CN108270393A - 直接辐射观测用太阳追踪器及其驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直接辐射观测用太阳追踪器及其驱动方法，实现其技术的目的在于，所述用于观测太阳直接辐射的太阳追踪器中，配备该太阳追踪器的直接辐射表安装单元按照可上下微调角度以及左右微调角度的结构组成，以便安装直接辐射表后的一系列设定工作更加精确，通过精确的直接辐射表设定尽可能减少测量误差。因此，本发明为实现所述目的的具体方式如下。一种太阳追踪器，在其安装用支柱上面连接安装驱动控制箱，驱动控制箱一侧面连接安装直接辐射表安装单元；所述直接辐射表安装单元采用太阳敏感器安装件、配备角度设定装置的方形驱动支架、以及在所述方形驱动支架上方左右两侧面以水平布置结构结合的多个直接辐射表装载板形成的结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳追踪器，具体而言涉及一种观测直角方向入射的直射阳光的装置，例如在安装直接辐射表状态下，通过GPS模式和时间设定模式以及太阳敏感器(Sun-sensor)模式控制，稳定跟踪日出到日落期间随时间流逝变化的太阳光高度方向，并测量太阳辐射能的直接辐射观测用太阳追踪器及其驱动方法。
背景技术
太阳向地球放射的能量通常叫做太阳辐射，这对气象观测的辐射量与辐射能的测量起到重要作用，这种辐射能的测量应用于能源产业领域重要基础观测信息，太阳辐射量除气象领域以外，在农业领域也是对地球环境与植物产生重大影响的重要环境因素之一。
因此，测量太阳放射能的手段，例如测量太阳辐射强度的器具我们通常叫做辐射表，且根据辐射表种类来看，可以了解到大体上分为直接辐射表和总辐射表。
这里，所述直接辐射表在受光面的安装要始终垂直于太阳光线状态下，通过内置的热电堆传感器感应来测量直接从太阳抵达的太阳辐射量。此时，普通辐射表以每秒间距观测并使用1分钟的平均值，能源工业领域则使用1小时或1天的累积值。
与此不同，所述总辐射表又分为利用热电偶的埃普利辐射表和利用双金属片的罗比兹辐射表，这些通过水平放置的受光面观测太阳光线和整个天空的散射光测量太阳辐射量。
另外，如前所述，辐射表中尤其是直接辐射表以直角方向观测太阳直射阳光，利用此类直接辐射表观测直接辐射时，必需使用太阳追踪器。
例如，直接辐射量的定义是直角方向测量的太阳直射阳光的量，因此，为了观测直接辐射，直接辐射表传感器和诱导太阳光的黑色管应能够从日出到日落随时间变化在太阳高度和方向变性期间准确跟踪太阳。
通常使用的太阳追踪器大体组成如下。
由太阳敏感器(Sun-sensor)和电机、驱动轴、GPS、电源装置、通信部位、CPU部位等组成，拥有这种组成的太阳跟踪器，其驱动轴依GPS资料运行，调整太阳敏感器和太阳高度角以及方位角，完成直接辐射的观测。
但是，前述的过去太阳追踪器其作为太阳追踪器配备的直接辐射表安装方法属于无法调整上下角度乃至左右角度的单纯固定式结构，比如，采用已设置的高度和角度组成，仅凭中央控制驱动装置使其安装方法的整体构成得以上下、左右方向进行旋转，因此安装直接辐射表的设定过程不够精确，且因此类不够精确的设定过程，导致了测量精度下降的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在解决过去直接辐射观测用太阳追踪器若干问题。
本发明目的在于提供一种直接辐射观测用太阳追踪器及其驱动方法，在所述用于观测太阳直接辐射的太阳追踪器中，配备该太阳追踪器的直接辐射表安装单元按照可上下微调角度以及左右微调角度的结构组成，以便安装直接辐射表后的一系列设定工作更加精确，通过精确的直接辐射表设定尽可能减少测量误差。
同时，本发明又一目的在于提供一种直接辐射观测用太阳追踪器及其驱动方法，利用东西南北4个方向的太阳敏感器，使直接辐射表安装单元移到光线最强烈处，根据太阳移动速度每2秒移动脉冲电机，且，仅在直接辐射量在120Wm-2以上时驱动，小于该值时使用计算模式值，以此尽可能减少计算方法中可能会发生的测量误差。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明涉及的直接辐射观测用太阳追踪器及其驱动方法的具体方法如下。
太阳追踪器的驱动控制箱连接安装在安装用支柱的上面，直接辐射表安装单元连接安装在驱动控制箱一侧面。
所述直接辐射表安装单元由太阳敏感器安装件、配备角度设定装置的方形驱动支架、以及在所述方形驱动支架上面的左右两侧面水平布置多个并结合形成的直接辐射表装载板组成。
同时，通过GPS信号自动确认安装太阳追踪器场所的经纬度和时间的GPS模式、通过计算方位角和高度角确认太阳位置的时间设置模式、以及仅在直接辐射量在120Wm-2以上时驱动，小于该值时使用计算模式值的太阳敏感器模式来控制直接辐射表安装单元运行。
(三)有益效果
本发明涉及一种直接辐射观测用太阳追踪器及其驱动方法，通过配备该太阳追踪器的直接辐射表安装单元按照可上下微调角度以及左右微调角度的结构，达到安装直接辐射表后的一系列设定工作更加精确，通过精确的直接辐射表设定工作尽可能减少测量误差等，达到增大使用效率的效果。
另一方面，本发明涉及一种直接辐射观测用太阳追踪器及其驱动方法，利用太阳敏感器使直接辐射表安装单元移到光线最强烈处，根据太阳移动速度每2秒移动脉冲电机，且，仅在直接辐射量在 120Wm-2以上时驱动，小于该值时使用计算模式值，以此尽可能减少计算方法中可能会发生的测量误差，达到非常有用的预期效果。
附图说明
图1是应用于本发明的直接辐射观测用太阳追踪器透视图。
图2是应用于本发明的直接辐射观测用太阳追踪器局部剖面结构图。
图3是应用于本发明的直接辐射表安装单元透视图。
图4是应用于本发明的直接辐射表安装单元正面放大结构图。
图5是应用于本发明的直接辐射表安装单元侧面放大结构图。
图6是应用于本发明的可调支柱的要点放大图。
图7是应用于本发明的轴连接件和上下角度调节轴的结合状态剖面图。
图8是本发明涉及的直接辐射观测用太阳追踪器的驱动方法流程图。
图9是太阳与地球之间的距离变化值离心率图表。
图10是表示太阳的位置的赤纬图表。
图11是日规变化图表。
图12是表示太阳辐射量变化因素的图表。
图13是以天体的地平线为基准表示太阳高度的地平线坐标系。附图说明标记
100：安装用支柱 200：驱动控制箱
300：直接辐射表安装单元 1：方形驱动支架
2：直接辐射表装载板 3：太阳敏感器
4：直接辐射表 11：太阳敏感器安装件
12：角度设定装置 21：可调支柱
22：轴连接件 23：V槽支架
24：安装固定孔 10：GPS模式
20：运行时间设置模式 30：太阳敏感器模式
具体实施方式
下面参照附图详细说明本发明涉及的直接辐射观测用太阳追踪器的驱动方法的优先实施例。
参考附图来看本发明的大体结构。
由安装用支柱(100)和驱动控制箱(200)、以及直接辐射表安装单元(300)组成。
这里首先，所述安装用支柱(100)由完成一种连接器作用的一般结构组成，用其在地面安装和固定太阳追踪器后，通过连接外部电源驱动太阳追踪器。
此类安装用支柱如图1或图2所示一样，以紧贴地面的三脚架方式托片(101)为基准，在所述托片(101)上部中央面直立安装固定轴 (102)，在所述固定轴(102)上端有贯通连接在下述驱动控制箱(200) 底面的旋转导向轴(103)。
按照上述结构组成的安装用支柱(100)如图1所示，托片(101) 上端一侧面增加埋设有采用模拟方式或数字方式中任意一种方式的水平仪(L)，此类水平仪(L)属于感应设备倾斜程度以便保持水平的一般功能组成，本发明同样为了保持太阳追踪器水平直接沿用了通常的水平仪(L)。
同时，所述驱动控制箱(200)采用通过接收太阳敏感器感应的太阳高度角及方位角变化信号，并根据该信号传递的太阳高度角与方位角的变化控制太阳追踪器(驱动控制箱)左右旋转，同时控制下述直接辐射表安装单元(300)上下旋转的一般结构。因此，这种驱动控制箱(200)在其内侧下面内设如图2所示的控制左右旋转电机(201)，所述控制左右旋转电机(201)上面内设控制上下旋转电机(202)，再将GPS接收器(图略)安装在驱动控制箱(200)内侧一面，这种组成与一般太阳追踪器相同，因此省略关于其它具体组成要素的说明。
另外，所述直接辐射表安装单元(300)是用于安装太阳敏感器和直接辐射表的本发明核心重要构成，这一直接辐射表安装单元(200) 如图1或图3所示，以前方下面中央部位配备太阳敏感器安装件(11) 且在后方左右两侧面布置多个组成之角度设定装置(12)的方形驱动支架(1)作为基础构成，在所述方形驱动支架(1)上面，增加结合分配在左右两侧面的多个水平布置的直接辐射表装载板(2)，所述直接辐射表装载板(2)如图3乃至图5所示，最好由前方中央下面与所述方形驱动支架(1)形成上下隔离结构结合连接的可调支柱(21)、后方中央下面与所述方形驱动支架(1)的角度设定装置(12)形成隔离结构结合的轴连接件(22)、上面前后方向由一对对向结构突起形成的V槽支架(23)、以一对V槽支架(23)为基准垂直贯通直接辐射表装载板(3)内侧面的多个辐射表安装固定孔(24)组成。
此时，上述直接辐射表安装单元(200)中，所述角度设定装置(12) 如图3所示，由直四角块结构的可调移动构件(121)、水平贯通所述可调移动构件(121)并以螺丝结合的左右角度调节轴(122)、垂直贯通所述可调移动构件(121)并以螺丝结合的上下角度调节轴(123) 组成，所述上下角度调节轴(123)如图7所示，由高度调整杆(123-1)、连接在高度调整杆(123-1)上面的构件连接螺丝装置(123-2)、在所述构件连接螺丝装置(123-2)上端整体式延长的轴连杆(123-3)、在轴连杆(123-3)上端整体式延长的收尾螺丝装置(123-4)组成。
另一方面，上述直接辐射表安装单元(200)中，由所述直接辐射表装载板(2)形成的可调支柱(21)如图6所示，其下端连接由轴承组成的装配连接件(211)，上端由连接铰链连接件(212)的圆筒状轴结构组成，另一方面，所述轴连接件(22)如图7所示，增加形成有垂直贯通内侧面的输送导向连接孔(221)。
以上述一系列方式形成的本发明涉及的直接辐射观测用太阳追踪器，其相互结合关系如下。
如图2所示，在安装用支柱(100)上面连接安装以控制左右旋转电机(201)来控制驱动控制箱(200)的左、右旋转的动力结合结构，在驱动控制箱(200)的左右两侧面对称安装通过控制上下旋转电机 (202)来控制直接辐射表安装单元(300)的上、下旋转的动力结合结构。
继而，在上述状态下，由直接辐射角驱动支架(1)配备的太阳敏感器安装件(11)上安装太阳敏感器(3)，由直接辐射表装载板(2) 配备的V槽支架(23)上安装直接辐射表(11)。
此时，所述直接辐射表(4)另外配置紧固螺栓以便在直接辐射表装载板(2)上更加稳固连接固定直接辐射表(4)，因此把配在直接辐射表(4)的紧固螺栓插入安装固定孔(24)，连接螺母固定插入的紧固螺栓(41)完成直接辐射表(4)的安装，以此实现应用于本发明的直接辐射观测用太阳追踪器。
按照上述一系列结合方式安装直接辐射表(4)的太阳追踪器，所述直接辐射表(4)通过角度设定装置(12)进行初始设定工作，如图4或图7所示，通过正反向旋转左右角度调节轴(122)使直接辐射表装载板(2)对准入射到左、右直接辐射表(4)的太阳方位角，同时正反向旋转上下角度调节轴(123)对准入射直接辐射表(4)的太阳高度角状态下，使其具备一系列太阳追踪器驱动关系，以此完成太阳辐射能的观测。
此时，在进行所述初始设定工作时，尤其角度设定装置(12)的左右角度调节轴(122)采用水平贯通可调移动构件(121)的结合结构，上下角度调节轴(123)采用垂直贯通可调移动构件(121)的结合结构，所述左右角度调节轴(122)的正反向旋转作用受到上下角度调节轴(123)结合结构的干涉，使可调移动构件(121)无法移动；
于是，由上下角度调节轴(123)配备的轴连杆(123-3)插入轴连接件(22)的输送导向连接孔(221)并结合，使输送导向连接孔 (221)内径大于所述轴连杆(123-3)直径，插入结合轴连杆(123-3) 时，在其结合部位形成如图7所示的输送导向间隙(G)，例如既定空间，在其输送导向间隙(G)范围内可以进行距离调整。
另外，本发明涉及的直接辐射观测用太阳追踪器的驱动方法采用上述器具式控制方法同时，利用用于此类器具式控制的一系列数学算法，根据算法的驱动方法如下。
如图8所示，最好通过由GPS自动确认安装太阳追踪器地点的经纬度和时间的GPS模式(10)、计算方位角和高度角确认太阳位置的运行时间设置(Run time set)模式(20)、以及仅在120Wm-2以上直接辐射量时驱动，小于该值时使用计算模式值的太阳敏感器模式(30) 来控制直接辐射表安装单元(300)的运行。
这里，所述GPS模式(10)通过GPS来自动确认安装太阳追踪器地点的经纬度和时间，无法接收GPS时使用默认设置(default)值，根据经纬度的观测方向最好以北半球按照东→南→西、南半球按照东→北→西，以东经00UTC为基准设置为正(+)，以西经00UTC为基准设置为负(-)。
所述运行时间设置(Run time set)模式(20)通过计算方位角和高度角确认太阳位置，在此计算过程中，首先地球以一年为周期公转太阳的期间，地球与太阳之间距离变化以离心率(E0)显示，该离心率(E0)例如太阳与地球之间距离变化值(E0)与图9所示的离心率相同，最好
通过【数学公式1】
这里，
Eo＝离心率(地球与太阳之间距离变化)
ro＝地球与太阳之间平均距离(1AU＝1.496×108Km)
r＝地球与太阳之间实际距离
Γ＝2π(dn-1)/365，这里，dn＝儒略历日期(julian date)
进行计算。
此时，地球与太阳之间实际距离于春分和秋分时显示1AU值，冬至为0.983AU最短，夏至为1.017AU最长。
所述运行时间设置(Run time set)模式(20)是显示太阳位置的坐标之一，如图10所示的赤纬图表，用赤纬(δ)显示太阳方向和北极方向形成角的余角，该赤纬(δ)最好
通过【数学公式2】
计算太阳赤纬(δ)值。
这里，地球和太阳之间实际距离于零分和秋分时显示0°，冬至为-23.5°最小，夏至为23.5°最大。
且，所述运行时间设置(Run time set)模式(20)如图11所示的日规变化图表，通过时间方程式(Et)显示跟踪太阳运动，这种时间方程式(Et)最好
通过【数学公式3】
Et＝0.00075+0.001868cosΓ-0.32077sinΓ-0.014615cos2Γ-0.040849sin2Γ
显示。
此时，时间方程式(Et)如图11所示，-轴上值在显示地区平均时间的日规上显示较快，在轴下日规上显示较慢。
晴天，对抵达地表面的太阳辐射量变化产生最大影响的因素是太阳天顶角(θ)，如图12所示，因此所述运行时间设置(Run time set) 模式(20)最好通过
【数学公式4】
θ＝sinδsinΦ+cosδcosΦcosω
计算太阳天顶角(θ)。
此时，在数学公式4中，
这里，
GMT：英国格林尼治时间
ψ：经度值
太阳高度角是以天体地平线为基准用角度显示的太阳高度，如图 13所示的地平坐标系，因此所述运行时间设置(Run time set)模式(20) 最好
通过【数学公式5】
α＝90°-θ，这里θ为太阳天顶角
计算太阳高度角(α)；并以
cosθ＝sinδsinΦ+cosδcosΦcosω＝sinα
sinα＝sinδsinΦ+cosδcosΦcosω
公式显示。
太阳在地平线时，太阳高度角为0°，太阳上升到正中央时，太阳的高度角为90°。
方位角(Ψ)是以北点(正北)为基准按顺时针方向显示的包括天体在内的垂直圈(穿过天体与天顶的大圆)和观测者站立位置的子午线形成的角度，如图13所示数值，因此所述运行时间设置(Run time set)模式(20)最好
通过【数学公式6】
cosψ＝sinαsinΦ-sinδ)/cosαcosΦ
计算太阳方位角(Ψ)。
最后，所述太阳敏感器模式(30)最好利用东西南北4个方向太阳敏感器，使直接辐射表安装单元移到阳光最强烈处，并根据太阳移动速度每2秒移动脉冲电机，且仅在直接辐射量达到120Wm-2以上时驱动，小于该值时使用计算模式值。
Claims (4)
1.一种太阳追踪器，其特点在于安装用支柱(100)上面连接安装用来控制驱动控制箱(200)左、右旋转的动力结合结构，驱动控制箱(200)一侧面连接安装用来控制直接辐射表安装单元(300)上、下旋转的动力结合结构，
所述直接辐射表安装单元(300)，由前方中央配备太阳敏感器安装件(11)且后方左右两侧面布置多个角度设定装置(12)组成的方形驱动支架(1)、所述方形驱动支架(1)上面的左右两侧面水平布置的多个直接辐射表装载板(2)组成；
一种直接辐射观测用太阳追踪器，其特点在于所述直接辐射表装载板(2)的前方下面通过可调支柱(21)与方形驱动支架(1)以上下隔离结构结合形成，直接辐射表装载板(2)后方下面通过轴连接件(22)与方形驱动支架(1)的角度设定装置(12)以隔离结构结合形成。
2.根据权利要求1，直接辐射观测用太阳追踪器的特点在于，所述角度设定装置(12)由可调移动构件(121)、水平贯通所述可调移动构件(121)并以螺丝结合的左右角度调节轴(122)、垂直贯通所述可调移动构件(121)并以螺丝结合的上下角度调节轴(123)组成。所述上下角度调节轴(123)由高度调整杆(123-1)、连接在高度调整杆(123-1)上面的构件连接螺丝装置(123-2)、在所述构件连接螺丝装置(123-2)上端整体式延长的轴连杆(123-3)、在轴连杆(123-3)上端整体式延长的收尾螺丝装置(123-4)组成，
直接辐射表装载板(3)在上面前后方向以对向结构增加突起形成一对V槽支架(23)，以所述一对V槽支架(23)为基准，形成垂直贯通在直接辐射表装载板(3)内侧面的辐射表安装固定孔(24)，
轴连接件(22)在垂直贯通的输送导向连接孔(221)和所述输送导向连接孔(221)中插入结合轴连杆(123-3)，插入结合所述轴连杆(123-3)时，输送导向连接孔(221)以大于所述轴连杆直径的空间额外形成输送导向间隙(G)，
可调支柱(21)由下端连接以轴承组成的装配连接件(211)，上端连接铰链连接件(212)的圆筒状轴结构组成。
3.一种直接辐射观测用太阳追踪器的驱动方法，其特点在于安装用支柱(100)上面连接安装用来控制配备GPS的驱动控制箱(200)左、右旋转的动力结合结构，驱动控制箱(200)一侧面连接安装用来控制直接辐射表安装单元(300)上、下旋转的动力结合结构，
所述直接辐射表安装单元(300)包括前方中央配备太阳敏感器安装件(11)且在后方左右两侧面以多个组成布置角度设定装置(12)的方形驱动支架(1)、所述方形驱动支架(1)上面的左右两侧面以水平布置结构结合的多个直接辐射表装载板(2)，在驱动控制箱左右两侧面对称安装控制上、下旋转的动力结合结构，
所述直接辐射表安装单元(300)由通过GPS自动确认太阳追踪器安装地点的经纬度和时间的GPS模式(10)、计算方位角和高度角确认太阳位置的运行时间设置模式(20)、仅在直接辐射量在120Wm-2以上时驱动，小于该值时使用计算模式值的太阳敏感器模式(30)控制其运行。
4.根据权利要求1，一种直接辐射观测用太阳追踪器的所述运行时间设置模式(20)特点在于：
通过数学公式1
这里，
Eo＝离心率(地球与太阳之间距离变化)
ro＝地球与太阳之间平均距离
r＝地球与太阳之间实际距离
Γ＝2π(dn-1)/365，这里由dn＝儒略历日期(julian date)计算太阳与地球之间距离变化值；
通过数学公式2
计算太阳赤纬(δ)值；
通过数学公式3
Et＝0.00075+0.001868cosT-0.32077sinT-0.014615cos2T-0.040849sin2T
显示时间方程式(Et)；
通过数学公式4
θ＝sinδsinΦ+cosδcosΦcosω
这里，
GMT：英国格林尼治时间
ψ：经度值
计算太阳天顶角(θ)；
通过数学公式5
α＝90°-θ，这里，θ为太阳天顶角
计算太阳高度角(α)；并以
cosθ＝sinδsinΦ+cosδcosΦcosω＝sinα
sinα＝sinδsinΦ+cosδΦcosω
公式显示；
通过数学公式6
计算太阳方位角(Ψ)。
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- 2017-11-10 CN CN201711102889.4A patent/CN108270393A/zh active Pending
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