CN101727107B - 一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪方法，包括：太阳方位监测模块实时监测太阳方位并发送太阳方位角及高度角参数给参数计算模块；参数计算模块计算该参数，换算得到与太阳方位角及高度角对应的两个驱动转角参数；驱动装置根据太阳方位角与高度角参数的变化，驱动太阳能采集板进行两个角方位的实时联动；自方位误差测定模块实时监测太阳能采集板方位误差并发送参数；反馈控制模块根据太阳能采集板方位误差修正实时联动的频率与步幅。本发明还提供了一种采用上述方法的系统。本发明中太阳方位确定为方位角及高度角两个角参数，对两个角参数进行换算，驱动太阳能采集板进行两个角参数的联动，跟踪太阳精度高、时间间隔小，且结构简单、造价低。

Description

一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪方法及系统。

背景技术

目前，能源的环保性越来越受到人类的重视，尤其是太阳能由于具有无限性和高环保性更得到人们的青睐。太阳能的利用有多种，但是都必须要先进行太阳能的采集。太阳能采集的高效性是太阳能采集中的重大课题，这其中很重要的一方面是对太阳进行精确跟踪。

目前，精确跟踪太阳方位的方法中最常用的为地平坐标跟踪法。如图1所示，地平坐标跟踪法将太阳的位置用两个角度表示，即太阳高度角γ与太阳方位角θ。太阳高度角γ是太阳光线与观测点地平面的夹角，太阳方位角θ是太阳光线在观测点地面上的投影与观测点经线的夹角。人们在设计跟踪方法时，通常采用如图2所示的装置，通过太阳能采集板6围绕自身的水平中心轴翻转实现对太阳高度角γ跟踪，另外通过太阳能采集板围绕支柱7中心轴进行旋转实现对太阳方位角θ跟踪。

这种跟踪方法和装置由于对太阳高度角γ及太阳方位角θ的跟踪需要分别实现，在对太阳能采集板进行方位调整时常需要分两步完成，不利于实现联动，使得系统响应时间加大。另外，这种跟踪装置中对太阳方位角θ的跟踪一般采用齿轮传动或蜗轮蜗杆传动结构，这种结构精度较低，而要实现高精度太阳方位跟踪，则需要采用高精密齿轮或高精密蜗轮蜗杆，提高了制造成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以实现对太阳高度角及太阳方 位角联动跟踪的高精度低成本的太阳能采集装置中柔性太阳跟踪方法及系统。

为了解决上述问题，本发明提供了一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪方法，包括如下步骤：

(1)太阳方位监测模块实时监测太阳方位，发送太阳方位的方位角及高度角参数给参数计算模块；

(2)参数计算模块通过预设公式计算该参数，换算得到与太阳方位角及高度角对应的两个驱动转角参数；

(3)根据太阳方位角及高度角参数变化，驱动装置驱动太阳能采集板进行两个角方位的实时联动；

(4)自方位误差测定模块实时监测太阳能采集板方位误差，发送太阳能采集板方位误差参数给反馈控制模块；

(5)反馈控制模块根据太阳能采集板方位误差修正步骤(3)中实时联动的频率与步幅。

进一步，所述步骤(3)中，太阳能采集板方位由三个支点共同确定，其中一个为固定支点，另外两个为联动支点。

进一步，所述固定支点可以万向活动。

进一步，所述步骤(4)中，太阳能采集板方位误差包括方位角及高度角两个误差参数。

本发明还提供了一种采用上述方法的太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统，包括：太阳方位监测模块、参数计算模块、驱动装置、自方位误差测定模块及反馈控制模块，其中：

所述太阳方位监测模块实时监测太阳方位，并将太阳方位角及高度角参数发送到所述参数计算模块；

所述参数计算模块接收所述太阳方位监测模块发送来的太阳方位参数，根据预先设定计算公式，计算得出与太阳方位的方位角及高度角对应的驱动转角参数，并根据驱动转角参数向所述驱动装置发送实时联动的动作指令；

所述驱动装置按照所述参数计算模块发送来的控制指令进行实时联动，使得太阳能采集板与太阳方位保持实时一致；

所述自方位误差测定模块测定太阳能采集板方位误差，将该方位误差参数发送到所述反馈控制模块；

所述反馈控制模块接收到所述自方位误差测定模块发送来的太阳能采集板方位误差参数，根据控制策略计算处理误差数据后，将误差数据发送到所述参数计算模块，调整参数计算模块中参数设置。

进一步，所述驱动装置包括设置在所述太阳能采集板上的固定支点及可以进行联动的第一联动支点与第二联动支点。

进一步，所述固定支点为万向支点。

进一步，所述自方位误差测定模块包括太阳方位传感器。

本发明具有如下优点：

1、本发明中将太阳方位确定为方位角及高度角两个角参数，对两个角参数进行换算，并驱动太阳能采集板进行两个角参数的联动，跟踪太阳的精度高、时间间隔小，且结构简单、造价低。

2、本发明中固定支点为万向型，不但三点确定了太阳能采集板的精确位置，且方便另外两支点进行联动，提高太阳能采集板在联动中的柔性。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1示出了太阳方位跟踪角度关系示意图；

图2示出了原太阳方位跟踪装置结构示意图；

图3示出了本发明一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统结构示意图；

图4示出了本发明一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统中参数计算模块中角度变换示意图；

图5示出了本发明一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统中跟踪装 置结构示意图；

图6示出了本发明一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统中跟踪装置一种具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

本发明一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪方法，包括如下步骤：

(1)太阳方位监测模块实时监测太阳方位，发送太阳方位角及高度角参数给参数计算模块；

(2)参数计算模块通过预设公式计算该参数，得到与太阳方位角及高度角对应的两个驱动转角参数；

(3)根据太阳方位角与高度角参数变化，驱动装置驱动太阳能采集板进行两个角方位的实时联动；

(4)自方位误差测定模块实时监测太阳能采集板方位误差，发送太阳能采集板方位误差参数给反馈控制模块；

(5)反馈控制模块根据太阳能采集板方位误差修正步骤(3)中实时联动的频率与步幅。

本发明中将太阳方位确定为太阳方位角及高度角两个角参数，对两个角参数进行换算，并驱动太阳能采集板进行两个角参数的联动，跟踪太阳的精度高、时间间隔小，且结构简单、造价低。

本发明中，步骤(3)中，太阳能采集板方位由三个支点共同确定，其中一个为固定支点，另外两个为联动支点。本发明中，固定支点可以万向活动。本发明中，步骤(4)中，太阳能采集板方位误差包括方位角误差及高度角误差两个角误差参数。

本发明中固定支点为万向型，不但三点确定了太阳能采集板的精确位置，且方便另外两支点进行联动，提高加太阳能采集板在联动中的柔性。

如图3所示，本发明还提供了一种采用上述方法的太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统，包括：太阳方位监测模块1、参数计算模块2、驱动装置3、自方位测定模块4及反馈控制模块5，其中：

太阳方位监测模块1实时监测太阳方位，并将太阳方位参数发送到参数计算模块2；

参数计算模块2接收太阳方位监测模块1发送来的太阳方位参数，根据预先设定计算公式，计算得出与太阳方位的方位角及高度角对应的驱动转角参数，并根据该角参数向驱动装置3发送实时联动的动作指令；

驱动装置3按照参数计算模块2发送来的控制指令进行实时联动，使得太阳能采集板6与太阳方位保持实时一致；

自方位误差测定模块4测定太阳能采集板6方位误差，将该方位误差参数发送到反馈控制模块5；

反馈控制模块5接收到自方位误差测定模块4发送来的太阳能采集板6方位误差参数，依据控制策略计算处理误差后，发送误差参数给参数计算模块2，调整参数计算模块2中参数设置。

太阳方位监测模块1采用太阳敏感器，可以直接获得太阳方位数据。参数计算模块2可以将该数据读出，并进行变换。

参数计算模块2中，将太阳方位变换为太阳能采集板6方位，以获取太阳能采集板6角度变化参数，再根据角度变换与驱动装置3变换关系，得到太阳能采集板6在高度角与方位角两个参数上的步进指令，向驱动装置3发出该指令后，驱动装置3可以驱动太阳能采集板6进行相应转动，从而实现对太阳方位的跟踪。

太阳方位角度与太阳能采集板6角度方位关系如图4所示，假设太阳能采集板6水平放置，经过两次转动的太阳能采集板6的上平面可用空间直角坐标系o″-x″y″z″中的坐标平面x″o″y″表示，其法线方向用坐标轴z″表示。

另设空间直角坐标系o-xyz中的坐标平面xoy与地面重合，y轴指向正南方，x轴指向正西方，则坐标系o″-x″y″z″可视为坐标系o-xyz沿z轴平移距离d₁后，绕y′轴旋转α角，再沿z′轴平移距离d₂后，绕x″轴旋转β角而生成。

坐标轴z″在坐标平面xoy上的投影与x轴的夹角δ即为太阳方位角θ 的余角，坐标轴z″与坐标平面xoy的夹角即为太阳高度角γ。

假设绕坐标轴逆时针旋转为正方向，则坐标系o-xyz中的坐标(x，y，z)与坐标系o″-x″y″z″的坐标(x″，y″，z″)之间的变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ d_1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& 0& -\sin \mathrm{\α}\\ 0& 1& 0\\ \sin \mathrm{\α}& 0& \cos \mathrm{\α}\end{array}\right](\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ d_2\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}\\ 0& -\sin \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}^{\′\′}\\ y^{\′\′}\\ z^{\′\′}\end{array}\right])$

即：

$\left\{\begin{array}{c}x=x^{\′\′}\cos \mathrm{\α}+(-y^{\′\′}\sin \mathrm{\β}+z^{\′\′}\cos \mathrm{\β}+d_2)(-\sin \mathrm{\α})\\ y=y^{\′\′}\cos \mathrm{\β}+z^{\′\′}\sin \mathrm{\β}\\ z=x^{\′\′}\sin \mathrm{\α}+(-y^{\′\′}\sin \mathrm{\β}+z^{\′\′}\cos \mathrm{\β}+d_2)\cos \mathrm{\α}+d_1\end{array}\right.$

设坐标系o″-x″y″z″下的两点坐标为(0，0，0)与(0，0，1)，则它们在坐标系o-xyz下的坐标为(-d₂sinα，0，d₂cosα+d1)与(-(cosβ+d₂)sinα，sinβ，(cosβ+d₂)cosα+d₁)，通过这两点在坐标系中的坐标关系可推导出转角与太阳方位角及高度角的关系为：

当θ＝0或γ＝90°时，可取α＝0，β＝90°-γ。由于在实际应用场合α不可能取为±90°，因此当θ≠0且γ≠90°时上述关系式始终成立，即当给定太阳方位角θ与高度角γ后，即可唯一确定转角α与β。

确定了转角α、β与太阳方位角θ、高度角γ关系后，可以得出不同时间转角α、β差值与太阳方位角θ、高度角γ差值的关系，从而确定转角α、β步进角度差值Δα、Δβ，根据角度与传动关系变换，可以依次得出步进所需指令。

本发明中，驱动装置3包括设置在太阳能采集板6上的固定支点8及可以进行联动的第一联动支点9与第二联动支点10。本发明中，固定支点8为万向支点。

本发明中，驱动装置3中驱动太阳能采集板6在两个角度变化方向进行 动作的是丝杠丝母装置，丝杠丝母装置在电机带动下，推拉太阳能采集板6进行双方向同时翻转。

此时，位于太阳能采集板6中心位置的固定支点8由于为万向支点，与丝杠丝母带动活动的第一联动支点9及第二联动支点10共同唯一确定太阳能采集板6位置。第一联动支点9与第二联动支点10在丝杠丝母带动下进行联动翻转，同时实现太阳能采集板6的柔性翻转，其方位变化曲线与太阳方位变化曲线相同，真正实现了柔性太阳方位跟踪。

由于固定支点8为万向支点，而第一联动支点9及第二联动支点10与固定支点8可以唯一确定太阳能采集板6的平面位置，第一联动支点9与第二联动支点10可以同时动作，而不需要分步进行，且动作频率可以很高，达到实时、准确跟踪太阳方位的目的。

本发明中，自方位误差测定模块4包括太阳方位传感器41。可以测得太阳能采集板6的方位角误差与高度角误差，该角度误差可以通过反馈控制模块5读出。

反馈控制模块5根据控制策略计算处理误差数据后，将误差数据向参数计算模块2发送调整驱动装置3频率与步幅的指令，以达到预期调整效果。

设置反馈控制模块5是因为驱动装置3在执行参数计算模块2指令，进行相应动作时，会因为传动的单次误差与累计误差而产生较小偏差。而对传动单次误差与累计误差影响较大的是驱动装置3的频率和步幅。如频率较大时，虽然计算跟踪精度提高，但是由于驱动装置3中传动机构，如丝杠丝母等在频率较高时就会发生寸动，产生较大偏差，所以频率的设定需要在实际工作中调整。步幅的调整也是如此。

另外，由于太阳能采集板6多为室外工作，不可避免的要受到风力影响，尤其是在风力较大时。如果不注意及时修正驱动装置3的旋转位置，那就会产生严重偏差。

本发明结构比较简单，成本低。在制作太阳能采集板6时不需要直立支柱，安装方式灵活，且固定可靠。

图6是本发明一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统中跟踪装置一种具体实施例的结构示意图。本实施例包括两个旋转轴12、18、两个丝杠升降机构14、17、两个支撑座19、16、一个太阳能采集板6支撑框架11、 一个气弹簧13及一组立柱15。

本实施例中，太阳能采集板6支撑框架11可绕第一旋转轴12及第二旋转轴18旋转，实现太阳方位角与高度角的两维跟踪。

本实施例中，第一联动支点9及第二联动支点10的传动机构均采用相同结构的丝杠升降机构14、17，均由步进电机、蜗轮蜗杆减速器、丝母及丝杠组装而成，传动路线为：步进电机旋转→蜗轮蜗杆减速器旋转→丝母旋转→丝杠上升或下降。

本实施例中，两个旋转轴12、18互相垂直。第一丝杠升降机构14可翻转地安装在第一支撑座19上；第一旋转轴12固定在第一支撑座19上；第一支撑座19安装在第二旋转轴18上并且可绕第二旋转轴18旋转；第二旋转轴18固定在立柱15上。

第二丝杠升降机构17可翻转地安装在第二支撑座16上；第二支撑座16固定在立柱15上。太阳能采集板6安装在支撑框架11上；支撑框架11安装在第一旋转轴12上并且可绕第一旋转轴12旋转。

两个旋转轴12、18上的旋转支撑点均安装有轴瓦并加润滑脂，减少磨损。支撑框架11与第一支撑座19都由挡块限定其在第一旋转轴12与第二旋转轴18上的轴向位置，防止它们分别沿第一旋转轴12与第二旋转轴18轴向窜动。

本实施例中，参数计算模块2中的电机控制器输出两组控制脉冲，驱动两个步进电机正向或反向旋转，经减速器带动丝母旋转，丝母迫使丝杠上升或下降。第二丝杠升降机构17的丝杠推动第一旋转轴12、第一支撑座19、第一丝杠升降机构14、支撑框架11及太阳能采集板6共同绕第二旋转轴18旋转，第一丝杠升降机构14的丝杠推动支撑框架11与太阳能采集板6共同绕第一旋转轴12旋转，两个运动合成后即可完成太阳方位角与高度角的两维跟踪。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统，其特征在于：包括太阳方位监测模块(1)、参数计算模块(2)、驱动装置(3)、自方位误差测定模块(4)及反馈控制模块(5)，其中：

所述太阳方位监测模块(1)实时监测太阳方位，并将太阳方位参数发送到所述参数计算模块(2)；

所述参数计算模块(2)接收所述太阳方位监测模块(1)发送来的太阳方位参数，根据预先设定计算公式，换算得出与太阳方位角及高度角对应的驱动转角参数，并根据该角参数向所述驱动装置(3)发送实时联动的动作指令；

所述驱动装置(3)按照所述参数计算模块(2)发送来的控制指令进行实时联动，使得太阳能采集板(6)与太阳方位保持实时一致；

所述自方位误差测定模块(4)测定太阳能采集板(6)方位误差，将该方位误差参数发送到所述反馈控制模块(5)；

所述反馈控制模块(5)接收到所述自方位误差测定模块(4)发送来的太阳能采集板(6)方位误差参数，根据控制策略计算处理误差数据后，将误差数据发送到所述参数计算模块，调整参数计算模块(2)中参数设置；

所述驱动装置(3)包括第一旋转轴(12)、第二旋转轴(18)、第一丝杠升降机构(14)、第二丝杠升降机构(17)、第一支撑座(19)、第二支承座(16)、支撑框架(11)、一个气弹簧(13)及一组立柱(15)，其中：

第一旋转轴(12)与第二旋转轴(18)互相垂直；第一丝杠升降机构(14)可翻转地安装在第一支撑座(19)上；第一旋转轴(12)固定在第一支撑座(19)上；第一支撑座(19)安装在第二旋转轴(18)上并且可绕第二旋转轴(18)旋转；第二旋转轴(18)固定在立柱(15)上；

第二丝杠升降机构(17)可翻转地安装在第二支撑座(16)上；第二支撑座(16)固定在立柱(15)上，太阳能采集板(6)安装在支撑框架(11)上；支撑框架(11)安装在第一旋转轴(12)上并且可绕第一旋转轴(12)旋转；第二丝杠升降机构(17)的丝杠推动第一旋转轴(12)、第一支承座(19)、第一丝杠升降机构(14)、支撑框架(11)及太阳能采集板(6)共同绕第二旋转轴(18)旋转，第一丝杠升降机构(14)的丝杠推动支撑框架(11)与太阳能采集板(6)共同绕第一旋转轴(12)旋转。

2.如权利要求1所述的太阳能采集装置中柔性太阳跟踪系统，其特征在于：所述自方位误差测定模块(4)包括太阳方位传感器(41)。

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