作者：王昊軼 中科院電工所聯(lián)系：wanghy@mail.iee.ac.cn
從今天起，結(jié)合中國科學院電工研究所新能源團隊研制開發(fā)的光伏電站工程設計與運行特性分析軟件，向大家介紹光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計、分析知識，首先讓我們從時間說起。從時間說起國家標準GB50797-2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》中對于光伏方陣布置的設計要求“光伏方陣各排、列的布置間距應保證每天9:00-15:00（當?shù)卣嫣枙r）時段內(nèi)前、后、左、右互不遮擋”，因此我們在進行光伏電站設計時采用的時間系統(tǒng)是真太陽時，PVHelper軟件內(nèi)部采用的時間也同樣是真太陽時，同時考慮到設計人員日常更加熟悉時鐘時間（對于我國是北京時間），因此軟件界面具備靈活的時間轉(zhuǎn)換工具。那么什么是真太陽時？它與時鐘時間有什么區(qū)別，電站設計為什么要用真太陽時呢？這些問題的答案都和日地幾何關系的確定有關，如高度角、方位角、赤緯角、日出時角、日落時角等，下面就跟大家聊聊這些幾何量到底是怎么定義的，揭開日地幾何關系的秘密。首先說說，時空參考坐標系。 位之地面，仰望蒼天，眾星羅列，雙目不能辯其遠近，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巨大的空心球體之上，因此，在天文觀測中假定地球為中心，各個天體投射于半徑無窮遠的球面之上，此球謂之天球。 日地幾何關系就是建立在這樣的空間系統(tǒng)中，利用球面三角進行求解的。在這個球面空間坐標系統(tǒng)中，包括如下參考點和參考圈，用于系統(tǒng)中天體的定位，如下圖1所示。 圖1 天球坐標系
由以上定義可知，天頂確定了觀測者在天球上的位置，天頂相對于天極、天球赤道的位置關系，與觀測者相對于地極和地赤道的關系相同。這是天球坐標系定位的基礎。
地球圍繞傾斜23.5度的地軸自轉(zhuǎn)，同時圍繞太陽公轉(zhuǎn)。延展地球的公轉(zhuǎn)軌道，與天球相交于一個大圓圈，稱為黃道(Ecliptic)，如圖2所示。 圖2 黃赤交角與二分點 黃道與天球赤道相交于天球春分點(vemal equinox)和天球秋分點(autumn equinox)，它們之間的夾角為23.5度。當?shù)厍蛭挥诠D(zhuǎn)軌道的春分點時，地面觀測者可看到太陽位于天球春分點，此時太陽同時位于黃道圈和天球赤道圈。當?shù)厍蜓庸D(zhuǎn)軌道向東運行時，太陽的視在位置，在天球上沿著黃道圈，也自天球春分點，向東運行，經(jīng)歷夏至、秋分、冬至返回春分點，周期為一年。這就是太陽的視在運動（apparent solar motivation），黃道圈也就是太陽的視軌道，如上圖2所示。 坐標系統(tǒng) 定義了以上參考點和參考圈，分析了日地之間的視在運動關系后，我們就可以基于笛卡爾坐標系建立起天球上的坐標系統(tǒng)。在天球上任意點P的位置可由兩個角度表示μ、υ，如下圖3所示。根據(jù)原點、Z軸、參考面選取的不同，分為地平坐標系統(tǒng)、第一赤道坐標系統(tǒng)、第二赤道坐標系統(tǒng)、黃道坐標系統(tǒng)四類。在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計中，我們主要采用地平坐標系統(tǒng)和第一赤道坐標系統(tǒng)，來分析日地幾何關系，并以此為基礎進行電站的設計及特性分析。下面向大家介紹一下這兩個坐標系統(tǒng)。 圖3 球面坐標系
在地平坐標系中，用于定位的兩個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，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。方位角是指從北點起算，沿地平圈向東方向計算，至垂直圈平面。因此X軸指向北，Y軸指向東。
在第一赤道坐標系中，用于定位的兩個角度分別是時角和赤緯角。觀測者子午圈與通過天體位置和天極的時圈之間的夾角稱為時角(Hour angle)。它是由子午圈與天球赤道相交的南方點x起算，沿天球赤道向西量算至天體時圈的一段弧距，其值通常用小時、分、秒表示，1小時對應15度。沿時圈，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 知道了以上天文定義，那么我們在光伏電站設計中是如何應用這些知識，進行太陽位置計算和日地關系分析呢？現(xiàn)在是回答什么是真太陽時的時候了。太陽時是反應太陽相對于觀測者子午圈的一個位置量，它分為真太陽時或視在太陽時和平太陽時。由于在第一赤道坐標系下，太陽的視在運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的時段不等（太陽日不等），以此太陽的視在位置（真太陽）計時很不方便，于是，人們假想一個天體，它每年和真太陽同時從天球春分點出發(fā)，在天赤道上從西向東勻速運行，這個速度相當于真太陽在黃道圈上的平均速度，最后和真太陽同時回到春分點，這個假想的天體稱為平太陽（the mean solar）。以真太陽的運動時角來計時稱為真太陽時（Local apparent time）；以平太陽的運動時角來計時稱為平太陽時（Local mean time）。真太陽時與平太陽時之間的差值稱為時差（equation of time）。因此，真太陽時反應的是太陽的實際視在位置，這也就是我們在光伏電站設計中使用為什么使用真太陽時的原因。 較之真太陽時，我們?nèi)粘Ｉ钪懈鼮槭煜さ氖晴姳頃r間，也就是地方時。那么地方時與真太陽時有什么關系呢？ 大家知道，通過地球極軸和地面一點的平面稱為子午平面，其中通過英國格林尼治天文臺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)。平太陽相對于本初子午圈的平太陽時，稱為格林尼治時。格林尼治時經(jīng)過經(jīng)度修正后，就得到了地方時。那么這個過程的逆過程，就是如何從地方時計算平太陽時，進而通過時差，計算得到真太陽時。 待續(xù) --- PVHelper揭秘之旅：日地幾何關系詳解（2） 參考文獻 1、《PVHelper V1.0用戶參考手冊》中國科學院電工研究所，2016； 2、《實用天文學》 夏堅白等 武漢大學出版社，2007； 3、《Space-Time Reference Systems》Michael Soffel，Ralf Langhans，Springer，2013； 4、《Photovoltaics system design and practice》HeinrichHaberlin,Wiley,2012； 關于 “光伏助手 PVHelper” “光伏助手 PVHelper”這個微信公眾平臺，是由一群熱衷于光伏科研的新能源小兵創(chuàng)立并維護，小兵們的專業(yè)包括電力電子、電力系統(tǒng)、計算機科學、控制工程等多個學科領域，小兵們利用自己所學到的知識，開發(fā)了一款“光伏發(fā)電系統(tǒng)精細化設計與運行特性仿真分析軟件”，軟件的名稱為“PVHelper”。小兵們將通過這個微信公眾平臺，介紹和推廣這款軟件并提供行業(yè)評測，同時也會不定期發(fā)布國內(nèi)外光伏系統(tǒng)設計與仿真技術方面的文章供大家參考，用以推廣新能源技術、促進行業(yè)發(fā)展。讓我們遠離霧霾，永遠和藍天碧水相伴，是我們這群新能源小兵努力奮斗的目標。歡迎大家關注我們，關注新能源技術的進展。
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