CN101609311B - 主动式太阳能跟踪方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式太阳能跟踪方法，包括：手动调整带受光面的太阳能设备的初始姿态，使受光面与太阳入射光线垂直；获取当前时间；以所述的太阳能设备的初始姿态和当前时间为基准，根据当前时间获取装置的数据定时调整太阳能设备的方向角和高度角，实现主动式太阳跟踪。本发明还公开了用于上述的太阳能跟踪方法的装置，包括：一带受光面的太阳能设备；一太阳能设备姿态调整装置：一当前时间获取装置；一控制器和与控制器相连的按键系统。本发明的跟踪方法和装置具有良好的精度和稳定性。

Description

主动式太阳能跟踪方法及装置

技术领域

本发明属于工业控制领域，具体涉及太阳能跟踪方法及装置，尤其涉及一种主动式太阳能跟踪方法及装置。

背景技术

太阳能跟踪系统可以用于各种太阳能采集装置中，尤其是太阳能发电系统以及太阳能热水器中，可以有效提高太阳能收集效率，高效的太阳能跟踪系统可以随着太阳每天的东升西落以及季节的交替变化随时调整。

目前常用的跟踪系统主要是采用被动跟踪方式，即采用光敏器件来感知太阳光的位置。中国专利ZL200510094900.8公开了一种基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法。装置包括受光面板与控制器电连接的传感器、电机，受光面板经铰链与支撑杆、高度角调节杆连接，支撑杆的另一端与立柱连接，控制器为单片机的模/数端口分别与高度角传感器和方位角传感器电连接、数/模端口分别与高度角驱动电机控制端口和方位角驱动电机控制端口电连接；这种跟踪方法包括利用经度、纬度和日期时间计算当地当日太阳赤纬和时差，根据经度、纬度、太阳赤纬、时差和时刻实时计算太阳方位角和高度角，利用闭环控制实现实时跟踪。这种跟踪装置设计容易，其缺点在于：一般的光敏器件都具有较宽的感光角度，由于阳光的散射，使这种方式对太阳光角度的偏离并不敏感；另外，光敏元件常被灰尘遮盖，使光敏元件感光能力减弱；或者当两个光敏元件被污染的程度不同时.它们的输出将形成一个固有的偏差。这将导致太阳电池板无法准确跟踪太阳位置。

还有一种跟踪方法是主动跟踪装置，这种跟踪装置是由控制器、万年历、全球定位系统GPS、电机、电机驱动器组成。由控制器从时钟模块中(例如万年历模块)读取当前时间，根据当前时间可以计算出太阳的空间位置，然后根据当地的经度、纬度等地理参数(可以通过全球定位系统GPS获得)，计算出跟踪信号，然后控制器向电机驱动器发出驱动信号，驱动电机，带动需要跟踪太阳的模块例如太阳电池板转动实现跟踪太阳的目的，控制器不停地从时钟模块中读取当前时间，以便实现连续的对太阳的跟踪。主动式跟踪装置避免了被动式跟踪装置出现的一系列问题，其优点在于稳定性高，理论上能够准确地跟踪太阳位置，但是实际情况是，由于地球大气层的作用，太阳光在进入大气层时会发生折射，从而改变了太阳的入射角度，这种折射效应会对主动跟踪造成极大的误差。

发明内容

本发明提供了一种主动式太阳能跟踪方法，克服了现有技术中被动式跟踪和普通主动式跟踪的缺点，利用主动式跟踪结合手动初始调整，实现对太阳能的跟踪，从而提高了跟踪的精度和稳定性。本发明的太阳能跟踪方法可以方便用于各种太阳能采集装置中，提高太阳能的利用效率。

本发明还提供了一种用于上述方法的主动式太阳能跟踪装置。

一种主动式太阳能跟踪方法，包括以下步骤：

(1)手动调整带受光面的太阳能设备的初始姿态，使其受光面与太阳入射光线垂直：

先对所述的太阳能设备进行方向角调节，使得太阳能设备的受光面的南北轴向与太阳入射光线垂直；再对所述的太阳能设备进行高度角调节，使得太阳能设备的受光面的东西轴向与太阳入射光线垂直；

(2)获取当前时间；

(3)以所述的太阳能设备的初始姿态和当前时间为基准，根据电子万年历的时间信息定时对所述的太阳能设备的方向角和高度角进行调整，实现主动式太阳能跟踪。

一种用于上述主动式太阳能跟踪方法的主动式太阳能跟踪装置，包括：

一带受光面的太阳能设备；可为太阳能采集装置，也可为太阳能跟踪装置，与其它太阳能采集和利用装置结合使用；

一太阳能设备姿态调整装置，包括：一平铺在所述的太阳能设备的受光面上的平面板，平面板上设有南北标线和东西标线；一垂直安装在平面板上的竖直板；一安装在所述的太阳能设备上的方向角调节马达和一安装在所述的太阳能设备上的高度角调节马达。由于平面板与所述的太阳能设备的受光面处于同一平面，安装在所述的太阳能设备上的方向角调节马达和高度角调节马达，可以同时调节平面板和太阳能设备的方向角和高度角。在通过调整平面板的姿态来调整所述的太阳能设备的姿态时，方向角调节马达用于调节平面板和太阳能设备的东西倾角，高度角调节马达用于调节平面板和太阳能设备的南北倾角。控制方向角调节马达调节平面板和太阳能设备的方向角，使得在太阳照射下竖直板在平面板上的投影与南北标线平行或重合；控制高度角调节马达平面板和太阳能设备的高度角，使得在太阳照射下竖直板在平面板上的投影与东西标线平行或重合；在完成方向角和高度角调节后，平面板和太阳能设备的受光面与太阳入射光线垂直。

一当前时间获取装置，用于得到实时时间信息；可采用现有技术中的设备，优选采用电子万年历。

一用于控制方向角调节马达和高度角调节马达转动的控制器以及与控制器连接的按键系统；控制器接收按键系统的指令并采集当前时间获取装置的数据按设定的时间间隔，向方向角调节马达和高度角调节马达传送控制信息。

按键系统由马达选择控制按键、马达前进控制按键、马达后退控制按键和调节完毕控制按键组成。通过马达选择控制按键向控制器发出指令，选择方向角调节马达或高度角调节马达；进而通过马达前进控制按键和马达后退控制按键向控制器发出指令，使方向角调节马达或高度角调节马达作相应的转动；完成预定目标的方向角或高度角调节后，通过调节完毕控制按键向控制器发出指令，使方向角调节马达或高度角调节马达停止转动，结束整个调整过程。

通过上述的按键系统向控制器发出指令，控制器控制方向角调节马达和高度角调节马达作相应的转动，实现对平面板和太阳能设备的姿态的调整，从而使得平面板和太阳能设备的受光面与太阳入射光线垂直。以上的按键系统在功能实现的条件下可以通过组合方式减少或增加按键的数量。

此外，控制器采集当前时间获取装置的数据按设定的时间间隔向方向角调节马达和高度角调节马达传送控制信息。控制器读取当前时间获取装置的数据得到当前时间，根据地球以每小时自转15度的规律，控制器以太阳能设备的初始姿态为基准，向方向角调节马达定时(例如每隔5分钟)传送控制信息，来改变方向角，使得在太阳照射下竖直板在平面板上的投影与南北标线一直保持平行或重合；在一天之内，太阳高度角的变化很小，因此控制器可以太阳能设备的初始姿态为基准，每隔10天或更长时间，根据当前时间获取装置提供的时间信息向高度角调节马达传送一次信息，改变高度角，使得在太阳照射下竖直板在平面板上的投影与东西标线一直保持平行或重合；从而实现对太阳能跟踪。

控制器可以采用单片机实现。

由于大气层的折射率变化不大，通过在所述的太阳能设备第一次安装时调整所述的太阳能设备的初始姿态消除大气对太阳光折射的影响，以后可以根据季节的变化每年调整几次即可。

由于太阳高度角变化不大，为了节约成本，也可以省去高度角调节马达，只要每年多增加几次手动调整即可。

相对于现有技术，本发明的主动式太阳能跟踪方法和装置具有以下有益效果：

(1)克服了被动式跟踪系统中感光器件易受外界因素干扰所引起的跟踪不稳定性。

(2)和现有的主动式跟踪系统相比，本发明中采用手动初始调整的方式，考虑了不同时间和季节大气折射作用的影响因素，使得太阳能设备的初始姿态与太阳入射光线垂直；并同时结合主动式跟踪和当前时间信息，定时自动调整所述的太阳能设备的姿态，使其一直保持与太阳入射光线垂直，跟踪精度高，从而实现最大效率利用太阳能。

(3)跟踪装置结构简单，造价低廉；跟踪方法简单，易于操作。

附图说明

图1是本发明的主动式太阳能跟踪装置的工作原理示意图。

图2是本发明的太阳能设备姿态调整装置的局部放大图。

具体实施方式

参见图1和2，本发明的主动式太阳能跟踪装置，包括：

一带受光面的太阳能设备4；

一太阳能设备姿态调整装置2，包括：一平铺在太阳能设备4的受光面上的平面板21，平面板21上设有南北标线27和东西标线26；一垂直安装在平面板21上的竖直板22；一安装在太阳能设备4上的用于调节平面板21和太阳能设备4的东西倾角的方向角调节马达24；和一安装在太阳能设备4上的用于调节平面板21和太阳能设备4的南北倾角的高度角调节马达25；

一当前时间获取装置1，此处采用电子万年历，用于得到实时时间信息；

一用于控制方向角调节马达24和高度角调节马达25转动的控制器3以及与控制器3连接的按键系统5；控制器3接收按键系统5的指令，并采集当前时间获取装置1的数据按设定的时间间隔，向方向角调节马达24和高度角调节马达25传送控制信息。按键系统5由马达选择控制按键53、马达前进控制按键51、马达后退控制按键52和调节完毕控制按键54组成。

利用上述装置的太阳能跟踪方法如下：

选择晴朗的天气条件下，太阳光沿方向A入射到带受光面的太阳能设备4。按下马达选择控制按键53，对控制器3发出选择对方向角调节马达24进行调节的指令；选择按动马达前进控制按键51和马达后退控制按键52，对控制器3发出相应的指令，控制器3控制方向角调节马达24作相应的转动，方向角调节马达24转动带动平面板21和太阳能设备4的姿态调整，直到在太阳照射下竖直板22在平面板21上的投影和南北标线27平行或重合。

按下马达选择控制按键53，对控制器3发出选择对高度角调节马达25进行调节的指令；选择按动马达前进控制按键51和马达后退控制按键52，对控制器3发出相应的指令，控制器3控制高度角调节马达25作相应的转动，高度角调节马达25转动带动平面板21和太阳能设备4的姿态调整，直到在太阳照射下竖直板22在平面板21上的投影和和东西标线26平行或重合。

完成上述的调整后，在太阳照射下竖直板22在平面板21上的投影应该被竖直板22本身所遮盖，即在平面板21上看不到竖直板22的投影。如果没有实现上述的效果，则重复上述的调整步骤。

完成以上步骤后，平面板21和太阳能设备4的受光面与太阳入射光线垂直，选择按动调节完毕控制按键54，结束对太阳能设备4的初始姿态调整。

控制器3读取电子万年历1的数据得到当前时间，根据地球以每小时自转15度的规律，控制器3以太阳能设备4的初始姿态为基准，向方向角调节马达24定时(例如每隔5分钟)传送控制信息，来改变方向角，实现对太阳的跟踪。

在一天之内，太阳高度角的变化很小，因此控制器3以太阳能设备4的初始姿态为基准，每隔10天或更长时间，根据电子万年历1提供的时间信息向高度角调节马达25传送一次信息，改变一次高度角。

由于大气层的折射率变化不大，因此，对太阳能设备4的初始姿态调整的步骤可以在设备第一次安装时进行调整，以便消除大气对太阳光折射的影响。以后可以根据季节的变化每年调整几次即可。由于太阳高度角变化不大，为了节约成本，也可以省去高度角控制马达调节，此时只要每年多增加几次太阳能设备4的初始姿态调整的步骤即可。

以上列举的仅是本发明的一个具体实施例，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种主动式太阳能跟踪方法，包括以下步骤：

(1)手动调整带受光面的主动式太阳能跟踪装置的初始姿态，使其受光面与太阳入射光线垂直：

先对所述的主动式太阳能跟踪装置进行方向角调节，使得主动式太阳能跟踪装置的受光面的南北轴向与太阳入射光线垂直；再对所述的主动式太阳能跟踪装置进行高度角调节，使得主动式太阳能跟踪装置的受光面的东西轴向与太阳入射光线垂直；

(2)获取当前时间；

(3)以所述的主动式太阳能跟踪装置的初始姿态和当前时间为基准，根据电子万年历的时间信息定时对所述的主动式太阳能跟踪装置的方向角和高度角进行调整，实现主动式太阳能跟踪。

2.一种用于如权利要求1所述的主动式太阳能跟踪方法的主动式太阳能跟踪装置，包括：

一带受光面的太阳能设备(4)；

一太阳能设备姿态调整装置(2)，包括：一平铺在太阳能设备(4)的受光面上的平面板(21)，平面板(21)上设有南北标线(27)和东西标线(26)；一垂直安装在平面板(21)上的竖直板(22)；一安装在太阳能设备(4)上的用于调节平面板(21)和太阳能设备(4)的东西倾角的方向角调节马达(24)；和一安装在太阳能设备(4)上的用于调节平面板(21)和太阳能设备(4)的南北倾角的高度角调节马达(25)；

一当前时间获取装置(1)，用于得到实时时间信息和向控制器(3)提供时间间隔；

一用于控制方向角调节马达(24)和高度角调节马达(25)转动的控制器(3)以及与控制器(3)连接的按键系统(5)；控制器(3)接收按键系统(5)的指令，并采集当前时间获取装置(1)的数据按设定的时间间隔，向方向角调节马达(24)和高度角调节马达(25)传送控制信息。

3.如权利要求2所述的主动式太阳能跟踪装置，其特征在于：所述的按键系统(5)由马达选择控制按键(53)、马达前进控制按键(51)、马达后退控制按键(52)和调节完毕控制按键(54)组成。

4.如权利要求3所述的主动式太阳能跟踪装置，其特征在于：所述的按键系统(5)在功能实现的条件下按键的数量通过组合方式减少或增加。

5.如权利要求2所述的主动式太阳能跟踪装置，其特征在于：所述的控制器(3)采用单片机实现。

6.如权利要求2所述的主动式太阳能跟踪装置，其特征在于：所述的当前时间获取装置(1)采用电子万年历。

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