CN103455047A - 太阳跟踪装置及跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种利用该装置实现太阳跟踪的跟踪方法,其中装置包括支架,所述支架包括支撑底座和云台,其中云台用于固定太阳能利用设备,还包括:光电探测模块、GPS定位模块、控制模块、传动组件和电机模块;跟踪方法主要包括步骤:a1、启动上述光电探测模块、GPS定位模块、控制模块、传动组件和电机模块;a2、根据GPS定位模块获取的位置信息判断太阳方位,并控制电机模块驱动云台实现初步对准太阳;a3、通过光电探测模块判断光照是否充足,若是则返回步骤a2。采用GPS跟踪模块并设置GPS模块及光电探测模块的跟踪条件,实现了GPS模块初略跟踪以及阴天跟踪、光电探测模块细微调整的联合控制跟踪方式。

Description

太阳跟踪装置及跟踪方法
技术领域
本发明涉及一种太阳跟踪技术,具体涉及一种基于GPS和光电探测技术的太阳能跟踪装置,并涉及基于该装置进行太阳跟踪的方法。 
背景技术
随着化石资源的日益枯竭,人类越来越重视清洁能源的开发。太阳能由于清洁无污染,取之不尽用之不竭也是越来越受到重视。目前太阳能热水器、太阳能光伏发电、太阳能照明等设备和设施以相继开发成功和投入使用。但是太阳能却非常不稳定,不仅存在于一年四季的差异和白天黑夜的差异,即使在白天也随着时间的不同,太阳能的分布也不同。采用太阳跟踪技术可以有效的提高太阳能的利用效率,提高产生。 
传统的太阳跟踪技术,要么基于GPS的跟踪装置,要么基于光电探测的跟踪装置。两者互有优缺点,GPS跟踪装置不受天气影响可以全天候全时段工作,但是GPS跟踪装置运行一段时间后会由于机械装置的原因出现累计误差,必须一段时间后人工校准。光电探测装置的优势是实时跟踪不会出现累计误差,但是容易受到天气的影响,阴雨天气无法跟踪太阳。 
发明内容
本发明为了解决现有的基于GPS技术的太阳跟踪装置容易随着使用时间的变化出现累计误差,而基于光电探测技术的太阳能跟踪装置在阴雨天气无法准确跟踪的问题,提出了一种太阳能跟踪装置,并提出了一种利用该装置实现太阳跟踪的跟踪方法。 
为了实现上述目的,本发明的技术方案是:一种太阳跟踪装置,包括支架,所述支架包括支撑底座和云台,其中云台用于固定太阳能利用设备,其特征是本太阳跟踪装置还包括:光电探测模块、GPS定位模块、控制模块、传动组件和电机模块; 
其中,光电探测模块与控制模块相连接,包括长方体箱体和至少4个方位探测光敏传感器,该长方体箱体包括2个正方形底面和4个长方形侧面,所述4个长方形侧面与正方形底面之一的4条公共边中部分别设置有方位探测光敏传感器,所述方位探测光敏传感器的光敏面露出长方体箱体侧面一定距离D,D的值根据预设探测精度确定,长方体箱体靠近方位探测光敏传感器的正方形底面固定于云台上; 
GPS定位模块与控制模块相连接,用于获取设备的位置信息; 
控制模块包括GPS信号处理单元、比较器和驱动电路,GPS信号处理单元用于处理 GPS获取的设备位置信息并转换为控制信号,比较器用于比较方位探测光敏传感器的信号强度并输出控制信号至驱动电路,驱动电路根据控制信号输出驱动信号驱动控制电机,控制电机通过传动组件控制云台旋转。 
上述D值的确定方法是:tanθ=2D/L,其中θ为跟踪精度,L为长方体箱体两个正方形底面之间的距离。 
为了减小太阳光反射以及对方位探测光敏传感器探测太阳光强度的精度的影响,所述长方体箱体表面为黑色。 
进一步的,所述方位探测组件还包括与方位探测光敏传感器数量相同的采样电阻,所述采用电阻分别与方位探测光敏传感器串联,用于将方位探测光敏传感器探测光强对应的电流信号转换为电压信号输送至比较器。 
为了解决光线不足的情况下系统额外耗费电能的缺陷,所述跟踪装置还包括光强探测组件,所述光强探测组件包括光强探测光敏传感器、电压比较器和开关单元,所述光强探测光敏传感器安装于长方体箱体远离方位探测光敏传感器的正方形底面中央,所述光强探测光敏传感器与电压比较器的输入端相连接,电压比较器的另一输入端输入阈值电压,所述开关单元包括控制端和开关端,所述开关端串联于方位探测组件的电源输入回路中,所述电压比较器的输出端与开关单元的控制端相连接,用于控制方位探测组件的电源通断。 
进一步的,所述光强探测光敏传感器与一采样电阻串联,所述采样电阻的输出端连接于电压比较器的输入端。 
进一步的,所述光强探测组件还包括可调电压组件,所述可调电压组件输出端电压可调,并作为阈值电压输出至电压比较器。 
一种利用上述装置的太阳跟踪方法,其特征在于,包括以下步骤: 
a1、启动上述光电探测模块、GPS定位模块、控制模块、传动组件和电机模块; 
a2、根据GPS定位模块获取的位置信息判断太阳方位,并控制电机模块驱动云台实现初步对准太阳; 
a3、通过光电探测模块判断光照是否充足,若是则返回步骤a2,否则启动光电探测模块探测太阳方位并控制云台实现跟踪太阳。 
根据上述的太阳跟踪方法,其特征在于:所述GPS定位模块包括定时模块,所述定时模块用于提供时间信号以使跟踪装置在白天启动并在夜间停止。 
本发明的有益效果:本发明的太阳跟踪装置采用长方体箱体结合方位探测光敏传感器组成方位探测组件,通过长方体箱体遮光和比较方位探测光敏传感器探测的光强差值判断太阳方位,具有结构简单、成本低、精度高以及可靠性好的优势。采用GPS跟踪模块,并设 置GPS模块及光电探测模块的跟踪条件,实现了GPS模块初略跟踪以及阴天跟踪、光电探测模块细微调整的联合控制跟踪方式,避免了单独的GPS跟踪模块产生机械累计误差的缺陷,同时也集成了光电探测模块进行太阳跟踪的优势。 
附图说明
图1为本发明的实施例的原理框图; 
图2为本发明的实施例的光电探测模块的结构示意图; 
图3为图2所示光电探测模块的仰视图; 
图4为本发明的跟踪方法流程图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。 
为了便于理解,以下结合与本发明方案原理相同的太阳跟踪装置结构及跟踪方法对本发明的原理作详细描述。 
如图1、图2及图3所示,本实施例的一种太阳跟踪装置,包括支架,所述支架包括支撑底座和云台,其中云台用于固定太阳能利用设备,这里所指的太阳能利用设备是包括利用太阳能的目标设备比如说太阳能热水器、光伏电池板、光伏电站等。与现有的太阳跟踪装置或类似装置不同点在于本太阳跟踪装置还包括有光电探测模块、GPS定位模块、控制模块、传动组件和电机模块。其中光电探测模块与控制模块相连接,包括长方体箱体和至少4个方位探测光敏传感器1,该长方体箱体3包括2个正方形底面和4个长方形侧面,所述4个长方形侧面与正方形底面之一的4条公共边中部分别设置有方位探测光敏传感器,所述方位探测光敏传感器的光敏面露出长方体箱体侧面一定距离D,D的值根据预设探测精度确定,长方体箱体靠近方位探测光敏传感器的正方形底面固定于云台上。本质来说,该光电探测模块为太阳方位判断模块,原理如下:假如装置未正对太阳光,在长方体箱体的遮挡下,必然在某一个或两个侧面上形成阴影,在阴影下的光敏传感器探测到的光强信息将小于不在阴影下的传感器,通过比较器可以判断二者光强信息的比较结果,该比较结果可以用于控制云台电机调整云台,实现对太阳的跟踪。 
上述的GPS定位模块与控制模块相连接,用于获取设备的位置信息。这里的位置信息是指有GPS定位模块获取的设备所在的经纬度信息,跟踪这个信息可以有效判断该位置该时段的太阳方位。 
上述控制模块具体包括GPS信号处理单元、比较器和驱动电路,GPS信号处理单元用于处理GPS获取的设备位置信息并转换为控制信号,比较器用于比较方位探测光敏传感器的信号强度并输出控制信号至驱动电路,驱动电路根据控制信号输出驱动信号驱动控制电 机,控制电机通过传动组件控制云台旋转。根据公开的控制模块的功能,本领域的技术人员容易从现有技术中找出很多合理的、常规的解决方案比如说通过单片机编程控制实现,故在此对本模块不做赘述。 
在上述实施例的方案中提及了光电探测模块的跟踪精度问题与D值有关,为了使本实施例的方案更易于被理解,在此进一步公开D值的确定方法为:tanθ=2D/L,其中θ为跟踪精度,L为长方体箱体两个正方形底面之间的距离。可以看出,本实施例的方案也可以通过调整长方体箱体的长度L以及D值实现对模块精度的调整。 
以下为本实施例的优选方案:为了减小太阳光反射以及对方位探测光敏传感器探测太阳光强度的精度的影响,将上述长方体箱体表面为设计为黑色。 
进一步的,所述方位探测组件还包括与方位探测光敏传感器数量相同的采样电阻,所述采用电阻分别与方位探测光敏传感器串联,用于将方位探测光敏传感器探测光强对应的电流信号转换为电压信号输送至比较器。 
为了解决光线不足的情况下系统额外耗费电能的缺陷,所述跟踪装置还包括光强探测组件,所述光强探测组件包括光强探测光敏传感器2、电压比较器和开关单元,所述光强探测光敏传感器安装于长方体箱体远离方位探测光敏传感器的正方形底面中央,所述光强探测光敏传感器与电压比较器的输入端相连接,电压比较器的另一输入端输入阈值电压,所述开关单元包括控制端和开关端,所述开关端串联于方位探测组件的电源输入回路中,所述电压比较器的输出端与开关单元的控制端相连接,用于控制方位探测组件的电源通断。 
其中光强探测光敏传感器与一采样电阻串联,所述采样电阻的输出端连接于电压比较器的输入端。 
上述光强探测组件还包括可调电压组件,所述可调电压组件输出端电压可调,并作为阈值电压输出至电压比较器。 
以下为利用上述太阳跟踪装置的太阳跟踪方法,其流程图如图4所示,包括以下步骤: 
a1、启动上述光电探测模块、GPS定位模块、控制模块、传动组件和电机模块; 
a2、根据GPS定位模块获取的位置信息判断太阳方位,并控制电机模块驱动云台实现初步对准太阳; 
a3、通过光电探测模块判断光照是否充足,若是则返回步骤a3,否则启动光电探测模块探测太阳方位并控制云台实现跟踪太阳。 
根据上述的太阳跟踪方法:所述GPS定位模块包括定时模块,所述定时模块用于提供时间信号以使跟踪装置在白天启动并在夜间停止。 
本发明涉及的基于GPS和光电探测的太阳跟踪装置,属于太阳能利用领域,尤其是涉 及到太阳跟踪的太阳能利用。该发明包括GPS定位模块、光电探测模块、单片机控制模块和电机模块。该装置通过GPS模块和光电探测模块共同确定太阳的位置,两者互相配合有利于提高探测精度和各种天气情况下的工作性能。其原理是(单片机)控制模块先根据GPS获得的经纬度计算出太阳方位,向电机模块发出控制信号,控制电机达到指点位置,再根据光电探测器探测太阳方位,再次发出控制信号控制电机微调。 
GPS模块可以采用市场上成熟的GPS芯片,GPS芯片以帧的形式发送数据,下面举例对其详细说明,帧格式$GPRMC,044614.262,A,3148.4710,N,12138.6413,E,0.00,,171105,,*1E从GPS芯片中获得,3148.4710,N表示北纬31度48.4710分,12138.6413,E表示东经121度38.6413分,171105表示05年11月17号,044614.262表示格林威治时间04点46分14秒262毫秒。通过串口线将帧信息传输到单片机控制模块4,单片机控制模块4解码经纬度和时间信息。由于地球的自转和地球绕太阳的公转导致了太阳位置相对于地面静止物体的运动,这种变化是周期性和可以预测的。地球极轴和黄道天球极轴存在一个-23°27′的夹角,引起了太阳赤纬角在一年中的变化。冬至时这个角为-23°27′,然后逐渐增大,到春分时变为0°并继续增大;夏至时赤纬角达到最大的23°27′,并开始减小;到秋分时赤纬角又变为0°,并继续减小,直到冬至,另一个变化周期开始。赤纬角可由Cooper(1969)的近似计算公式求得:δ=23.45sin[360*(284+n)/365],式中,δ赤纬角,n一年中的第几天。在一天当中,太阳赤纬变化很小,位置变化主要由地球自转引起。一天当中随时间变化引起的太阳位置变化可由时角w表示,太阳在正午时为0°,每小时变化15°,上午为正,下午为负。因此有:w=(12-T)*15式中,T当地时间。通过经纬度和时间信息计算出太阳方位,计算时采用地平坐标系统。利用时间和当地的经纬度计算当时的太阳高度角和方位角,每隔一段时间读取一次,计算一次太阳的高度角和方位角,同时计算出两次之间的角度差,利用这个角度差来控制电机的转动时间。由于太阳方位变化缓慢,不需要实时的计算经纬度和时间信息,可以每隔30分钟更新一次信息。单片机控制模块4通过计算出的信息向电机模块6发出控制指令,电机模块6驱动步进电机运转,此时装置已经初步对准太阳。 
以上所述仅为本发明的具体实施方式,本领域的技术人员将会理解,在本发明所揭露的技术范围内,可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定,而应以权力要求书的保护范围来限定。 

Claims (10)

1.一种太阳跟踪装置,包括支架,所述支架包括支撑底座和云台,其中云台用于固定太阳能利用设备,其特征是本太阳跟踪装置还包括:光电探测模块、GPS定位模块、控制模块、传动组件和电机模块;
其中,光电探测模块与控制模块相连接,包括长方体箱体和至少4个方位探测光敏传感器,该长方体箱体包括2个正方形底面和4个长方形侧面,所述4个长方形侧面与正方形底面之一的4条公共边中部分别设置有方位探测光敏传感器,所述方位探测光敏传感器的光敏面露出长方体箱体侧面一定距离D,D的值根据预设探测精度确定,长方体箱体靠近方位探测光敏传感器的正方形底面固定于云台上;
GPS定位模块与控制模块相连接,用于获取设备的位置信息;
控制模块包括GPS信号处理单元、比较器和驱动电路,GPS信号处理单元用于处理GPS获取的设备位置信息并转换为控制信号,比较器用于比较方位探测光敏传感器的信号强度并输出控制信号至驱动电路,驱动电路根据控制信号输出驱动信号驱动控制电机,控制电机通过传动组件控制云台旋转。
2.根据权利要求1所述的一种太阳跟踪装置,其特征在于,所述D值的确定方法是:tanθ=2D/L,其中θ为跟踪精度,L为长方体箱体两个正方形底面之间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的一种太阳跟踪装置,其特征在于,所述长方体箱体表面为黑色。
4.根据权利要求1所述的一种太阳跟踪装置,其特征在于,所述方位探测组件还包括与方位探测光敏传感器数量相同的采样电阻,所述采用电阻分别与方位探测光敏传感器串联,用于将方位探测光敏传感器探测光强对应的电流信号转换为电压信号输送至比较器。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种太阳跟踪装置,其特征在于,所述跟踪装置还包括光强探测组件,所述光强探测组件包括光强探测光敏传感器、电压比较器和开关单元,所述光强探测光敏传感器安装于长方体箱体远离方位探测光敏传感器的正方形底面中央,所述光强探测光敏传感器与电压比较器的输入端相连接,电压比较器的另一输入端输入阈值电压,所述开关单元包括控制端和开关端,所述开关端串联于方位探测组件的电源输入回路中,所述电压比较器的输出端与开关单元的控制端相连接,用于控制方位探测组件的电源通断。
6.根据权利要求3所述的一种太阳跟踪装置,其特征在于,所述跟踪装置还包括光强探测组件,所述光强探测组件包括光强探测光敏传感器、电压比较器和开关单元,所述光强探测光敏传感器安装于长方体箱体远离方位探测光敏传感器的正方形底面中央,所述光强探测光敏传感器与电压比较器的输入端相连接,电压比较器的另一输入端输入阈值电压,所述开关单元包括控制端和开关端,所述开关端串联于方位探测组件的电源输入回路中,所述电压比较器的输出端与开关单元的控制端相连接,用于控制方位探测组件的电源通断。
7.根据权利要求5所述的一种太阳跟踪装置,其特征在于,所述光强探测光敏传感器与一采样电阻串联,所述采样电阻的输出端连接于电压比较器的输入端。
8.根据权利要求6或7所述的一种太阳跟踪装置,其特征在于,所述光强探测组件还包括可调电压组件,所述可调电压组件输出端电压可调,并作为阈值电压输出至电压比较器。
9.一种利用上述装置的太阳跟踪方法,其特征在于,包括以下步骤:
a1、启动权利要求1所述的光电探测模块、GPS定位模块、控制模块、传动组件和电机模块;
a2、根据GPS定位模块获取的位置信息判断太阳方位,并控制电机模块驱动云台实现初步对准太阳;
a3、通过光电探测模块判断光照是否充足,若是则返回步骤a2,否则启动光电探测模块探测太阳方位并控制云台实现跟踪太阳。
10.根据权利要求9所述的一种太阳跟踪方法,其特征在于,所述GPS定位模块包括定时模块,所述定时模块用于提供时间信号以使跟踪装置在白天启动并在夜间停止。
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