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图29 自旋俯仰跟踪与轮胎面定日镜

　　自旋-俯仰跟踪的特点是，其固定轴指向目标位置，另外一轴绕它旋转，非常适合于纠像差曲面。但是由于这种跟踪方式结构比较复杂，目前在大规模的商业化电站中没有应用。如图29左边所示，只要采用自旋-俯仰跟踪方式，就能够实现定日镜本身的子午面与太阳光线入射平面重合。图29中入射平面用蓝色填充表示，定日镜子午面用黄色面来表示。因此，就可以利用轮胎面这种纠像差曲面，更好地聚光。若光线沿子午方向入射且入射角度合适，定日镜就可以良好地聚焦，整体聚光效果比较良好。

图30 以色列人提出的纠像散曲面定日镜的概念

　　如图30是1995年，以色列人提出了自旋-俯仰跟踪与纠像散曲面相结合的定日镜概念，并且介绍了纠像散镜面面形的一种设计方法，也做了一些光学计算模拟。但是到现在，这种跟踪方式在商业化电站应用是很少见到。

　　我国国内原中国科技大学的陈应天教授从2002年起到2010年，对这种自旋-俯仰跟踪方式以及特殊的自适应纠像差曲面非成像定日镜，做过比较系统的研究。他采用定日镜每行每列镜面都旋转这种方式，动态地调整镜面面形，实现高倍聚光，用作太阳炉。他也在这些方法基础上做进一步的工作，给出一种镜面面形表达，用作定日镜的固定镜面面形，定日镜不再自适应改变镜面变形了。

图31 陈应天等在非成像聚光定日镜方面的系列研究工作

　　图31右上角表达的是纠像差曲面，曲面非常接近于抛物面，相当于抛物面的一部分，但它不是抛物面，而且它是左右对称，上下是不对称的。中国科学院电工研究所在西安安装和调试过一套轮胎面定日镜，采用这种跟踪方式，定日镜有四行四列共十六个单元镜。

图32 中科院电工所2007年在西安交大安装的轮胎面定日镜

　　图32中几张照片展示的是调试试验的情景。下来，同样跟前面一样，也做定日镜跟踪姿态和聚光光斑的对比。下面图33展示上午的镜面姿态变化和镜面轮廓的投影变化。

图33 自旋俯仰跟踪定日镜在上午的姿态轮廓和反射投影的变化

图34 自旋俯仰跟踪定日镜在上午的姿态轮廓和反射投影的平面视图

　　从图34看出，自旋-俯仰跟踪，与前面我讲到的方位-俯仰跟踪一样，镜面姿态的轮廓在地面投影呈旋转效果，它的反射投影在靶面上也是呈现旋转的这种特征。而前面我们讲的俯仰-侧滚跟踪方式，它没有旋转效应，也是反映了定日镜的姿态变化比较稳定、活动范围小的特点。

　　图34中，定日镜轮廓在地面投影，有明显的逆时针方向的旋转（观察点在镜面和靶面之间），镜面轮廓反射它在靶面上呈顺时针方向旋转的特征。下午也一样也是这种顺时针旋转特征。

图35 自旋俯仰跟踪定日镜在下午的姿态轮廓及其反射投影的变化

　　下面是6月21日夏至日早上时光斑，左边展示定日镜姿态，右边是光斑。假设定日镜地点在北京，我做的光学模拟计算。

图36 定日镜在6月21日上午7时的聚光光斑

　　下面是中午时候的光斑，光斑比较圆，因为定日镜是在正北面的位置上。

图37 自旋俯仰跟踪定日镜在中午时的聚光光斑

　　下面图38展示下午5时的光斑和定日镜的姿态。

图38 定日镜在6月21日下午5时的聚光光斑

　　下面，对同样的球面定日镜、不同的跟踪方式，在同一张图中比较6月21日下午镜面姿态和聚光光斑。

图39 三种不同跟踪方式的镜面姿态和聚光光斑比较

　　图39中上排的三张图展示的是，在不同跟踪方式下，定日镜边缘轮廓在靶面反射投影；下面从左到右分别是方位-俯仰、俯仰-侧滚以及自旋-俯仰跟踪的聚光光斑。我们会发现它们的差异还是不小的，有明显差异。

　　以下利用是自旋-俯仰跟踪来比较轮胎面定日镜和球面定日镜的聚光光斑。

图40 不同镜面的自旋俯仰跟踪定日镜的聚光光斑比较

　　这里，轮胎面取30度的设计角度。通过图40中的对比，我们会发现轮胎面定日镜在6月21日上午不同时刻，光斑总体上比较稳定，变化比较小；而球面定日镜的光斑，变化还是比较大的。

　　需要说明的是，在模拟轮胎面聚光光斑中，定日镜是整体尺寸是2m×2m,由二十五个单元镜组成。考虑到实际情况，往往每个单元镜用球面，整体上近似一个轮胎面。

　　1、定日镜是太阳能塔式聚光系统的基本聚光设备，通常由反射镜、支撑结构、立柱、传动、跟踪控制子系统组成，能绕双轴旋转自动跟踪太阳，定向反射聚光。定日镜= 双轴跟踪器+ 发射镜。

　　2、定日镜跟踪任务：镜面中心的法向，指向目标位置和太阳位置的角平分线方向，以实现定向反射聚光。

　　3、定日镜是只2个角度自由度的旋转刚体，可用刚体欧拉角的概念理解定日镜双轴跟踪的几何本质。

　　4、定日镜固定轴的指向，是双轴跟踪分类的依据特征。

　　5、方位-俯仰、俯仰-侧滚、自旋-俯仰和极轴式是四种典型的双轴跟踪方式。“方位-俯仰”应用最广泛，“俯仰-侧滚” 有利于紧密布置定日镜场，“自旋-俯仰”适合与纠像差镜面结合，极轴式适合分布式应用。