CN102023646A

CN102023646A - 三杆式太阳跟踪装置

Info

Publication number: CN102023646A
Application number: CN 201010589870
Authority: CN
Inventors: 张瑞; 苗英豪; 王庆欢; 刘辉; 邹志革; 雷鑑铭; 邹雪城
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102023646B

Abstract

本发明提供的太阳跟踪装置，其特征在于，该装置包括光电检测器，载物平台，万向球运行轨道，万向球，电动推杆，支撑平台和信号处理器；光电检测器固定于载物平台表面的中心；载物平台背面设置有三根互成120度的长度相同的万向球运行轨道，三根万向球运行轨道的延长线交与一点；载物平台由三根电动推杆支撑，电动推杆一端通过万向球嵌入到万向球运行轨道，并能够在万向球运行轨道上滑动，另一端固定在支撑平台上；电动推杆的轴线与支撑平台的平面保持垂直，三根电动推杆在支撑平台上对应的固定点构成一个正三角形；支撑平台内承载有信号处理器。本发明负重能力强，可以承载大面积太阳能电池板；调整过程中惯量小，摩擦小，提高了装置稳定性，延长了装置使用寿命；具有易于实现，精度高和灵活度高的特点。

Description

三杆式太阳跟踪装置

技术领域

本发明属于太阳能利用领域，具体涉及一种三杆式太阳跟踪装置。

背景技术

随着全球能源危机的愈演愈烈，开发和利用新能源变得越来越有必要。太阳能以其绿色环保，可持续利用的优点，成为研究的热点。由于太阳能存在着光能密度低、间歇性、空间分布不断变化的缺点，其利用率十分低。要提高太阳能的利用率，必须提高太阳能的吸收效率。太阳跟踪装置为提高太阳能的吸收效率提供了有效的途径。

目前太阳跟踪主要有光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪两种方式。光电跟踪方式通过检测太阳光的入射角度控制装置跟踪太阳，是一种闭环控制方法。该方式反应灵敏，算法简单，但易受天气影响。太阳运动轨迹跟踪方式通过计算太阳运动轨迹控制装置跟踪太阳，是一种开环控制方法。该方式不受天气影响，运行稳定，但算法复杂，存在积累误差。

在具体实现上，太阳跟踪主要是单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪只能跟踪方位角和高度角中的一个角度的变化，一般是跟踪方位角的变化，存在跟踪精度不高的缺点。双轴跟踪能够同时跟踪方位角和高度角的变化，但存在灵活度不高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有太阳跟踪装置的缺点，提供一种三杆式太阳跟踪装置，该装置具有易于实现，运行稳定，精度高和灵活度高的特点。

本发明提供的一种三杆式太阳跟踪装置，其特征在于，该装置包括光电检测器，载物平台，万向球运行轨道，万向球，电动推杆，支撑平台和信号处理器；光电检测器固定于载物平台表面的中心；载物平台背面设置有三根互成120度的长度相同的万向球运行轨道，三根万向球运行轨道的延长线交与一点；载物平台由三根电动推杆支撑，电动推杆一端通过万向球嵌入到万向球运行轨道，并能够在万向球运行轨道上滑动，另一端固定在支撑平台上；电动推杆的轴线与支撑平台的平面保持垂直，三根电动推杆在支撑平台上对应的固定点构成一个正三角形；支撑平台内承载有信号处理器。

本发明的有益效果是，采用三根电动推杆支撑载物平台，负重能力强，可以承载大面积太阳能电池板，降低成本；调整方式多样，灵活性高；误差小，精确度高；调整过程中惯量小，摩擦小，提高了装置稳定性，延长了装置使用寿命；机械结构简单巧妙，实用性强；易于实现，引入记忆功能，不受天气影响；扩展性强，适用于任意波长光线的跟踪。

附图说明

图1为本装置的整体结构示意图。

图2为光电检测器的结构示意图。

图3为本装置上半部分的结构示意图。

图4为本装置下半部分的结构示意图。

图5为信号处理器的组成示意图。

图6为四象限探测器与轨道相对位置示意图。

图7为数据处理算法流程图。

图中标号：1-光电检测器；2-载物平台；3-万向球运行轨道；4-万向球；5-电动推杆；6-支撑平台；7-信号处理器；8-遮光罩；9-四象限探测器；10-放大电路；11-A/D转换电路；12-单片机；13-驱动电路。

具体实施方式

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图1所示，一种三杆式太阳跟踪装置包括光电检测器1，载物平台2，万向球运行轨道3，万向球4，电动推杆5，支撑平台6和信号处理器7。

光电检测器1固定于载物平台2上。如图2所示，光电检测器1包括遮光罩8和四象限探测器9。遮光罩8为中空的圆柱体，侧壁封闭不透光，顶部中心开有圆孔。四象限探测器9置于遮光罩8内，且位于遮光罩的底部中心。四象限探测器9感光面的半径比遮光罩8顶部圆孔的半径要大。当太阳光垂直照射时，太阳入射光斑的中心与四象限的原点重合，四象限探测器9光敏面上四个象限的受光面积相同，四路输出信号相同；否则，四路输出信号不同。通过对四路输出信号进行处理可以得到太阳入射光斑的中心相对于四象限原点的偏移量。

如图3所示，载物平台2是一块圆形的薄板。载物平台2背面设置有三根互成120度的万向球运行轨道3，万向球运行轨道3为内嵌式轨道，轨道内表面光洁度高。万向球4内嵌于万向球运行轨道3中，其半径比轨道半径略小，可以紧贴轨道在轨道中作任意方向的转动，万向球4表面光洁度高。万向球4通过半径较小的圆柱与电动推杆5相连接，圆柱半径小于万向球4半径的一半。电动推杆5内部带有的直流电机，可以控制电动推杆5伸长与缩短。当电动推杆5伸长或缩短时，万向球4随之上升或下降，万向球4与万向球运行轨道3发生相对运动，载物平台2角度随之发生变化。电动推杆5长度的变化将转化为载物平台2角度的变化。电动推杆5具有自锁功能，当其长度达到最大值或最小值时，将进行锁定。

如图4所示，电动推杆5底部固定在支撑平台6上，电动推杆5的轴线与支撑平台6的平面保持垂直，三根电动推杆5在支撑平台6上对应的固定点构成一个正三角形。支撑平台6是一个中空的圆柱体，其内部承载着信号处理器7。

如图5所示，信号处理器7包括依次电连接的放大电路10，A/D转换电路11，单片机12和驱动电路13。放大电路10将四象限探测器9的输出信号放大，A/D转换电路11将放大后的模拟信号转换为数字信号，单片机12采用数据处理算法对转换后的数字信号进行处理，得到的控制信号通过驱动电路13控制电动推杆5工作。

如图6所示，三根万向球运行轨道3中一根与四象限探测器9的纵轴平行，一根位于四象限探测器9的第三象限，一根位于四象限探测器9的第四象限。三根万向球运行轨道3靠近四象限探测器9的三个端点构成一个正三角形，该正三角形的中心与四象限探测器9的原点重合。

数据处理算法流程图如图7所示。设从四象限探测器9输出的电压经过放大和A/D转换后分别为v1，v2，v3，v4。引入变量s表示光强，引入变量x，y分别表示x轴方向上的偏移和y轴方向上的偏移，s＝v1+v2+v3+v4，x＝(v1+v4-v2-v3)/s，y＝(v1+v2-v3-v4)/s。要为光强s，偏移量x，偏移量y分别设定一个阈值Ms，Mx，My。光强阈值的选取与所处地理位置有关，偏移量阈值的选取与装置的灵敏度有关，本装置中令Ms＝0.1，Mx＝My＝0.02。

当天气为晴天时，光强较强，超过阈值，进入正常调节模式。L1，L2，L3分别表示三根电动推杆5，L1与纵轴方向上的轨道相对应，L2与第三象限的轨道相对应，L3与第四象限的轨道相对应。先考虑y，当y＞My，则L1上升4个单位长度，L2和L3下降2个单位长度。当-My＜y＜My，则L1，L2，L3都保持不变。当y＜-My，则L1下降4个单位长度，L2和L3上升2个单位长度。再考虑x，当x＞Mx，则L1保持不变，L2下降3个单位长度，L3上升3个单位长度。当-Mx＜x＜Mx，则L1，L2，L3都保持不变。当x＜-Mx，则L1保持不变，L2上升3个单位长度，L3下降3个单位长度。单位长度的选取与装置的尺寸有关，本装置中单位长度为电动推杆通电0.2秒所伸长的长度。同时考虑x和y，则偏移量取值范围与调整方式的对应关系如表1所示。

表1调整方式对应表

	L1	L2	L3
				y＞My，x＞Mx	上升4个单位长度	下降5个单位长度	上升1个单位长度
y＞My，x＜-Mx	上升4个单位长度	上升1个单位长度	下降5个单位长度
				y＞My，-Mx＜x＜Mx	上升4个单位长度	下降2个单位长度	下降2个单位长度
y＜-My，x＞Mx	下降4个单位长度	下降1个单位长度	上升5个单位长度
				y＜-My，x＜-Mx	下降4个单位长度	上升5个单位长度	下降1个单位长度
y＜-My，-Mx＜x＜Mx	下降4个单位长度	上升2个单位长度	上升2个单位长度
				-My＜y＜My，x＞Mx	保持不变	下降3个单位长度	上升3个单位长度
-My＜y＜My，x＜-Mx	保持不变	上升3个单位长度	下降3个单位长度
				-My＜y＜My，-Mx＜x＜Mx	保持不变	保持不变	保持不变

当天气为阴天或多云时，光强较弱，未超过阈值，进入记忆调节模式。在单片机12内存有固定时刻的电动推杆5长度，正常调节模式下，在每天的相应时刻，对电动推杆5的长度进行刷新操作。进入记忆调节模式后，按照单片机12内固定时刻电动推杆5的长度控制电动推杆5工作。

本装置不仅可以采用太阳光波长的四象限探测器9，还可以采用任意波长的四象限探测器9。将太阳光波长的四象限探测器9换成任意波长的四象限探测器9，则该装置可以跟踪任意波长的光线。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1. 一种三杆式太阳跟踪装置，其特征在于，该装置包括光电检测器（1），载物平台（2），万向球运行轨道（3），万向球（4），电动推杆（5），支撑平台（6）和信号处理器（7）；光电检测器（1）固定于载物平台（2）表面的中心；载物平台（2）背面设置有三根互成120度的长度相同的万向球运行轨道（3），三根万向球运行轨道（3）的延长线交与一点；载物平台（2）由三根电动推杆（5）支撑，电动推杆（5）一端通过万向球（4）嵌入到万向球运行轨道（3），并能够在万向球运行轨道（3）上滑动，另一端固定在支撑平台（6）上；电动推杆（5）的轴线与支撑平台（6）的平面保持垂直，三根电动推杆（5）在支撑平台（6）上对应的固定点构成一个正三角形；支撑平台（6）内承载有信号处理器（7）。

2.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，所述光电检测器（1）包括遮光罩（8）和四象限探测器（9）；遮光罩（8）为中空的圆柱体，侧壁封闭不透光，顶部中心开有圆孔；四象限探测器（9）置于遮光罩（8）内，且位于遮光罩（8）的底部中心。

3.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，所述万向球运行轨道（3）为内嵌式轨道。

4.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，三根万向球运行轨道（3）中一根与四象限探测器（9）的纵轴平行，一根位于四象限探测器（9）的第三象限，一根位于四象限探测器（9）的第四象限；三根万向球运行轨道（3）靠近四象限探测器（9）的三个端点构成一个正三角形，该正三角形的中心与四象限探测器（9）的原点重合。

5.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，所述万向球（4）通过圆柱与电动推杆（5）相连接，圆柱半径小于万向球（4）半径的一半。

6.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，所述信号处理器（7）包括依次电连接的放大电路（10），A/D转换电路（11），单片机（12）和驱动电路（13）；放大电路（10）将四象限探测器（9）的输出信号放大，A/D转换电路（11）将放大后的模拟信号转换为数字信号，单片机（12）采用数据处理算法对转换后的数字信号进行处理，得到的控制信号通过驱动电路（13）控制电动推杆（5）工作。

7.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，所述装置具有记忆功能，在单片机（12）内存有固定时刻的电动推杆（5）长度；当天气为晴天时，光强较强，进入正常调节模式，并在每天的相应时刻，对电动推杆（5）的长度进行刷新；当天气为阴天或多云时，光强较弱，进入记忆调节模式，按照单片机（12）内固定时刻电动推杆（5）的长度控制电动推杆（5）工作。

8.根据权利要求1所述的太阳跟踪装置，其特征在于，若将太阳光波长的四象限探测器（9）换成任意波长的四象限探测器（9），则该装置跟踪任意波长的光线。