CN102183967A - 基于日晷仪的太阳跟踪定位装置及方法 - Google Patents

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孟濬
王路克
谢小玲
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Abstract

本发明公开了一种基于日晷仪的太阳跟踪定位装置及方法，它主要由数字信号处理装置、数据采集装置和日晷仪等依次相连组成；日晷仪根据太阳光照位置的变化，在其晷面上产生相应的阴影；数据采集装置将晷面上的阴影信息转化为数字电信号；数字信号处理装置对输入的信号进行处理，还原出日晷仪的晷面上的阴影信息；最后计算太阳水平方位角和高度方位角，从而得到太阳的位置；本发明实时采集太阳方位信息并得到太阳的精确方位，稳定可靠，抗干扰能力强，适合于大多数太阳能使用设备。

Description

基于日晷仪的太阳跟踪定位装置及方法
技术领域
本发明涉及太阳定位技术领域，尤其涉及一种基于日晷仪的太阳跟踪定位装置及方法。
背景技术
在能源危机日益严重的今天，太阳能等新能源的利用具有极大的情景。太阳能作为一种绿色环保的能源，越来越受到人们的重视。太阳能发电能为人类提供可持续能源，但其发电效率低，发电成本相对较高，这制约了其大规模应用。
太阳能发电板所获得光照度                                                
Figure 7704DEST_PATH_IMAGE001
，其中，为入射光线与被照表面的法线之间的夹角，
Figure 371689DEST_PATH_IMAGE002
表示
Figure 794581DEST_PATH_IMAGE003
为0度时，太阳能发电板所获得的光照度。光照度越大，光电板产生的光电流越大。
由此可见研究具有实用价值的太阳能自动跟踪装置，使太阳光直射在太阳能电池板上，即
Figure 244016DEST_PATH_IMAGE004
，以此提高太阳能电池板的使用效率，则是促进太阳能广泛应用的主要途径之一。
此外，其他一些方式的太阳能利用，比如光——热形式的太阳能热水器的太阳能利用率也和太阳能电板相同。
日晷是有悠久历史的利用太阳光测量时间的工具，其结构简单，适用范围广，并且可靠性高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于日晷仪的太阳跟踪定位装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于日晷仪的太阳跟踪定位装置，它主要由数字信号处理装置、数据采集装置和日晷仪等依次相连组成；其中，日晷仪主要由晷面和表组成，数据采集装置包括若干个感光元件、一个比较感光元件和一个数据转换器等，感光元件和比较感光元件分别与数据转换器相连；数字信号处理装置可以为数字信号处理芯片或PC机；感光元件和比较感光元件均分布在日晷仪的晷面上。
应用上述装置的太阳跟踪定位方法，包括以下步骤：
（1）日晷仪根据太阳光照位置的变化，在其晷面上产生相应的阴影。
（2）数据采集装置将晷面上的阴影信息转化为数字电信号。
（3）数字信号处理装置对输入的信号进行处理，还原出日晷仪的晷面上的阴影信息。
（4）计算太阳水平方位角和高度方位角，从而得到太阳的位置。
本发明的有益效果是：本发明实时采集太阳方位信息并得到太阳的精确方位，稳定可靠，抗干扰能力强，适合于大多数太阳能使用设备。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图；
图2是本发明太阳定位方法的流程图；
图3是本发明中日晷仪原理解释图，其中（a）为俯视图，（b）为侧视图；
图4是本发明实例中使用的地平式日晷模型图；
图5是本发明实例中感光元件排列分析图；
图6是本发明实例中使用的地平式日晷原理图；
图7是本发明实例中感光元件排列方式示意图
图8是本发明实例中处理数据流程图；
图中，表1、晷面2。
具体实施方式
下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示，本发明基于日晷仪的太阳跟踪定位装置主要由数字信号处理装置、数据采集装置和日晷仪依次相连组成；其中，日晷仪主要由晷面和表组成，根据太阳照射角的变化产生阴影；数据采集装置包括若干个感光元件、一个比较感光元件和一个数据转换器，感光元件和比较感光元件分别与数据转换器相连，数据采集装置根据日晷产生的阴影得到数字信号，并将该信号传输给数字信号处理装置；数字信号处理装置可以为数字信号处理芯片或PC机，实现对数据的处理等功能。
其中，数据采集装置中的感光元件可以使用光敏电阻或光敏二极管等独立光敏器件，数据转换器可以使用以ADC0809为代表的各类AD转换芯片。数据采集装置也可以由CCD感光模块以及相应的芯片和电路组成。
本装置的各部分连接方式如下：数据采集装置中的感光元件分布在日晷仪的晷面上，此分布方式为以日晷三角形的表的最高点所对应在晷面上的点为圆心，取N个离散的值作为特殊半径值，所有的感光元件均分布在这N个特殊半径值所在的圆周上，并保持每个感光元件之间的间隔相同。所取的特殊半径值越密则精度越高，同时电路也相应较复杂；类似的，在同一特殊半径所在的圆周上排列的感光元件越密，其精度也越高。
如图2所示，基于日晷仪的太阳跟踪定位方法包括如下步骤：
步骤1：日晷仪根据太阳光照位置的变化，在其晷面上产生相应的阴影。
以下以地平式日晷为例，解释其原理。
如图3所示，为日晷仪原理解释图，图A为俯视图，图B为侧视图，图中标号1为表、2为晷面。地平式日晷理论上可以测量24小时内所有时刻的太阳方位角。但是为了减少光的衍射所造成的误差，实际应用中，挡光物体（称为“晷针”或“表”）一般不采用处于圆心位置的圆柱体，而是一个三角形的不透明板，如图4所示。经过改进之后，虽然可测量的时间段变少了，约为12小时，不过大大提高了精度，对于非高纬度用户来说，测量时间的减少影响不大，而对于高纬度用户来说，其地理位置本身并不适用于利用太阳能，所以这样子的设计是一种比较合理也简单的设计。
步骤2：数据采集装置将晷面上的阴影信息转化为数字电信号。
如图5所示，设被阴影部分阻挡的感光元件经过处理后的电信号为逻辑“1”，被太阳直射的电信号为逻辑“0”。通过传输数据线，采集到的信号最后以逻辑数“1”或“0”的形式传送给数据处理装置。
关于逻辑信号“1”与逻辑信号“0”的产生方法如下：比较感光元件的光照环境在阴影与直射之间，则其测得的信号强弱程度也在两者之间。感光元件从日晷仪平台上测得的数据逐一与比较感光元件从日晷仪平台上测得的数据进行比较，确定其逻辑符号。整个系统采用定时扫描方式，动态扫描并分析信号。
步骤3：数字信号处理装置对输入的信号进行处理，还原出日晷仪的晷面上的阴影信息。
图6所示，为本专利说明书中所使用实例中的晷面上的阴影轨迹。可知，任一时刻其轨迹形状均为三角形，而其底边则固定不变，所以只要找到三角形阴影的顶点A，即可确定阴影的形状。所以，还原日晷晷面上的阴影信息的方法其实就是找到阴影顶点A的方法。
感光元件的排列方式为密度为以所处位置距离圆心的距离R为参数的函数，设其线度排列密度为
Figure 174670DEST_PATH_IMAGE005
。处于半径为R出的圆环上排列的元件个数为
Figure 127582DEST_PATH_IMAGE006
个。即为单位长度上有
Figure 986954DEST_PATH_IMAGE005
个元件分布，在单位面积上有
Figure 658107DEST_PATH_IMAGE007
个元件排列。并赋予每个感光元件一个二维序列标号n m。其中，n表示半径序列号，由内至外从1开始递增；m为某一圆周上排列的第m个感光元件；
Figure 520015DEST_PATH_IMAGE008
为半径序号为n的圆周上的排列的感光元件的总数目。简单来说，感光元件的排列方式为N个同心圆环组成，具体如图7所示。
之后以下各步均可以在数字信号处理装置中完成。在实现对点A的寻找之前，先行将输入的各点数据填充入一个矩阵中。
Figure 593013DEST_PATH_IMAGE009
代表第n个半径值所对应的圆周上的第m个感光元件的逻辑数（值为“0”或“1”）。根据本算法的数据结构，矩阵中某些元素不存在，不构成一个完整的矩阵，可以将元素不存在的位置用“0”填充以使矩阵完整。
Figure 115962DEST_PATH_IMAGE010
  （1）
同时建立另一矩阵（2）如下，以记录矩阵（1）每一行感光元件排列位置所处的半径值。表示第n个半径的半径值（n=1、2、3……N）。
Figure 48331DEST_PATH_IMAGE012
   （2）
当矩阵（1）中的每一个元素值都赋上逻辑数值后，晷面上的阴影信息已经被数字信号处理装置收集完毕，可以开始寻找点A的算法。
如图8所示为寻找点A算法的流程图。因为阴影是连续的，所以在矩阵（1）中其逻辑“1”值也是连续的，其顶点A必然处于所有逻辑“1”中最远离圆心处，且其必然也为所在圆周中唯一的逻辑数为“1”的点。所以，在矩阵（1）中逐行从左到右读取每个逻辑数，当同一行中出现“010”这样子连续的三个逻辑数时，逻辑数“1”代表的就是A点所在的位置。
步骤4：计算太阳水平方位角和高度方位角，，从而得到太阳的位置。
根据步骤3中的矩阵（1）计算出矩阵（3）用来计算太阳高度的水平方位角，假设感光元件分布在半圆平面上，计算公式为
Figure 975836DEST_PATH_IMAGE013
Figure 740792DEST_PATH_IMAGE014
（
Figure 386537DEST_PATH_IMAGE015
为标号为nm的感光元件所在的水平方位角，
Figure 698570DEST_PATH_IMAGE008
为半径序号为n的圆周上的排列的感光元件的总数目）
得到矩阵
Figure 244695DEST_PATH_IMAGE016
  （3）
根据步骤3中的矩阵（2）计算出矩阵（4）用来计算太阳高度的高度方位角，假设三角形挡板的高度为H，计算公式为
Figure 616771DEST_PATH_IMAGE013
Figure 687495DEST_PATH_IMAGE017
（为标号为nm的感光元件所在的高度方位角）
得到矩阵
Figure 705316DEST_PATH_IMAGE019
（4）
假设在步骤3中找到的A点位置为
Figure 185975DEST_PATH_IMAGE009
，则在矩阵（3）中找到的即为此时太阳的水平方位角，矩阵（4）中
Figure 86246DEST_PATH_IMAGE018
即为此时太阳的高度方位角。得到这两个角度后就可以确定某一时刻太阳的方位了，并且数字信号处理装置可以对其进行后续处理，如生成数据库等。
以上所述为处理数据的数据结构的典型特例，基于此的各类数据处理方法亦落入本发明的保护范围
本发明所使用的地平式日晷模型与光敏电阻作为感光元件并不对本发明构成限制，凡是采用类似的日晷模型及感光器件所实现的系统都落入本发明的保护范围。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于日晷仪的太阳跟踪定位装置，其特征在于，它主要由数字信号处理装置、数据采集装置和日晷仪等依次相连组成；其中，日晷仪主要由晷面和表组成，数据采集装置包括若干个感光元件、一个比较感光元件和一个数据转换器等，感光元件和比较感光元件分别与数据转换器相连；数字信号处理装置可以为数字信号处理芯片或PC机；感光元件和比较感光元件均分布在日晷仪的晷面上。
2.根据权利要求1所述装置的太阳跟踪定位方法，其特征在于，它包括以下步骤：
（1）日晷仪根据太阳光照位置的变化，在其晷面上产生相应的阴影；
（2）数据采集装置将晷面上的阴影信息转化为数字电信号；
（3）数字信号处理装置对输入的信号进行处理，还原出日晷仪的晷面上的阴影信息；
（4）计算太阳水平方位角和高度方位角，从而得到太阳的位置。
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