PVHelper揭祕之旅 日地幾何關係詳解(1)

2022-01-15 01:57:28 字數 3409 閱讀 4213

pvhelper是中國科學院電工研究所新能源團隊研製開發的光伏發電系統設計分析軟體包,近期我們將結合該軟體,向您介紹光伏電站設計、分析、評估知識,並提供軟體供行業評測,歡迎****,關注我國新能源技術的發展。

國家標準gb50797-2012《光伏發電站設計規範》

中對於光伏方陣佈置的設計要求“光伏方陣各排、列的佈置間距應保證每天9:00-15:00(當地真太陽時)時段內前、後、左、右互不遮擋”,因此我們在進行光伏電站設計時採用的時間系統是真太陽時,pvhelper軟體內部採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(對於我國是北京時間),因此軟體介面具備靈活的時間轉換工具。那麼什麼是真太陽時?它與時鐘時間有什麼區別,電站設計為什麼要用真太陽時呢?這些問題的答案都和日地幾何關係的確定有關,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麼定義的,揭開日地幾何關係的祕密。首先說說,時空參考座標系。

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,各個天體投射於半徑無窮遠的球面之上,此球謂之天球。

日地幾何關係就是建立在這樣的空間系統中,利用球面三角進行求解的。在這個球面空間座標系統中,包括如下參考點和參考圈,用於系統中天體的定位,如下圖1所示。

圖1 天球座標系

由以上定義可知,天頂確定了觀測者在天球上的位置,天頂相對於天極、天球赤道的位置關係,與觀測者相對於地極和地赤道的關係相同。這是天球座標系定位的基礎。

地球圍繞傾斜23.5度的地軸自轉,同時圍繞太陽公轉。延展地球的公轉軌道,與天球相交於一個大圓圈,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於天球春分點(vemal equinox)

和天球秋分點(autumn equinox)

座標系統

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係後,我們就可以基於笛卡爾座標系建立起天球上的座標系統。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。根據原點、z軸、參考面選取的不同,分為地平座標系統、第一赤道座標系統、第二赤道座標系統、黃道座標系統四類。在光伏發電系統的設計中,我們主要採用地平座標系統和第一赤道座標系統,來分析日地幾何關係,並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座標系統。

圖3 球面座標系

圖4 地平座標系

在地平座標系中,用於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於南、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,它的餘角稱為高度角。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。

圖5 第一赤道座標系

在第一赤道座標系中,用於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、秒錶示,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)

。太陽的視在軌道位於黃道圈,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,那麼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係分析呢?現在是回答什麼是真太陽時的時候了。太陽時是反應太陽相對於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。由於在第一赤道座標系下,太陽的視在執行軌道位於黃道平面,它與天球赤道平面斜交,並且地球公轉角速度並非勻速,因此太陽視位置連續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,於是,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,在天赤道上從西向東勻速執行,這個速度相當於真太陽在黃道圈上的平均速度,最後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

;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麼使用真太陽時的原因。

較之真太陽時,我們日常生活中更為熟悉的是鐘錶時間,也就是地方時。那麼地方時與真太陽時有什麼關係呢?

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度。格林尼治以東為東經,以西為西經。平太陽相對於本初子午圈的平太陽時,稱為格林尼治時。格林尼治時經過經度修正後,就得到了地方時。那麼這個過程的逆過程,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 --- pvhelper揭祕之旅:日地幾何關係詳解(2)

參考文獻

1、《pvhelper v1.0使用者參考手冊》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;

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