CN106292734A - 一种太阳光定位追踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳光定位领域的一种太阳光定位追踪系统，包括定位装置、单片机、若干光电池和追踪装置；所述定位装置包括量角底座、若干方位角面板、销子、若干高度角确定盘、若干连杆和若干光电池定位块；所述量角底座用于支撑方位角面板；所述方位角面板垂直于量角底座，决定方位角大小，并支撑高度角确定盘；高度角确定盘通过连接件如销子与方位角面板连接，连杆安装在高度角确定盘上，决定高度角大小；电池定位块用于放置光电池；本发明与传统的用GPS的视日运动轨迹追踪相比，它降低了编程的难度，当天气不好时，电池差值不大，能停止追踪，与以往光电池追踪相比，本发明是非连续追踪，它克服了传统光电池追踪中动剧烈的弊端。

Description

一种太阳光定位追踪系统

技术领域

本发明属于太阳光定位研究领域，具体涉及一种太阳光定位追踪系统。

背景技术

太阳能，是指太阳光的辐射能量，一种新兴的可再生能源，取之不及、用之不竭的理想能源。随着科技的发展，太阳光能源目前普遍被利用在发电、制暖、照明领域。但是目前，太阳能的利用效率还不是很高，太阳能的利用主要存在以下两方面的问题，一是太阳能的接收效率低、二是太阳能的转换效率低。

由于地球自传的影响，在一天中，太阳的高度角和方位角会发生变化；同时，由于地球公转的影响，在一年中，相同的方位角上太阳高度角也会发生变化。现有太阳追踪主要有两种方式；视日运动轨迹追踪和光电追踪。视日运动轨迹根据理论分析计算出太阳的轨迹，精度可靠，但其算法复杂。天气阴天时仍会继续追踪，造成能量浪费。光电追踪能避免复杂的算法，且其追踪精度高，但其调整频繁，系统震动剧烈。天气阴天时，光电追踪系统出现追踪混乱现象。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种太阳光定位追踪系统，运用于太阳光自动追踪，可以提高太阳的定位精度，减小太阳追踪中追踪装置的震动，简化太阳追踪中的编程环节。

本发明的技术方案是：一种太阳光定位追踪系统，包括定位装置、单片机、若干光电池和追踪装置；所述定位装置包括量角底座、若干方位角面板、销子、若干高度角确定盘、若干连杆和若干光电池定位块；

所述量角底座的圆周边缘和中心开有均匀对称分布的多个第一通孔，所述方位角面板的一端分别垂直安装在第一通孔内，决定方位角大小；

所述高度角确定盘的上部为半圆形，中心设有圆形凹槽，半圆形部分的前面设有对称分布的多个方形凹槽，且方形凹槽的一端位于上半圆形的圆周，另一端位于圆形凹槽的圆周；圆形凹槽的中心设有第二通孔；

所述方位角面板的中部设有定位孔，方位角面板的另一端位于高度角确定盘的后面；

所述连杆的一端为中心设有第五通孔的圆形端，所述连杆的圆形端安装在圆形凹槽内，中部为长杆置于方形凹槽内、且间隙配合，连杆与水平面的夹角为高度角；所述销子穿过定位孔、第二通孔和第五通孔，将方位角面板、高度角确定盘和连杆连接在一起；

所述连杆的另一端设有突出的圆柱体，所述圆柱体插入光电池定位块底部的第三通孔、且过渡配合；

所述光电池安装在光电池定位块的凹槽内；所述光电池与单片机的输入端连接，单片机的输出端与追踪装置电连接，所述单片机将采集的光电池电压值信号传送到追踪装置，追踪装置根据电压值信号调整方向。

上述方案中，所述通孔的对称轴为0-180度线，0度指向正南方，90度指向正西方，-90度指向正东方；位于中心的第一通孔的方位角度为0度。

上述方案中，所述追踪装置包括第一电机、纵轴、横轴、两个第二电机、阳光应用平面、电机夹具、支撑纵梁和支撑横梁；

所述阳光应用平面底部与横轴轴孔连接、且过盈配合；所述横轴的两端分别通过联轴器与第二电机连接；第二电机通过电机夹具分别固定在支撑纵梁的一端，支撑纵梁的另一端与支撑横梁连接；所述纵轴的一端与支撑横梁的中部固定连接，另一端通过联轴器与第一电机的输出轴连接；所述第一电机和第二电机分别通过导线与单片机的输出端电连接。

上述方案中，所述方位角面板数量在11～50个，在-40°～40°的方位角范围间隔小于7°。

上述方案中，所述高度角确定盘上在0～90°的高度角范围内的数量在3～10个，间隔为3°～20°。

上述方案中，所述方位角面板的顶部设有第一定位槽，所述高度角确定盘的顶部有第二定位槽；所述第一定位槽与第二定位槽的位置相对应、且边界重合。

上述方案中，所述连杆的圆形端与圆形凹槽间隙配合。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明利用太阳的运动轨迹函数设计了所述太阳光定位追踪系统，每个光电池定位块的坐标都是准确且固定的，通过比较该系统定位装置上不同光电池定位块上相同光电池电压值的最大值，即可获得该时刻太阳的准确位置；在同一高度角确定盘上，确定高度角的方形凹槽有多个，根据季节的变化同时手动升高或降低连杆到下一档位的方形凹槽，增强了该装置的追踪精度。本发明与传统的用GPS的视日运动轨迹追踪相比，它降低了编程的难度，当天气不好时，电池差值不大，能停止追踪，与以往光电池追踪相比，本发明是非连续追踪，它克服了传统光电池追踪中动剧烈的弊端，结构设置合理，追踪精度可达到5°。

附图说明

图1是本发明一实施方式的定位装置结构示意图；

图2是本发明一实施方式的两脚底座结构示意图；

图3是本发明一实施方式的高度角确定盘结构示意图；

图4本发明一实施方式的方位角面板结构示意图；

图5本发明一实施方式的连杆结构示意图；

图6本发明一实施方式的光电池定位块结构示意图；

图7本发明一实施方式的跟踪装置结构示意图；

图8本发明一实施方式的定位追踪电信号传递示意图；

图9本发明一实施方式的方位角随时间变化图；

图10本发明一实施方式的高度角随时间变化图。

图中：1、量角底座；2、方位角面板；3、销子；4、高度角确定盘；5、连杆；6、光电池定位块；7、第一定位槽；8、定位孔；9、第一通孔；10、第二定位槽；11、方形凹槽；12、圆形凹槽；13、第二通孔；14、圆柱体；15、凹槽；16、第三通孔；17、第四通孔；18、第一电机；19、纵轴；20、横轴；21、第二电机；22、阳光应用平面；23、电机夹具；24、支撑纵梁；25、支撑横梁；26、第五通孔。

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。

太阳在一天呈现自东向西有规律的变化，定义方位角正南方向为0度，正东方向为-90度，正西方向为90度；定义高度角为太阳直射光线平行于地平线的夹角为0度，垂直于地平面的方向为90度。在相同方位角处，不同季节高度角不同。根据太阳运动轨迹的函数关系式，设计了该太阳光定位追踪系统。

所述太阳光定位追踪系统，包括定位装置、单片机、若干光电池和追踪装置。

如图1所示，所述定位装置包括量角底座1、若干方位角面板2、销子3、若干高度角确定盘4、若干连杆5和若干光电池定位块6。所述量角底座1用于支撑方位角面板2；所述方位角面板2垂直于量角底座1，决定方位角大小，并支撑高度角确定盘4；高度角确定盘4通过连接件如销子3与方位角面板2连接，连杆5安装在高度角确定盘4上，决定高度角大小；电池定位块6用于放置光电池。

如图2所示，所述量角底座1的圆周边缘和中心开有均匀对称分布的多个第一通孔9；所述通孔9的对称轴为0-180度线，放置时0度指向正南方，90度指向正西方，-90度指向正东方，其间刻度均匀分布；所述方位角面板2的一端分别垂直安装在第一通孔9内，位于中心的第一通孔9的方位角度为0度，也正中午时刻的方位角；所述方位角面板2决定方位角大小。

如图3所示，所述高度角确定盘4的上部为半圆形，中心设有圆形凹槽12，半圆形部分的前面设有对称分布的多个方形凹槽11，且方形凹槽11的一端位于上半圆形的圆周，另一端位于圆形凹槽12的圆周；圆形凹槽12的中心设有第二通孔13；所述高度角确定盘4的顶部有第二定位槽10。

如图4所示，所述方位角面板2的中部设有定位孔8，确定高度角确定盘4上第二通孔13的位置。所述方位角面板2的另一端位于高度角确定盘4的后面；所述方位角面板2的顶部中心设有第一定位槽7，定第一定位槽7为高度角确定盘4的定位基准，所述第一定位槽7与第二定位槽10的位置相对应、且边界重合。

如图5所示，所述连杆5的一端为中心设有第五通孔26的圆形端，所述连杆5的圆形端安装在圆形凹槽12内，且间隙配合；所述连杆5中部为长杆置于方形凹槽11内、且间隙配合，连杆5与水平面的夹角为高度角；所述销子3穿过定位孔8、第二通孔13和第五通孔26，将方位角面板2、高度角确定盘4和连杆5连接在一起。其中，定位销3与高度角确定盘4采用过盈配合。

如图6所示，所述光电池定位块6底部的中心开有第三通孔16，所述第三通孔16的两侧边分别开有第四通孔17，用于光电池连接导线引出。所述连杆5的另一端设有突出的圆柱体14，所述圆柱体14插入光电池定位块6底部的第三通孔16、且过渡配合。

所述光电池安装在光电池定位块6的凹槽15内，光电池定位块6实际的凹槽15底面积根据所选光电池决定，以满足放下光电池且底面平整为主要要求。所述光电池、单片机和追踪装置电连接，所述单片机将采集的光电池电压值信号传送到追踪装置，追踪装置根据电压值信号调整方向。

如图7所示，所述追踪装置包括第一电机18、纵轴19、横轴20、两个第二电机21、阳光应用平面22、电机夹具23、支撑纵梁24和支撑横梁25。

所述阳光应用平面22底部与横轴20轴孔连接、且过盈配合；所述横轴20的两端分别通过联轴器与第二电机21连接；第二电机21通过电机夹具23分别固定在支撑纵梁24的一端，支撑纵梁24的另一端与支撑横梁25连接；所述纵轴19的一端与支撑横梁25的中部固定连接，另一端通过联轴器与第一电机18的输出轴连接。

所述定位装置的方位角和高度角根据太阳运动轨迹函数计算所得。所述量角底座1安装时其底面与地面平行，且0度对准正南方向，-90度正对正东方向。所述方位角面板2数量优选的，在11～50个，在-40°～40°的方位角范围间隔小于7°，其他范围内可适当增大间隔，但间隔应小于20°，这样分布既可增加追踪精度，又可减少方位角面板2的数量。高度角确定盘4与方位角面板2通过连接件如销子3相连接，高度角确定盘4的最顶端的第二定位槽10与方位角面板2顶部的第一定位槽7在垂直于地平面的竖直方向并重合。高度角确定盘4上，在0～90°的高度角范围内，确定高度角槽11的数量在3～10个，间隔3°～20°时定位精度较好。连杆5与高度角确定盘4的方形槽11配合，连杆5与水平面的夹角为高度角。

根据太阳的运转情况，可取相同的方位角上有不同的高度角，以满足一年中不同季节的追踪。光电池定位块6底面第三通孔16与连杆5顶端圆柱体14相连接，光电池定位块6上的凹槽15用来放置相同规格的光电池。所述定位装置中，每个高度角确定盘4有多个方形凹槽11，同时选择每个高度角确定盘4最小的高度角即为第一档位，同时选第二小高度角即为第二档位，以此类推。根据需要可以增加档位数量，档位的选择根据计算得到，若当天中的最大高度较小时选择低档位，高度角增大时，调到更高档位。当选定档位后，通过单片机采集这些光电池的电压值，电压最大的即为此时太阳的相对精确方向。

如图8所示，所述光电池引脚通过导线连接到单片机ADC引脚，单片机采集定位装置上的光电池电压值，通过分析，单片机IO口发送脉冲给第一电机18和第二电机21，所述第一电机18调整追踪装置的纵轴19，使追踪装置左右转动调整方位；所述第二电机21调整横轴20，使追踪装置上需接受光的阳光应用平面22上下转动调整方位，使其法相调整到最大电压光电池所指示的方向即完成追踪。

本发明的工作原理：

光电池在阳光的照射下会产生电压，光照越强，电压越大；单片机采集所述定位装置上的光电池电压，通过单片机采集的电压，电压值最大方向的为此定位系统确定的最接近太阳直射方向；经科学计算，适当增加方位角面板2与方形凹槽11的数量可增加追踪精度，追踪精度可达5°内，满足多种用途。

如图9和图10所示，图9显示：在一天中太阳的方位角呈现从东至西有规律的变化，在正中午，方位角为接近0度。图10显示：太阳高度角从早到晚呈现先增大后减小的规律，在中午达到最大值，一年中最大高度角会变化，但角度变化比较缓慢。通过建立数学模型，可以较准确的确定在某一地区某一时刻的太阳高度角和方位角，即太阳的准确位置。本发明通过数学建模计算出一天中不同时刻的太阳高度角和方位角，数学计算得到并经常识验证，高度角基本关于方向角为0度时南北方向对称。考虑到地球与太阳的相对位置的变化，计算出一年中不同季度，相同方位角时有不同的高度角。

在晴天时，单片机采集不同光电池定位块6上的光电池，检测出此时电压最大的那个光电池，单片机向电机发送脉冲命令调整追踪机构到此时最大电压光电池所指示的方向。

在阴天时，因为此时各个光电池电压值差别不大，此时采集的数字默认为第一个电压值，追踪机构不动作。

当采集的最大电压值低于某个设定的阈值电压时，指示此时阳光强度很低，实际用途不大时，单片机控制追踪系统回到初始位置。

实施例一：

所述太阳光定位追踪系统，包括定位装置、单片机、若干光电池和追踪装置。所述定位装置包括量角底座1，方位角面板2、销子3、高度角确定盘4、连杆5及光电池定位块6。其中，量角底座1放置时以正东方向为-90度，正南为0度，正西为90度。方向角面板2垂直于量角底座1。高度角确定盘4与方向角面板2通过销子3连接，高度角确定盘4上第二定位槽10与方位角面板2上第一定位槽7边界重合。连杆5的大圆形端与高度角确定盘4的圆形凹槽12间隙配合，连杆5的另一头圆柱体14与光电池定位块6底部的第三通孔16配合。高度角确定盘4有四个档位，其中量角底座1中心的方位角面板2上高度角的度数分别为36.5°、53.7°、67.5°和79°。保持高度角的档位不变，增加方位角面板2的个数，在-40°至40°范围内方位角面板间隔为4°，在-100°至-40°，40°至100°间隔为6°。可增加方位角的定位精度。通过单片机采集定位装置的电压，发送脉冲调整追踪装置到采集到光电池最大电压处，完成定位追踪。

实施例二：

实施例二与实施例一的不同之处在于可适当增加高度角确定盘4的方形凹槽11的数量，即定位的档数，相邻两方形凹槽11的角平分线增加凹槽方形凹槽11，使方形凹槽11数为10个，可增加高度角的定位精度。通过单片机采集定位装置的电压，发送脉冲调整追踪装置到采集到光电池最大电压处，完成定位追踪。

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 (7)

1.一种太阳光定位追踪系统，其特征在于，包括定位装置、单片机、若干光电池和追踪装置；所述定位装置包括量角底座(1)、若干方位角面板(2)、销子(3)、若干高度角确定盘(4)、若干连杆(5)和若干光电池定位块(6)；

所述量角底座(1)的圆周边缘和中心开有均匀对称分布的多个第一通孔(9)，所述方位角面板(2)的一端分别垂直安装在第一通孔(9)内，决定方位角大小；

所述高度角确定盘(4)的上部为半圆形，中心设有圆形凹槽(12)，半圆形部分的前面设有对称分布的多个方形凹槽(11)，且方形凹槽(11)的一端位于上半圆形的圆周，另一端位于圆形凹槽(12)的圆周；圆形凹槽(12)的中心设有第二通孔(13)；

所述方位角面板(2)的中部设有定位孔(8)，方位角面板(2)的另一端位于高度角确定盘(4)的后面；

所述连杆(5)的一端为中心设有第五通孔(26)的圆形端，所述连杆(5)的圆形端安装在圆形凹槽(12)内，中部为长杆置于方形凹槽(11)内、且间隙配合，连杆(5)与水平面的夹角为高度角；所述销子(3)穿过定位孔(8)、第二通孔(13)和第五通孔(26)，将方位角面板(2)、高度角确定盘(4)和连杆(5)连接在一起；

所述连杆(5)的另一端设有突出的圆柱体(14)，所述圆柱体(14)插入光电池定位块(6)底部的第三通孔(16)、且过渡配合；

所述光电池安装在光电池定位块(6)的凹槽(15)内；所述光电池与单片机的输入端连接，单片机的输出端与追踪装置电连接，所述单片机将采集的光电池电压值信号传送到追踪装置，追踪装置根据电压值信号调整方向。

2.根据权利要求1所述的太阳光定位追踪系统，其特征在于，所述通孔(9)的对称轴为0-180度线，0度指向正南方，90度指向正西方，-90度指向正东方；位于中心的第一通孔(9)的方位角度为0度。

3.根据权利要求1所述的太阳光定位追踪系统，其特征在于，所述追踪装置包括第一电机(18)、纵轴(19)、横轴(20)、两个第二电机(21)、阳光应用平面(22)、电机夹具(23)、支撑纵梁(24)和支撑横梁(25)；

所述阳光应用平面(22)底部与横轴(20)轴孔连接、且过盈配合；所述横轴(20)的两端分别通过联轴器与第二电机(21)连接；第二电机(21)通过电机夹具(23)分别固定在支撑纵梁(24)的一端，支撑纵梁(24)的另一端与支撑横梁(25)连接；所述纵轴(19)的一端与支撑横梁(25)的中部固定连接，另一端通过联轴器与第一电机(18)的输出轴连接；所述第一电机(18)和第二电机(21)分别通过导线与单片机的输出端电连接。

4.根据权利要求1所述的太阳光定位追踪系统，其特征在于，所述方位角面板(2)数量在11～50个，在-40°～40°的方位角范围间隔小于7°。

5.根据权利要求1所述的太阳光定位追踪系统，其特征在于，所述高度角确定盘(4)上在0～90°的高度角范围内的数量在3～10个，间隔为3°～20°。

6.根据权利要求1所述的太阳光定位追踪系统，其特征在于，所述方位角面板(2)的顶部设有第一定位槽(7)，所述高度角确定盘(4)的顶部有第二定位槽(10)；所述第一定位槽(7)与第二定位槽(10)的位置相对应、且边界重合。

7.根据权利要求1所述的太阳光定位追踪系统，其特征在于，所述连杆(5)的圆形端与圆形凹槽(12)间隙配合。