学文网赤纬篇1
对于刚购买了第一台天文望远镜的你，一定在迫不及待地拆开包装，可面前一堆笨重的零件是不是让你瞬间傻眼？这么一堆东西，怎么玩儿？
猫哥邀请苏泓老师给大家讲一下天文观测准备中让人不容易闹明白的地方，给大家解惑答疑。当你能拍出华丽的星空照片时，你在同学中一定有了别人难以企及的炫耀资本。
安装主镜及相关附件
赤道仪要想正常工作，必须将自己的赤经轴方向对准北天极。精确对极轴比较麻烦，也需要较好的器材支持，对于这种入门级小赤道仪进行目视观测而言，只需要粗略对极轴就可以了，这只要求你知道观测地的方向和地理纬度。如下***所示是本例所使用的JElOOA赤道仪，在赤道仪底座的上方有一个醒目的地理纬度刻度盘，从0到90°，刻度盘上方有一个小箭头指向刻度盘。
对于入门级天文望远镜而言，主镜安装并不麻烦，但很多人却搞不清楚天顶镜与目镜的关系。一般而言，90°立像天定反射镜最为常见，通过一个普通的平面镜将光路进行90°转向，这样我们就可以从侧上方很舒服地观测天体了。
你只需要拧松锁紧螺丝和限位螺杆，将那个小箭头指向对应当地纬度的示数（***示为北纬25°附近地域使用），再把锁紧螺丝拧紧。限位螺杆轻轻拧到拧不动为止。在纬度刻度盘上的那个旋转轴就是赤经轴．它的指向就是极轴方向，在粗对极轴的情况下只需要把极轴方向大概对着北方就可以7°赤经轴上方与之垂直的旋转轴是赤纬轴，赤纬轴顶部就是和望远镜主镜相连的平台或者卡槽。赤经轴和赤纬轴也都有自己对应的锁紧螺丝，松开之后两个轴就可以自由旋转。赤道仪还配备有微调装置，用于在锁紧的状态下微调两个轴的方位。
安装配重
在安装主镜之前，我们应该先装好配重。配重一般由重锤和连接金属杆组成，先将连接杆拧在赤纬轴下端对应的螺口里，然后拧掉金属杆另一端的防重锤滑落的保护装置，将重锤穿入连接杆中部，拧紧，再将防滑落装置拧回。重锤里一般设计有一小段可自由滑动的短金属杆，这种情况下需要锁紧螺丝在下方时才能将重锤穿入连接杆。
调节整个系统的平衡
到这里，我们可以开始尝试进行观测了。但要是想让接下来的观测变得更轻松和舒服，我们还需要调节系统的平衡。首先调节赤纬轴的平衡。在所有必要附件都安装到位的情况下，拧松赤纬轴，将主镜放平，这时主镜的两端就像天平的两端一样，如果有一端重，另一端就会下沉。
赤经轴的平衡是通过调节“大秤砣”实现的，具体调节方法和赤纬轴类似，这个一开始就可以调得精确一些，免得后期再去调整。
调焦
调焦和看风景的望远镜一样简单。首先，将望远镜随意指向远方的目标，调整焦距。然后，在固定目标上使用不同的目镜，感受一下不同目镜下焦点的变化。最后，再固定一个焦距最长的目镜，改变不同距离以观测目标，感受一下此时焦点又是如何变化的。
注意，由于调焦会令后端的调焦筒往外伸，因此会破坏赤纬轴上的平衡，这时就需要我们在焦距调得差不多的时候，重新调一次赤纬轴的平衡。赤经轴的平衡则不受影响。
调节主镜和寻星镜的平行
如果你是个户外观测爱好者，夜晚观测时很可能找不到明亮的地面目标，不得不求助于天上的亮星，但十分悲催的一个事情是，地球自转导致天体不一会就偏离视场中央。所以，迅速找到北天极的亮星（北极星）来调节，它相对来说移动得更慢。
简易摄星法
先把摄影支架直接夹到目镜上，做摄影的目镜最好选择低倍目镜（如25mm目镜），通过调焦座调节目镜至***像清晰。然后把通过相机下端的螺纹接口接到摄影支架平台上，通过摄影支架上的上下左右微调把相机镜头正对目镜。
如此操作，拍摄月亮什么的就是小菜一碟，当你拿出照片与人炫耀时你可以说：你的相机再牛也拍不出这么清晰的月球。
赤纬篇2
摘要：介绍与太阳能发电相关的几个主要太阳参数计算方法以及各数据选择的原则。
关键词：光伏设计、太阳高度角、方位角、设计软件
中***分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
1 前言
近年来国内太阳能行业发展迅猛，每年数GWp项目陆续并网，新能源设计院、室纷纷成立，许多院校、培训机构也开始了太阳能设计专项培训，无数行业内总承包企业、原先从事其他行业设计的设计院、所也开展了很多相关项目施工***设计，各种公式使用较多，笔者整理相关设计，并结合自身设计经验，将实际设计中较准确、使用较多的公式整理并结合太阳能设计进行解释。希望能够给行业从业人员给予帮助。
2 需要计算数据
我们知道，太阳能组件方阵平面是需要在大多数时候正对太阳才能获得最大的辐照量，从而转换更多能量为电能，增加发电量。而太阳有自己的固定运行轨道，每天、每年位置并不相同， 为准确设定板面朝向，获取最大辐照量，必须精确掌握太阳位置数据，需要了解与此相关的太阳参数及其计算方法，些参数主要有太阳高度角、太阳方位角，另外对于固定支架系统设计，通常取每日太阳在天空中轨迹的中点作为板面朝向，这样可以平均获得非直射时段（上午、下午）太阳辐射，因此通常系统会选择当地正午时分太阳位置作为板面朝向，这样我们还需要了解昼长数据。
当然，昼长数据我们需要任意年、任意天的数据，太阳高度角、方位角我们也需要任意年、月、日的任意时刻数据。
3 主要计算方法
3.1 太阳赤纬角
又称太阳赤纬，是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角（天球坐标系中太阳绕地球旋转的轨道为黄道。黄道面和赤道面的交角为23.5度，称为黄赤交角，也称为太阳赤纬角。）。赤纬角是由于地球绕太阳运行造成的现象，它随时间而变，因为地轴方向不变，所以赤纬角随地球在运行轨道上的不同点具有不同的数值。
因赤纬值日变化很小，一年内任何一天的赤纬角δ可用下式计算：
sinδ=0.39795cos[0.98563(N-173)]【公式1】
或δ=23.45sin[360×（284+n）/365]。【公式2】
式中：N为日数，自1月1日开始计算。
3.2 太阳高度角
太阳高度角简称太阳高度(角度)，对于地球上的某个地点，太阳高度是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。太阳高度是决定地球表面获得太阳热能数量的最重要的因素。
我们用h来表示这个角度，它在数值上等于太阳在天球地平坐标系中的地平高度。 太阳高度角随着地方时和太阳的赤纬的变化而变化。太阳赤纬以δ表示，观测地地理
纬度用φ表示，地方时(时角)以ω表示，有太阳高度角的计算公式：
sin h＝sin φ sin δ＋cos φ cos δ cosω【公式3】
日升日落，同一地点一天内太阳高度角是不断变化的。日出日落时角度都为零度，正午时太阳高度角最大。
正午时时角为0，以上公式可以简化为：
sin H＝sin φ sin δ＋sin φ cos δ【公式4】
其中，H表示正午太阳高度角。
由两角和与差的三角函数公式，可得
sin H＝cos(φ－δ)【公式5】
因此，
对于北半球而言，H＝90°－(φ－δ)；【公式6】
对于南半球而方，H＝90°－(δ－φ)。【公式7】
我们光伏支架板面的朝向就决定于太阳高度角，太阳高度角在地平线之间和天顶之间摆动，对于不同纬度地区范围不同，因此组件支架朝向有不同范围。
3.3 太阳方位角
太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角为正方向（在很多程序中是指地面点和太阳的连线在水平面上的投影和正北方的夹角，正北方为零度，顺时针为正方向）。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为-90°，在正东北方时，方位为-135°，在正西方时方位角为90°，在正北方时为±180°。
【公式8】
式中：γs指太阳方位角，ω指时角，δ指赤纬角，h指太阳高度角。
以上各参数仅仅为相关计算中基本的几个数据，实际在太阳运行以及光伏系统设计中使用数据非常多，比如：昼长、日出日落时角、天顶角、反射率、晴朗指数、直射辐射、散射辐射、漫射辐射等。
3.4实际设计中上述数据选用方法
很多设计人员会在选择支架方向、倾角时选择正南、当地纬度作为近似数据，但是实际每个地方的辐射数据并不全是太阳位置所决定，很多还跟当地海拔、云量、雨季、浮沉季节等气候特点密切相关，因此实际计算并不是当地纬度就一定是最佳倾角。需要根据实际气象资料进行详细测算。
因此，应当采用当地多年平均气象资料、经纬度数据、海拔数据、采用不同的支架倾角、方位角来进行综合测算，以测算得到的发电量数据为依据，来选择支架倾角、朝向。
当然这样计算工作量非常大，无法做到快速计算，因此，很多企业、设计院都采用编制设计软件或者在excel中设定好算法、公式，来缩减计算时间。
推荐几种比较知名的软件，比如：PVsyst、Retscreen等，网上也有相关***，大家可以去使用，但是这些软件自身数据库、以及算法并不见得适合实际使用情况，因此还要靠大家自身的专业知识来判断、选择。
5 总结
本文仅是就光伏相关的几个太阳参数计算提供了较准确、可供设计使用的一些公式，并结合实际设计提出了参数选择方法，希望对广大设计人员能有帮助。
另外，以上公式仅为主要公式，实际在天文相关计算中，对于太阳各参数的计算非常严谨，通常要计算真太阳时、儒略日、黄赤交角、太阳平黄经、太阳近点角、真近点角、视黄经、太阳地心视赤纬等进行计算，还要进行修正，相当复杂，希望有机会和大家分享。
作者简介：
白盛强（1976年12月），男，山西河曲人，特变电工***新能源股份有限公司工程师，本科，主要从事太阳能应用研究。
赤纬篇3
摘 要:在简要介绍地日运行规律的基础上,确定了视日运动跟踪法的计算模型及跟踪装置的机械结构。采用FPGA芯片XC3S1500为处理器,以步进电机为执行机构,采用Verilog语言设计实现了高度角-方位角太阳跟踪系统。根据系统的要求建立了计时模块、太阳高度角方位角计算模块、日出日落时间计算模块和步进电机脉冲控制模块。通过实验测试该系统能够达到预期的性能指标,对提高太阳能的利用率具有重要的现实意义。
关键词:太阳跟踪; FPGA; 步进电机; Verilog
中***分类号:TP274 文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)13-0174-03
Design and Realization of Automatic Solar-tracker Based on FPGA
QI Hui,TIAN Wei-juan
(College of Electronic Information and Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing100124, China)
Abstract: The computational model of the sun tracking system and the mechanical structure of tracking devices are constructed based on the operating law between sun and moon is introduced. An altitude-azimuth sun tracking system was designed by Verilog and using FPGA as microprocessor, the step motor as the executing agency. The timing module, solar altitude and azimuth calculation module, sunrise and sunset time calculation module and step motor pulse control module were built according to the requirement of the system. Experiments show that the sun tracking system can achieve the expected performance index, and has a great practical value for improving the utilization of solar energy.
Keywords:sun tracking; FPGA; step motor; Verilog
0 引 言
太阳能是一种清洁无污染的能源,取之不尽,用之不竭,发展前景广阔。但是太阳能具有间歇性及强度和方向不确定的特点,给太阳能的收集带来了一定困难。采用太阳跟踪装置可以使太阳光线始终与接收面保持垂直,提高太阳能设备的能量接收效率,从而提高太阳能利用率。
本设计采用传统的视日运动跟踪法,利用Xilinx公司提供的FPGA开发环境ISE,设计完成了基于XC3S1500开发板的太阳能自动跟踪系统,以实现对太阳的全天候、全自动、实时精确控制。
1 视日运动跟踪法
视日运动跟踪法是根据地日运行轨迹,采用赤道坐标系或地平坐标系描述太阳相对地球的位置。一般在双轴跟踪中极轴式跟踪采用赤道坐标系,高度角-方位角式跟踪采用地平坐标系。
1.1 极轴式跟踪
赤道坐标系是人在地球以外的宇宙空间里,观测太阳相对于地球的位置。这时太阳位置是相对于赤道平面而言,用赤纬角和时角这两个坐标表示。太阳中心与地球中心的连线,即太阳光线在地球表面直射点与地球中心的连线与在赤道平面上的投影的夹角称为太阳赤纬角[1]。它描述地球以一定的倾斜度绕太阳公转而引起二者相对位置的变化。一年中,太阳光线在地球表面上的垂直照射点的位置在南回归线、赤道和北回归线之间往复运动,使该直射点与地心连线在赤道面上的夹角也随之重复变化[2]。赤纬角在一年中的变化用式(1)计算:
δ=23.45°sin[360(284+n)/365]
(1)
式中:δ为一年中第n天的赤纬角,单位:(°);n为一年中的日期序号,单位:日。
时角是描述地球自转而引起的日地相对位置的变化。地球自转一周为360°,对应的时间为24 h,故每小时对应的时角为15°。日出、日落时间的时角最大,正午时角为零。计算公式如下:
ω=(12-T)×15°
(2)
式中:ω为时角,单位:(°);T为当地时间,单位:h。
根据上述方法可以计算出地球上任意地点和时刻的太阳的赤纬角和时角,由此可建立极轴式跟踪,对于太阳跟踪系统来说,采光板的一轴与地球自转轴相平行,称为极轴,另外一轴与其垂直。工作时采光板绕地球自转轴旋转,其转速的设定为与地球的自转速度相同,方向相反。为了适应太阳赤纬角的变化,采光板围绕与地球自转轴垂直的轴做俯仰运动。此种跟踪方式原理简单,但是由于采光板的重量不通过极轴轴线,极轴支撑结构的设计比较困难,因此本设计没有选用极轴式跟踪。
1.2 地平坐标系
地平坐标系用高度角和方位角来描述太阳的位置,已知太阳赤道坐标系中的赤纬角和时角,可以通过球面三角形的变换关系得到地平坐标系的太阳的高度角和方位角。如***1所示,该天球是以观测者为球心,任意距离为半径的假想球,对于天球上各点之间的距离,只讨论它们之间的角距而不考虑它们的线长。M和N分别为天球上的南北天极。P点为观测者的铅垂线与天球的交点,P点的地理纬度为φ,S为太阳在天球中的位置。S的赤纬度为δ,观测者的铅垂线OP与地心与太阳连线的夹角叫做天顶角,天顶角和太阳的高度角互补。角A为太阳的方位角[3]。
***1 地平坐标系和赤道坐标系
根据球面三角形的边的余弦公式描述,即一边的余弦等于其他两边余弦的乘积,加上这两边正弦及其夹角余弦的乘积,在天球的半径不是确定值。因此描述天球上的圆弧通常用圆弧所对应的角度来表示弧长。在球面三角形NPS中,三边为弧NP、弧NS、弧SP,分别用角度90-φ,90-δ,τ表示。采用球面三角形边的余弦公式:
cos τ=cos(90-φ)cos(90-δ)+
sin(90-φ)sin(90-δ)cos ω
(3)
若符号Е链表太阳的高度角,α=90-τ,式(3)可以写成:
sin τ=sin φsin δ+cos φcos δcos ω
(4)
根据球面三角形的正弦公式,可得:
sin(90-δ)/sin(180-A)=sin τ/sin ω
(5)
即:
cos δ/sin A=sin τ/sin ω
(6)
因此太阳的方位角为:
sin A=(cos δsin ω)/sin τ