CN103197691A - 对太阳进行跟踪的方法以及太阳跟踪器 - Google Patents

Abstract

一种对太阳进行跟踪的方法以及太阳跟踪器。其特点是包括太阳上偏、下偏的设定步骤；太阳左偏、右偏的设定步骤；信号放大处理步骤；伺服控制步骤；白天和晚上判断步骤；复位指令输出步骤；间歇驱动定精度跟踪步骤；间歇伺服驱动跟踪步骤；超前驱动跟踪步骤，当检测跟踪滞后偏差达到设定的角度φ时，发出指令驱动支架朝安装修正方向旋转2φ角度，产生超前的偏差角度φ，然后关闭伺服驱动电路，直至再次产生滞后的偏差角φ，又启动伺服驱动电路，在跟踪过程中，伺服驱动电路只在短暂的启动时间里是消耗电能的，其余较长的时间里是不耗电的。其优点是实时检测太阳位置，实现了间歇驱动，既保证了跟踪精度，有减少了电能消耗，从而提高了效率。

Description

对太阳进行跟踪的方法以及太阳跟踪器

技术领域

 本发明是涉及一种太阳能利用领域，特别是涉及一种对太阳进行跟踪的方法以及太阳跟踪器。

背景技术

在太阳能发电系统中，采用太阳跟踪器技术可以使太阳能电池板始终正对着太阳，这样就可以最大程度地获取太阳光能，提高发电效率。目前，应用最广泛的太阳跟踪方法有光电检测跟踪法和视日运动轨迹跟踪法。光电检测跟踪法是光电传感器实时检测出太阳位置与太阳能电池板角度的偏差，通过电机传动旋转太阳能电池板消除偏差来实现对太阳的跟踪，是一种闭环控制的跟踪法，精度比较高，但是由于要实时检测太阳位置并驱动电机，需要持续消耗电能，致使发电系统的效率降低。视日运动轨迹跟踪法是将太阳在某地某时的运动轨迹输入到控制系统中，控制系统按照当地当时的太阳运动轨迹，通过电机传动旋转太阳能电池板来跟踪太阳，是一种开环控制的跟踪法，其跟踪精度受安装地点经纬度检测及时间检测的精度影响较大，必需专业人员才能安装调试，而且安装后难以移动，因为不同的安装地点有不同的控制数据，在应用上受一定的局限。

发明内容

本发明的目的就是提供一种采用光电检测跟踪法，实时检测太阳位置，并可以实现间歇驱动，降低能耗，提高发电系统效率的对太阳进行跟踪的方法以及太阳跟踪器。

本发明的解决方案是这样的：

本发明的对太阳进行跟踪的方法，包括步骤：

（1）、太阳上偏、下偏的设定步骤：以正对太阳为标线设置隔光板，将太阳光分隔成上偏区域和下偏区域，在上偏区域、下偏区域设置分别设置光电池，使得太阳移动到上偏位置时，隔光板在上偏区域留下的阴影遮挡上偏区域的光电池，太阳移动到下偏位置时，隔光板在下偏区域留下的阴影遮挡下偏区域的光电池；

（2）、太阳左偏、右偏的设定步骤：以正对太阳为标线设置隔光板，将太阳光分隔成左偏区域和右偏区域，在左偏区域、右偏区域设置分别设置光电池，使得太阳移动到左偏位置时，隔光板在左偏区域留下的阴影遮挡左偏区域的光电池，太阳移动到右偏位置时，隔光板在右偏区域留下的阴影遮挡右偏区域的光电池；

（3）、信号放大处理步骤：包括：

对上偏区域和下偏区域内的光电池输出的信号进行放大，按公式：

V1＝Ua－Ub

对信号进行处理，输出处理后的电压V1；

对左偏区域和右偏区域内的光电池输出的信号进行放大，按公式：

V2＝Uc－Ud

对信号进行处理，输出处理后的电压V2；

（4）、伺服控制步骤：包括：

对V1进行正、负、零的伺服控制步骤：当伺服控制器接收到的V1为正时，输出信号控制伺服电机朝V1为零的方位旋转直到V1为零时停止，当伺服控制器接收到的V1为负时，输出信号控制伺服电机朝V1为零的方位旋转直到V1为零时停止，当伺服控制器接收到的V1为零时，不驱动伺服电机运转；

对V2进行正、负、零的伺服控制步骤：当伺服控制器接收到的V2为正时，输出信号控制伺服电机朝V2为零的方位旋转直到V2为零时停止，当伺服控制器接收到的V2为负时，输出信号控制伺服电机朝V2为零的方位旋转直到V2为零时停止，当伺服控制器接收到的V2为零时，不驱动伺服电机运转。

更具体的方法还包括：白天和晚上判断步骤：设定判定电压V4，将上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域的光电池输出的信号进行放大，按公式：

V3＝Ua＋Ub＋Uc＋Ud

进行处理；

将V4与V3进行比较，当V3≥V4时，设定为白天，当V3＜V4时，设定为晚上。

进一步的：还包括复位指令输出步骤：在符合晚上的设定条件时，伺服控制器输出复位指令给伺服驱动电路，驱动垂直伺服电机和水平伺服电机转动，使太阳能电池板支架返回到初始位置，此时太阳能电池板呈水平向上状态，传感器检测面垂直朝上，以备天亮时进行跟踪。

进一步的：还包括间歇驱动定精度跟踪步骤：将上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域设置的光电池分别划分为至少两个间隔区域，并按设定的区域将光电池的输出电压分成相应的电压分区，并设定太阳光阴影在间隔区域内偏移时伺服控制器不进行跟踪，一旦太阳光阴影进入或者离开间隔区域时伺服控制器才进行跟踪的间歇跟踪方式。

进一步的：还包括间歇伺服驱动跟踪步骤：设定伺服控制器按光电池划分的间隔区域进行判断，在隔光板的阴影处于同一区域时伺服控制器不输出驱动指令，在隔光板的阴影进入不同区域时伺服控制器输出驱动指令。

进一步的：还包括超前驱动跟踪步骤：伺服控制器发出的驱动指令驱动伺服电机跟踪达到偏差修正方向后继续超前驱动到修正方向的下一个区域才停止驱动伺服电机。

一种太阳跟踪器，包括太阳位置传感器、信号放大及伺服控制器及双轴伺服驱动电路，所述的太阳位置传感器包括有隔光板和光电池，所述的隔光板设置至少有四块，所述隔光板以正对太阳为标线将太阳光分隔成上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域，使得太阳偏移后，隔光板在偏移区域留下阴影；所述的光电池放置于在所述隔光板分隔成的上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域，使得太阳偏移后由隔光板留下的阴影遮挡光电池；

所述的信号放大伺服控制器包括有接收太阳位于上偏区域、下偏区域两个方位光电池电压信号的第一差动放大器A1和接收太阳位于左偏区域、右偏区域两个方位光电池电压信号的第二差动放大器A2，所述的第一差动放大器A1和第二差动放大器A2的电压信号输入单片机，由单片机根据接收的电压信号进行太阳偏移识别，向所述的双轴伺服驱动电路输出指令，控制双轴电机的工作。

更具体的技术方案还包括：所述的隔光板采用十字交叉结构将太阳光分隔成上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域。

进一步的：所述的信号放大伺服控制器还包括加法放大器A3，用于接收太阳位于上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域四个方位光电池电压信号，由单片机根据接收的加法放大器A3电压信号与设定的电压判定信号进行比对，作出白天和晚上的识别判断，向所述的双轴伺服驱动电路输出指令，控制双轴电机的工作。

进一步的：所述的隔光板为等高，所述的四个方位的光电池型号参数相同，所述隔光板的顶部盖有球形透明顶盖。

本发明的优点是实时检测太阳位置，并可以实现间歇驱动，降低能耗，提高发电系统效率。

附图说明

附图是本发明的实施例。

图1是本发明的太阳位置传感器A的结构示意图。

图2是本发明跟踪方法对跟踪信号进行处理的流程示意图。

图3是本发明太阳跟踪器的结构示意图。

图4是图3的左视图。

图5是太阳跟踪器内部结构示意图。

具体实施方式

本实施例中的对太阳能进行跟踪的具体方法为：

（1）、太阳上偏、下偏的设定步骤：如图1所示，以正对太阳为标线设置隔光板，将太阳光分隔成上偏区域和下偏区域，在上偏区域、下偏区域设置分别设置上偏区光电池3、下偏区光电池5，使得太阳移动到上偏位置时，隔光板在上偏区域留下的阴影遮挡上偏区光电池3，太阳移动到下偏位置时，隔光板在下偏区域留下的阴影遮挡下偏区光电池5；

（2）、太阳左偏、右偏的设定步骤：以正对太阳为标线设置隔光板，将太阳光分隔成左偏区域和右偏区域，在左偏区域、右偏区域设置分别设置左偏区光电池6、右偏区光电池4，使得太阳移动到左偏位置时，隔光板在左偏区域留下的阴影遮挡左偏区光电池6，太阳移动到右偏位置时，隔光板在右偏区域留下的阴影遮挡右偏区光电池4；

（3）、信号放大处理步骤：如图2所示，包括：

对上偏区域和下偏区域内的光电池输出的信号输入第一差动放大器A1进行放大，按公式：

V1＝Ua－Ub　（式中：Ua为上偏区光电池3输出的电压，Ub为下偏区光电池5输出的电压）

对信号进行处理，输出处理后的电压V1；

对左偏区域和右偏区域内的光电池输出的信号输入第二差动放大器A2进行放大，按公式：

V2＝Uc－Ud　　（式中：Uc为左偏区光电池6输出的电压，Ud为右偏区光电池4输出的电压）

对信号进行处理，输出处理后的电压V2；

（4）、伺服控制步骤：包括：

对V1进行正、负、零的伺服控制步骤：根据公式：

V1＝Ua－Ub　　（式中：Ua为上偏区光电池3输出的电压，Ub为下偏区光电池5输出的电压）

当伺服控制器接收到的V1为正时，输出信号控制伺服电机朝V1为零的方位旋转直到V1为零时停止，当伺服控制器接收到的V1为负时，输出信号控制伺服电机朝V1为零的方位旋转直到V1为零时停止，当伺服控制器接收到的V1为零时，不驱动伺服电机运转；

对V2进行正、负、零的伺服控制步骤：根据公式：

V2＝Uc－Ud　　（式中：Uc为左偏区光电池6输出的电压，Ud为右偏区光电池4输出的电压）

当伺服控制器接收到的V2为正时，输出信号控制伺服电机朝V2为零的方位旋转直到V2为零时停止，当伺服控制器接收到的V2为负时，输出信号控制伺服电机朝V2为零的方位旋转直到V2为零时停止，当伺服控制器接收到的V2为零时，不驱动伺服电机运转。

（5）、白天和晚上判断步骤：假定判定电压V4＝0.4伏（此电压可能因采用规格不同的光电池而不同，这里只是通过假定的判定电压对本实施例进行说明），将上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域的光电池输出的信号进行放大，按公式：

V3＝Ua＋Ub＋Uc＋Ud

进行处理；

将V4与V3进行比较，当V3≥V4时，设定为白天，当V3＜V4时，设定为晚上。

（6）、复位指令输出步骤：在当V3＜V4，符合晚上的设定条件时，伺服控制器输出复位指令给伺服驱动电路，驱动垂直伺服电机和水平伺服电机转动，使太阳能电池板支架返回到初始位置，此时太阳能电池板呈水平向上状态，传感器检测面垂直朝上，以备天亮时进行跟踪。

（7）、间歇驱动定精度跟踪步骤：将上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域设置的光电池分别划分为至少两个间隔区域，设定每个区域跟踪滞后偏差为角度φ，并按设定的区域将光电池的输出电压分成相应的电压分区，电压分区与偏差角度φ相对应，并设定太阳光阴影在每个间隔区域内的跟踪滞后偏差小于角度φ时，伺服控制器不进行跟踪，一旦太阳光阴影进入或者离开间隔区域，即跟踪滞后偏差达到或者大于角度φ时，伺服控制器才进行跟踪的间歇跟踪方式。

（8）、超前驱动跟踪步骤：当控制系统检测到跟踪滞后偏差达到或者大于角度φ时，伺服控制器发出的驱动指令驱动伺服电机跟踪达到偏差修正方向后继续超前驱动到修正方向的下一个区域才停止驱动伺服电机，即伺服控制器驱动伺服电机转动到修正方向的2φ角度，产生超前的偏差角度φ才停止驱动伺服电机。

本实施例的太阳跟踪器具体结构如图1所示，太阳位置传感器、信号放大及伺服控制器及双轴伺服驱动电路，所述的太阳传感器包括有隔光板2和光电池，所述的隔光板2设置至少有四块，所述隔光板以正对太阳为标线将太阳光分隔成上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域，使得太阳偏移后，隔光板在偏移区域留下阴影；图1所示的隔光板2采用十字交叉结构将太阳光分隔成上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域。所述的光电池采用四块，分别为上偏区光电池3、下偏区光电池5、左偏区光电池6、右偏区光电池4，分别放置于在所述隔光板分隔成的上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域，使得太阳偏移后由隔光板留下的阴影遮挡相应区域的光电池。

所述的信号放大伺服控制器包括有接收太阳位于上偏区光电池3、下偏区光电池5两个方位光电池电压信号的第一差动放大器A1和接收太阳位于左偏区光电池6、右偏区光电池4两个方位光电池电压信号的第二差动放大器A2，所述的第一差动放大器A1和第二差动放大器A2的电压信号输入单片机，由单片机根据接收的电压信号进行太阳偏移识别，向所述的双轴伺服驱动电路输出指令，控制双轴电机的工作。

所述的隔光板2为等高，所述的四个方位的光电池型号参数相同，所述隔光板的顶部盖有球形透明顶盖1。

本发明按图1所示结构的工作原理为：

在跟踪太阳的过程中，只有由太阳位置传感器、信号放大器及伺服控制器（本实施例是采用单片机组成伺服控制器）组成的检测、控制系统是一直通电工作的，伺服驱动电路和伺服电机只有接受到驱动指令后才通电工作，否则是不通电的。当检测、控制系统按上述的方法到检测跟踪滞后偏差达到设定的角度φ时，就发出指令让伺服驱动电路通电并驱动支架按照修正方向旋转2φ角度，产生超前的偏差角度φ，然后关闭伺服驱动电路，直至再次产生滞后的偏差角φ，又启动伺服驱动电路，周而复始的间歇驱动支架。这样做的效果是：在跟踪过程中，伺服驱动电路只在短暂的启动时间里是消耗电能的，其余较长的时间里是不耗电的，既保证了跟踪精度，有减少了电能消耗，从而提高了效率。

在当V3＜V4，符合晚上的设定条件时，伺服控制器输出复位指令给伺服驱动电路，驱动垂直伺服电机和水平伺服电机转动，使太阳能电池板支架返回到初始位置，此时太阳能电池板呈水平向上状态，传感器检测面垂直朝上，以备天亮时进行跟踪。

本实施例所采用的光电池可以用光敏电阻代替，光电池或者光敏电阻也可以采用每个区域放置多块的结构。

如图3、4所示，太阳位置传感器A固定在太阳能电池板8表面，太阳能电池板8安装于太阳能电池板安装支架7上，立柱10支撑太阳能跟踪器9，太阳跟踪器9结构如图5所示，包括水平旋转驱动电机11、垂直旋转变速器12、垂直旋转变速器输出轴13、垂直旋转驱动电机14、水平旋转变速器15、水平旋转变速器输出轴16，太阳跟踪器9受控于单片机，驱动太阳能电池板跟踪太阳。

Claims (10)

1.一种对太阳进行跟踪的方法，其特征在于：包括步骤：

（1）、太阳上偏、下偏的设定步骤：以正对太阳为标线设置隔光板，将太阳光分隔成上偏区域和下偏区域，在上偏区域、下偏区域设置分别设置光电池，使得太阳移动到上偏位置时，隔光板在上偏区域留下的阴影遮挡上偏区域的光电池，太阳移动到下偏位置时，隔光板在下偏区域留下的阴影遮挡下偏区域的光电池；

（2）、太阳左偏、右偏的设定步骤：以正对太阳为标线设置隔光板，将太阳光分隔成左偏区域和右偏区域，在左偏区域、右偏区域设置分别设置光电池，使得太阳移动到左偏位置时，隔光板在左偏区域留下的阴影遮挡左偏区域的光电池，太阳移动到右偏位置时，隔光板在右偏区域留下的阴影遮挡右偏区域的光电池；

（3）、信号放大处理步骤：包括：

对上偏区域和下偏区域内的光电池输出的信号进行放大，按公式：

V1＝Ua－Ub

对信号进行处理，输出处理后的电压V1；

对左偏区域和右偏区域内的光电池输出的信号进行放大，按公式：

V2＝Uc－Ud

对信号进行处理，输出处理后的电压V2；

（4）、伺服控制步骤：包括：

对V1进行正、负、零的伺服控制步骤：当伺服控制器接收到的V1为正时，输出信号控制伺服电机朝V1为零的方位旋转直到V1为零时停止，当伺服控制器接收到的V1为负时，输出信号控制伺服电机朝V1为零的方位旋转直到V1为零时停止，当伺服控制器接收到的V1为零时，不驱动伺服电机运转；

对V2进行正、负、零的伺服控制步骤：当伺服控制器接收到的V2为正时，输出信号控制伺服电机朝V2为零的方位旋转直到V2为零时停止，当伺服控制器接收到的V2为负时，输出信号控制伺服电机朝V2为零的方位旋转直到V2为零时停止，当伺服控制器接收到的V2为零时，不驱动伺服电机运转。

2.根据权利要求1所述的对太阳进行跟踪的方法，其特征在于：还包括白天和晚上判断步骤：设定判定电压V4，将上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域的光电池输出的信号进行放大，按公式：

V3＝Ua＋Ub＋Uc＋Ud

进行处理；

将V4与V3进行比较，当V3≥V4时，设定为白天，当V3＜V4时，设定为晚上。

3.根据权利要求2所述的对太阳进行跟踪的方法，其特征在于：还包括复位指令输出步骤：在符合晚上的设定条件时，伺服控制器输出复位指令给伺服驱动电路，驱动垂直伺服电机和水平伺服电机转动，使太阳能电池板支架返回到初始位置，此时太阳能电池板呈水平向上状态，传感器检测面垂直朝上，以备天亮时进行跟踪。

4.根据权利要求1所述的对太阳进行跟踪的方法，其特征在于：还包括间歇驱动定精度跟踪步骤：将上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域设置的光电池分别划分为至少两个间隔区域，并按设定的区域将光电池的输出电压分成相应的电压分区，并设定太阳光阴影在间隔区域内偏移时伺服控制器不进行跟踪，一旦太阳光阴影进入或者离开间隔区域时伺服控制器才进行跟踪的间歇跟踪方式。

5.根据权利要求4所述的对太阳进行跟踪的方法，其特征在于：还包括间歇伺服驱动跟踪步骤：设定伺服控制器按光电池划分的间隔区域进行判断，在隔光板的阴影处于同一区域时伺服控制器不输出驱动指令，在隔光板的阴影进入不同区域时伺服控制器输出驱动指令。

6.根据权利要求5所述的对太阳进行跟踪的方法，其特征在于：还包括超前驱动跟踪步骤：伺服控制器发出的驱动指令驱动伺服电机跟踪达到偏差修正方向后继续超前驱动到修正方向的下一个区域才停止驱动伺服电机。

7.一种采用权利要求1所述对太阳进行跟踪的方法制成的太阳跟踪器，包括太阳位置传感器、信号放大及伺服控制器及双轴伺服驱动电路，其特征在于：

所述的太阳位置传感器包括有隔光板和光电池，所述的隔光板设置至少有四块，所述隔光板以正对太阳为标线将太阳光分隔成上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域，使得太阳偏移后，隔光板在偏移区域留下阴影；所述的光电池放置于在所述隔光板分隔成的上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域，使得太阳偏移后由隔光板留下的阴影遮挡光电池；

所述的信号放大伺服控制器包括有接收太阳位于上偏区域、下偏区域两个方位光电池电压信号的第一差动放大器（A1）和接收太阳位于左偏区域、右偏区域两个方位光电池电压信号的第二差动放大器（A2），所述的第一差动放大器（A1）和第二差动放大器（A2）的电压信号输入单片机，由单片机根据接收的电压信号进行太阳偏移识别，向所述的双轴伺服驱动电路输出指令，控制双轴电机的工作。

8.根据权利要求7所述的对太阳进行跟踪的方法制成的太阳跟踪器，其特征在于：所述的隔光板采用十字交叉结构将太阳光分隔成上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域。

9.根据权利要求7所述的对太阳进行跟踪的方法制成的太阳跟踪器，其特征在于：所述的信号放大伺服控制器还包括加法放大器（A3），用于接收太阳位于上偏区域、下偏区域、左偏区域、右偏区域四个方位光电池电压信号，由单片机根据接收的加法放大器（A3）电压信号与设定的电压判定信号进行比对，作出白天和晚上的识别判断，向所述的双轴伺服驱动电路输出指令，控制双轴电机的工作。

10.根据权利要求7或8所述的对太阳进行跟踪的方法制成的太阳跟踪器，其特征在于：所述的隔光板为等高，所述的四个方位的光电池型号参数相同，所述隔光板的顶部盖有球形透明顶盖。

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