CN111059776A - 一种太阳能聚光集热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能聚光集热装置，包括集热管、介质管路、介质管路金属软管、集热管固定支架、圆台内侧面反射面背部水平支撑、圆台内侧面反射面背部竖直支撑、圆台内侧面反射面、俯仰跟踪驱动、俯仰旋转轴承支撑、俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架、水平跟踪驱动、主立柱及双轴跟踪控制器，利用双轴跟踪控制器控制俯仰跟踪驱动跟踪太阳俯仰角，控制水平跟踪驱动跟踪太阳方位角，双轴跟踪，当集热装置正对太阳时阳光由圆台内侧面反射面反射到圆台轴位置的集热管聚光集热。本发明涉及一种太阳能聚光集热装置，太阳光由集热管的四周的圆台内侧面反射面反射光线到集热管，集热管圆周方向均接收太阳光，太阳光能流密度沿圆周方向比较均匀，大大提高了聚光比，提高了集热温度，提高利用太阳能的效率。

Description

一种太阳能聚光集热装置
技术领域
本发明属于太阳能光热利用领域，尤其涉及一种太阳能聚光集热装置。
背景技术
人类社会的发展伴随着能源的利用，随着传统化石能源等不可再生能源储量的日益衰竭和对环境的污染日益恶化，现在大力控制散煤且推广清洁可再生能源，太阳能作为用之不歇的清洁能源，可以实现太阳能清洁供暖，提供工业蒸汽，光热发电，海水淡化等各种应用，越来越受到社会的关注。目前对太阳能光热利用主要形式有全玻璃真空管式太阳能、平板太阳能、槽式太阳能、碟式太阳能、菲涅尔太阳能、塔式太阳能等。
全玻璃真空管式太阳能、平板太阳能属于低温应用领域，集热温度低、效率低、***不可靠，无法实现供暖、提供蒸汽等中高温热利用；槽式太阳能对场地要求高，单轴跟踪，效率低，而且槽式太阳能聚光后的光能聚焦在集热管靠近反射镜的下方，集热管局部受热易弯曲变形，热传导效率低，聚光倍数相对较低，集热管焊接接头多，散热厉害；碟式太阳能聚光倍数高，温度高但吸热器不易做成真空，热损大，双曲面反射面制作难度大，成本高；菲涅尔太阳能聚光倍数低，集热温度低，需要二次反射面，热损失大；塔式太阳能适合大规模应用，小规模镜场成本高、效率低。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种制作简单、安装灵活、聚光倍数高、吸热器能流密度均匀、集热效率高、温度高、成本低的一种太阳能聚光集热装置，大大拓宽太阳能的应用领域，适用于低、中、高不同温度区间的太阳能热利用。
实现本发明的技术解决方案为：
本发明公开了一种太阳能聚光集热装置，包括集热管、介质管路、介质管路金属软管、集热管固定支架、圆台内侧面反射面背部水平支撑、圆台内侧面反射面背部竖直支撑、圆台内侧面反射面、俯仰跟踪驱动、俯仰旋转轴承支撑、俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架、水平跟踪驱动、主立柱及双轴跟踪控制器，利用双轴跟踪控制器控制俯仰跟踪驱动跟踪太阳俯仰角，控制水平跟踪驱动跟踪太阳方位角，双轴跟踪，当集热装置正对太阳时阳光由圆台内侧面反射面反射到圆台轴位置的集热管聚光集热。本发明涉及一种太阳能聚光集热装置，太阳光由集热管的四周的圆台内侧面反射面反射光线到集热管，集热管圆周方向均接收太阳光，太阳光能流密度沿圆周方向比较均匀，大大提高了聚光比，提高了集热温度，提高利用太阳能的效率。
本发明与现有技术相比，其优点显著。
本发明太阳能聚光集热装置采用线性管式吸热器，聚光比高，集热温度高，集热效率高，大大拓宽了太阳能在低、中、高不同温度区间的应用范围。
现有的全玻璃真空管集热器和平板太阳能为非聚光、非跟踪太阳能低温热利用，与全玻璃真空管集热器和平板太阳能相比，本发明太阳能聚光集热装置跟踪太阳聚光集热，集热温度高，可满足北方地区供暖及工业蒸汽及光热发电等太阳能中高温热利用场景；与槽式和菲涅尔太阳能相比，不必要一个相当大的平整场地，布置方式比槽式太阳能更灵活，规模可大可小，可单个集热器运行，亦可以多个集热器串并联运行，聚光比高、温度高、集热管圆周受热、能流密度均匀，不易炸管；集热管用量少，接头少，降低成本的同时减少了接头处的散热，槽式和菲涅尔太阳能为单轴跟踪，余弦损失大，集热效率低，本发明太阳能聚光集热装置采用双轴跟踪太阳，集热效率高；与碟式太阳能相比，碟式太阳能的吸热器无法做成真空，温度又高，热损耗巨大，本发明太阳能聚光集热装置采用真空吸热器，降低热损耗，大大提高了集热效率；碟式太阳能采用双曲面反射面，制作难度大，成本高，本发明太阳能聚光集热装置采用单曲面反射面，易于成型，制作简单，成本低；塔式太阳能适合大规模集热，不适合小规模应用。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例2的结构示意图。
图3是本发明数学原理图。
具体实施方式
一种太阳能聚光集热装置，其特征在于：包括集热管（1），介质管路（2），介质管路金属软管（3），集热管固定支架（4），圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6），圆台内侧面反射面（7），俯仰跟踪驱动（8）、俯仰旋转轴承支撑（9）、俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）、水平跟踪驱动（11），主立柱（12），双轴跟踪控制器（13）。
所述的集热管（1）由集热管固定支架（4）固定于圆台的轴上；所述的主立柱（12）竖直固定于地面上；所述的圆台内侧面反射面（7）由圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）及圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）加强为一个几何形状为圆台侧面的整体，由俯仰跟踪驱动（8）、俯仰旋转轴承支撑（9）及俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）支撑起来，使之可以在俯仰方向整体转动；所述的双轴跟踪控制器（13）控制俯仰跟踪驱动（8）跟踪太阳高度角，控制水平跟踪驱动（11）跟踪太阳方位角，实现集热器对太阳的双轴跟踪，当集热器正对太阳即阳光平行于圆台轴时，阳光经过圆台内侧面反射面（7）反射聚焦在集热管（1）达到聚光集热的目的。
所述的圆台内侧面反射面（7）为圆台内侧面或者圆锥内侧面或者几个不同圆台的内侧面的组合，所述的圆台内侧面反射面（7）优选为圆台内侧面；所述的圆台内侧面反射面（7）选自热弯反射镜、冷弯反射镜、镜面铝之一（不限于列出的这三种）的具有高反射率的反光面；所述圆台内侧面反射面（7）优选为冷弯反射镜加衬板的反射面。
所述的圆台内侧面反射面（7）所在的圆锥半顶角优选为45度。
所述的一种太阳能聚光集热装置可以包含一个或多个圆台内侧面反射面（7）圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）及圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）及相应轴处的集热管（1），以不同机械形式固定在俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）上，跟踪太阳聚光集热。
所述的集热管（1）固定于圆台内侧面反射面（7）所在的圆台轴上；所述的集热管（1）选自金属热管、电镀黑镍涂层管、全玻璃真空管和透光玻璃真空管之一的具有保温功能集热装置；所述真空热管优选为金属直通真空管。
所述的俯仰跟踪驱动（8）的旋转轴心和俯仰旋转轴承支撑（9）的旋转轴心在一条水平直线上；俯仰跟踪驱动（8）和俯仰旋转轴承支撑（9）靠近圆台内侧面反射面（7）的一侧和在圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）和圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）组成的钢结构支撑用法兰和螺栓或焊接固定在一起。
所述的俯仰跟踪驱动（8）的旋转轴心和俯仰旋转轴承支撑（9）的旋转轴心所在的直线和圆台内侧面反射面（7）所在圆台的轴相交于一点；优选的这一点位于圆台内侧面反射面（7）、圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）及圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）组成的整体的重心上。
所述的俯仰跟踪驱动（8）采用法兰螺栓紧固方式固定在俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）上；所述的双轴跟踪控制器（13）控制俯仰跟踪驱动（8）的电机正反转带动圆台内侧面反射面（7）、圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）及圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）组成的整体在俯仰方向上下转动，跟踪太阳高度角，实现俯仰方向跟踪太阳。
所述的俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）采用法兰螺栓方式固定于水平跟踪驱动（11）上，水平跟踪驱动（11）采用法兰螺栓方式固定于主立柱（12）上，主立柱（12）竖直固定于地面上；双轴跟踪控制器（13）控制水平跟踪驱动（11）的电机正反转带动整个聚光集热装置水平转动，跟踪太阳方位角，实现水平方向跟踪太阳。
本发明的工作原理为：光的直线传播原理，光的反射原理，假设当光线平行于圆台的轴照射到圆台内侧面反射面（7）上任何一点时，其反射光线必和圆台的轴相交。
首先证明，过圆台侧面任一点M的法线与圆台的轴相交，证明如下：
如图3所示，假设圆锥的轴为Z轴，开口朝上，入射光线与Z轴平行，照射到圆锥侧面的M(x0，y0，z0）点，圆锥曲面方程为：F(x，y，z)=Z²-cot²α*(x²+y²)；α为圆锥的半顶角；
所以 Fx(x，y，z)=- cot²α*(2x)；
Fy(x，y，z)=- cot²α*(2y)；
Fz(x，y，z)=2z；
Fx(x，y，z)为曲面方程F(x，y，z)=Z²-cot²α*(x²+y²)在点（x，y，z）处对x的偏导数；
Fy(x，y，z)为曲面方程F(x，y，z)=Z²-cot²α*(x²+y²)在点（x，y，z）处对y的偏导数；
Fz(x，y，z)为曲面方程F(x，y，z)=Z²-cot²α*(x²+y²)在点（x，y，z）处对z的偏导数；
所以过M(x0，y0，z0)点的法线方程为
(x-x0)/ Fx(x0，y0，z0)=(y-y0)/ Fy(x0，y0，z0)=(z-z0)/ Fz(x0，y0，z0)；
即-(x-x0)/[cot²α*(2x0)]=-(y-y0)/[cot²α*(2y0)]=(z-z0)/(2z0)；
即x/x0=y/y0=1-cot²α*(z/z0-1)；
所以过圆锥侧面任一点M的法线与圆锥的轴相交，圆台为圆锥的一部分，所以过圆台侧面任一点M的法线与圆台的轴相交。因为入射光线、法线均和圆台的轴相交，所以入射光线、法线、反射光线和圆台的轴在同一平面，即圆台的轴切面。在此平面内，由于入射光线和圆台的轴平行，法线和圆台的轴相交，所以反射光线必和圆台的轴相交。
由于当光线平行于圆台的轴照射到圆台内侧面反射面（7）上任何一点时，其反射光线必和圆台的轴相交，所以当圆台的轴与太阳光线平行，即集热器正对太阳时，反射光线汇聚于圆台的轴处的吸热器。
集热管（1）由集热管固定支架（4）固定于圆台的轴上，圆台内侧面反射面（7）由圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）及圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）加强为一个几何形状为圆台侧面的整体，集热管（1）和圆台内侧面反射面（7）相对位置固定构成一个集热器，由俯仰跟踪驱动（8）驱动集热器整体沿俯仰方向转动，由水平跟踪驱动（11）驱动集热器整体沿水平方向转动，当俯仰方向和水平方向完成跟踪时，集热管（1）与阳光平行，即圆台内侧面反射面（7）的轴与阳光平行，阳光平行照射到圆台内侧面反射面（7）上，由圆台内侧面反射面（7）反射光线到圆台的轴处的集热管（1）上，达到聚光集热的目的。
实施例1。
一种太阳能聚光集热装置，包括集热管（1），介质管路（2），介质管路金属软管（3），集热管固定支架（4），圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6），圆台内侧面反射面（7），俯仰跟踪驱动（8）、俯仰旋转轴承支撑（9）、俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）、水平跟踪驱动（11），主立柱（12），双轴跟踪控制器（13）。
本实施例中配置单个圆台反射面及1个集热管，设计集热装置圆台顶部开口直径5米，底部开口1米，集热管（1）采用在槽式太阳能工程中常用的金属玻璃封接真空直通管，集热管固定支架（4）采用4号角铁，集热管一侧采用U型卡固定集热管，另一侧用螺丝固定于圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）上。
圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）也均采用4号角铁焊接为行架结构保证强度。
圆台内侧面反射面（7）采用1mm厚镀锌铁板为衬板，把圆台内侧面反射面（7）沿圆周方向和母线方向按栅格状切分成单块儿，每块衬板采用冲压成型，最后再拼接成整个圆台内侧面反射面（7）的衬板，固定在圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）上，衬板上方粘贴1.1mm厚超白浮法玻璃制作的银镜，由衬板和银镜构成圆台内侧面反射面（7）。
俯仰跟踪驱动（8）采用蜗轮蜗杆减速机配直流电机及编码器组件，俯仰旋转轴承支撑（9）采用P210带座外球面球轴承组件，分别通过螺丝固定在俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）上。集热管（1）、集热管固定支架（4）、圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）、圆台内侧面反射面（7）固定为一个结实的整体，随俯仰跟踪驱动（8）的电机整体转动，由编码器反馈俯仰旋转角度，和双轴跟踪控制器（13）计算出的太阳高度角进行比较，当转到设定角度时停止转动，完成俯仰方向跟踪。
水平跟踪驱动（11）采用回转支撑配合涡轮蜗杆减速机及带编码器直流电机组件，采用螺丝固定在主立柱（12）上。
集热管（1），介质管路（2），介质管路金属软管（3），集热管固定支架（4），圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6），圆台内侧面反射面（7），俯仰跟踪驱动（8）、俯仰旋转轴承支撑（9）、俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）等部件作为一个整体，采用螺丝固定在水平跟踪驱动（11）上，随水平跟踪驱动（11）的电机整体转动，由编码器反馈水平方位旋转角度，和双轴跟踪控制器（13）计算出的太阳方位角进行比较，当转到设定角度时停止转动，完成水平方向跟踪。
当俯仰方向和水平方向完成跟踪时，集热管（1）与阳光平行，即圆台内侧面反射面（7）的轴与阳光平行，阳光平行照射到圆台内侧面反射面（7）上，由圆台内侧面反射面（7）反射光线到圆台的轴处的集热管（1）上，达到聚光集热的目的。
实施例2。
一种太阳能聚光集热装置，包括集热管（1），介质管路（2），介质管路金属软管（3），集热管固定支架（4），圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6），圆台内侧面反射面（7），俯仰跟踪驱动（8）、俯仰旋转轴承支撑（9）、俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）、水平跟踪驱动（11），主立柱（12），双轴跟踪控制器（13）。
本实施例中配置4个圆台反射面及4个集热管，设计集热装置圆台顶部开口直径3米，底部开口直径1米，集热管（1）采用在槽式太阳能工程中常用的金属玻璃封接真空直通管，每根集热管采用无缝碳钢管串联，集热管固定支架（4）采用3号角铁，集热管一侧采用U型卡固定集热管，另一侧用螺丝固定于圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）上。
圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）也均采用3号角铁焊接为行架结构保证强度。
圆台内侧面反射面（7）采用0.5mm厚不锈钢板为衬板，把圆台内侧面反射面（7）沿圆周方向和母线方向按栅格状切分成单块儿，每块衬板采用冲压成型，最后再拼接成整个圆台内侧面反射面（7）的衬板，固定在圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）上，衬板上方粘贴1.1mm厚超白浮法玻璃制作的银镜，由衬板和银镜构成圆台内侧面反射面（7）。
俯仰跟踪驱动（8）采用蜗轮蜗杆减速机配直流电机及编码器组件，俯仰旋转轴承支撑（9）采用P210带座外球面球轴承组件，分别通过螺丝固定在俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）上。设置4根集热管（1）、4套集热管固定支架（4）、4套圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），4套圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）、4套圆台内侧面反射面（7）分别构成4套相同的圆台结构，4套圆台的轴平行，4套圆台加固成一个整体，随俯仰跟踪驱动（8）的电机整体转动，由编码器反馈俯仰旋转角度，和双轴跟踪控制器（13）计算出的太阳高度角进行比较，当转到设定角度时停止转动，完成俯仰方向跟踪。
水平跟踪驱动（11）采用回转支撑配合涡轮蜗杆减速机及带编码器直流电机组件，采用螺丝固定在主立柱（12）上。
集热管（1），介质管路（2），介质管路金属软管（3），集热管固定支架（4），圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6），圆台内侧面反射面（7），俯仰跟踪驱动（8）、俯仰旋转轴承支撑（9）、俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）等部件作为一个整体，采用螺丝固定在水平跟踪驱动（11）上，随水平跟踪驱动（11）的电机整体转动，由编码器反馈水平方位旋转角度，和双轴跟踪控制器（13）计算出的太阳方位角进行比较，当转到设定角度时停止转动，完成水平方向跟踪。
当俯仰方向和水平方向完成跟踪时，集热管（1）与阳光平行，即圆台内侧面反射面（7）的轴与阳光平行，阳光平行照射到圆台内侧面反射面（7）上，由圆台内侧面反射面（7）反射光线到圆台的轴处的集热管（1）上，达到聚光集热的目的。

Claims (9)

1.一种太阳能聚光集热装置，其特征在于：包括集热管（1），介质管路（2），介质管路金属软管（3），集热管固定支架（4），圆台内侧面反射面背部水平支撑（5），圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6），圆台内侧面反射面（7），俯仰跟踪驱动（8）、俯仰旋转轴承支撑（9）、俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）、水平跟踪驱动（11），主立柱（12），双轴跟踪控制器（13）；所述的集热管（1）由集热管固定支架（4）固定于圆台的轴上；所述的主立柱（12）竖直固定于地面上；所述的圆台内侧面反射面（7）由圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）及圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）加强为一个几何形状为圆台或圆锥侧面的整体，由俯仰跟踪驱动（8）、俯仰旋转轴承支撑（9）及俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）支撑起来，使之可以在俯仰方向整体转动；所述的双轴跟踪控制器（13）控制俯仰跟踪驱动（8）跟踪太阳高度角，控制水平跟踪驱动（11）跟踪太阳方位角，实现集热器对太阳的双轴跟踪，使集热器正对太阳即阳光平行于圆台轴，阳光经过圆台内侧面反射面（7）反射聚焦在集热管（1）达到聚光集热的目的。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热装置，其特征在于圆台内侧面反射面（7）为圆台内侧面或者圆锥内侧面或者几个不同圆台的内侧面的组合，所述的圆台内侧面反射面（7）优选为圆台内侧面；所述的圆台内侧面反射面（7）选自热弯反射镜、冷弯反射镜、镜面铝之一（不限于列出的这三种）的具有高反射率的反光面；所述圆台内侧面反射面（7）优选为冷弯反射镜加衬板的反射面。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热装置，其特征在于所述的圆台内侧面反射面（7）所在的圆锥半顶角优选为45度。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热装置可以包含一个或多个圆台内侧面反射面（7）圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）及圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6），及相应轴处的集热管（1），以不同机械形式固定在俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）上，跟踪太阳聚光集热。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热装置，其特征在于集热管（1）固定于圆台内侧面反射面（7）所在的圆台轴上；所述的集热管（1）选自金属热管、电镀黑镍涂层管、全玻璃真空管和透光玻璃真空管之一的具有保温功能集热装置；所述真空热管优选为金属直通真空管。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热装置，其特征在于俯仰跟踪驱动（8）的旋转轴心和俯仰旋转轴承支撑（9）的旋转轴心在一条水平直线上；俯仰跟踪驱动（8）和俯仰旋转轴承支撑（9）靠近圆台内侧面反射面（7）的一侧和在圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）和圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）组成的钢结构支撑用法兰和螺栓或焊接固定在一起。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热装置，其特征在于俯仰跟踪驱动（8）的旋转轴心和俯仰旋转轴承支撑（9）的旋转轴心所在的直线和圆台内侧面反射面（7）所在圆台的轴相交于一点；优选的这一点位于圆台内侧面反射面（7）、圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）及圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）组成的整体的重心上。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热装置，其特征在于俯仰跟踪驱动（8）采用法兰螺栓紧固方式固定在俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）上；所述的双轴跟踪控制器（13）控制俯仰跟踪驱动（8）的电机正反转带动圆台内侧面反射面（7）、圆台内侧面反射面背部水平支撑（5）及圆台内侧面反射面背部竖直支撑（6）组成的整体在俯仰方向上下转动，跟踪太阳高度角，实现俯仰方向跟踪太阳。
9.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光集热装置，俯仰跟踪驱动和俯仰旋转轴承支撑钢结构支架（10）采用法兰螺栓方式固定于水平跟踪驱动（11）上，水平跟踪驱动（11）采用法兰螺栓方式固定于主立柱（12）上，主立柱（12）竖直固定于地面上；双轴跟踪控制器（13）控制水平跟踪驱动（11）的电机正反转带动整个聚光集热装置水平转动，跟踪太阳方位角，实现水平方向跟踪太阳。
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