CN101482246B - 太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法 - Google Patents

太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法，装置包括集光器阵列与控制器电连接的太阳定位传感器、角度传感器，集光器阵列与太阳定位传感器固定在装置俯仰板上，俯仰板通过横轴和纵轴可进行双自由度旋转，横轴和纵轴分别连接角度传感器，测量俯仰板的俯仰角和方位角，太阳定位传感器利用光敏器件阵列精细测量太阳方位，控制器包括单片机、GPS电路和信号处理电路；跟踪方法包括在大偏差情况下利用轨道算法跟踪太阳，在小偏差情况下用太阳定位传感器精确跟踪太阳；本发明保证了太阳跟踪过程的自动化和高精度，确保光纤照明装置运行可靠、稳定，适用于军火库、疗养院、博物馆、地下室等需要安全照明或者自然光照明场所。

Description

太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法
技术领域
本发明涉及太阳能开发自动化领域，特别涉及太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法。
背景技术
太阳光是取之不尽的绿色能源，将阳光有效收集并利用光纤传输到需要照明并且对安全要求严格的场所，例如弹药库、油库、矿井等易燃易爆场所和不能直接接收阳光的建筑内，进行照明，其意义重大。此类技术的核心思想是利用聚光透镜或者聚光反射镜，将阳光聚焦到光纤上，利用光纤将阳光传输到需要照明的场所。这种照明技术节能，且光电隔离，非常安全照明，其光谱也适合人类健康需求。这种技术的关键在于高精度、全自动地跟踪太阳，确保太阳光准确聚焦在细小的光纤受光端面上。目前的相关专利提出的太阳跟踪方法分为两大类：一类是根据地球绕日运行规律控制采光照明装置；另一类是利用光敏传感器跟踪太阳。太阳跟踪技术是本发明申请人长期研究的课题，此前已经有一项“基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法”发明专利授权(专利号：ZL200510094900.8)，即属于前者。申请人在研究中发现，单独采用上述两类方法中的一种，无法高精度全自动跟踪太阳，无法有效实现光纤传输阳光进行照明之目的。
利用光敏传感器跟踪太阳，不受当地经纬度限制，如专利“太阳光光纤照明装置”(申请号01113529.8)采用四象限光伏探测器跟踪太阳，但也存在缺点，在阳光焦斑偏离中心时，四象限光伏探测器仅能提供偏差的大致方向信息，而无法获得偏差的具体数值和准确方向，作为闭环控制的反馈信号不够理想，且受环境温度干扰，并且在日出时刻，如果四象限光伏探测器轴线与阳光偏差太大，阳光聚焦不理想或者焦斑没有投射在光伏探测器上，则装置无法探测到太阳方位，失去控制，自动化水平低，可靠性不够高。
发明内容
本发明的目的是针对国内外太阳光光纤照明装置的缺陷，提出一种新型的具备双重太阳跟踪方法的太阳跟踪装置即太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法，以提高太阳光光纤照明装置的太阳跟踪精度，提高自动化水平，满足民用太阳能领域的需求。
本发明的原理是：单片机读取GPS电路信号，获得当地经度、纬度和日期时刻，据此计算当时的太阳位置，对比角度传感器信号，计算出装置姿态与太阳方位之间的偏差，利用偏差信号驱动电机，控制装置指向太阳，完成初步跟踪；再利用太阳定位传感器实现进一步高精度跟踪控制，太阳光聚焦后的焦斑如果偏离光敏器件阵列中心，则信号处理电路计算出偏差，单片机根据偏差驱动电机带动装置转动，直至太阳光聚焦光斑位于光敏器件阵列中心，集光器的轴线与太阳定位传感器轴线平行，此时集光器中阳光聚焦后准确照射在光纤受光端面上，光纤将阳光传输到需要的场所实现照明。
本发明的技术方案是：
一种太阳光光纤照明装置，包括集光器阵列、与控制器电连接的太阳定位传感器、角度传感器，特别是：
集光器阵列包括多个单元，其中每个单元包括采光聚光透镜、光纤、夹持头和镜筒，采光聚光透镜经镜筒固定在俯仰板上，光纤经夹持头贯穿俯仰板并固定在俯仰板上，光纤受光端置于采光聚光透镜焦点处，集光器阵列的镜筒轴线与太阳定位传感器的遮光筒轴线平行；
太阳定位传感器包括定位聚光透镜和光敏器件阵列，光敏器件阵列置于定位聚光透镜焦平面附近，聚光透镜通过遮光筒相对固定在光敏器件阵列上，遮光筒固定在俯仰板上，俯仰板固定在左横轴和右横轴上，左横轴通过左轴承与U型支架相连接，右横轴通过右轴承与U型支架相连接；
角度传感器为横轴角度传感器和纵轴角度传感器，横轴角度传感器的输入轴与右横轴相连接且固定在U型支架的一侧，用于测量俯仰板的俯仰角，所述U型支架的另一侧固定有横轴电机，横轴电机的输出轴经横轴大齿轮与横轴小齿轮啮合，横轴小齿轮带动俯仰板转动；
纵轴角度传感器和纵轴电机固定在底座上，底座包括上盖板、下盖板、纵轴、固定柱，纵轴置于底座的中间，底座四周置有多个固定柱，固定柱上下两端分别固定在上盖板和下盖板上，纵轴的顶部穿过上盖板经上向心轴承和上轴承盖与上盖板连接，纵轴的顶部末端与U型支架固定连接，纵轴的上端置有纵轴小齿轮，纵轴下端依次同轴串联下向心轴承和推力轴承，下轴承盖将下向心轴承和推力轴承连接在固定环上，固定环固定在下盖板上，纵轴下部末端与纵轴角度传感器的输入轴连接，用于测量U型支架的方位角，纵轴电机输出轴经纵轴大齿轮啮合纵轴上的纵轴小齿轮，纵轴小齿轮带动纵轴转动；
控制器为单片机的通讯端口分别与横轴角度传感器、纵轴角度传感器、GPS电路、信号处理电路通讯端口电连接，单片机的输出端口分别与横轴电机驱动器、纵轴电机驱动器控制端口电连接，信号处理电路用于接受太阳定位传感器输入的模拟信号，并转换为数字信号后传输到单片机通讯端口，横轴电机驱动器和纵轴电机驱动器用于接受单片机的信号，驱动相应电机。
光敏器件阵列采用下述一种：①光敏二极管阵列；②光敏电阻；③光伏电池阵列；④热敏二极管阵列；⑤热敏电阻阵列；⑥热电偶阵列。
横轴角度传感器和纵轴角度传感器采用下述一种：①巨磁阻式角度传感器；②电容式角度传感器；③码盘式角度传感器；④电位器式角度传感器。
单片机采用C8051F020单片机。
本发明太阳光光纤照明装置的太阳跟踪方法，包括利用GPS信号计算太阳方位，结合角度传感器信号驱动电机，实现装置的闭环跟踪控制，并利用太阳定位传感器进一步精确定位太阳位置，驱动电机实现高精度太阳跟踪，特别是：
设置单片机启动后，读取GPS信号；
根据GPS信号，计算太阳真实位置；
读取角度传感器数值，得到装置实际姿态；
如果装置实际姿态与根据GPS信号计算出的太阳位置偏差较大，则驱动电机进行闭环控制，降低偏差；
当角度偏差小于一定数值后，装置再利用太阳定位传感器精确定位太阳位置，根据阳光焦斑位置与光敏器件阵列中心位置的偏差，精确判断太阳跟踪偏差，并驱动电机使得阳光聚焦光斑落在太阳定位传感器的光敏器件阵列中心位置，此时对于集光器阵列，阳光经采光聚光透镜聚焦后光斑落在光纤受光端面上，光纤将阳光传输到需要的场合进行照明；
单片机执行时间中断功能，设定中断时间周期，每次中断开始后重新读取GPS信号，计算太阳位置，并结合角度传感器信号计算跟踪偏差，驱动电机进行跟踪姿态调整，减小跟踪偏差，在此基础上再利用太阳定位精确定位太阳位置，驱动电机实现高精度太阳跟踪。
本发明的有益效果是：
1.本发明装置包括控制器、太阳定位传感器和角度传感器，控制器包括GPS电路和单片机，太阳定位传感器采用了光敏器件阵列来测量阳光聚焦光斑详细位置，根据聚焦光斑位置与光敏器件阵列中心位置的偏差，实现太阳的高精度定位，获得太阳光精确的方向偏差和角度偏差。而现有发明技术中单纯采用四象限光伏探测器跟踪太阳，仅能够获得太阳偏差的大致方向信息，无法获得精确的方向偏差信息，也无法获得角度偏差数值。另外，本发明装置可以通过加大光敏器件阵列的密度来提高太阳定位精度，以满足更苛刻的应用要求。
2.本发明装置中，集光器阵列固定在俯仰板上，俯仰板与横轴角度传感器连接，俯仰板通过左右横轴、U型支架与纵轴上固定连接，纵轴下端串联向心轴承和推力轴承，纵轴末端连接纵轴角度传感器，控制器包括GPS电路和单片机，相对现有发明技术而言，本发明装置很容易通过调节俯仰板的重心位置，使得纵轴和横轴的转动力矩大幅度降低，从而节省驱动电机的功率，降低能耗。
3.本发明的太阳跟踪方法首先利用单片机根据GPS信号计算太阳方位，参考角度传感器反馈信号实现太阳跟踪，再利用太阳定位传感器精确定位太阳位置，实现进一步的精细跟踪调节。相对现有发明技术中单纯采用四象限光伏探测器跟踪太阳，在太阳偏差较大情况下，四象限光伏探测器得不到阳光照射，失去太阳定位能力，致使装置跟踪失控。本发明方法能够在太阳偏离角度过大时候，利用GPS信号根据轨道算法定位太阳，避免装置失控，控制装置跟踪太阳，减小偏差，偏差小于特定数值时，再利用太阳定位传感器来精细跟踪太阳，这样可保证跟踪的全自动化，不会失控，并利用轨道算法实现昼夜判断。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置的纵轴下端结构示意图；
图3为本发明装置中集光器阵列单元结构示意图；
图4为本发明装置中太阳定位传感器结构示意图；
图5为本发明装置中控制器电路框图；
图6为本发明装置的太阳跟踪方法流程图。
具体实施方式
如图1所示：本发明装置的结构示意图，1是集光器阵列，2是太阳定位传感器，3是俯仰板，4是左横轴，5是左轴承，6是横轴小齿轮，7是横轴大齿轮，8是横轴电机，9是U型支架，10是上轴承盖，11是上盖板，12是固定柱，13是纵轴小齿轮，14是纵轴，15是下轴承盖，16是固定环，17是下盖板，18是控制器，19是纵轴角度传感器，20是推力轴承，21是下向心轴承，22是纵轴电机，23是纵轴大齿轮，24是上向心轴承，25是光纤，26是夹持头，27是横轴角度传感器，28是右轴承，29是右横轴。
该装置中集光器阵列1和太阳定位传感器2固定在俯仰板3上，俯仰板3通过左横轴4经横轴小齿轮6与横轴大齿轮7啮合，横轴大齿轮7与横轴电机8的输出轴相连接，横轴电机8固定在U型支架9上，俯仰板3的俯仰角调节依靠横轴电机8通过横轴大齿轮7啮合横轴小齿轮6带动左横轴4转动实现；俯仰板3另一端经右横轴29与横轴角度传感器27的输入轴相连，横轴角度传感器27固定在U型支架9上。U型支架9和纵轴14连接，纵轴14经纵轴小齿轮13啮合纵轴大齿轮23，纵轴大齿轮23与纵轴电机22输出轴连接，纵轴电机22固定在下盖板17上，下盖板17经固定柱12与上盖板11固定连接。俯仰板3的方位角调节依靠纵轴电机22通过纵轴大齿轮23啮合纵轴小齿轮13带动与纵轴14固定的U型支架9实现。
横轴角度传感器27和纵轴角度传感器19采用下述一种：①巨磁阻式角度传感器；②电容式角度传感器；③码盘式角度传感器；④电位器式角度传感器。横轴角度传感器27用于测量俯仰板3相对U型支架9的俯仰角，纵轴角度传感器19用于测量纵轴14相对下盖板17的方位角。
上向心轴承24和下向心轴承21承受纵轴14的径向载荷，推力轴承20承受纵轴14的轴向载荷。
如图2所示：本发明装置的纵轴下端结构示意图，14是纵轴，15是下轴承盖，21是下向心轴承，20是推力轴承，16是固定环，19是纵轴角度传感器。
纵轴角度传感器19输入轴与纵轴14同轴线方式固定，纵轴角度传感器19固定端连接在固定环16上，纵轴14相对固定环16的转动角度可以通过纵轴角度传感器19测量获得。
如图3所示：本发明装置中集光器阵列单元结构示意图，3是俯仰板，25是光纤，26是夹持头，30是采光聚光透镜，31是镜筒。
采光聚光透镜30固定在镜筒31上，镜筒31固定在俯仰板3上，光纤25通过夹持头26固定在俯仰板3上，光纤25受光端面位于采光聚光透镜30焦点附近。太阳光通过采光聚光透镜30聚焦在光纤25受光端面，经由光纤25传输到需要的场所照明。
如图4所示：本发明装置中太阳定位传感器结构示意图，32是定位聚光透镜，33是遮光筒，34是光敏器件阵列。
定位聚光透镜32将阳光聚焦在光敏器件阵列34上，太阳的精确定位依靠光敏器件阵列34对阳光聚焦光斑的位置感应来确定。当太阳没有正对太阳定位传感器2，则阳光聚焦光斑将偏离光敏器件阵列34的中心，根据光敏器件阵列34的感应输出即可获知太阳光线偏离角度大小和方向。
光敏器件阵列34采用下述一种：①光敏二极管阵列；②光敏电阻；③光伏电池阵列；④热敏二极管阵列；⑤热敏电阻阵列；⑥热电偶阵列。
如图5所示：本发明装置控制器电路框图，2是太阳定位传感器，8是横轴电机，18是控制器，22是纵轴电机，27是横轴角度传感器，19是纵轴角度传感器，101是单片机C8051F020，102是GPS电路，103是信号处理电路，104是横轴电机驱动器，105是纵轴电机驱动器。
单片机101通讯端口分别电连接横轴角度传感器27和纵轴角度传感器19的数据输出端口，单片机101可读取横轴角度传感器27和纵轴角度传感器19的信号。单片机101通讯端口与GPS电路102通讯端口电连接，单片机101可以读写GPS电路102。太阳定位传感器2电连接信号处理电路103，信号处理电路103数据输出端口电连接单片机101的通讯端口，信号处理电路103通过处理太阳定位传感器2的信号，获得太阳焦斑位置并发送给单片机101。单片机101通讯端口与横轴电机驱动器104、纵轴电机驱动器105的控制端口电连接，横轴电机驱动器104输出端口与横轴电机8输入端口电连接，横轴电机驱动器105输出端口与纵轴电机22输入端口电连接，横轴电机驱动器104、纵轴电机驱动器105根据单片机101发送过来的控制信号来驱动横轴电机8、纵轴电机22。
如图6所示：太阳跟踪方法流程图。
具体实施方式单片机101启动后进入全自动工作状态。启动完毕后，单片机101通过通讯端口读取GPS电路信号，获得当地经度、纬度、日期、时刻，计算出太阳的方位，根据太阳是否在地平线以上来判断当时的昼夜状态，如果是黑夜，则延时等待一段时间，单片机101重新读取GPS电路信号，如果是白昼，则跟踪开始。
跟踪开始后，单片机101读取横轴角度传感器27和纵轴角度传感器19的电信号，其中横轴角度传感器27测量俯仰板3的俯仰角，纵轴角度传感器19测量U型支架9的方位角；单片机101通讯端口分别与横轴角度传感器27和纵轴角度传感器19的数据输出端口电连接；单片机101计算出太阳实际方位与装置在俯仰角和方位角上的偏差，输出控制信号，经过通讯端口分别输入到横轴电机驱动器104控制端口和纵轴电机驱动器105控制端口。
横轴电机驱动器104驱动横轴电机8，控制俯仰板3旋转到相应位置，实现固定在俯仰板3上的集光器阵列1的俯仰角调节；纵轴电机驱动器105驱动纵轴电机22，控制U型支架9旋转到相应位置，实现固定在俯仰板3上的集光器阵列1的方位角调节。
单片机101完成上述控制调整后，读取信号处理电路103数据，获得太阳定位传感器2测量到的阳光焦斑与光敏器件阵列34中心位置之间的偏差，单片机101根据偏差计算出控制信号，经过通讯端口分别输入到横轴电机驱动器104控制端口和纵轴电机驱动器105控制端口，横轴电机驱动器104和纵轴电机驱动器105分别驱动横轴电机8和纵轴电机22，实现对俯仰板3上的集光器阵列1的俯仰角、方位角精细调节。
参见图6，太阳光光纤照明装置的太阳跟踪方法和工作流程如下：
通电启动后，单片机C8051F020启动内部驻有程序，开始工作(步骤110)；接着在步骤120中，单片机C8051F020读取GPS数据，获得当地经度、纬度、日期、时刻；步骤130中，单片机计算太阳位置；步骤140中，单片机根据太阳与地平线的位置关系，判断当时是否为黑夜，如果判断为黑夜，则转入步骤150，延时，再转入步骤120；如果判断为白昼，则开始跟踪控制，转入步骤160，在步骤160中，单片机读取角度传感器数据，比较太阳位置和装置姿态之间的偏差(步骤170)，如果角度偏差过大，则转入步骤180，电机驱动装置跟踪，再转入步骤120；否则，转入步骤190，单片机101通过信号处理电路103读取太阳定位传感器信号，计算偏差，判断装置是否对准太阳(步骤200)，如果装置没有精准对准太阳，则转入步骤210，电机驱动装置跟踪太阳，再转入步骤190；如果装置对准太阳，则延时一段时间(步骤220)，延时完成后转入步骤120，开始下一轮跟踪流程。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种太阳光光纤照明装置，包括集光器阵列(1)、与控制器(18)电连接的太阳定位传感器(2)、角度传感器，其特征在于：
所述集光器阵列(1)包括多个单元，其中每个单元包括采光聚光透镜(30)、光纤(25)、夹持头(26)和镜筒(31)，所述采光聚光透镜(30)经镜筒(31)固定在俯仰板(3)上，所述光纤(25)经夹持头(26)贯穿俯仰板(3)并固定在俯仰板(3)上，光纤(25)受光端置于采光聚光透镜(30)焦点处，集光器阵列(1)的镜筒(31)轴线与太阳定位传感器(2)的遮光筒(33)轴线平行；
所述太阳定位传感器(2)包括定位聚光透镜(32)和光敏器件阵列(34)，所述光敏器件阵列(34)置于定位聚光透镜(32)焦平面附近，所述定位聚光透镜(32)通过遮光筒(33)相对固定在光敏器件阵列(34)上，遮光筒(33)固定在俯仰板(3)上，所述俯仰板(3)固定在左横轴(4)和右横轴(29)上，所述左横轴(4)通过左轴承(5)与U型支架(9)相连接，右横轴(29)通过右轴承(28)与U型支架(9)相连接；
所述角度传感器为横轴角度传感器(27)和纵轴角度传感器(19)，所述横轴角度传感器(27)的输入轴与右横轴(29)相连接且固定在U型支架(9)的一侧，用于测量俯仰板(3)的俯仰角，所述U型支架(9)的另一侧固定有横轴电机(8)，所述横轴电机(8)的输出轴经横轴大齿轮(7)与横轴小齿轮(6)啮合，横轴小齿轮(6)带动俯仰板(3)转动；
所述纵轴角度传感器(19)和纵轴电机(22)固定在底座上，所述底座包括上盖板(11)、下盖板(17)、纵轴(14)、固定柱(12)，所述纵轴(14)置于底座的中间，所述底座四周置有多个固定柱(12)，所述固定柱(12)上下两端分别固定在上盖板(11)和下盖板(17)上，所述纵轴(14)的顶部穿过上盖板(11)经上向心轴承(24)和上轴承盖(10)与上盖板(11)连接，所述纵轴(14)的顶部末端与U型支架(9)固定连接，所述纵轴(14)的上端置有纵轴小齿轮(13)，所述纵轴(14)下端依次同轴串联下向心轴承(21)和推力轴承(20)，下轴承盖(15)将下向心轴承(21)和推力轴承(20)连接在固定环(16)上，固定环(16)固定在下盖板(17)上，所述纵轴(14)下部末端与纵轴角度传感器(19)的输入轴连接，用于测量U型支架(9)的方位角，所述纵轴电机(22)输出轴经纵轴大齿轮(23)啮合纵轴(14)上的纵轴小齿轮(13)，纵轴小齿轮(13)带动纵轴(14)转动；
所述控制器(18)为单片机(101)的通讯端口，所述控制器(18)分别与横轴角度传感器(27)、纵轴角度传感器(19)、GPS电路(102)、信号处理电路(103)通讯端口电连接，所述单片机(101)的输出端口分别与横轴电机驱动器(104)、纵轴电机驱动器(105)控制端口电连接，所述信号处理电路(103)用于接受太阳定位传感器(2)输入的模拟信号，并转换为数字信号后传输到单片机(101)的通讯端口，所述横轴电机驱动器(104)和纵轴电机驱动器(105)用于接受单片机(101)的信号，驱动相应电机。
2.根据权利要求1所述的太阳光光纤照明装置，其特征是：所述集光器阵列(1)包括的多个单元是5个或12个或36个。
3.根据权利要求1所述的太阳光光纤照明装置，其特征是：所述光敏器件阵列(34)采用光敏二极管阵列或光敏电阻或光伏电池阵列或热敏二极管阵列或热敏电阻阵列或热电偶阵列。
4.根据权利要求1所述的太阳光光纤照明装置，其特征是：所述横轴角度传感器(27)和纵轴角度传感器(19)采用巨磁阻式角度传感器或电容式角度传感器或码盘式角度传感器或电位器式角度传感器。
5.根据权利要求1所述的太阳光光纤照明装置，其特征是：所述单片机(101)采用C8051F020单片机。
6.一种使用权利要求1所述的太阳光光纤照明装置的太阳跟踪方法，包括利用GPS信号，结合轨道算法，计算太阳方位，利用角度传感器反馈信号计算跟踪偏差，利用偏差驱动电机，实现装置的闭环跟踪控制，并利用太阳定位传感器进一步精确定位太阳位置，驱动电机实现高精度太阳跟踪，其特征在于：
设定单片机(101)启动后，读取GPS信号；
根据GPS信号，计算太阳真实位置；
读取角度传感器数值，得到装置实际姿态；
如果装置实际姿态与根据GPS信号计算出的太阳位置偏差较大，则驱动电机进行闭环控制，降低角度偏差；
当角度偏差小于一定数值后，装置再利用太阳定位传感器(2)精确定位太阳位置，根据阳光焦斑位置与光敏器件阵列(34)中心位置的偏差，精确判断太阳跟踪偏差，并驱动电机使得阳光聚焦光斑落在太阳定位传感器(2)的光敏器件阵列(34)中心位置，此时对于集光器阵列(1)，阳光经采光聚光透镜(30)聚焦后光斑落在光纤(25)受光端面上，光纤(25)将阳光传输到需要的场合进行照明；
单片机(101)执行时间中断功能，设定中断时间周期，每次中断开始后重新读取GPS信号，计算太阳位置，并结合角度传感器信号计算跟踪偏差，驱动电机进行跟踪姿态调整，减小跟踪偏差，在此基础上再利用太阳定位精确定位太阳位置，驱动电机实现高精度太阳跟踪。
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