CN106155116A - 阳光自动跟踪系统及其建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阳光自动跟踪系统及其建立方法，包括光强信息收集与分析单元、信号分析与处理单元以及侧拉控制与机械单元。本发明通过四象限光敏元件对太阳光射的感应信号进行相应的信号分析与信号处理，得到太阳方位角的差量，系统根据差量的变化输出电机驱动的控制指令，驱动电机对两个T型丝杠进行动作，实现对太阳光稳定的追踪，具备全天候自动跟踪能力、解决了以往转台机械结构复杂的问题，且研发成本低，跟踪效率高。

Description

阳光自动跟踪系统及其建立方法

技术领域

本发明涉及太阳能跟踪技术领域，具体地，涉及一种阳光自动跟踪系统及其建立方法。

背景技术

太阳能被认为是最有前景的新能源之一，但是太阳能的利用受到地形、地势、位置、云雨等自然条件的影响很大，存在间歇性和光照方向、强度等随时间不断变化的问题，使得太阳能成为了一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这对太阳能的收集是一个非常大的挑战。目前很多太阳能收集装置是固定的，其利用效率高低下，为了提高太阳能的利用效率，本文从提高设备的能量接收效率出发，提出了双侧拉、全方位、全数字化阳光的自动跟踪系统及其建立方法。

该系统与以前的阳光自动跟踪系统相比有以下几个特点：

1)采用双侧拉结构，实现全方位角的自动追踪，解决了以往转台机械结构复杂的问题。

2)全数字化系统设计：光强的感应大小通过数字电路信号进行采集与处理，并将相应的信息输送到中心处理器中进行运算与处理，实现对各个方位的感应量的计算与分析，并通过相应的控制算法对两个侧拉电机控制器进行不同的阻尼分配，实现对聚光器的侧拉控制，完成对太阳光的有效追踪。

3)通过采用高速的中心处理器DSP TMS320F2812，通过步进电机的控制，实现对太阳光的实时追踪，并且具备对不同天气情况下的算法控制策略。

4)主要支架采用纳米材料，形成轻型、高强度的系统架构，并且具备一定的抗腐蚀能力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种阳光自动跟踪系统及其建立方法。

根据本发明提供的阳光自动跟踪系统，包括光强信息收集与分析单元、信号分析与处理单元、侧拉控制与机械单元；

所述光强信息收集与分析单元，用于实时感应阳光的强度生成相应的感应电流，将感应电流转化为电压信号后再转换为数字量信号，并传输至信号分析与处理单元；

所述信号分析与处理单元，用于分析和处理接收到的数字量信号，生成对侧拉控制与机械单元的控制指令；

所述侧拉控制与机械单元，用于根据控制指令实现对太阳的追踪。

优选地，所述光强信息收集与分析单元包括：四象限光敏感器、高精度电流电压转换装置、高精度模数转换装置，所述四象限敏感器实现对聚光板四个象限区域太阳光强的感应，并形成四股不同的感应电流，感应电流通过高精度的电流电压转换装置后转化为电压信号，所述电压信号通过高精度的模数转换形成四类数字量信号，该四类数字量信号输送至信号分析与处理单元。

优选地，所述信号分析与处理单元包括：数字信号处理器和电机驱动模块，所述数字信号处理器对数字量信号进行分析，实现对太阳光的变化的识别，并根据发送控制指令至电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动侧拉控制与机械单元完成指定动作。

优选地，所述侧拉控制与机械单元包括：侧拉机械结构、步进电机、减速电机，所述步进电机、减速电机组合控制侧拉机械结构实现对太阳的追踪。

优选地，所述光强信息收集与分析单元还包括：滤波器，所述滤波器用于对四象限光敏感器产生的四股感应电流进行滤波处理，获得聚光板四个象限区域的电流差值，所述电流差值也被输送至信号分析与处理单元。

优选地，数字信号处理器对比当前时刻与上一时刻光强信息收集与分析单元所发送的数字量信号的变化，或者结合聚光板四个象限区域的电流差值，辨别出太阳方位角的变化，根据太阳方位角变化情况生成对侧拉控制与机械单元的控制指令。

优选地，所述侧拉机械结构包括：侧拉T形丝杠L1、侧拉T形丝杠L2；

所述步进电机包括：第一步进电机、第二步进电机；

所述减速电机包括：第一减速电机、第二减速电机；

所述侧拉T形丝杠L1与第一步进电机、第一减速电机相连，所述侧拉T形丝杠L2与第二步进电机、第二减速电机相连，根据信号分析与处理单元的控制指令，所述控制指令为驱动电流值的大小；第一步进电机、第二步进电机的力矩分别通过第一减速电机、第二减速电机进行放大，完成对侧拉T形丝杠L1、侧拉T形丝杠L2的差异性控制，实现对聚光面板的转向动作，完成阳光的全方位追踪。

优选地，还包括模式控制模块，所述模式控制模块中设置有针对不同气候、不同地理纬度的阳光跟踪模式；用于根据实际环境更新阳光跟踪的方位角。

优选地，还包括人机界面，所述人机界面用于实时显示系统的跟踪情况。

根据本发明提供的阳光自动跟踪系统的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，搭建系统，通过支撑立柱完成对聚光面板的支撑，通过复位操作完成对初始位置的校对；

步骤2，利用光敏对太阳光的感应，生成相应的光电电流，将光电电流转换成电压信号，生成一个数字化的电压值，将该电压值送入数字信号处理器，数字信号处理器对相应的电压值进行处理，并生成对太阳轨迹的分析与判断，生成对对步进电机和减速机的控制指令；

步骤3，减速电机和步进电机接收控制指令，并根据驱动电流的大小进行动作，步进电机的力矩通过减速电机放大，对T型丝杠进行动作，实现对聚光面板的转向控制，完成阳光的全方位追踪。

步骤4，零点时，系统将自动实现复位动作，将聚光面板回归初始化位置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明中的双侧拉式的阳光自动跟踪系统可实现对太阳光稳定的追踪，具备全天候自动跟踪、解决了以往转台机械结构复杂的问题，且研发成本低。

2、本发明中的系统通过数字化设计，即将光强的感应大小转化为数字信号，并将数字信号输送到中心处理器中进行运算与处理，实现对各个方位的感应量的计算与分析，并通过相应的控制算法对两个侧拉电机控制器进行不同的阻尼分配，实现对聚光器的侧拉控制，完成对太阳光的有效追踪，从而能够有效提升聚光系统对太阳光的汇聚能力，适用于阳光泵浦激光器的阳光汇聚和太阳能电池板的阳光汇聚等方面。

3、本发明中系统的主要支架采用纳米材料，系统整体结构轻便，强度高且具备一定的抗腐蚀能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为双侧拉阳光自动追踪系统示意图；

图2为光强信息收集与分析单元示意图；

图3为信号分析与处理单元示意图；

图中：

1-聚光面板；

2-第一柔性阻尼；

3-第二柔性阻尼；

4-第一步进电机；

5-第一减速电机；

6-第二步进电机；

7-第二减速电机；

8-侧拉T形丝杠L2；

9-侧拉T形丝杠L1；

10-支撑立柱；

11-支撑面台；

12-中心处理单元；

13-光强采集单元。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的阳光自动跟踪系统，包括：光强信息收集与分析单元、信号分析与处理单元、侧拉控制与机械单元；

所述光强信息收集与分析单元，用于实时感应阳光的强度生成相应的感应电流，将感应电流转化为电压信号后再转换为数字量信号，并传输至信号分析与处理单元；

所述信号分析与处理单元，用于分析和处理接收到的数字量信号，生成对侧拉控制与机械单元的控制指令；

所述侧拉控制与机械单元，用于根据控制指令实现对太阳的追踪。

所述光强信息收集与分析单元包括：四象限光敏感器、高精度电流电压转换装置、高精度模数转换装置，所述四象限敏感器实现对聚光板四个象限太阳光强的感应，并形成四股不同的感应电流，感应电流通过高精度的电流电压转换装置后转化为电压信号，所述电压信号通过高精度的模数转换形成四类数字量信号，该四类数字量信号输送至信号分析与处理单元。

所述信号分析与处理单元包括：数字信号处理器和电机驱动模块，所述数字信号处理器对数字量信号进行分析，实现对太阳光的变化的识别，并根据发送控制指令至电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动侧拉控制与机械单元完成指定动作。

所述侧拉控制与机械单元包括：侧拉机械结构、步进电机、减速电机，所述步进电机、减速电机组合控制侧拉机械结构实现对太阳的追踪。

具体地，双侧拉阳光自动跟踪系统在每天的零时实现强制复位，复位位置通过设置的太阳方位角来控制，而出现阳光后的太阳方位主要依靠光强信息收集与分析组件来实现，通过四象限的光敏元件实现对太阳光接收的差异，形成不同数值大小的感应电流，感应电流通过高精度的电流-电压转换装置，实现电压值的转化，并将电压值送入中心处理单元，中心处理单元通过对四个电压值与之前电压值的比较分析与处理，明确太阳转向的轨迹方向，并通过相应的算法对两个不同方位的侧拉步进电机进行驱动与控制，步进电机接收到信号，通过减速机的作用，实现对聚光转台的动作，完成对太阳的追踪。

系统在阴雨天将无法感知阳光时，将按照前一次记录参数进行动作，若中途再次感应到阳光，则进行当前策略处理与控制。

整个系统的双侧拉装置与电机的阻尼分配是关键，通过对光强的分析，对电机赋予不同的驱动指令，双侧拉装置简化了聚光器转台的机械控制结构，通过简易的侧拉装置即可以实现对阳光的自动追踪。

更进一步地，如图1所示，双侧拉阳光自动追踪系统主要由聚光面板、第一减速电机、第二减速电机、第一步进电机、第二步进电机、中心处理单元、光强采集单元、侧拉T形丝杠以及柔性阻尼组成。图中聚光面板上方两个角落连接着T型丝杠，下方两个角通过柔性阻尼进行连接。T型丝杠通过相应的减速机和步进电机进行控制，减速电机和步进电机的控制都由中心处理单元的指令来实现控制，中心处理单元主要通过四象限的光敏元件的信息来进行算法策略的控制，四象限光敏元件通过对太阳光的感应生成四个区域的感应电流，四个区域的感应电流对应着该方位角的太阳，当太阳的垂直直射到光敏元件时候，则有相等的最大的感应电流。当太阳光不垂直直射时，四个区域的感应电流将会变小，且改变的幅度不一致，通过比对两个时刻的感应电流信号的变化，预测太阳方位的变化，匹配相应的算法策略，从而产生相应的控制指令。实时产生的控制指令将对步进电机进行驱动，从而实现聚光面板对太阳的实时跟踪。

图2是光强信息收集与分析单元示意图，主要由四象限光敏元件、高精度模数转换以及高精度电流电压转换装置组成，四象限光敏元件拥有良好的光电效应，不同光强的太阳光照射会引起不同的感应电流。还包括高精度的电流电压转换装置、电压的模数转换装置，针对四个区域不同的光电流的输送到信号分析与处理单元进行信息的分析和处理，以实现对太阳轨迹的分析与监测。

图3是信号分析与处理单元示意图，主要由数字信号处理器DSP TMS320F2812，两个电机驱动模块组成，负责对输入的光信号电压进行分析与处理，通过相应的算法识别太阳的运动方向，输出相应的指令条件，对电机和减速机进行驱动，完成对聚光板方位的调整。

本发明提供的阳光自动跟踪系统的建立方法，包括如下步骤：

步骤1，搭建系统，通过支撑立柱完成对聚光面板的支撑，通过复位操作完成对初始位置的校对；

步骤2，利用光敏对太阳光的感应，生成相应的光电电流，将光电电流转换成电压信号，生成一个数字化的电压值，将该电压值送入数字信号处理器，数字信号处理器对相应的电压值进行处理，并生成对太阳轨迹的分析与判断，生成对对步进电机和减速机的控制指令；

步骤3，减速电机和步进电机接收控制指令，并根据驱动电流的大小进行动作，步进电机的力矩通过减速电机放大，对T型丝杠进行动作，实现对聚光面板的转向控制，完成阳光的全方位追踪。

步骤4，零点时，系统将自动实现复位动作，将聚光面板回归初始化位置，以便第二天对太阳重新进行追踪，聚光面板的初始化位置每个月进行更新，由中心处理单元通过对太阳光角的计算进行更改，以实现最大化的太阳光接收。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种阳光自动跟踪系统，其特征在于，包括光强信息收集与分析单元、信号分析与处理单元、侧拉控制与机械单元；

所述光强信息收集与分析单元，用于实时感应阳光的强度生成相应的感应电流，将感应电流转化为电压信号后再转换为数字量信号，并传输至信号分析与处理单元；

所述信号分析与处理单元，用于分析和处理接收到的数字量信号，生成对侧拉控制与机械单元的控制指令；

所述侧拉控制与机械单元，用于根据控制指令实现对太阳的追踪。

2.根据权利要求1所述的阳光自动跟踪系统，其特征在于，所述光强信息收集与分析单元包括：四象限光敏感器、高精度电流电压转换装置、高精度模数转换装置，所述四象限敏感器实现对聚光板四个象限区域太阳光强的感应，并形成四股不同的感应电流，感应电流通过高精度的电流电压转换装置后转化为电压信号，所述电压信号通过高精度的模数转换形成四类数字量信号，该四类数字量信号输送至信号分析与处理单元。

3.根据权利要求1所述的阳光自动跟踪系统，其特征在于，所述信号分析与处理单元包括：数字信号处理器和电机驱动模块，所述数字信号处理器对数字量信号进行分析，实现对太阳光的变化的识别，并根据发送控制指令至电机驱动模块，所述电机驱动模块驱动侧拉控制与机械单元完成指定动作。

4.根据权利要求1所述的阳光自动跟踪系统，其特征在于，所述侧拉控制与机械单元包括：侧拉机械结构、步进电机、减速电机，所述步进电机、减速电机组合控制侧拉机械结构实现对太阳的追踪。

5.根据权利要求2所述的阳光自动跟踪系统，其特征在于，所述光强信息收集与分析单元还包括：滤波器，所述滤波器用于对四象限光敏感器产生的四股感应电流进行滤波处理，获得聚光板四个象限区域的电流差值，所述电流差值也被输送至信号分析与处理单元。

6.根据权利要求3或5所述的阳光自动跟踪系统，其特征在于，数字信号处理器对比当前时刻与上一时刻光强信息收集与分析单元所发送的数字量信号的变化，或者结合聚光板四个象限区域的电流差值，辨别出太阳方位角的变化，根据太阳方位角变化情况生成对侧拉控制与机械单元的控制指令。

7.根据权利要求4所述的阳光自动跟踪系统，其特征在于，

所述侧拉机械结构包括：侧拉T形丝杠L1、侧拉T形丝杠L2；

所述步进电机包括：第一步进电机、第二步进电机；

所述减速电机包括：第一减速电机、第二减速电机；

所述侧拉T形丝杠L1与第一步进电机、第一减速电机相连，所述侧拉T形丝杠L2与第二步进电机、第二减速电机相连，根据信号分析与处理单元的控制指令，所述控制指令为驱动电流值的大小；第一步进电机、第二步进电机的力矩分别通过第一减速电机、第二减速电机进行放大，完成对侧拉T形丝杠L1、侧拉T形丝杠L2的差异性控制，实现对聚光面板的转向动作，完成阳光的全方位追踪。

8.根据权利要求1所述的阳光自动跟踪系统，其特征在于，还包括模式控制模块，所述模式控制模块中设置有针对不同气候、不同地理纬度的阳光跟踪模式；用于根据实际环境更新阳光跟踪的方位角。

9.根据权利要求1所述的阳光自动跟踪系统，其特征在于，还包括人机界面，所述人机界面用于实时显示系统的跟踪情况。

10.一种阳光自动跟踪系统的建立方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，搭建系统，通过支撑立柱完成对聚光面板的支撑，通过复位操作完成对初始位置的校对；

步骤2，利用光敏对太阳光的感应，生成相应的光电电流，将光电电流转换成电压信号，生成一个数字化的电压值，将该电压值送入数字信号处理器，数字信号处理器对相应的电压值进行处理，并生成对太阳轨迹的分析与判断，生成对对步进电机和减速机的控制指令；

步骤3，减速电机和步进电机接收控制指令，并根据驱动电流的大小进行动作，步进电机的力矩通过减速电机放大，对T型丝杠进行动作，实现对聚光面板的转向控制，完成阳光的全方位追踪。

步骤4，零点时，系统将自动实现复位动作，将聚光面板回归初始化位置。