轴。 地球除了绕地轴自转外，还绕着太阳循着偏心率得小得椭圆形轨道（通常称为黄道）上运行，称为公转，运行周期为一年。 椭圆的偏心率不大， 1月 1日近日点时，日地距离为 ， 7月 1日远日点时 ，相差约为 3%.地球自转轴与椭圆轨道（黄道平面）的夹角为 66176。 3339。 ，该轴在空间的方向始终不变，因而赤道平面与黄道平 面的夹角为 23176。 2739。 .但底薪与太阳中心的连线（及午时太阳光线）与地球赤道平面的夹角是一个以一年为周期变化的量，它的变化范围为  23176。 2739。 ，这个角就是太阳赤纬角。 赤纬角时地球绕日运行规律造成的特殊现象，它使处于黄道平面不同位置上的地球守到的太阳光线方向不同，从而形成地球四季的变化。 北半球夏至（ 6月 22日）即南半球冬至，太阳光线正射北回归线  =23176。 2739。 ；北半球冬至（ 12月 22日）即南半球夏至，太阳光正射南回归线，  =23176。 2739。 ；春分及秋分太阳正射赤道，赤纬角都为零，地球南、北半球日夜相等。 中高温太阳能热系统测试系统关键技术的研究 第 10 页 共 34 页 天球坐标 所谓天球，就是人们站在地球表面上，仰望星空，在平视四周时看到的这个假想球面。 根据相对运动原理，太阳好像在这个球面上周儿复始地运动一样，若要确定太阳在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐标。 最常用的天球坐标系是赤道坐标系和地平坐标系。 （ 1） 太阳高度角、方位角 太阳的位置可以用两个坐标来表示 , 即太阳高度角和方位角。 太阳高度角是太阳光线与地平面的夹角。 太阳方位角是太阳光线在地面上的投影与当地子午线的夹角。 子午线是指通过当地的经线 ,即正南方和正北方的连线。 图 21高度角、方位角示意图 （ 2）赤道坐标系 这是天赤道 为基本园，以天赤道和天子午圈的交点 Q为原点的天球坐标系。 图 22中， P、 P39。 分别为北天极和南天极。 通过 PP39。 的大圆都垂直于天赤道。 显然通过 P和球面上的太阳（点）的半圆也垂直于天赤道，两者相交于 B点。 在赤道坐标系中，太阳的位置由下列两个坐标决定： 第一个坐标是圆弧 QB，通常称为时角，用 表示。 时角从天子午圈上的 Q点起草，即从太阳时正午起草，顺时针方向为正，逆时针方向为负，就是上午为负，下午为正。 它的数值等于离正午的时间（小时）乘以 15176。 . 第二个坐标时圆弧，叫做赤纬，用表示。 赤纬从天赤道起算起。 对于太阳来说，向北天极由春分、秋分日的 0 176。 变化到夏至的正 23176。 2739。 ；向南天极由春分、秋分日的 0176。 变化华北科技学院毕业设计（论文） 第 11 页 共 34 页 到冬至的负 23176。 2739。 太阳赤纬角  可由 Cooper方程近似地计算： )365284360s in ( 0 n （ 27） 式中 n 是所求日期在一年中的日子数。 表 21 给出了各月每隔 4 天的赤纬值。 太阳赤纬年际间变化很小，在太阳能应用的计算中可以忽略不计。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 + + + + + + 5 + + + + + + 9 + + + + + + 13 + + + + + + 17 + + + + + + 21 + + + + + + 25 + + + + + + 29 + + + + + + 表 21太阳赤纬度 （ 2) 地平坐标系 通过天球球心 O作一直线和观测点铅垂线平行，并与天球相交于 Z和 Z39。 ， Z点叫做天顶， Z39。 点叫做天底。 通过球心 O与 ZZ39。 相垂直的平面在天球上所截出的大圆，叫做真地平。 地平坐标系就是以真地平为基本园，以南点 S为原点的天球坐标系。 见图 23，天顶是基本的极，所有经过天顶的大圆都垂直于地平面，两者相交与 M点。 在地平坐标系中，太阳 S 的位置由下列两个坐标确定： 第一个坐标是天顶距离，即圆弧 ZS ，或天顶角 ZOS ，用 z 表示，也可用太阳的地平高度（简称“太阳高度”）表示，即圆弧 MS 或中心 角 OMS 记作 s。 天顶距和太阳高度有下列关系： 90 sz  176。 （ 28） 第二个坐标时方位角，即圆弧 SM ，用 s。 取南点 S为起点，向西（顺时针方向）中高温太阳能热系统测试系统关键技术的研究 第 12 页 共 34 页 为正，向东为负。 图 22 赤道坐标 图 23 地平坐标 太阳能成像原理 聚光集热器是利用太阳的直射辐射，经聚光器反射到吸收器上成像。 太阳本身是一个表面温度为 6000K 左右的大火球，尽管太阳距离地球很远，但对地球来说，太阳并非点光源，而是一个球体。 所以对地球上任意一点，入射太阳光之间具有一个很小的夹角2 ，通常称为太阳张角。 其几何示意如图 24所示： 图 24 太阳与地球之间的几何关系 已知太阳直径为  km，地球与太阳之间的平均距离为  km，根据图 24 所示的几何关系，求得太阳张角 2。 0 0 4 6 in 8 5  （ 29） 华北科技学院毕业设计（论文） 第 13 页 共 34 页 16 39。 这就是说，太阳的直射辐射是以 39。 32 的太阳张角入射到地球表面。 这是分析一切聚光集热器光热性能的一个重要物理量。 太阳集热器作用是在吸收器上形成一个太阳像，通常这个太 阳像是不清楚的。 由于太阳光线具有 3239。 的张角，所以太阳集热器产生的太阳像是一个有限的尺寸，主要决定于光学系统本身的几何形状和尺寸。 理想的抛物面镜 AOC，如图 25所示，它能将平行与镜面光轴的光线会聚一点 F。 F为该抛物面镜的焦点， B为开口宽度， OF为焦距 f。 由于实际的阳光并非平行光。 所以太阳光经抛物面镜聚集后，不是一个点而是一个焦斑区域，如图 26所示。 图 25 理想抛物面镜面的光学特性 中高温太阳能热系统测试系统关键技术的研究 第 14 页 共 34 页 图 26 太阳光在理想抛物镜面上的实际聚集情况 为了便于进行分析，由图 26截取一部分，表示于图 27： 图 27 理想抛物镜面形成的理想太阳像 具有 3239。 张角的太阳光入射到理想抛物面镜上的一点（ x,y），按照反射定律，以点（ x,y）与焦点的连线为光轴。 抛物线方程式为 fxy 42 ，对镜面上的任何一点（ x,y），反射到焦点上的理论太阳像的尺寸是： 华北科技学院毕业设计（论文） 第 15 页 共 34 页 16tan2RW  39。 （ 210） 式中 R镜面上的一点与焦点之间的距离， 其数值随不同的反射点而不同。 对任一抛物线，有 cosRfx  ， sinRy ，从而cos1 16tan2  39。 fR。 代入（ 210）式，求得 cos1 39。 16tan4  fW （ 211） 式中  位置角，即任意一点的反射光轴与镜面主光轴之间的夹角。 其数值由  =0176。 到 = max ， max 称为抛物线的的边缘角。 由 （ 211） 式可以 看到，焦距 f 决定了太阳像的大小，而开口宽度 B决定入射能量的多少。 槽式集热器性能分析 （ 1）集热器的聚光比 集热器的聚光比是表示聚光系统性能的重要参数。 它说明自然阳光经过集热器的聚光总用后，能量密度可能提高的倍数。 聚光比按其定义不同分为几何聚光比 GC 和能量聚光比 EC。 几何聚光比 GC 定义为聚光器接受自然阳光的开口面积 bA 与接受面积 rA 之比。 即rbG AAC 。 一般来说，几何聚光比越高，可能达到的聚光温度也越高，成本也越高。 几何聚光比代表集热器一种几何尺寸上 的概念，并不能用于吸收器的传热计算。 因为按照一般热弯工艺加工的曲面镜总是存在着镜面误差。 在实际的曲面镜中，由于不同的镜面误差，其最终结果将使入射到集热器开口面积上的直射太阳辐射不能全部反射到吸收器上。 因此，在集热器的性能分析中，就有一个区别于几何聚光比的新概念 —— 能量聚光比 EC ，定义为吸收器上接受的平均能量密度 rI 与入射的直射太阳辐射强度 bI 之比，即rbE IIC。 在一切情况下，对所有的聚光器， EG CC。 只有理想的聚光器 EG CC。 一般情况下，可表示为如下关系式 中高温太阳能热系统测试系统关键技术的研究 第 16 页 共 34 页 GopE CC  （ 212） 式中 op 为光学效率，  op  聚光器的镜面反射率  吸收器透明罩的透过率与吸收器吸收率得 乘积  吸收器的光学采集因子 （ 2） 旋转抛物面反射镜的聚光性能 图 28表示典型的旋转抛物面反射镜的光路分析。 在这种聚光系统中，有一个重要的参数是口径比 D，定义为开口直径 B与焦距之间的比值，即fBD。 抛物面反射镜的聚光比主要决定与口径比，与吸收器的形状也有一定的关系。 图 28 旋转抛物镜面和圆板吸收器的光路分析 当吸收器为 圆盘平板时，其几何聚光比为： 22224141dBdBCG  （ 213） 由聚光比最大来确定集热器的张角  、直径 B和吸收器直径 d。 由图 28可得： 华北科技学院毕业设计（论文） 第 17 页 共 34 页 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。