CN106843291A - 全自动太阳跟踪装置 - Google Patents

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Abstract

全自动太阳跟踪装置涉及太阳能技术领域，包括：跟踪器和三脚架；跟踪器包括：左侧肋板安装组件、右侧肋板安装组件、转台、太阳位置传感器和遮光组件；该装置采用开环与闭环相结合的控制方式，实现对太阳的全自动高精度跟踪，可用于对太阳的高精度观测与测量；采用左右两侧肋板搭载太阳直射辐射计、太阳位置传感器和四连杆遮光机构，实现对太阳直射辐射、总辐射和散射辐射的测量；转台采用方位轴和俯仰轴的两轴传动装置，跟踪装置绕方位轴旋转跟踪太阳的方位角，绕俯仰轴旋转跟踪太阳的俯仰角，实现对太阳的全方位自动跟踪，无需专人定期进行维护；本发明跟踪精度高，运行稳定可靠，能在复杂的气象条件下工作，系统安装调试简单，成本低便于加工。

Description

全自动太阳跟踪装置
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，具体涉及一种全自动太阳跟踪装置。
背景技术
太阳跟踪器主要应用于太阳观测、太阳直射辐射测量、天空观测等领域，可携带太阳观测仪器、直射辐射计、天空相机等负载自动对准太阳，方便对太阳相关参数进行观测和测量。太阳跟踪器广泛应用于测量太阳直射辐射的气象台站网络中。
现有太阳跟踪器主要有单轴跟踪和双轴跟踪两种方式，其中：单轴跟踪需要定期对跟踪器的俯仰角度进行调整，需有专人进行维护，使用不方便；双轴跟踪可实现对太阳的全自动跟踪，不需专人维护，目前正逐渐替代单轴跟踪方式。根据控制方式的差异，双轴跟踪的全自动太阳跟踪器也有两种类型：一类是采用光电控制方式，太阳跟踪器通过其上面安装的光电传感器反馈太阳位置信号，实现跟踪太阳，缺点是太阳跟踪器的运行受天气条件的制约，当天气状况不良时，跟踪精度相对较低，甚至无法跟踪太阳。另一类是采用程序控制跟踪方式。系统需根据天文公式计算太阳的高度角和方位角,再驱动转动机构到相应的角度，但对机械加工及安装要求较高，系统易存在累积误差，导致跟踪精度下降。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种全自动太阳跟踪装置，其机械结构采用双轴跟踪方式，控制系统采用开环和闭环相结合的控制方式，实现了较高的跟踪精度，能在较复杂的气象条件下工作；控制电路采用嵌入式设计，可直接在面板上进行操作，无需外接计算机；配备仪器安装平台，能够搭载多种太阳观测及测量仪器。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
全自动太阳跟踪装置，其特征在于，该装置包括：全自动太阳跟踪器和三脚架；所述全自动太阳跟踪器包括：左侧肋板安装组件、右侧肋板安装组件、转台、太阳位置传感器和遮光组件；所述左侧肋板安装组件和右侧肋板安装组件与转台的俯仰轴相连；遮光组件分别与转台、左侧肋板安装组件和右侧肋板安装组件连接；
所述转台包括：顶部平板和双轴驱动云台；所述顶部平板设置在双轴驱动云台上方，保持水平状态；双轴驱动云台内部设置方位轴和俯仰轴，并安装有步进电机、蜗轮蜗杆和控制电路板；控制电路板包括电源模块、单片机、电机驱动芯片和GPS模块；其中；电源模块为控制电路板供电，GPS模块用于获取当前位置和时间信息，单片机处理GPS模块获取的信息和太阳位置传感器传送的信号，计算太阳位置，并通过电机驱动芯片驱动控制步进电机运转，步进电机通过蜗轮蜗杆传动机构驱动方位轴和俯仰轴转动，指向太阳；
所述左侧肋板安装组件包括：左侧连接法兰、左侧太阳直射辐射计安装调整架、左侧直表安装架、左侧肋板；左侧肋板一侧通过左侧连接法兰与俯仰轴连接，另一侧安装太阳直射辐射计安装调整架和左侧直表安装架；
所述右侧肋板安装组件包括：右侧连接法兰、右侧肋板和右侧直表安装架；右侧肋板一侧通过右侧连接法兰与俯仰轴连接，另一侧上设置右侧直表安装板；
所述遮光组件包括四连杆遮光架和遮光球；所述四连杆遮光架分别与左侧肋板、右侧肋板和云台下部支撑架连接；遮光球设置在四连杆遮光架上；左侧肋板和右侧肋板随俯仰轴转动时，带动四连杆遮光架进行俯仰运动，同时带动遮光球一起运动；在跟踪器跟踪太阳时，实时遮挡一束太阳直射光，用于对水平面太阳散射辐射的测量；
全自动太阳跟踪装置采用开环和闭环相结合的控制方式，开环控制方式是指采用程序跟踪的方法，通过GPS模块采集的当前地理位置和时间数据，单片机根据天文算法计算太阳的方位角和俯仰角，驱动控制全自动太阳跟踪器指向太阳，实现对太阳的跟踪；闭环控制是指采用太阳位置传感器实时反馈对太阳的跟踪情况，当出现偏离时，太阳位置传感器会探测到偏离值，并实时反馈给控制电路板，驱动太阳跟踪装置指向太阳；在太阳直射辐射值大于200W/m2时，单片机控制太阳跟踪装置自动启动闭环控制；当太阳直射辐射值小于200W/m2时，单片机控制太阳跟踪装置自动切换至开环跟踪。
本发明的有益效果是：该全自动太阳跟踪装置采用开环与闭环相结合的控制方式，实现对太阳的全自动高精度跟踪，可用于对太阳的高精度观测与测量；采用左右两侧肋板搭载太阳直射辐射计、太阳位置传感器和四连杆遮光机构，实现对太阳直射辐射、总辐射和散射辐射的测量；转台采用方位轴和俯仰轴的两轴传动装置，跟踪装置绕方位轴旋转跟踪太阳的方位角，绕俯仰轴旋转跟踪太阳的俯仰角，实现对太阳的全方位自动跟踪，无需专人定期进行维护；通过调整三脚架支开的角度可以调整跟踪器的安装高度；本发明全自动太阳跟踪装置跟踪精度高，运行稳定可靠，能在较复杂的气象条件下工作，系统安装调试简单，成本低便于加工。
附图说明
图1是本发明全自动太阳跟踪装置的总装结构示意图；
图2是本发明全自动太阳跟踪装置的跟踪器结构分解图；
图3是本发明全自动太阳跟踪装置的跟踪器结构立体图；
图4是本发明全自动太阳跟踪装置的三脚架构造示意图；
图中：1、全自动太阳跟踪器，2、三脚架，3、转台，4、顶部平板，5、顶部平板支撑架，6、左侧连接法兰，7、左侧太阳直射辐射计安装调整架，8、左侧肋板，9、左侧直表安装架，10、V型安装板，11、右侧连接法兰，12、右侧直表安装架，13、右侧肋板，14、太阳位置传感器，15、太阳位置传感器安装架，16、GPS模块，17、机壳，18、双轴驱动云台，19、I型支杆(1)，20、I型支杆(2)，21、I型支杆(3)，22、T型支架，23、遮光球，24、跟踪器安装平台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，全自动太阳跟踪装置包括：全自动太阳跟踪器1和三脚架2。如图2和图3所示，跟踪器1包括：左侧肋板安装组件、右侧肋板安装组件、转台3、太阳位置传感器14、和遮光组件；左侧肋板安装组件包括：左侧连接法兰6、左侧太阳直射辐射计安装调整架7、左侧肋板8、左侧直表安装架9、V型安装板10；右侧肋板安装组件包括：右侧连接法兰11、右侧直表安装架12、右侧肋板13和太阳位置传感器安装架15；转台包括：顶部平板4、机壳17和双轴驱动云台18，双轴驱动云台18内部设置方位轴和俯仰轴，方位轴沿竖直方向，俯仰轴沿水平方向，并与方位轴正交。同时安装有步进电机、蜗轮蜗杆和控制电路板；控制电路板包括电源模块、单片机、电机驱动芯片和GPS模块；其中；电源模块为控制电路板供电，GPS模块用于获取当前位置和时间信息，单片机处理GPS模块获取的信息和太阳位置传感器传送的信号，计算太阳位置，并通过电机驱动芯片驱动控制步进电机运转，步进电机通过蜗轮蜗杆传动机构驱动方位轴和俯仰轴转动，指向太阳；遮光组件包括I型支杆(1)19、I型支杆(2)20、I型支杆(3)21、T型支架22和遮光球23。
顶部平板4通过螺栓与顶部平板支撑架5固连，顶部平板4上有两个圆形凹槽，用于安装太阳辐射计，顶部平板4上开有长条形安装孔，便于以后的调节；顶部平板支撑架5通过螺栓与双轴驱动云台18上的机壳17固连，顶部平板支撑架5上开有长条形安装孔，用以调节顶部平板4的水平；GPS模块16用硅胶将其固定在顶部平板4的中心位置上。
左侧太阳直射辐射计安装调整架7上设置V型安装板10，用于固定太阳直射辐射计，左侧太阳直射辐射计安装调整架7通过螺栓与左侧肋板8的外侧固连；左侧直表安装架9通过螺栓安装在左侧肋板8外侧上；左侧肋板8内侧通过螺栓与左侧连接法兰6固连。
右侧直表安装架12通过螺栓安装在右侧肋板13外侧上；太阳位置传感器安装架15通过螺栓安装在右侧肋板13外侧上；太阳位置传感器14通过螺栓安装在太阳位置传感器安装架15上；右侧肋板13内侧通过螺栓与右侧安装法兰11固连。左侧连接法兰6和右侧安装法兰11均通过螺栓安装在双轴驱动云台18的俯仰轴上，当俯仰轴转动时，带动左侧安装肋板组件和右侧安装肋板组件一起转动，实现对太阳位置的俯仰跟踪。
遮光组件的I型支杆(1)19和I型支杆(2)20通过螺栓安装在全自动太阳跟踪器左右侧肋板的外侧安装槽内；I型支杆(3)21与双轴驱动云台18底部铰接；T型支架22分别连接I型支杆(1)19、I型支杆(2)20和I型支杆(3)21的另一端；遮光球23安装在T型支架22的左侧，用于遮挡太阳直射辐射，实现对水平面上太阳散射辐射的测量。当左右侧肋板安装组件做俯仰运动时，遮光组件随左右侧肋板安装组件同时运动。
如图4所示，跟踪器安装平台24安装在三角架2顶部，调整三角架2上紧固螺丝，可以调节三角架2支开的角度和三角架2的高低。
全自动太阳跟踪装置采用开环和闭环相结合的控制方式，开环控制方式是指采用程序跟踪的方法，通过GPS模块采集的当前地理位置和时间数据，单片机根据天文算法计算太阳的方位角和俯仰角，驱动控制全自动太阳跟踪器指向太阳，实现对太阳的跟踪；闭环控制是指采用太阳位置传感器14实时反馈对太阳的跟踪情况，当出现偏离时，太阳位置传感器14会探测到偏离值，并实时反馈给控制电路板，驱动太阳跟踪装置指向太阳；在太阳直射辐射值大于200W/m2时，单片机控制太阳跟踪装置自动启动闭环控制；当太阳直射辐射值小于200W/m2时，单片机控制太阳跟踪装置自动切换至开环跟踪。
太阳位置传感器14采用圆筒设计，前端中心开有小孔光阑，后端中心位置安装四象限芯片，阳光从小孔光阑入射，在四象限芯片上形成光点，同时输出带有位置信息的电信号，根据光点在四象限芯片上的位置信息，控制控制电路板并驱动太阳跟踪器的方位轴和俯仰轴转动，直到使光点落在四象限芯片的中心；太阳位置传感器圆筒中心轴线与阳光入射方向平行。

Claims (8)

1.全自动太阳跟踪装置，其特征在于，该装置包括：全自动太阳跟踪器和三脚架；所述全自动太阳跟踪器包括：左侧肋板安装组件、右侧肋板安装组件、转台、太阳位置传感器和遮光组件；所述左侧肋板安装组件和右侧肋板安装组件与转台的俯仰轴相连；遮光组件分别与转台、左侧肋板安装组件和右侧肋板安装组件连接；
所述转台包括：顶部平板和双轴驱动云台；所述顶部平板设置在双轴驱动云台上方，保持水平状态；双轴驱动云台内部设置方位轴和俯仰轴，并安装有步进电机、蜗轮蜗杆和控制电路板；控制电路板包括电源模块、单片机、电机驱动芯片和GPS模块；其中；电源模块为控制电路板供电，GPS模块用于获取当前位置和时间信息，单片机处理GPS模块获取的信息和太阳位置传感器传送的信号，计算太阳位置，并通过电机驱动芯片驱动控制步进电机运转，步进电机通过蜗轮蜗杆传动机构驱动方位轴和俯仰轴转动，指向太阳；
所述左侧肋板安装组件包括：左侧连接法兰、左侧太阳直射辐射计安装调整架、左侧直表安装架、左侧肋板；左侧肋板一侧通过左侧连接法兰与俯仰轴连接，另一侧安装太阳直射辐射计安装调整架和左侧直表安装架；
所述右侧肋板安装组件包括：右侧连接法兰、右侧肋板和右侧直表安装架；右侧肋板一侧通过右侧连接法兰与俯仰轴连接，另一侧上设置右侧直表安装板；
所述遮光组件包括四连杆遮光架和遮光球；所述四连杆遮光架分别与左侧肋板、右侧肋板和云台下部支撑架连接；遮光球设置在四连杆遮光架上；左侧肋板和右侧肋板随俯仰轴转动时，带动四连杆遮光架进行俯仰运动，同时带动遮光球一起运动；在跟踪器跟踪太阳时，实时遮挡一束太阳直射光，用于对水平面太阳散射辐射的测量；
全自动太阳跟踪装置采用开环和闭环相结合的控制方式，开环控制方式是指采用程序跟踪的方法，通过GPS模块采集的当前地理位置和时间数据，单片机根据天文算法计算太阳的方位角和俯仰角，驱动控制全自动太阳跟踪器指向太阳，实现对太阳的跟踪；闭环控制是指采用太阳位置传感器实时反馈对太阳的跟踪情况，当出现偏离时，太阳位置传感器会探测到偏离值，并实时反馈给控制电路板，驱动太阳跟踪装置指向太阳；在太阳直射辐射值大于200W/m2时，单片机控制太阳跟踪装置自动启动闭环控制；当太阳直射辐射值小于200W/m2时，单片机控制太阳跟踪装置自动切换至开环跟踪。
2.根据权利要求1所述的全自动太阳跟踪装置，其特征在于，所述太阳位置传感器安装在左侧肋板上或者右侧肋板上。
3.根据权利要求1所述的全自动太阳跟踪装置，其特征在于，所述太阳位置传感器采用圆筒设计，前端中心开有小孔光阑，后端中心位置安装四象限芯片，阳光从小孔光阑入射，在四象限芯片上形成光点，同时输出带有位置信息的电信号，根据光点在四象限芯片上的位置信息，控制控制电路板并驱动太阳跟踪器的方位轴和俯仰轴转动，直到使光点落在四象限芯片的中心；太阳位置传感器圆筒中心轴线与阳光入射方向平行。
4.根据权利要求1所述的全自动太阳跟踪装置，其特征在于，在所述左侧肋板安装组件、右侧肋板安装组件和/或顶部平台设置太阳辐射计。
5.根据权利要求1所述的全自动太阳跟踪装置，其特征在于，所述顶部平板通过顶部平板支撑架与转台相连。
6.根据权利要求1所述的全自动太阳跟踪装置，其特征在于，所述跟踪器通过跟踪器安装平台安装在三脚架上。
7.根据权利要求1所述的全自动太阳跟踪装置，其特征在于，所述四连杆遮光架与双轴驱动云台的底部为铰接，与左侧肋板安装组件和右侧肋板安装组件的连接为固定连接。
8.根据权利要求1所述的全自动太阳跟踪装置，其特征在于，所述方位轴沿竖直方向，俯仰轴沿水平方向，并与方位轴正交。
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