[发明专利]太阳跟踪方法及装置

说明书

本发明涉及一种太阳跟踪方法及其装置，主要用于太阳能利用系统中。

在太阳能利用中，固定式的太阳能设备一般都是低温的热利用，其效率低，太阳的高温利用和高效利用必须解决太阳跟踪问题。已有的该装置都是比较复杂的，其跟踪太阳的角度调整一般是连续调整或随机调整。连续调整是利用编制的计算机程序控制机电设备来调整，其调整复杂，成本高。随机调整有的是利用人力调整，其缺点是不能保证时效，有的是利用传感器件来调整，其设备复杂，成本高。以上的系统均不能很好地利用在小型设备上，也不能很好地普及，并且由于设备复杂，其可靠性降低。

本发明的目的就是提供一种跟踪太阳的方法和实施该方法的较简单的装置，以克服现有技术的不足。

本发明所依据的太阳与地球的时间规律及相对位置变化规律：

1、地球自转是恒定的，24小时转一周，即360度，每小时转过15度的自转角。地球自转轴线即地轴的方向是恒定的，地轴与黄道面的夹角是66度33分，与黄道面法线的夹角是23度27分。

2、地球绕太阳公转一周的时间是365.2422天，轨迹即黄道是一个椭圆，太阳位置不在这个椭圆的中心上，根据多普勒第二定律，每24小时地球绕太阳公转扫过的面积相等，也就是说，地球公转一周，在黄道面上径向扫过365.2422个等面积，其每二十四小时扫过的角度不等，这个不等的角度在每二十四小时或更短的时间段均可以计算出来，现教科书有公式给出和角度表列出，因较复杂，这里不重复给出。

根据以上规律，地球围绕太阳的自转和公转形成了在地球一点看到的太阳升起和落下的不一致性，地球是圆的，地球一点的地平面并不是真正意义的平面，在这一点上的规律不具有普遍性。地轴是恒定的，由地轴所在面或与地轴平行面作为参考面可代表地球表面任一点的普遍规律。地球一点看到的太阳的角度变化在这个参考面上可分解为纬度的仰角变化和经度的自转角变化。

太阳跟踪首先要解决的是仰角的跟踪，在仰角跟踪完成后，剩下的自转角的跟踪就变得简单。先假设地球不自转，地球为一点，这一点就是地心，由于地球距离太阳的距离很大，相对于这个距离地球的大小可以忽略为一个点，同样在地球表面任一点与太阳的连线可以认为和这个点与太阳的连线之间为无限接近的平行。

在代表地球的这个点上，地轴以不变角度穿过这个点。以地轴为参照线，这个点与太阳连线为另一线，公转一周其两线之间的角度变化范围为23度27分的两倍，即46度54分。这个点位于黄道的不同位置上其角度从90度加上23度27分到90度减23度27分之间变化，这个变化的特征是地球在黄道上转过相同等分的角度而其两线之间的角度变化不等分也不相同，又由于地球公转一周的天数是非整数，所以，这个变化在天数上也表现为不对称。

仰角跟踪就是使物体的面正对太阳，即太阳垂直照射于这个面上，只要保持其角度为直角90度，即完成仰角跟踪。在春分或秋分时，太阳直射于赤道，太阳与这个点连线垂直于地轴线，在地球任一点上也虚拟一个穿过这个点的与地轴平行的虚拟地轴线，地轴和虚拟地轴线均垂直于地球的赤道面，地球公转一周，太阳相对于赤道面的角度变化从以上可知为正负23度27分，即太阳直射地球的点在南纬23度27分和北纬23度27分之间移动。设置一个与黄道面平行的调整面，调整面与赤道面的夹角为23度27分，地轴和虚拟地轴线与这个调整面的夹角为66度33分，地轴和虚拟地轴线与调整面的法线夹角为23度27分。当地球公转过黄道面一定角度时，调整面与虚拟地轴线一起转过相同角度，即可保持虚拟地轴线与黄道面的夹角为90度。

根据上述分析，本发明提出以下跟踪太阳的方法：

设置一个如与黄道面平行的调整面的太阳仰角跟踪调整盘，调整盘与这个虚拟地轴线的夹角为66度33分，调整盘的轴线与这个虚拟地轴线的夹角为23度27分，在地球公转过一定角度，调整盘也反转过同样角度，这个盘上的虚拟地轴线与地心和太阳的连线之间的夹角保持垂直90度，即完成太阳仰角跟踪。因为地球每二十四小时转过角度不等，所以在调整中，必须以地球在公转中每个尽量小的时间段内转过的不等角度映射在调整盘上，才能精确跟踪。

对于地球的自转角调整，地球自转是恒定的，在调整过仰角之后，再在每个时间段内调整地球自转过的角度即可。由于存在大气层不均匀折射，地球上一点在不同时间段相对太阳转过的可视光线角度也不相等。