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国家标准GB50797-2012《光伏发电站设计规范》中对于光伏方阵布置的设计要求“光伏方阵各排、列的布置间距应保证每天9:00-15:00（当地真太阳时）时段内前、后、左、右互不遮挡”，因此我们在进行光伏电站设计时采用的时间系统是真太阳时，PVHelper软件内部采用的时间也同样是真太阳时，同时考虑到设计人员日常更加熟悉时钟时间（对于我国是北京时间），因此软件界面具备灵活的时间转换工具。那么什么是真太阳时？它与时钟时间有什么区别，电站设计为什么要用真太阳时呢？这些问题的答案都和日地几何关系的确定有关，如高度角、方位角、赤纬角、日出时角、日落时角等，下面就跟大家聊聊这些几何量到底是怎么定义的，揭开日地几何关系的秘密。首先说说，时空参考坐标系。
位之地面，仰望苍天，众星罗列，双目不能辩其远近，可以想象，光伏发电的能量之源---太阳，和所有众星体一样同在一个巨大的空心球体之上，因此，在天文观测中假定地球为中心，各个天体投射于半径无穷远的球面之上，此球谓之天球。
日地几何关系就是建立在这样的空间系统中，利用球面三角进行求解的。在这个球面空间坐标系统中，包括如下参考点和参考圈，用于系统中天体的定位，如下图1所示。
图1 天球坐标系
天极点(SouthCelestial Pole and North Celestial Pole)：地球极轴南北延长线与天球的交点。
天球赤道(CelestialEquator)：将地球赤道延展至天球，与天球相交的大圆圈。天球赤道将天球二等分，北部为北天，以北极为中心，南部为南天，以南极为中心。
天顶点和天底点(CelestialZenith and Celestial Nadir):将位于地面的观测者的垂线上下延长，与天球交于两点，上为天顶点，下为天底点。
由以上定义可知，天顶确定了观测者在天球上的位置，天顶相对于天极、天球赤道的位置关系，与观测者相对于地极和地赤道的关系相同。这是天球坐标系定位的基础。
地平圈(Horizon):通过地心作一平面垂直于观测者垂线，与天球相交的大圆圈。
地平经圈或垂直圈(Vertical)：所有通过天顶、天底的大圆圈都可称为地平经圈。
时圈(Hourcircle)：所有通过天极的大圆圈均称为时圈。
子午圈(CelestialMeridian)：通过天极，又通过天顶、天底的大圆圈称为观测者的子午圈，子午圈也是时圈。
卯酉圈(PrimeVertical)：垂直于子午圈的地平经圈。
地球围绕倾斜23.5度的地轴自转，同时围绕太阳公转。延展地球的公转轨道，与天球相交于一个大圆圈，称为黄道(Ecliptic)，如图2所示。
图2 黄赤交角与二分点
黄道与天球赤道相交于天球春分点(vemal equinox)和天球秋分点(autumn equinox)，它们之间的夹角为23.5度。当地球位于公转轨道的春分点时，地面观测者可看到太阳位于天球春分点，此时太阳同时位于黄道圈和天球赤道圈。当地球延公转轨道向东运行时，太阳的视在位置，在天球上沿着黄道圈，也自天球春分点，向东运行，经历夏至、秋分、冬至返回春分点，周期为一年。这就是太阳的视在运动（apparent solar motivation），黄道圈也就是太阳的视轨道，如上图2所示。
坐标系统
定义了以上参考点和参考圈，分析了日地之间的视在运动关系后，我们就可以基于笛卡尔坐标系建立起天球上的坐标系统。在天球上任意点P的位置可由两个角度表示μ、υ，如下图3所示。根据原点、Z轴、参考面选取的不同，分为地平坐标系统、第一赤道坐标系统、第二赤道坐标系统、黄道坐标系统四类。在光伏发电系统的设计中，我们主要采用地平坐标系统和第一赤道坐标系统，来分析日地几何关系，并以此为基础进行电站的设计及特性分析。下面向大家介绍一下这两个坐标系统。
图3 球面坐标系
地平坐标系统(Horizon Coordinates)：以观测者位置为原点，指向天顶方向的本地铅垂线为Z轴、地平圈为基本参考面建立的坐标系统，如下图4所示。
图4 地平坐标系
在地平坐标系中，用于定位的两个角度分别称为高度角和方位角。观测者子午圈与地平圈交于南、北两点，由天顶沿垂直圈，至天体位置的弧距（角度），称为天顶距，它的余角称为高度角。方位角是指从北点起算，沿地平圈向东方向计算，至垂直圈平面。因此X轴指向北，Y轴指向东。
第一赤道坐标系统(Equatorial Coordinatesof the First Kind)：以观测者位置为原点，天极轴为Z轴，天球赤道面为基本参考面建立的坐标系统，如下图5所示。
在第一赤道坐标系中，用于定位的两个角度分别是时角和赤纬角。观测者子午圈与通过天体位置和天极的时圈之间的夹角称为时角(Hour angle)。它是由子午圈与天球赤道相交的南方点x起算，沿天球赤道向西量算至天体时圈的一段弧距，其值通常用小时、分、秒表示，1小时对应15度。沿时圈，自天体位置，至天球赤道圈的角度称为赤纬角(Declination)。太阳的视在轨道位于黄道圈，黄道圈与天球赤道圈之间存在23.5度的夹角，因此太阳的赤纬角是不断变化着的。
太阳的位置量--真太阳时
知道了以上天文定义，那么我们在光伏电站设计中是如何应用这些知识，进行太阳位置计算和日地关系分析呢？现在是回答什么是真太阳时的时候了。太阳时是反应太阳相对于观测者子午圈的一个位置量，它分为真太阳时或视在太阳时和平太阳时。由于在第一赤道坐标系下，太阳的视在运行轨道位于黄道平面，它与天球赤道平面斜交，并且地球公转角速度并非匀速，因此太阳视位置连续两次通过同一子午圈与黄道圈的交点的时段不等（太阳日不等），以此太阳的视在位置（真太阳）计时很不方便，于是，人们假想一个天体，它每年和真太阳同时从天球春分点出发，在天赤道上从西向东匀速运行，这个速度相当于真太阳在黄道圈上的平均速度，最后和真太阳同时回到春分点，这个假想的天体称为平太阳（the mean solar）。以真太阳的运动时角来计时称为真太阳时（Local apparent time）；以平太阳的运动时角来计时称为平太阳时（Local mean time）。真太阳时与平太阳时之间的差值称为时差（equation of time）。因此，真太阳时反应的是太阳的实际视在位置，这也就是我们在光伏电站设计中使用为什么使用真太阳时的原因。
较之真太阳时，我们日常生活中更为熟悉的是钟表时间，也就是地方时。那么地方时与真太阳时有什么关系呢？
大家知道，通过地球极轴和地面一点的平面称为子午平面，其中通过英国格林尼治天文台的子午平面称为原始子午平面或本初子午平面。任意子午平面与本初子午面之间的夹角称为经度。格林尼治以东为东经，以西为西经。平太阳相对于本初子午圈的平太阳时，称为格林尼治时。格林尼治时经过经度修正后，就得到了地方时。那么这个过程的逆过程，就是如何从地方时计算平太阳时，进而通过时差，计算得到真太阳时。
待续 --- PVHelper揭秘之旅：日地几何关系详解（2）
参考文献
1、《PVHelper V1.0用户参考手册》中国科学院电工研究所，2016；
2、《实用天文学》 夏坚白等 武汉大学出版社，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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