CN104656680A - 一种光电双轴太阳跟踪系统 - Google Patents

Abstract

一种光电双轴太阳跟踪系统，可以对太阳进行跟踪的系统，能够让太阳能接收装置和太阳光线保持趋于垂直的关系，为提高太阳能的利用率提供了一个可行的方法。太阳光电双轴跟踪系统主要由如下几个部分组成：太阳光探测头，直流力矩电机，直流力矩电机驱动，二维旋转平台，太阳能接收板，接收板支架，英飞凌16位单片机XE164FN最小系统，数据线等。采用光电双轴跟踪法，利用PID控制，来实现对太阳位置的追踪。使用太阳光探测头作为传感器，来识别太阳当前的位置，将传感器的输出经过控制器的ADC模块进行AD转换后再送入捕获比较模块，进行比较计算，再输出PWM控制信号到执行器，直至太阳光探测头的受光平面与太阳光线垂直，从而完成太阳跟踪。

Description

一种光电双轴太阳跟踪系统

技术领域

本发明涉及的是一种太阳能利用装置，特别涉及一种光电双轴太阳跟踪系统。

背景技术

太阳能具有间歇性、低密度、不断变化、空间分布的特性，所以太阳能的收集和利用需要较高的要求。虽然研究出许多的太阳能利用设备，如太阳能电池、太阳能干燥器、太阳能热水器等，但如今太阳能的利用还相差甚远，究其主要原因是利用率不够高。如何最大限度的对太阳能进行利用，一直以来都是国内外学者努力研究的问题。这一问题的解决途径有两个：提高太阳能设备的接收效率和能量转换率。前者属于技术问题，可用现有的科技解决，后者属于能量的转换问题，还有待国内外学者的不懈研究。

太阳跟随技术就是一种提高太阳能接受率的技术。通过机械结构和电机控制，保证太阳光随时可以垂直入射到太阳能接受器件上，已达到最大限度的接收，从而提高接受效率，完成对太阳能的利用率的提高。

通过对太阳能的开发与利用，可以代替矿物质能源，从而减少了CO2的排放量，这样一来既可以解决能源减少问题，还能够解决地球变暖问题。对太阳能的开发与利用无疑是人类绝佳的选择。

发明内容

本发明的目的在于提供一套可以对太阳进行跟踪的系统，能够让太阳能接收装置和太阳光线保持趋于垂直的关系，为提高太阳能的利用率提供了一个可行的方法。

一种光电双轴太阳跟踪系统，其组成包括：太阳光探测头，直流力矩电机，直流力矩电机驱动，二维旋转平台，太阳能接收板，接收板支架，英飞凌16位单片机XE164FN最小系统，数据线。

所述的一种光电双轴太阳跟踪系统，其特征是：采用光电双轴跟踪法，利用PID控制，来实现对太阳位置的追踪。

所述的一种光电双轴太阳跟踪系统，其特征是：太阳光电双轴跟踪系统由二维旋转平台作为主要的执行部分。

本发明的目的是这样实现的：太阳光电双轴跟踪系统主要由如下几个部分组成：太阳光探测头，直流力矩电机，直流力矩电机驱动，二维旋转平台，太阳能接收板，接收板支架，英飞凌16位单片机XE164FN最小系统，数据线等。

本设计采用光电双轴跟踪法，利用PID控制，来实现对太阳位置的追踪。使用太阳光探测头作为传感器，来识别太阳当前的位置，将传感器的输出经过控制器英飞凌XE164FN的ADC模块进行AD转换后再送入捕获比较模块，进行比较计算，再输出PWM控制信号到执行器，即驱使力矩电机转动，直至太阳光探测头的受光平面与太阳光线垂直，从而完成太阳跟踪。

太阳光电双轴跟踪系统由二维旋转平台作为主要的执行部分：在同地面垂直的轴上安装一个直流力矩电机来跟踪太阳的方位角（以后称之为方位轴）；在同地平面平行的轴上安装一个直流力矩电机以跟踪太阳的高度角（以后称之为俯仰轴）。跟踪系统的受光平面，即太阳能接收板受两个直流力矩电机控制，通过装在太阳能接收板上的太阳光探测头确定太阳位置，驱动电机在方位轴和俯仰轴上进行转动。直流力矩电机作为光电双轴系统的重要执行元件，可以直接驱动负载无需任何齿轮机构，这样一来不仅缩短了传动链还消除了齿隙。直流力矩电机还具有低速运行、高耦合刚度、高精度、高线性度、较高转矩／惯量比、反应速度快及直接驱动的特点，因此可以提高系统的静态、动态控制精度及系统的稳定性。

本发明的优点是：由于目前太阳能的利用率低普遍很低，本发明设计了一套光电双轴太阳跟踪与控制系统，其具有工作稳定、结构简单、成本低廉的特点。在我国，对太阳能利用这一技术的推广和普及具有一定的价值。

附图说明

图1光电双轴跟踪系统的闭环原理图；

图2为执行机构的机构件图；

图3为系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

一种光电双轴太阳跟踪系统，其组成包括：太阳光探测头，直流力矩电机，直流力矩电机驱动，二维旋转平台，太阳能接收板，接收板支架，英飞凌16位单片机XE164FN最小系统，数据线。

其特征是：采用光电双轴跟踪法，利用PID控制，来实现对太阳位置的追踪。

其特征是：太阳光电双轴跟踪系统由二维旋转平台作为主要的执行部分。

结合图1，图1是光电双轴跟踪系统的闭环原理图；太阳光电双轴跟踪系统主要由如下几个部分组成：太阳光探测头，直流力矩电机，直流力矩电机驱动，二维旋转平台，太阳能接收板，接收板支架，英飞凌16位单片机XE164FN最小系统，数据线等。本设计采用光电双轴跟踪法，利用PID控制，来实现对太阳位置的追踪。使用太阳光探测头作为传感器，来识别太阳当前的位置，将传感器的输出经过控制器英飞凌XE164FN的ADC模块进行AD转换后再送入捕获比较模块，进行比较计算，再输出PWM控制信号到执行器，即驱使力矩电机转动，直至太阳光探测头的受光平面与太阳光线垂直，从而完成太阳跟踪。

结合图2，图2为执行机构的机构件图。在同地面垂直的轴上安装一个直流力矩电机来跟踪太阳的方位角（以后称之为方位轴）；在同地平面平行的轴上安装一个直流力矩电机以跟踪太阳的高度角（以后称之为俯仰轴）。跟踪系统的受光平面，即太阳能接收板受两个直流力矩电机控制，通过装在太阳能接收板上的太阳光探测头确定太阳位置，驱动电机在方位轴和俯仰轴上进行转动。

直流力矩电机作为光电双轴系统的重要执行元件，可以直接驱动负载无需任何齿轮机构，这样一来不仅缩短了传动链还消除了齿隙。直流力矩电机还具有低速运行、高耦合刚度、高精度、高线性度、较高转矩／惯量比、反应速度快及直接驱动的特点，因此可以提高系统的静态、动态控制精度及系统的稳定性。

结合图3，图3为系统流程图。PID控制器就是根据系统的偏差，使用比例(P)、积分(I)、微分(D)的线形组合来组成控制量,去控制被控对象。其输出与输入之间的关系（偏差）,在时域中可表示为：

$u\left(t\right)=K(e+\frac{1}{T_i}\∫\mathrm{edt}+T_d\frac{\mathrm{de}}{\mathrm{dt}})+u_0)$

上式中u（t）表示控制器的输出,e为控制器的输入(偏差),K表示比例系数,Td叫做微分时间,Ti叫做积分时间,u0则表示控制量的基准。

PID控制原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感，非常适用于环境恶劣的工业生产现场；PID算法有一套完整的参数整定与设计方法，易于被工程技术人员掌握；长期应用过程中，对PID算法缺陷可以进行改良。

由于XE164FN片上集成了多个CCU6单元（CCU60、CCU61）。输出的PWN波形的占空比分别由CCU60_CCU60SR和CCU61_CCU60SR的值决定。在第二章中设定了太阳光探测头的正对太阳区间为2.3V-2.7V。跟踪太阳只要使太阳光探测头的输出保持在正对太阳的参考区间内，若果不再此区间，则证明其未对准太阳，需要控制器发出控制信号使电机做出相应的转动使太阳探测头的输出回到参考区间即可。

Claims (3)

1.一种光电双轴太阳跟踪系统，其组成包括：太阳光探测头，直流力矩电机，直流力矩电机驱动，二维旋转平台，太阳能接收板，接收板支架，英飞凌16位单片机XE164FN最小系统，数据线。

2.根据权利要求1所述的一种光电双轴太阳跟踪系统，其特征是：采用光电双轴跟踪法，利用PID控制，来实现对太阳位置的追踪。

3.根据权利要求1所述的一种光电双轴太阳跟踪系统，其特征是：太阳光电双轴跟踪系统由二维旋转平台作为主要的执行部分。