CN106155112A - 一种用于太阳跟踪的机械装置、控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于太阳跟踪的机械装置、控制系统及其方法，包括两个高度方位电机、输出旋转轴、底盘电机、连接轴、底盘、U型上端盖和控制模块；底盘电机固定于底盘内，底盘电机与连接轴连接，连接轴与所述U型上端盖连接，两个高度方位电机分别设置在所述U型上端盖的两臂上并固定于臂面上，高度方位电机分别与所述输出旋转轴相连接；底盘电机驱动带动所述U型上端盖作方位角360°大范围旋转，同时两个高度方位电机作同步异向对称旋转，使旋转输出轴作高度角360°旋转，可以在三维空间里大范围追随太阳光运转；有效的解决太阳跟踪支撑架头重脚轻的问题，结构简单，机械间隙小跟踪范围大，机械联动便于维护，成本低易于实现自动化控制。

Description

一种用于太阳跟踪的机械装置、控制系统及其方法

技术领域

本发明属于太阳跟踪技术研究领域，具体涉及一种用于太阳跟踪的机械装置、控制系统及其方法。

背景技术

开发新能源是目前各国政府作为国家可持续发展战略的重要内容，尤其是对太阳能的开发与利用，太阳能是一种新兴的可再生能源，取之不尽、用之不竭的理想能源。但是目前，太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低等诸多问题。

太阳能自动跟踪系统可以大大提高对太阳能的利用率，太阳能自动跟踪系统一般有单轴式、双轴式还有三轴式。单轴跟踪虽然结构简单但只能实现一个角度的追踪，由于入射光线踪的一维驱动二维输出，公开号：CN102541088A，虽然输出二维凸轮弥补了一部分的角度差，但第二维输出轨迹是固定的，始终无法持续与光轴平行，且单臂支撑，抗风性能差。还有文献提出三轴式跟踪，就是以并联球面机械作为跟踪机构，原理简单，但这种机构结构控制模块比较复杂，后期维护困难。双轴式跟踪原理简单，从方位和高度两个角度来跟踪，精度高，可以达到理想的跟踪效果，尤其可以用于光纤导光照明系统。由美日英德联合主攻的低成本清洁的太阳光安全导入应用技术早在十年前已经成功地将产品推向民用消费市场，去除光谱中的有害成分，导入室内已在各个领域得到了普遍的应用。但是在国内由于性能不稳定、成本极高而未能普及投产，如专利“太阳跟踪装置，公开号：CN103676968A，双轴跟踪精度高，但同样是单臂支撑，抗风性能差，构件过度承受容易产生金属损伤。

光纤导光系统多以双轴跟踪的机械平台为主，而目前的双轴跟踪机械平台都有头重脚轻的问题，方位轴与高度轴分离较明显，容易产生与风力抗衡的转动扭矩，这就需要加大底轴的驱动力，易造成功率匹配不合理，构件承受过度等，对装置材料的性能以及安装要求都比较高，后期维护不易成本又高，使用寿命短。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种用于太阳跟踪的机械装置、控制系统及其方法，能够将上半部分高度角跟踪的重心集中于中心盘并与底盘重心合二为一，支撑原理简单，结构紧凑。高度角方位由两个型号相同、相对功率小的电机同步驱动，使加有负载的平行轴运转更加平稳，双电机可由控制模块引出，并联驱动，可以提高整个系统的稳定性。自主散热，制造成本低，延长了机械机构的使用寿命，便于维护。

本发明的技术方案是：一种用于太阳跟踪的机械平台装置，包括两个高度方位电机、输出旋转轴、底盘电机、连接轴、底盘、U型上端盖和控制模块；

所述底盘为圆柱形，所述底盘电机安装在底盘内，所述底盘电机通过底盘电机联轴器与所述连接轴的一端连接，所述U型上端盖底部为圆柱形，圆柱形底部设有中心盲孔，所述中心盲孔与连接轴的另一端通过键固定连接；

所述高度方位电机分别安装在所述U型上端盖的两臂并固定于臂面上；所述输出旋转轴位于U型上端盖相互对称的两臂之间、且两端分别通过高度方位电机联轴器与高度方位电机相连接；所述输出旋转轴与所述底盘相平行；

所述控制模块放置在底盘内，所述高度方位电机和底盘电机分别与控制模块电连接；所述控制模块控制底盘电机带动U型上端盖旋转，控制模块控制高度方位电机带动输出旋转轴旋转。

上述方案中，所述底盘由隔板分为上下两层，上层中心位置设置电机固定槽，所述底盘电机安装在电机固定槽内；所述控制模块放置在底盘的下层里。

进一步的，所述底盘隔板上设置两道圆弧状的控制线通孔；

所述U型上端盖的两臂为中空，高度方位电机的控制线沿着两臂的导出孔穿过U型上端盖的圆柱形底部从控制线通孔进入与控制模块连接；

所述底盘电机的控制线均沿着控制线通孔与控制模块连接。

上述方案中，所述U型上端盖还设有圆柱形凸台；所述凸台位于U型上端盖的底部反面中心位置，所述中心盲孔位于凸台的中心。

上述方案中，所述输出旋转轴的形状为中空矩形或者中空圆形。

上述方案中，所述底盘上边缘与U型上端盖的下边缘留有1～5cm的距离。

上述方案中，所述控制模块为单片机。

一种用于太阳跟踪的机械平台装置的控制系统，包括用于太阳跟踪的机械平台装置和传感器控制单元；

所述传感器控制单元包括四个光电池，四个光电池两两垂直分布在安装于输出旋转轴(2)上的太阳采光面中心；所述光电池分别与单片机的输入端电连接；单片机输出端通过功率放大电路后分别与高度方位电机和底盘电机电连接；

所述光电池用于将光信号转换成电压信号输出，再将电压信号传送到单片机，所述单片机，将电压信号模数转换进行方位角方向和高度角方向的电压差计算，将电压差跟预设的阈值进行对比，当方位角方向的电压差大于阈值时按照差值的正负进行东西方向调整，直到差值小于阈值后进行高度角方向的调整，当行高度角方向的电压差大于阈值时按照差值的正负进行南北方向调整，直到方位角方向和高度角方向的电压差值均小于阈值之后，跟踪完毕。

一种根据所述控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、所述光电池将接受到的光信号转换为电压信号并传送到单片机；

S2、所述单片机将接收到的电压信号模数转换成数字信号之后进行方位角方向和高度角方向的电压差计算，再将电压差跟预设的阈值进行对比；

S3、当方位角方向的电压差大于阈值，且差值为正时控制底盘电机右转同时带动U型上端盖往东方向调整，差值为负时控制底盘电机左转同时带动U型上端盖往西方向调整；

S4、直到差值小于阈值后进行高度角方向的调整，当行高度角方向的电压差大于阈值时，且差值为正时控制高度方位电机左转同时带动输出旋转轴往南调整，差值为负时控制高度方位电机右转同时带动U型上端盖往北方向调整；

S5、直到方位角方向和高度角方向的电压差值均小于阈值之后，跟踪完毕。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明结构合理，可以有效的解决太阳跟踪支撑架头重脚轻的问题，结构简单，机械间隙小跟踪范围大，机械联动便于维护，成本低易于实现自动化控制；装置运行时电机以及控制模块产生的热量可以通过本身通孔和间隙自行散热，无需外加散热设备；高度方位电机可以选用相对功率比底盘电机小的电机，由控制模块引出并联驱动采光部分的跟踪，除了降低成本之外，可以更加平稳得驱动有负载的平行轴。由四个光电池与单片机组成的传感器控制单元为闭环系统，两个方向分别追踪定位，工作原理简单易懂，由于传感器是安装在采光面上的，可以随着采光面的跟踪定位实时反馈到控制中心，可以有效避免累积误差，跟踪稳定，易于调整；且不论是光电池还是单片机都是物美价廉，成本较低。

本发明不仅可用于普通的太阳储能设备还可以用于高精度要求的光纤导光系统以及其他需要光跟踪的场合。

附图说明

图1是本发明一实施方式的用于太阳跟踪的机械装置的立体结构示意图；

图2是本发明一实施方式的用于太阳跟踪的机械装置的二维结构示意图；

图3是本发明一实施方式的用于太阳跟踪的机械装置的底盘结构示意图；

图4是本发明一实施方式的用于太阳跟踪的机械装置连接轴与中心盲孔的键连接局部示意图；

图5是本发明一实施方式的用于太阳跟踪的机械装置的连接轴与中心盲孔的键连接正视示意图；

图6是本发明一实施方式的控制系统运行示意图；

图7是本发明一实施方式的控制系统工作原理图。

图中：1、高度方位电机；2、输出旋转轴；3、底盘电机；4、连接轴；5、底盘；6、U型上端盖；7、中心盲孔；11、高度方位电机联轴器；31、底盘电机联轴器；41、键；100、导出孔；101、凸台；102、电机固定槽；103、控制线通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1和图2所示为本发明所述用于太阳跟踪的机械装置的一种实施方式，所述用于太阳跟踪的机械平台装置，包括两个高度方位电机1、输出旋转轴2、底盘电机3、连接轴4、底盘5、U型上端盖6和控制模块。

如图3所示，所述底盘5为圆柱形，所述底盘5由隔板分为上下两层，上层中心位置设置电机固定槽102，所述底盘电机3安装在电机固定槽102内；所述控制模块放置在底盘5的下层里。所述底盘电机3通过底盘电机联轴器31与所述连接轴4的一端连接，所述U型上端盖6底部为圆柱形，所述底盘电机3就可以带动U型上端盖6转动。所述底盘5隔板上设置两道圆弧状的控制线通孔103；所述U型上端盖6的两臂为中空，一直到端盖的圆柱形底部，既能减轻上端盖的重量，为底盘电机3减轻压力，还能让所述的两个高度方位电机1的控制线由中空臂的导出孔100导下来，再由所述的U型上端盖6的圆柱形底部两侧的电机控制线导出孔导出，从控制线通孔103进入与控制模块连接；所述底盘电机5的控制线均沿着控制线通孔103与控制模块连接。

如图4和图5所示，圆柱形底部设有中心盲孔7，所述中心盲孔7与连接轴4的另一端通过键41固定连接。优选的，所述U型上端盖6还设有圆柱形凸台101；所述凸台101位于U型上端盖6的底部反面中心位置且和U型上端盖6为一体，所述中心盲孔7位于凸台101的中心。加圆柱形凸台101的目的是为了增加连接轴4和U型上端盖6的接触面。

所述高度方位电机1分别安装在所述U型上端盖6的两臂并固定于臂面上；所述输出旋转轴2位于U型上端盖6相互对称的两臂之间、且两端分别通过高度方位电机联轴器11与高度方位电机1相连接；所述输出旋转轴2与所述底盘5相平行；所述输出旋转轴可以依据本装置需要实现的功能来更换不同形状、不同功能的连接轴，以便于太阳采光面的安装。比如要实现太阳能板采光时，连接轴4可以制成中空矩形状；要实现圆形透镜聚焦导光时，连接轴4可以制成中空圆形状等。

所述控制模块为单片机；所述控制模块放置在底盘5内，所述高度方位电机1和底盘电机3分别与控制模块电连接；所述控制模块控制底盘电机3带动U型上端盖6旋转，控制模块控制高度方位电机1带动输出旋转轴2旋转，即可以实现由所述输出旋转轴2直接控制的太阳采光面朝着控制中心单片机设定的角度空间三维式转动以达到跟踪太阳的目的。

所述底盘5通过所述底盘电机3、底盘电机联轴器31以及所述连接轴4和U型上端盖6相联接后，确保所述底盘5上边缘与U型上端盖6的下边缘留有微小距离，可以依据装置大小来定距离为1～5cm的距离。让U型上端盖6的整体重心集中于所述底盘5上，使整体结构更紧凑，机械联动系统稳定。同时由电机及电路控制中心产生的热量可以通过所述的控制线通孔103以及上下盘之间的间隙来散热，无需外加散热设备。

所述连接轴4通过所述底盘电机3、底盘电机联轴器31驱动带动所述U型上端盖6作方位角360度大范围旋转，同时所述U型上端盖6上两侧的两个高度方位电机1作同步异向对称旋转，使所述旋转输出轴2作高度角360°旋转，安装在输出旋转轴2上的太阳采光面可以在三维空间里大范围追随太阳光运转。高度方位电机1可以选用相对功率比底盘电机3小的电机，由控制模块引出并联驱动采光部分的跟踪，除了降低成本之外，可以更加平稳得驱动有负载的平行轴。

如图6所示，本发明还提供一种用于太阳跟踪的机械平台装置的控制系统，包括用于太阳跟踪的机械平台装置和传感器控制单元。

所述传感器控制单元包括四个光电池，四个光电池两两垂直分布在安装于输出旋转轴2上的太阳采光面中心，随着太阳采光面一起运行。所述光电池分别与单片机的输入端电连接；单片机输出端分别与高度方位电机1和底盘电机3电连接。以单片机为控制中心，由光电池接受到的光信号转换成电压信号，通过电路模块的模数和数模转换以及单片机的编程控制变成电信号来控制所述U型上端盖6两侧高度方位电机1，由控制中心单片机发送控制信号实现同步异向运转，以及底盘电机3的运转。

所述光电池用于采集光信号并转化成电压信号，，并将电压信号传送到单片机，所述单片机电压信号模数转换后进行方位角方向和高度角方向的电压差计算，将电压差跟预设的阈值进行对比，当方位角方向的电压差大于阈值时按照差值的正负进行东西方向调整，直到差值小于阈值后进行高度角方向的调整，当行高度角方向的电压差大于阈值时按照差值的正负进行南北方向调整，直到方位角方向和高度角方向的电压差值均小于阈值之后，跟踪完毕。

所述太阳采光面为太阳能面板、透镜聚焦或光纤导光等。

如图7所示，本发明还提供一种根据所述控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、所述光电池将接受到的光信号转换为电压信号传送到单片机；具体的，四个光电池负极②、④、⑥、⑧分别接地，另外四个正极①、③、⑤、⑦接入单片机进行模数转换；

S2、所述单片机将接收到的电压信号模数转换后进行方位角方向和高度角方向的电压差计算，并将电压差跟预设的阈值进行对比；

S3、当方位角方向的电压差大于阈值，且差值为正时控制底盘电机3右转同时带动U型上端盖6往东方向调整，差值为负时控制底盘电机3左转同时带动U型上端盖6往西方向调整；

S4、直到差值小于阈值后进行高度角方向的调整，当行高度角方向的电压差大于阈值时，且差值为正时控制高度方位电机1左转同时带动输出旋转轴2往南调整，差值为负时控制高度方位电机1右转同时带动U型上端盖6往北方向调整；

S5、直到方位角方向和高度角方向的电压差值均小于阈值之后，跟踪完毕。

本发明一方面底盘电机3通过底盘电机联轴器31、连接轴4与U型上端盖6的中心孔7通过键41连接固定来驱动U型上端盖6旋转，另一方面U型上端盖6两侧的高度方位电机1通过高度方位联轴器11与输出旋转轴2相连驱动输出旋转轴2在高度角方位旋转。本发明的机械平台以双轴运转的方式实现从太阳初升到太阳落山全程高精度追踪，并有控制中心单片机设定当太阳落山后能快速返回到初始位置，采光元件以及光电池均安装在输出旋转轴2上，输出旋转轴2可以按不同功能的采光元件制造成不同的形状，可以通过控制中心的不同设置来调节机械平台的不同精度。本发明机械平台既可以用于普通低精度要求的太阳能储能设备，也能用于精度要求较高的光纤照明系统。与传统的双轴跟踪装置相比，本发明装置原理简单，结构紧凑，解决了传统机械平台头重脚轻的问题，易于实现自动化控制，并可以通过内部通孔及表面间隙进行自发散热，延长使用寿命，大大降低了成本。本发明中从光电池到单片机，再到电机控制，整个系统简单稳定，且成本非常低。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于太阳跟踪的机械平台装置，其特征在于，包括两个高度方位电机(1)、输出旋转轴(2)、底盘电机(3)、连接轴(4)、底盘(5)、U型上端盖(6)和控制模块；

所述底盘(5)为圆柱形，所述底盘电机(3)安装在底盘(5)内，所述底盘电机(3)通过底盘电机联轴器(31)与所述连接轴(4)的一端连接，所述U型上端盖(6)底部为圆柱形，圆柱形底部设有中心盲孔(7)，所述中心盲孔(7)与连接轴(4)的另一端通过键(41)固定连接；

所述高度方位电机(1)分别安装在所述U型上端盖(6)的两臂并固定于臂面上；所述输出旋转轴(2)位于U型上端盖(6)相互对称的两臂之间、且两端分别通过高度方位电机联轴器(11)与高度方位电机(1)相连接；所述输出旋转轴(2)与所述底盘(5)相平行；

所述控制模块放置在底盘(5)内，所述高度方位电机(1)和底盘电机(3)分别与控制模块电连接；所述控制模块控制底盘电机(3)带动U型上端盖(6)旋转，控制模块控制高度方位电机(1)带动输出旋转轴(2)旋转。

2.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的机械平台装置，其特征在于，所述底盘(5)由隔板分为上下两层，上层中心位置设置电机固定槽(102)，所述底盘电机(3)安装在电机固定槽(102)内；所述控制模块放置在底盘(5)的下层里。

3.根据权利要求2所述的用于太阳跟踪的机械平台装置，其特征在于，所述底盘(5)隔板上设置两道圆弧状的控制线通孔(103)；

所述U型上端盖(6)的两臂为中空，高度方位电机(1)的控制线沿着两臂的导出孔(100)穿过U型上端盖(6)的圆柱形底部从控制线通孔(103)进入与控制模块连接；

所述底盘电机(5)的控制线均沿着控制线通孔(103)与控制模块连接。

4.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的机械平台装置，其特征在于，所述U型上端盖(6)还设有圆柱形凸台(101)；所述凸台(101)位于U型上端盖(6)的底部反面中心位置，所述中心盲孔(7)位于凸台(101)的中心。

5.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的机械平台装置，其特征在于，所述输出旋转轴(2)的形状为中空矩形或者中空圆形。

6.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的机械平台装置，其特征在于，所述底盘(5)上边缘与U型上端盖(6)的下边缘留有1～5cm的距离。

7.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的机械平台装置，其特征在于，所述控制模块为单片机。

8.一种用于太阳跟踪的机械平台装置的控制系统，其特征在于，包括用于太阳跟踪的机械平台装置和传感器控制单元；

所述传感器控制单元包括四个光电池，四个光电池两两垂直分布在安装于输出旋转轴(2)上的太阳采光面中心；所述光电池分别与单片机的输入端电连接；单片机输出端通过功率放大电路后分别与高度方位电机(1)和底盘电机(3)电连接；

所述光电池用于将光信号转换成电压信号，并将电压信号传送到单片机，所述单片机将电压信号模数转换进行并方位角方向和高度角方向的电压差计算，将电压差跟预设的阈值进行对比，当方位角方向的电压差大于阈值时按照差值的正负进行东西方向调整，直到差值小于阈值后进行高度角方向的调整，当行高度角方向的电压差大于阈值时按照差值的正负进行南北方向调整，直到方位角方向和高度角方向的电压差值均小于阈值之后，跟踪完毕。

9.一种根据权利要求8所述控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、所述光电池将接受到的光信号转换成电压信号传送到单片机；

S2、所述单片机将接收到电压信号模数转换成数字信号之后进行方位角方向和高度角方向的电压差计算，再将电压差跟预设的阈值进行对比；

S3、当方位角方向的电压差大于阈值，且差值为正时控制底盘电机(3)右转同时带动U型上端盖(6)往东方向调整，差值为负时控制底盘电机(3)左转同时带动U型上端盖(6)往西方向调整；

S4、直到差值小于阈值后进行高度角方向的调整，当行高度角方向的电压差大于阈值时，且差值为正时控制高度方位电机(1)左转同时带动输出旋转轴(2)往南调整，差值为负时控制高度方位电机(1)右转同时带动U型上端盖(6)往北方向调整；

S5、直到方位角方向和高度角方向的电压差值均小于阈值之后，跟踪完毕。