| PVHelper是中國科學(xué)院電工研究所新能源團(tuán)隊(duì)研制開發(fā)的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析軟件包，近期我們將結(jié)合該軟件，向您介紹光伏電站設(shè)計(jì)、分析、評(píng)估知識(shí)，并提供軟件供行業(yè)評(píng)測，歡迎關(guān)注我們，關(guān)注我國新能源技術(shù)的發(fā)展。 |
國家標(biāo)準(zhǔn)GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于光伏方陣布置的設(shè)計(jì)要求“光伏方陣各排、列的布置間距應(yīng)保證每天9:00-15:00（當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)）時(shí)段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋”，因此我們?cè)谶M(jìn)行光伏電站設(shè)計(jì)時(shí)采用的時(shí)間系統(tǒng)是真太陽時(shí)，PVHelper軟件內(nèi)部采用的時(shí)間也同樣是真太陽時(shí)，同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)人員日常更加熟悉時(shí)鐘時(shí)間（對(duì)于我國是北京時(shí)間），因此軟件界面具備靈活的時(shí)間轉(zhuǎn)換工具。那么什么是真太陽時(shí)？它與時(shí)鐘時(shí)間有什么區(qū)別，電站設(shè)計(jì)為什么要用真太陽時(shí)呢？這些問題的答案都和日地幾何關(guān)系的確定有關(guān)，如高度角、方位角、赤緯角、日出時(shí)角、日落時(shí)角等，下面就跟大家聊聊這些幾何量到底是怎么定義的，揭開日地幾何關(guān)系的秘密。首先說說，時(shí)空參考坐標(biāo)系。
位之地面，仰望蒼天，眾星羅列，雙目不能辯其遠(yuǎn)近，可以想象，光伏發(fā)電的能量之源---太陽，和所有眾星體一樣同在一個(gè)巨大的空心球體之上，因此，在天文觀測中假定地球?yàn)橹行?，各個(gè)天體投射于半徑無窮遠(yuǎn)的球面之上，此球謂之天球。
日地幾何關(guān)系就是建立在這樣的空間系統(tǒng)中，利用球面三角進(jìn)行求解的。在這個(gè)球面空間坐標(biāo)系統(tǒng)中，包括如下參考點(diǎn)和參考圈，用于系統(tǒng)中天體的定位，如下圖1所示。
圖1 天球坐標(biāo)系
天極點(diǎn)(SouthCelestial Pole and North Celestial Pole)：地球極軸南北延長線與天球的交點(diǎn)。
天球赤道(CelestialEquator)：將地球赤道延展至天球，與天球相交的大圓圈。天球赤道將天球二等分，北部為北天，以北極為中心，南部為南天，以南極為中心。
天頂點(diǎn)和天底點(diǎn)(CelestialZenith and Celestial Nadir):將位于地面的觀測者的垂線上下延長，與天球交于兩點(diǎn)，上為天頂點(diǎn)，下為天底點(diǎn)。
由以上定義可知，天頂確定了觀測者在天球上的位置，天頂相對(duì)于天極、天球赤道的位置關(guān)系，與觀測者相對(duì)于地極和地赤道的關(guān)系相同。這是天球坐標(biāo)系定位的基礎(chǔ)。
地平圈(Horizon):通過地心作一平面垂直于觀測者垂線，與天球相交的大圓圈。
地平經(jīng)圈或垂直圈(Vertical)：所有通過天頂、天底的大圓圈都可稱為地平經(jīng)圈。
時(shí)圈(Hourcircle)：所有通過天極的大圓圈均稱為時(shí)圈。
子午圈(CelestialMeridian)：通過天極，又通過天頂、天底的大圓圈稱為觀測者的子午圈，子午圈也是時(shí)圈。
卯酉圈(PrimeVertical)：垂直于子午圈的地平經(jīng)圈。
地球圍繞傾斜23.5度的地軸自轉(zhuǎn)，同時(shí)圍繞太陽公轉(zhuǎn)。延展地球的公轉(zhuǎn)軌道，與天球相交于一個(gè)大圓圈，稱為黃道(Ecliptic)，如圖2所示。
圖2 黃赤交角與二分點(diǎn)
黃道與天球赤道相交于天球春分點(diǎn)(vemal equinox)和天球秋分點(diǎn)(autumn equinox)，它們之間的夾角為23.5度。當(dāng)?shù)厍蛭挥诠D(zhuǎn)軌道的春分點(diǎn)時(shí)，地面觀測者可看到太陽位于天球春分點(diǎn)，此時(shí)太陽同時(shí)位于黃道圈和天球赤道圈。當(dāng)?shù)厍蜓庸D(zhuǎn)軌道向東運(yùn)行時(shí)，太陽的視在位置，在天球上沿著黃道圈，也自天球春分點(diǎn)，向東運(yùn)行，經(jīng)歷夏至、秋分、冬至返回春分點(diǎn)，周期為一年。這就是太陽的視在運(yùn)動(dòng)（apparent solar motivation），黃道圈也就是太陽的視軌道，如上圖2所示。
坐標(biāo)系統(tǒng)
定義了以上參考點(diǎn)和參考圈，分析了日地之間的視在運(yùn)動(dòng)關(guān)系后，我們就可以基于笛卡爾坐標(biāo)系建立起天球上的坐標(biāo)系統(tǒng)。在天球上任意點(diǎn)P的位置可由兩個(gè)角度表示μ、υ，如下圖3所示。根據(jù)原點(diǎn)、Z軸、參考面選取的不同，分為地平坐標(biāo)系統(tǒng)、第一赤道坐標(biāo)系統(tǒng)、第二赤道坐標(biāo)系統(tǒng)、黃道坐標(biāo)系統(tǒng)四類。在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們主要采用地平坐標(biāo)系統(tǒng)和第一赤道坐標(biāo)系統(tǒng)，來分析日地幾何關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行電站的設(shè)計(jì)及特性分析。下面向大家介紹一下這兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。
圖3 球面坐標(biāo)系
地平坐標(biāo)系統(tǒng)(Horizon Coordinates)：以觀測者位置為原點(diǎn)，指向天頂方向的本地鉛垂線為Z軸、地平圈為基本參考面建立的坐標(biāo)系統(tǒng)，如下圖4所示。
圖4 地平坐標(biāo)系
在地平坐標(biāo)系中，用于定位的兩個(gè)角度分別稱為高度角和方位角。觀測者子午圈與地平圈交于南、北兩點(diǎn)，由天頂沿垂直圈，至天體位置的弧距（角度），稱為天頂距，它的余角稱為高度角。方位角是指從北點(diǎn)起算，沿地平圈向東方向計(jì)算，至垂直圈平面。因此X軸指向北，Y軸指向東。
第一赤道坐標(biāo)系統(tǒng)(Equatorial Coordinatesof the First Kind)：以觀測者位置為原點(diǎn)，天極軸為Z軸，天球赤道面為基本參考面建立的坐標(biāo)系統(tǒng)，如下圖5所示。
在第一赤道坐標(biāo)系中，用于定位的兩個(gè)角度分別是時(shí)角和赤緯角。觀測者子午圈與通過天體位置和天極的時(shí)圈之間的夾角稱為時(shí)角(Hour angle)。它是由子午圈與天球赤道相交的南方點(diǎn)x起算，沿天球赤道向西量算至天體時(shí)圈的一段弧距，其值通常用小時(shí)、分、秒表示，1小時(shí)對(duì)應(yīng)15度。沿時(shí)圈，自天體位置，至天球赤道圈的角度稱為赤緯角(Declination)。太陽的視在軌道位于黃道圈，黃道圈與天球赤道圈之間存在23.5度的夾角，因此太陽的赤緯角是不斷變化著的。
太陽的位置量--真太陽時(shí)
知道了以上天文定義，那么我們?cè)诠夥娬驹O(shè)計(jì)中是如何應(yīng)用這些知識(shí)，進(jìn)行太陽位置計(jì)算和日地關(guān)系分析呢？現(xiàn)在是回答什么是真太陽時(shí)的時(shí)候了。太陽時(shí)是反應(yīng)太陽相對(duì)于觀測者子午圈的一個(gè)位置量，它分為真太陽時(shí)或視在太陽時(shí)和平太陽時(shí)。由于在第一赤道坐標(biāo)系下，太陽的視在運(yùn)行軌道位于黃道平面，它與天球赤道平面斜交，并且地球公轉(zhuǎn)角速度并非勻速，因此太陽視位置連續(xù)兩次通過同一子午圈與黃道圈的交點(diǎn)的時(shí)段不等（太陽日不等），以此太陽的視在位置（真太陽）計(jì)時(shí)很不方便，于是，人們假想一個(gè)天體，它每年和真太陽同時(shí)從天球春分點(diǎn)出發(fā)，在天赤道上從西向東勻速運(yùn)行，這個(gè)速度相當(dāng)于真太陽在黃道圈上的平均速度，最后和真太陽同時(shí)回到春分點(diǎn)，這個(gè)假想的天體稱為平太陽（the mean solar）。以真太陽的運(yùn)動(dòng)時(shí)角來計(jì)時(shí)稱為真太陽時(shí)（Local apparent time）；以平太陽的運(yùn)動(dòng)時(shí)角來計(jì)時(shí)稱為平太陽時(shí)（Local mean time）。真太陽時(shí)與平太陽時(shí)之間的差值稱為時(shí)差（equation of time）。因此，真太陽時(shí)反應(yīng)的是太陽的實(shí)際視在位置，這也就是我們?cè)诠夥娬驹O(shè)計(jì)中使用為什么使用真太陽時(shí)的原因。
較之真太陽時(shí)，我們?nèi)粘Ｉ钪懈鼮槭煜さ氖晴姳頃r(shí)間，也就是地方時(shí)。那么地方時(shí)與真太陽時(shí)有什么關(guān)系呢？
大家知道，通過地球極軸和地面一點(diǎn)的平面稱為子午平面，其中通過英國格林尼治天文臺(tái)的子午平面稱為原始子午平面或本初子午平面。任意子午平面與本初子午面之間的夾角稱為經(jīng)度。格林尼治以東為東經(jīng)，以西為西經(jīng)。平太陽相對(duì)于本初子午圈的平太陽時(shí)，稱為格林尼治時(shí)。格林尼治時(shí)經(jīng)過經(jīng)度修正后，就得到了地方時(shí)。那么這個(gè)過程的逆過程，就是如何從地方時(shí)計(jì)算平太陽時(shí)，進(jìn)而通過時(shí)差，計(jì)算得到真太陽時(shí)。
待續(xù) --- PVHelper揭秘之旅：日地幾何關(guān)系詳解（2）
參考文獻(xiàn)
1、《PVHelper V1.0用戶參考手冊(cè)》中國科學(xué)院電工研究所，2016；
2、《實(shí)用天文學(xué)》 夏堅(jiān)白等 武漢大學(xué)出版社，2007；
3、《Space-Time Reference Systems》Michael Soffel，Ralf Langhans，Springer，2013；
4、《Photovoltaics system design and practice》HeinrichHaberlin,Wiley,2012；
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“光伏助手 PVHelper”這個(gè)微信公眾平臺(tái)，是由一群熱衷于光伏科研的新能源小兵創(chuàng)立并維護(hù)，小兵們的專業(yè)包括電力電子、電力系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，小兵們利用自己所學(xué)到的知識(shí)，開發(fā)了一款“光伏發(fā)電系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行特性仿真分析軟件”，軟件的名稱為“PVHelper”。小兵們將通過這個(gè)微信公眾平臺(tái)，介紹和推廣這款軟件并提供行業(yè)評(píng)測，同時(shí)也會(huì)不定期發(fā)布國內(nèi)外光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)方面的文章供大家參考，用以推廣新能源技術(shù)、促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。讓我們遠(yuǎn)離霧霾，永遠(yuǎn)和藍(lán)天碧水相伴，是我們這群新能源小兵努力奮斗的目標(biāo)。歡迎大家關(guān)注我們，關(guān)注新能源技術(shù)的進(jìn)展。
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