CN103246291B - 太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统及其实现方法，属一种太阳能发电机辅助系统，包括光信号采集装置、微处理器、跟踪位移执行机构以及执行机构传感装置；所述光信号采集装置通过光电转换模块接入微处理器，所述的光电转换模块用于将光信号转换为地址信号；所述微处理器还接入第一数据存储装置，所述第一数据存储装置中用于存储跟踪位移执行机构的预设方位位移量数据；本发明所提供的一种太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统应用于太阳能发电装置上之后，使其生产成本得到降低，有利于其大规模的推广使用，并尤其适宜于在未铺设电网的偏远山区中使用，且亦可在其他场所作为辅助电能，应用范围广阔。

Description

太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能发电机辅助系统，更具体的说，本发明主要涉及一种太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统及其实现方法。

背景技术

太阳能发电机为一种可将太阳光热能直接或间接转化为电能的一种环保发电装置，现有太阳能发电机的主要原理是通过太阳光直接照在太阳能电池板上产生电能，而此类发电机较为重要的一个特性是需根据不同时间太阳光照射的角度进行跟踪，以确保能获得太阳光的最大能效。目前，国内已研制出一种用于碟式太阳能聚能器的太阳自动跟踪系统，是用高精度的PSD（该缩写的英文全称为PositionSensitiveDetector，即位置敏感探测器）传感器来获取太阳的入射方位指向位置，通过32位的嵌入式ARM7微控制器S3C44B0X实现开闭环结合的控制算法来控制步进电机带动高精度机械转台转动，从而使得聚能器指向太阳入射方向，系统实现了对太阳的全自动跟踪，该结构选用了某科技公司生产的二维面型PSD作为光电位置探测器来获取太阳的入射方位信息。设计编程方位信息与硬件驱动的计算方法，使跟踪器跟随太阳光的入射方向带动聚能罩朝相应的方向转动，达到了提高太阳能的利用效率。但是前述高精度的PSD的价格较高，进而使得应用此类太阳光自动跟踪系统的发电机的生产成本也大大提高，限制了太阳能发电机的大规模推广应用。并且现有的太阳能发电机中基本全部都将能量转换装置直接置于聚能罩的上方或下侧，由跟踪系统中的执行机构带动其整体旋转跟踪，无形中也大大增加了跟踪执行机构的载荷强度，导致其额定功率增加。因此基于前述问题，有必要针对应用于太阳能发电机中的自动光学跟踪系统做进一步的改进。

发明内容

本发明的目的之一在于解决上述不足，提供一种太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统及其实现方法，以期望解决现有技术中太阳能发电系统的自动跟踪系统生产成本较高，跟踪执行机构载荷较高等技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，包括光信号采集装置、微处理器、跟踪位移执行机构以及执行机构传感装置；

所述光信号采集装置通过光电转换模块接入微处理器，所述的光电转换模块用于将光信号转换为地址信号；

所述微处理器还接入第一数据存储装置，所述第一数据存储装置中用于存储跟踪位移执行机构的预设方位位移量数据；且所述微处理器还通过译码装置接入跟踪位移执行机构；

所述微处理器通过第二数据存储装置接入执行机构传感装置，所述第二数据存储装置用于存储来自于执行机构传感装置采集到的跟踪位移执行机构位移量数据；

所述的微处理器用于调用并根据来自于光电转换模块的地址信号，从第一数据存储装置中调用对应的方位位移量数据，并获取第二数据存储装置中跟踪位移执行机构的即时位移量数据，并通过运算将二者的差值位移量通过译码装置选中芯片端口后输出至跟踪位移执行机构。

作为优选，进一步的技术方案是：所述的光信号采集装置为表面呈球面状的光接收器，且光接收器的球面上设有多个沿其经纬向排列的采光孔，且采光孔的底部固定有光纤，所述光纤接入光电转换模块。

更进一步的技术方案是：所述的光电转换模块中至少包括光电信号转换电路、地址寄存器与地址锁存器，所述光电信号转换电路用于将来自于采光孔底部光纤的光信号转换为地址信号，并通过数据总线输出至地址寄存器暂存后再传输至地址锁存器以供微处理器调用。

更进一步的技术方案是：所述采光孔底部的光纤均为1至12根，且每个采光孔底部的光纤均分别通过光电信号转换电路接入地址寄存器，并由光电信号转换电路将其光信号转换各不相同的地址信号。

更进一步的技术方案是：所述的跟踪位移执行机构为三轴并联机构与至少两个伺服电机，且伺服电机分别安装在三轴并联机构的轴上，用于按照译码装置选中并输入的差值位移量带动三轴并联机构运动；所述执行机构传感装置是位移传感器，且位移传感器也分别安装在三轴并联机构的轴上，用于采集三轴并联机构的位移量数据并传输至第二数据存储装置。

更进一步的技术方案是：所述的第二数据存储装置中至少包括数据寄存器与数据锁存器，其中数据寄存器接入执行机构传感装置，将跟踪位移执行机构的位移量数据暂存后传输至数据锁存器以供微处理器调用。

更进一步的技术方案是：所述的微处理器还直接与跟踪位移执行机构相连接，用于在译码装置选中芯片端口并将差值位移量输出至跟踪位移执行机构之前，向跟踪位移执行机构发出接收信号打开其数据接收的芯片端口。

更进一步的技术方案是：所述的光信号采集装置安装在太阳能聚能罩的中心处。

本发明另一方面还提供了一种上述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统的实现方法，所述的方法包括如下步骤：

步骤A、光信号采集装置随太阳光入射的角度，向光电转换模块输出相应的光信号，由光电转换模块将光信号转换为地址信号，并输出至微处理器或暂存地址信号供微处理器调用；

步骤B、微处理器根据地址信号从第一数据存储装置中调用预设方位位移量数据，并从第二数据存储装置中获取跟踪位移执行机构的即时位移量数据，经运算得到二者的差值位移量，再通过译码装置选中芯片端口后输出至跟踪位移执行机构；

步骤C、跟踪位移执行机构根据该差值位移量带动太阳能聚能罩朝既定的方向转动，且转动位移量与该差值位移量相等。

作为优选，进一步的技术方案是：所述步骤B中的微处理器首先向跟踪位移执行机构发出接收信号打开其数据接收的芯片端口，然后再通过译码装置选中芯片端口后向跟踪位移执行机构输出差值位移量。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：光学采集自动跟踪系统中的光信号采集装置结构简单，制造成本较低，通过其上部采光孔底部的光纤，可直接将其采集到的光信号转换为微处理器可识别的地址信息，经过运算后控制执行机构进行相应的转动位移，从而使聚能罩始终与太阳光的入射方向保持一致，并且通过采用三轴并联机构作为前述的执行机构，可将太阳能发电机中的能量转换装置置于三轴并联机构的三轴之间的地面上，从而降低了其载荷强度，同时将预设位移量数据在第一数据存储装置中固化并与相应的地址码相对应，使得微处理器调用及控制的方式较易实现，且误操作率低。且本发明所提供的一种太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统应用于太阳能发电装置上之后，使其生产成本得到降低，有利于其大规模的推广使用，并尤其适宜于在未铺设电网的偏远山区中使用，且亦可在其他场所作为辅助电能，应用范围广阔。

附图说明

图1为用于说明本发明一个实施例的系统结构框图；

图2为用于说明本发明另一个实施例的应用方式示意图；

图3为本发明一个实施例中太阳能聚能罩日常时刻点温度统计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

图1示出了本发明的系统结构示意图，参考图1所示，本发明的一个实施例是一种太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，包括光信号采集装置1、微处理器2、跟踪位移执行机构3以及执行机构传感装置4；

其中光信号采集装置1通过光电转换模块5接入微处理器2，光电转换模块5的作用是将光信号转换为地址信号；

而微处理器2则接入第一数据存储装置6，所述第一数据存储装置6中的作用是存储跟踪位移执行机构3的预设方位位移量数据；且微处理器2还通过译码装置7接入跟踪位移执行机构3；同时微处理器2还通过第二数据存储装置8接入执行机构传感装置4，所述第二数据存储装置8的作用是存储来自于执行机构传感装置4采集到的跟踪位移执行机构3位移量数据；

上述微处理器2的作用是调用并根据来自于光电转换模块5的地址信号，从第一数据存储装置6中调用对应的方位位移量数据，并获取第二数据存储装置8中跟踪位移执行机构3的即时位移量数据，并通过运算将二者的差值位移量通过译码装置7选中芯片端口后输出至跟踪位移执行机构3，即通过跟踪位移执行机构3中功能芯片的其中一脚输出差值位移量数据。

同时为保证上述差值位移量输出至跟踪位移执行机构3时的时序一致性，且具有校验功能，最好再将微处理器2通过一路单独的总线直接接入跟踪位移执行机构3中功能芯片的另一脚，用于在译码装置7选中芯片端口并将差值位移量输出至跟踪位移执行机构3之前，向跟踪位移执行机构3中的功能芯片发出接收信号打开其数据接收的芯片端口。

正如上述实施例所提到的，光信号采集装置1的作用是适时采集太阳光信号，以便系统中的其他装置相互配合从而对太阳光的方向进行跟踪带动太阳能聚能罩进行转动，在本发明的另一个优选实施例中，光信号采集装置1采用至少上方呈球面状的光接收器，在光接收器的球面上设多个沿其经纬向排列的采光孔，且这些采光孔均向光接收器的内部中心处延伸，即与球面的法向相同；在采光孔的底部固定光纤，而该光纤的另一端则接入光电转换模块5。

结合本发明上述的两个实施例，本发明用于解决技术问题更加优选的一个实施例是采用光电信号转换电路51、地址寄存器52与地址锁存器53组成上述的光电转换模块5，并且依据光信号采集装置1中的光信号到电信号（即地址码）转换的具体需求，还可在光电转换模块5中增设其他功能器件；而该结构的光电转换模块5进行光电转换的原理为通过光电信号转换电路51将来自于采光孔底部光纤的光信号转换为电信号（地址码），并通过数据总线输出至地址寄存器52暂存后再传输至地址锁存器53以供微处理器2调用。

同时还采用数据寄存器81与数据锁存器82组成第二数据存储装置8，同样，在第二数据存储装置8还可根据来自于执行机构传感装置4的位移量数据处理和储存的实际需求，增设其它功能器件；第二数据存储装置8进行方位位移量数据储存与传输的原理为通过数据寄存器81接入执行机构传感装置4，将跟踪位移执行机构3的位移量数据暂存后传输至数据锁存器82以供微处理器2调用。

而本发明上一种实施例中所提到的采光孔底部的光纤均为1至12根，且每个采光孔底部的光纤均分别通过光电信号转换电路51接入地址寄存器52，并由光电信号转换电路51将其光信号转换各不相同的地址信号。且每个采光孔底部的光纤数量根据其在光接收器球面上分布的不同位置进行设置，例如置于光接收器球面正中心的一个采光孔底部的光纤为1根，即其通过光电信号转换电路51转换而成的地址码则为000000000001，根据采光孔位置的不同，设置不同的数量的光纤，即不同的位置的采光孔可通过光电信号转换电路51产生不同的二进制地址信号，例如101010101010、011010010010、110010101100等等，而每一个地址信号都在第一数据存储装置6中具有对应的预设方位位移量数据，微处理器根据该地址信号判断太阳光的方向，调用对应的预设方位位移量数据与第二数据存储装置8中的即时位移量数据进行运算，控制跟踪位移执行机构3进行实时跟踪。

图2示出了本发明的应用方式示意图，参考图2所示，本发明另一优选的实施例是采用三轴并联机构31与两个以上的伺服电机32组成上述实施例中提到的跟踪位移执行机构3，上述功能芯片集成于伺服电机32中。将所有伺服电机32分别安装在三轴并联机构31的轴上，通过按照译码装置7选中并输入的差值位移量带动三轴并联机构31运动；并且上述实施例中的执行机构传感装置4是安装在三轴并联机构31轴上的位移传感器，即位移传感器采集三轴并联机构31的位移量数据并传输至第二数据存储装置8，第二数据存储装置8则执行上述实施例中所提到的操作。同时当前述三轴并联机构31在必要的情形下，可以设置两轴，但需充分考虑其稳定性；又或者仅在三轴并联机构31的其中两轴上安装位移传感器，即可实现太阳能聚能罩的360度转动。

再参考图2所示，为保证跟踪系统能随太阳光的方向准确带动太阳能聚能罩进行转动，在上述实施例具体应用时，需要将光信号采集装置1安装在太阳能聚能罩9的中心处，即与太阳能聚能罩9的中心法线相重合，而太阳能聚能罩9安装在三轴并联机构31上带动其360度转动。

与本发明上述的多个实施例所不同，本发明基太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，另一个实施例是一种太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统的实现方法，并且该方法需按照如下步骤进行，但也不排除在下述步骤的基础上增加的其它辅助步骤，用于完善基于上述自动跟踪系统的实现方法：

步骤A、光信号采集装置1随太阳光入射的角度，向光电转换模块5输出相应的光信号，由光电转换模块5将光信号转换为地址信号，并输出至微处理器2或暂存地址信号供微处理器2调用；

步骤B、微处理器2根据地址信号从第一数据存储装置6中调用预设方位位移量数据，并从第二数据存储装置8中获取跟踪位移执行机构3的即时位移量数据，经运算得到二者的差值位移量，再通过译码装置7选中芯片端口后输出至跟踪位移执行机构3；

步骤C、跟踪位移执行机构3根据该差值位移量带动太阳能聚能罩9朝既定的方向转动，且转动位移量与该差值位移量相等。

而在上述步骤B中，为保证上述差值位移量输出至跟踪位移执行机构3时的时序一致性，并具有校验功能，微处理器2在从第一数据存储装置6中调用预设方位位移量数据之前，最好首先向跟踪位移执行机构3发出接收信号打开其数据接收的芯片端口，然后再通过译码装置7选中芯片端口后向跟踪位移执行机构3输出差值位移量。

太阳能发电装置中的聚能罩在安装了本发明的光学自动跟踪系统后，其在日照时段内的不同时刻所获得的温度明显得到提升，具体请参见图3和下表1所示出的具体实验数据：

表1、太阳能聚能罩日照时刻点温度统计表（单位：摄氏度）

另外，还需要说明的是，在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，其特征在于：包括光信号采集装置、微处理器、跟踪位移执行机构以及执行机构传感装置；

所述光信号采集装置通过光电转换模块接入微处理器，所述的光电转换模块用于将光信号转换为地址信号；

所述微处理器还接入第一数据存储装置，所述第一数据存储装置中用于存储跟踪位移执行机构的预设方位位移量数据；且所述微处理器还通过译码装置接入跟踪位移执行机构；

所述微处理器通过第二数据存储装置接入执行机构传感装置，所述第二数据存储装置用于存储来自于执行机构传感装置采集到的跟踪位移执行机构位移量数据；

所述的微处理器用于调用并根据来自于光电转换模块的地址信号，从第一数据存储装置中调用对应的方位位移量数据，并获取第二数据存储装置中跟踪位移执行机构的即时位移量数据，并通过运算将二者的差值位移量通过译码装置选中芯片端口后输出至跟踪位移执行机构。

2.根据权利要求1所述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，其特征在于：所述的光信号采集装置为表面呈球面状的光接收器，且光接收器的球面上设有多个沿其经纬向排列的采光孔，且采光孔的底部固定有光纤，所述光纤接入光电转换模块。

3.根据权利要求2所述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，其特征在于：所述的光电转换模块中至少包括光电信号转换电路、地址寄存器与地址锁存器，所述光电信号转换电路用于将来自于采光孔底部光纤的光信号转换为地址信号，并通过数据总线输出至地址寄存器暂存后再传输至地址锁存器以供微处理器调用。

4.根据权利要求3所述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，其特征在于：所述采光孔底部的光纤均为1至12根，且每个采光孔底部的光纤均分别通过光电信号转换电路接入地址寄存器，并由光电信号转换电路将其光信号转换为各不相同的地址信号。

5.根据权利要求1所述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，其特征在于：所述的跟踪位移执行机构为三轴并联机构与至少两个伺服电机，且伺服电机分别安装在三轴并联机构的轴上，用于按照译码装置选中并输入的差值位移量带动三轴并联机构运动；所述执行机构传感装置是位移传感器，且位移传感器也分别安装在三轴并联机构的轴上，用于采集三轴并联机构的位移量数据并传输至第二数据存储装置。

6.根据权利要求1或5所述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，其特征在于：所述的第二数据存储装置中至少包括数据寄存器与数据锁存器，其中数据寄存器接入执行机构传感装置，将跟踪位移执行机构的位移量数据暂存后传输至数据锁存器以供微处理器调用。

7.根据权利要求1所述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，其特征在于：所述的微处理器还直接与跟踪位移执行机构相连接，用于在译码装置选中芯片端口并将差值位移量输出至跟踪位移执行机构之前，向跟踪位移执行机构发出接收信号打开其数据接收的芯片端口。

8.根据权利要求1所述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统，其特征在于：所述的光信号采集装置安装在太阳能聚能罩的中心处。

9.一种权利要求1至8任意一项所述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统的实现方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：

步骤A、光信号采集装置随太阳光入射的角度，向光电转换模块输出相应的光信号，由光电转换模块将光信号转换为地址信号，并输出至微处理器或暂存地址信号供微处理器调用；

步骤B、微处理器根据地址信号从第一数据存储装置中调用预设方位位移量数据，并从第二数据存储装置中获取跟踪位移执行机构的即时位移量数据，经运算得到二者的差值位移量，再通过译码装置选中芯片端口后输出至跟踪位移执行机构；

步骤C、跟踪位移执行机构根据该差值位移量带动太阳能聚能罩朝既定的方向转动，且转动位移量与该差值位移量相等。

10.根据权利要求9所述的太阳能聚能罩光学采集自动跟踪系统的实现方法，其特征在于：所述步骤B中的微处理器首先向跟踪位移执行机构发出接收信号打开其数据接收的芯片端口，然后再通过译码装置选中芯片端口后向跟踪位移执行机构输出差值位移量。