CN104238581A - 太阳自动跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳自动跟踪系统及方法，属于太阳能应用领域，为解决现有技术能耗高等问题而设计。本发明太阳自动跟踪系统包括光电检测装置、跟踪装置和控制单元；其中，光电检测装置用于检测当前时刻天空中是否有太阳光，并将检测结果发送至控制单元；控制单元用于根据光电检测装置的检测结果和太阳运行轨迹数据来控制跟踪装置；跟踪装置用于将太阳光反射向指定位置或指定方向。本发明太阳自动跟踪方法先使用光电检测方法来判断当前时刻天空中是否有太阳光，当确定当前时刻天空中有太阳光后使用视日运动轨迹跟踪方法调整反光镜的角度，以将太阳光反射向指定位置或指定方向。本发明太阳自动跟踪系统及方法能耗低，装置使用寿命长。

Description

太阳自动跟踪系统及方法

技术领域

本发明涉及一种太阳自动跟踪系统以及基于该系统的太阳自动跟踪方法。

背景技术

建筑物(尤其是高层建筑中)通常会有常年见不到阳光的房间，例如地下室、地下通道、以及地下商场等。这些房间即使在白天、室外光线充足的时候依然需要使用人工电力照明方式，增加了能耗。

为了降低这部分能耗，可以将太阳光反射、导入这些房间中，替代电力照明。因太阳的高度角和方位角随着时间和日期的不同而不同，所以反射太阳光时需要根据太阳的运行轨迹来调整光线传输装置的角度。

现有的太阳自动跟踪方法主要包括两种：第一，使用光电式检测方法实时探测太阳的对地位置，从而控制光线传输装置的对日角度；第二，根据天文知识计算太阳位置以跟踪太阳。第一种方法受气象、环境条件影响较大，容易发生误差；第二种方法没有考虑天气情况，在阴雨天气中这种连续跟踪是没作用的，不但无法反射太阳光反而会对系统资源和能源造成浪费。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种对太阳的自动跟踪效果更准确、延长了装置使用寿命的太阳自动跟踪系统。

本发明的另一个目的是提出一种形成间歇跟踪方式、避免浪费能源的太阳自动跟踪方法。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种太阳自动跟踪系统，所述系统包括光电检测装置、跟踪装置和控制单元；其中，光电检测装置用于检测当前时刻天空中是否有太阳光，并将检测结果发送至所述控制单元；控制单元用于根据所述光电检测装置的检测结果和太阳运行轨迹数据来控制跟踪装置；跟踪装置包括反光镜和转向组件，所述转向组件能根据所述控制单元的指令调整所述反光镜的角度，用于将太阳光反射向指定位置或指定方向。

特别是，所述光电检测装置包括底板，在所述底板上第一光电池、第二光电池、第三光电池和第四光电池沿顺时针方向排列呈田字形，在每两块光电池之间设置不透光的隔板；四块所述光电池相对于所述隔板两两对称；所述第一光电池连接至第一检测电路，所述第二光电池连接至第二检测电路，所述第三光电池连接至第三检测电路，所述第四光电池连接至第四检测电路；所述第一检测电路和所述第三检测电路的输出端共同连接至第一减法电路，所述第一减法电路的输出端连接至第一绝对值电路，所述第一绝对值电路的输出端连接至第一比较电路；所述第二检测电路和所述第四检测电路的输出端共同连接至第二减法电路，所述第二减法电路的输出端连接至第二绝对值电路，所述第二绝对值电路的输出端连接至第二比较电路；所述第一比较电路和所述第二比较电路的输出端共同连接至或门电路。

特别是，所述跟踪装置包括底座、安装在所述底座上的第一支架和第二支架、设置在所述第一支架和第二支架之间的方位角轴、设置在所述方位角轴上的转向组件、以及设置在所述转向组件上的反光镜。

特别是，所述转向组件包括套设在所述方位角轴上的箱体，所述箱体内设置有第一步进电机、第二步进电机和齿轮；其中，所述第一步进电机和齿轮分别套设在所述方位角轴上；所述反光镜设置在高度角轴的一端；所述高度角轴的另一端连接至第二步进电机输出轴。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种基于上述太阳自动跟踪系统的太阳自动跟踪方法，先使用光电检测方法来判断当前时刻天空中是否有太阳光，当确定当前时刻天空中有太阳光后使用视日运动轨迹跟踪方法调整反光镜的角度，以将太阳光反射向指定位置或指定方向。

特别是，所述方法包括下述步骤：

步骤1、根据当前地理位置计算得到每天的日出时间和日落时间，保存计算结果；

步骤2、当达到所述日出时间时启动光电检测装置和跟踪装置；

步骤3、判断当前时刻天空中是否有太阳光，是则转至步骤4；否则转至步骤5；

步骤4、计算得到太阳的高度角Hs和方位角As，使用视日运动轨迹跟踪方法根据所述高度角Hs和方位角As的数值调整反光镜的角度，以将太阳光反射向指定位置或指定方向；计时达到设定时间T后，转至步骤3；

步骤5、所述跟踪装置保持当前状态，计时达到设定时间T后，转至步骤3。

进一步，在所述步骤4中计算太阳的高度角Hs和方位角As所依据的是时间t、当前位置纬度值φ、太阳赤纬角δ以及太阳时角ω。

特别是，在所述步骤3中，在判断当前时刻天空中是否有太阳光之前先判断是否到达所述日落时间，是则转至步骤6，否则使用光电检测装置判断当前时刻天空中是否有太阳光；

步骤6、计算第二天日出时太阳的方位角Asn，将反光镜转动至对应所述方位角Asn且高度角Hs为零的位置，暂停光电检测装置和跟踪装置至第二天日出时刻。

特别是，在所述步骤4中设置修订时间Tj，每间隔所述修订时间Tj后重新计算一次太阳的高度角Hs和方位角As，根据新得到的高度角Hs和方位角As数值调整反光镜的角度。

本发明太阳自动跟踪系统包括光电检测装置和跟踪装置，在收到光电检测装置的信号后再确定是否启动跟踪装置的自动跟踪功能，能很好地根据天气、云量来判断是否启用该系统，对太阳的自动跟踪效果更准确，避免了无谓的能耗，延长了装置的使用寿命。

本发明太阳自动跟踪方法先使用光电检测方法来判断当前时刻天空中是否有太阳光、等确定有太阳光后再使用视日运动轨迹跟踪方法调整反光镜的角度，形成间歇跟踪方式，避免浪费能源。

附图说明

图1是本发明优选实施例一提供的光电检测装置的原理图；

图2是本发明优选实施例一提供的光电检测装置的结构示意图；

图3是本发明优选实施例一提供的跟踪装置的结构示意图。

图中标记为：

1、第一光电池；2、第二光电池；3、第三光电池；4、第四光电池；5、第一检测电路；6、第二检测电路；7、第三检测电路；8、第四检测电路；9、第一减法电路；10、第二减法电路；11、第一绝对值电路；12、第二绝对值电路；13、第一比较电路；14、第二比较电路；15、或门电路；16、隔板；17、底板；18、底座；19、第一支架；20、第二支架；21、第一步进电机；22、方位角轴；23、齿轮；24、箱体；25、第二步进电机；26、高度角轴；27、反光镜；28、第二步进电机输出轴。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

优选实施例一：

本优选实施例公开一种太阳自动跟踪系统。该系统包括光电检测装置、跟踪装置和控制单元。其中，光电检测装置用于检测当前时刻天空中是否有太阳光，并将检测结果发送至控制单元；控制单元用于根据光电检测装置的检测结果和太阳运行轨迹数据来控制跟踪装置；跟踪装置包括反光镜和转向组件，转向组件能根据控制单元的指令调整反光镜的角度，用于将太阳光反射向指定位置或指定方向。

如图1和图2所示，光电检测装置包括底板17，在底板17上第一光电池1、第二光电池2、第三光电池3和第四光电池4沿顺时针方向排列呈田字形，在每两块光电池之间设置不透光的隔板16；四块光电池相对于隔板16两两对称。

第一光电池1连接至第一检测电路5，第二光电池2连接至第二检测电路6，第三光电池3连接至第三检测电路7，第四光电池4连接至第四检测电路8。

第一检测电路5和第三检测电路7的输出端共同连接至第一减法电路9，第一减法电路9的输出端连接至第一绝对值电路11，第一绝对值电路11的输出端连接至第一比较电路13。

第二检测电路6和第四检测电路8的输出端共同连接至第二减法电路10，第二减法电路10的输出端连接至第二绝对值电路12，第二绝对值电路12的输出端连接至第二比较电路14。第一比较电路13和第二比较电路14的输出端共同连接至或门电路15。

工作原理：将该光电检测装置放置在空旷无遮挡的地方。当有光线落在光电池上时，光电池就会输出一定强度的光电流。阴天时四块光电池的受光量相同，产生的光电流也相同；当天空中有太阳时太阳光照射到十字形的不透光的隔板16上，隔板16在四块光电池上分别产生投影。因为投影面积的不同，导致各个光电池输出的光电流不同。

四块光电池产生的光电流分别输入对应的检测电路中，分别得到四路经过放大的电压信号；然后将第一光电池1和第三光电池3的电压信号输入到第一减法电路9中，将第二光电池2和第四光电池4的电压信号输入到第二减法电路10中。第一减法电路9和第二减法电路10分别将电信号输送给第一绝对值电路11和第二绝对值电路12中；第一绝对值电路11和第二绝对值电路12的输出信号分别输入到第一比较电路13和第二比较电路14中。

第一比较电路13和第二比较电路14分别将收到的电压信号与零电压进行比较，当电压不为零时输出高电平，电压为零时输出低电平。将第一比较电路13和第二比较电路14的信号通过一个或门电路15后输出。如果输出是低电平则说明天空中云量较多或者为阴天，没有可供反射的太阳光；如果输出是高电平则说明天空中有太阳，可以准备反射。

如图3所示，跟踪装置包括底座18、安装在底座18上的第一支架19和第二支架20、设置在第一支架19和第二支架20之间的方位角轴22、设置在方位角轴22上的转向组件、以及设置在转向组件上的反光镜27。

其中，转向组件包括套设在方位角轴22上的箱体24，箱体24内设置有第一步进电机21、第二步进电机25和齿轮23；其中，第一步进电机21和齿轮23分别套设在方位角轴22上；反光镜27设置在高度角轴26的一端；高度角轴26的另一端连接至第二步进电机输出轴28。

基于上述系统的太阳自动跟踪方法是先使用光电检测方法来判断当前时刻天空中是否有太阳光，当确定当前时刻天空中有太阳光后使用视日运动轨迹跟踪方法调整反光镜27的角度，以将太阳光反射向指定位置或指定方向。

具体的，该方法包括下述步骤：

步骤1、根据专业的天文软件并结合系统安装地的精确的当前地理位置信息计算得到每天的日出时间和日落时间，保存计算结果。如遇闰年，则调用闰年的信息；程序所需的时间由系统自带的时钟提供。

步骤2、当达到日出时间时启动光电检测装置和跟踪装置；

步骤3、判断是否到达日落时间，是则转至步骤6，否则使用光电检测装置判断当前时刻天空中是否有太阳光；有太阳光则转至步骤4，无太阳光则转至步骤5；

步骤4、根据时间t、当前位置纬度值φ、太阳赤纬角δ以及太阳时角ω计算得到太阳的高度角Hs和方位角As。

其中，高度角Hs的计算公式为：

sinHs＝sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cosω；

方位角As的计算公式为：

$\cos A_s=\frac{\sin \mathrm{\δ}\·\cos \mathrm{\φ}-\cos \mathrm{\δ}\·\cos \mathrm{\φ}\·\cos \mathrm{\ω}}{\sin H_s}$

日出时间、日落时间的太阳的方位角计算公式为：

$\cos A_s=-\frac{\sin \mathrm{\δ}}{\cos \mathrm{\φ}}$

使用视日运动轨迹跟踪方法根据高度角Hs和方位角As的数值调整反光镜27的角度，以将太阳光反射向指定位置或指定方向。

设置修订时间Tj，每间隔修订时间Tj后重新计算一次太阳的高度角Hs和方位角As，根据新得到的高度角Hs和方位角As数值调整反光镜27的角度。计时达到设定时间T后，转至步骤3。

步骤5、跟踪装置保持当前状态，计时达到设定时间T后，转至步骤3，再次检测当前时刻天空中是否有太阳光。

步骤6、当到达日落时间后，计算第二天日出时太阳的方位角Asn，将反光镜27转动至对应方位角Asn且高度角Hs为零的位置，暂停光电检测装置和跟踪装置至第二天日出时刻。

该系统包括光电检测装置和跟踪装置，能将光电检测方法和视日运动轨迹跟踪方法进行有机的结合，形成间歇跟踪方式。所谓间歇跟踪方式是指当判定当前时刻天空中有太阳光后才进行视日运动轨迹跟踪，无太阳光时跟踪装置不运动，避免浪费能源，延长跟踪装置的使用寿命。

优选实施例二：

本优选实施例公开一种太阳自动跟踪系统，其结构与优选实施例一基本相同。该系统包括光电检测装置、跟踪装置和控制单元。其中，光电检测装置用于检测当前时刻天空中是否有太阳光，并将检测结果发送至控制单元；控制单元用于根据光电检测装置的检测结果和太阳运行轨迹数据来控制跟踪装置；跟踪装置包括反光镜和转向组件，转向组件能根据控制单元的指令调整反光镜的角度，用于将太阳光反射向指定位置或指定方向。

不同之处在于，光电检测装置的具体结构不限，能够检测是否有太阳光即可；跟踪装置的具体结构不限，能够将太阳光反射向指定位置或指定方向即可。

基于上述系统的太阳自动跟踪方法与优选实施例一基本相同。先使用光电检测方法来判断当前时刻天空中是否有太阳光，当确定当前时刻天空中有太阳光后使用视日运动轨迹跟踪方法调整反光镜的角度，以将太阳光反射向指定位置或指定方向。

不同之处在于，太阳自动跟踪方法的具体步骤不限，能够将光电检测方法和视日运动轨迹跟踪方法相结合地间歇跟踪太阳即可。当达到日落时间后，可以直接关闭光电检测装置和跟踪装置；也可以将跟踪装置预先调整至第二天日出时间的相应位置，为第二天的太阳自动跟踪做好准备。

Claims (9)

1.一种太阳自动跟踪系统，其特征在于，所述系统包括光电检测装置、跟踪装置和控制单元；其中，

光电检测装置，用于检测当前时刻天空中是否有太阳光，并将检测结果发送至所述控制单元；

控制单元，用于根据所述光电检测装置的检测结果和太阳运行轨迹数据来控制跟踪装置；

跟踪装置，包括反光镜(27)和转向组件，所述转向组件能根据所述控制单元的指令调整所述反光镜(27)的角度，用于将太阳光反射向指定位置或指定方向。

2.根据权利要求1所述的太阳自动跟踪系统，其特征在于，所述光电检测装置包括底板(17)，在所述底板(17)上第一光电池(1)、第二光电池(2)、第三光电池(3)和第四光电池(4)沿顺时针方向排列呈田字形，在每两块光电池之间设置不透光的隔板(16)；四块所述光电池相对于所述隔板(16)两两对称；

所述第一光电池(1)连接至第一检测电路(5)，所述第二光电池(2)连接至第二检测电路(6)，所述第三光电池(3)连接至第三检测电路(7)，所述第四光电池(4)连接至第四检测电路(8)；

所述第一检测电路(5)和所述第三检测电路(7)的输出端共同连接至第一减法电路(9)，所述第一减法电路(9)的输出端连接至第一绝对值电路(11)，所述第一绝对值电路(11)的输出端连接至第一比较电路(13)；

所述第二检测电路(6)和所述第四检测电路(8)的输出端共同连接至第二减法电路(10)，所述第二减法电路(10)的输出端连接至第二绝对值电路(12)，所述第二绝对值电路(12)的输出端连接至第二比较电路(14)；

所述第一比较电路(13)和所述第二比较电路(14)的输出端共同连接至或门电路(15)。

3.根据权利要求1所述的太阳自动跟踪系统，其特征在于，所述跟踪装置包括底座(18)、安装在所述底座(18)上的第一支架(19)和第二支架(20)、设置在所述第一支架(19)和第二支架(20)之间的方位角轴(22)、设置在所述方位角轴(22)上的转向组件、以及设置在所述转向组件上的反光镜(27)。

4.根据权利要求1或3所述的太阳自动跟踪系统，其特征在于，所述转向组件包括套设在所述方位角轴(22)上的箱体(24)，所述箱体(24)内设置有第一步进电机(21)、第二步进电机(25)和齿轮(23)；其中，所述第一步进电机(21)和齿轮(23)分别套设在所述方位角轴(22)上；

所述反光镜(27)设置在高度角轴(26)的一端；所述高度角轴(26)的另一端连接至第二步进电机输出轴(28)。

5.一种基于权项1至4任一所述太阳自动跟踪系统的太阳自动跟踪方法，其特征在于，先使用光电检测方法来判断当前时刻天空中是否有太阳光，当确定当前时刻天空中有太阳光后使用视日运动轨迹跟踪方法调整反光镜(27)的角度，以将太阳光反射向指定位置或指定方向。

6.根据权利要求5所述的太阳自动跟踪方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤1、根据当前地理位置计算得到每天的日出时间和日落时间，保存计算结果；

步骤2、当达到所述日出时间时启动光电检测装置和跟踪装置；

步骤3、判断当前时刻天空中是否有太阳光，是则转至步骤4；否则转至步骤5；

步骤4、计算得到太阳的高度角Hs和方位角As，使用视日运动轨迹跟踪方法根据所述高度角Hs和方位角As的数值调整反光镜(27)的角度，以将太阳光反射向指定位置或指定方向；计时达到设定时间T后，转至步骤3；

步骤5、所述跟踪装置保持当前状态，计时达到设定时间T后，转至步骤3。

7.根据权利要求6所述的太阳自动跟踪方法，其特征在于，在所述步骤4中计算太阳的高度角Hs和方位角As所依据的是时间t、当前位置纬度值φ、太阳赤纬角δ以及太阳时角ω。

8.根据权利要求6或7所述的太阳自动跟踪方法，其特征在于，在所述步骤3中，在判断当前时刻天空中是否有太阳光之前先判断是否到达所述日落时间，是则转至步骤6，否则使用光电检测装置判断当前时刻天空中是否有太阳光；

步骤6、计算第二天日出时太阳的方位角Asn，将反光镜(27)转动至对应所述方位角Asn且高度角Hs为零的位置，暂停光电检测装置和跟踪装置至第二天日出时刻。

9.根据权利要求6或7所述的太阳自动跟踪方法，其特征在于，在所述步骤4中设置修订时间Tj，每间隔所述修订时间Tj后重新计算一次太阳的高度角Hs和方位角As，根据新得到的高度角Hs和方位角As数值调整反光镜(27)的角度。