CN108490985A - 太阳跟踪系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳跟踪系统及方法，太阳跟踪系统包括传感器单元、控制器单元、驱动器单元、机械单元。传感器单元固定在双自由度受光板上，双自由度受光板为机械单元的一个组件。太阳跟踪系统通过传感器单元感测太阳光入射偏角，将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元驱动机械单元，调整双自由度受光板及传感器单元正对太阳。太阳跟踪方法包括对阳光入射角大角度偏差进行粗调跟踪和对阳光入射角小角度偏差精调跟踪。所述精调跟踪，应用透镜系统汇聚高光强光束，通过平面镜反射形成光杠杆，实现阳光入射角小角度偏差时传感器单元中接收的高光强光束大位移偏移，提升传感器灵敏度，实现精调跟踪。

Description

太阳跟踪系统及方法

技术领域

本发明属于太阳跟踪技术及太阳能应用领域，具体涉及一种太阳方位实时跟踪的应用系统及太阳方位实时跟踪的方法。

背景技术

太阳能是一种绿色能源，为了能高效应用、转化太阳能能源，大多太阳能应用装置(包括但不局限于太阳能集热器、太阳能发电装置，下同)需要实时接收最大的太阳光入射光强，以此保证实时接收最大光能，这就需要对太阳能应用装置实施太阳跟踪和控制。

实施太阳能应用装置对太阳跟踪和控制的方法，目前主要有太阳轨迹计算法，GPS定位法以及光电感应法。其中太阳轨迹计算法，主要是有应用天文知识计算太阳轨迹，将太阳轨迹输入太阳跟踪系统的程序系统，太阳跟踪系统通过程序控制进行系统调节跟踪，其不足是，天文计算过程比较复杂，不同地理位置安装太阳跟踪系统应用天文计算存在计算误差，尤其对于太阳跟踪精准性要求较高的系统，很难保证其跟踪的实时精准性。

GPS定位法，需要跟踪系统的程序读取GPS电路信号，获得当地经度、纬度和日期时刻等信息，依次计算太阳位置进行跟踪，该法存在定位及计算的误差，对于太阳跟踪精准要求的太阳能应用装置很难满足，同时对于山区等特殊地理位置，GPS信号较难覆盖，很难在特殊地理位置应用。

光电感应法主要应用感光元件感测太阳光入射光强因太阳光入射角的变化而引起的差异进行测量比对，从而驱动跟踪系统进行调整校对，以消除入射光强的差异，或者追求感测最大光强为跟踪校准的标准，该法的好处是不受经度、纬度以及地理形貌的限制，例如专利“太阳光光纤照明装置”(申请号01113529.8)采用四象限光伏探测器追踪太阳，但也存在一定的缺点，在阳光焦斑偏离四象限的中心时，四象限仅能提供偏差的大致方向信息，无法获得偏差的具体数值和准确方向，同时在焦斑偏离中心的偏离度较小时，即太阳光入射小角度偏差时，由于四象限光伏板的物理误差及光伏板自身灵敏度的局限，四象限光伏探测器很难灵敏感测，因此这种方法对于太阳光入射小角度偏差时很难实现精准调整跟踪的效果。

同样基于光电感应原理的太阳追踪系统也有应用光传感面板感测太阳光的强度随入射角度的增大而逐渐变小的效应，从而以光传感面板感测光强最大值为追踪校准的标准，例如专利“太阳光追踪系统、太阳能应用装置与太阳光追踪方法”(申请号201611187714.3)，该方法阐述了应对太阳光入射小角度偏差时的精调方法及步骤，具体为追踪系统的光传感面板测得的光强变化趋势已持续变弱时，追踪系统的控制器控制驱动装置转换为反向运转，直至光传感面板测得的光强变化趋势是由持续变强转变为连续变弱，以此判断追光到位。这类方法主要有两点不足，第一，只考虑太阳光直射光的光强，其辐射到光传感面板的光强是与入射角成余弦函数的关系，在太阳光入射角为0°附近的小角度范围内，入射光强变化不明显，即太阳光入射的光强最大时，在入射角为0°临近小角度偏差内，光强平稳光滑，而不是尖锐峰值，所以这对感测光强的传感器系统灵敏度要求极高，成本较低的普通光伏板很难达到这种高灵敏度的要求，因此这类方法依然对太阳光入射角小角度偏差时在实际应用中很难精准校对跟踪；另外，从光传感面板感测最大光强的过程可以看到，最终判断追光到位的标准为传感器测得的光强变化趋势是由持续变强转变为连续变弱，以此判断追光到位，显然方法存在固有偏差，追光系统判断光强最大值得位置显然过了最大值的实际方位，因此这种方法存在固有的小角度偏差，这对要求精准跟踪太阳的系统很难适用。

发明内容

本发明的一个主要目的在于针对上述现有技术、方法的缺陷，至少针对一种缺陷，提供一种高精度跟踪太阳的系统，同时追求这种方法及系统的低成本化。

本发明的另一个主要目的在于针对上述现有技术、方法的缺陷，至少针对一种缺陷，提供一种高精度跟踪太阳的方法。

为实现上述发明，本发明采用如下技术方案：

根据发明的一个方面，提供了一种太阳跟踪系统，所述的太阳跟踪系统包括传感器单元，控制器单元，驱动器单元，机械单元。所述传感器单元固定在双自由度受光板上，所述双自由度受光板为机械单元的一个组件。所述传感器单元感测太阳光入射角偏角，将光强信号转化为电压信号传输给控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元驱动机械单元，调整机械单元的双自由度受光板组件进行跟踪太阳运动。

根据本发明的一实施方式，其中所述的传感器单元具有一粗调装置和精调装置，所述的粗调装置能够对太阳光入射角大角度偏差时进行感测，并将接收到的光强信号转化为电压信号输入给控制器单元，所述的控制器单元控制驱动器单元，所述的驱动器单元驱动机械单元，所述的机械单元调整双自由度受光板进行粗调跟踪太阳；所述的精调装置能够对太阳光入射角小角度偏差时进行感测，并将接收到的光强信号转化为电压信号输入给控制器单元，所述的控制器单元控制驱动器单元，所述的驱动单元驱动机械单元，所述的机械单元调整双自由度受光板进行精调跟踪太阳。

根据本发明的一实施方式，其中所述的粗调装置包含在精调装置中，所述的粗调装置全部组件为精调装置的部分组件。所述的传感器单元包括光强感测面板，所述的光强感测面板为光伏板、光敏电阻阵列、光电二极管。

根据本发明的一实施方式，其中所述的光强感测面板包括两组光强感测板，第一组光强感测板为第一光强感测面板与第二光强感测面板，第二组光强感测板为第三光强感测面板与第四光强感测面板；所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板分别布置在所述的双自由度受光板的受光面上，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板平行于双自由度受光板横轴方向对称布置，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板成直角夹角布置在双自由度受光板的受光面上，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板分别与双自由度受光板成45°角布置在双自由度受光板的受光面上。所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板分别布置在所述的双自由度受光板的受光面上，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板平行于双自由度受光板纵轴方向布置，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板成直角夹角布置在双自由度受光板的受光面上，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板分别与双自由度受光板成45°角布置在双自由度受光板的受光面上。

根据本发明的一实施方式，其中所述的光强感测面板为光伏板，所述的第一光强感测面板、第二光强感测面板、第三光强感测面板及第四光强感测面板为四块全等的等腰梯形面板，所述的等腰梯形的底角大小为所述的第一光强感测面板的右侧腰线与第三光强感测面板的左侧腰线重合绝缘拼接，第三光强感测面板的右侧腰线与第二光强感测面板的左侧腰线重合绝缘拼接，第二光强感测面板的右侧腰线与第四光强感测面板的左侧腰线重合绝缘拼接，第四光强感测面板的右侧腰线与第一光强感测面板的左侧腰线重合绝缘拼接，组成对面垂直的正四棱台光强感测单元。

根据本发明的一实施方式，其中所述的光强感测面板包括两组光强感测板，所述的两组光强感测板组成对面垂直的正四棱台光强感测单元，所述的正四棱台光强感测单元与降低光强的滤镜片构成粗调装置，所述的粗调装置能够在太阳光入射角大角度偏差时至少一组光强感测面板中的两块光强感测面板接收太阳光光强存在差异，所述的两组光强感测板分别将光强信号转化为电压信号并输入控制器单元，所述的两组光强感测板中第一组光强感测板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第一自由度上进行旋转；所述的两组光强感测板中第二组光强感测板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第二自由度上进行旋转，实现太阳光入射大角度偏差的粗调跟踪。

根据本发明的一实施方式，其中所述的精调装置应用光杠杆方式进行太阳精准跟踪，所述的光杠杆是将太阳光入射小角度偏差转化为汇聚高光强光束大位移偏转。所述的精调装置包括汇聚太阳光线的透镜组、反射光线的反射镜组、遮挡光线的遮挡片、降低光强的滤镜片及所述的对面垂直的正四棱台光强感测单元。

根据本发明的一实施方式，其中所述的精调装置的透镜组为两片凸透镜，所述的反射镜组为两块平面镜，所述的遮挡片为所述的两块平面镜中的一块平面镜，所述的滤镜片为半透半反镜。所述的两片凸透镜主光轴重合布置，所述的两片凸透镜的主光轴所在直线穿过所述的两块平面镜的第一块平面镜，所述的第一块平面镜与所述的两片凸透镜的主光轴成45°夹角。所述的两块平面镜的第二块平面镜布置于所述的对面垂直的正四棱台光强感测单元正上方，所述的两块平面镜的第二块平面镜与所述的两块平面镜的第一块平面镜平行，所述的两块平面镜的第二块平面镜与所述的两块平面镜的第一块平面镜的中心所在直线与所述的两片凸透镜的主光轴垂直。所述的遮挡片为所述的两块平面镜中的第二块平面镜。所述的半透半反镜布置于所述的对面垂直的正四棱台光强感测单元正上方，所述的半透半反镜布置于所述的两块平面镜中的第二块平面镜的正下方。

根据本发明的一实施方式，其中所述的控制器单元接收所述的传感器单元的粗调装置或精调装置的光强信号，控制所述的驱动系统、机械系统运转或休眠。

根据本发明的另一方面，一种太阳跟踪方法，应用于太阳跟踪系统。所述的太阳跟踪系统包括传感器单元，控制器单元，驱动器单元，机械单元。所述传感器单元固定在双自由度受光板上，所述双自由度受光板为机械单元的一个组件。所述的传感器单元包括两组光强感测板，所述的两组光强感测板中第一组光强感测板包括第一光强感测面板与第二光强感测面板，所述的第一组光强感测板与第二组光强感测板分别通过控制器单元、驱动器单元控制所述的双自由度受光板在两个自由度上独立旋转。所述的第一组光强感测板包括第一光强感测面板与第二光强感测面板，所述的第二组光强感测板包括第三光强感测面板与第四光强感测面板；所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板分别布置在所述的双自由度受光板的受光面上，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板平行于双自由度受光板横轴方向布置，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板成直角夹角布置在双自由度受光板的受光面上，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板分别与双自由度受光板成45°角布置在双自由度受光板的受光面上。所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板分别布置在所述的双自由度受光板的受光面上，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板平行于双自由度受光板纵轴方向布置，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板成直角夹角布置在双自由度受光板的受光面上，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板分别与双自由度受光板成45°角布置在双自由度受光板的受光面上。所述的传感器单元包括汇聚太阳光线的透镜组、反射光线的反射镜组、遮挡光线的遮挡片、降低光强的滤镜片。

所述的太阳跟踪方法，包括粗调步骤与精调步骤：

所述的粗调步骤应用于太阳光入射大角度偏差时，至少一组所述的光强感测板中的两块光强感测面板接收太阳光光强存在差异，所述的两组光强感测面板分别将光强信号转化为电压号并输入控制器单元，所述的两组光强感测板中第一组光强感测板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第一自由度上进行旋转；所述的两组光强感测面板中第二组光强感测面板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第二自由度上进行旋转，实现太阳光入射大角度偏差的粗调跟踪。

所述的精调步骤应用于太阳光入射小角度偏差时，所述的传感器单元的所述的透镜组汇聚高光强光束，经由所述的反射镜组反射，延伸高光强光束的光程，将太阳光入射角的小角度偏差转化为所述的高光强光束射在所述的光强感测面板上的光斑大位移偏移，形成光杠杆。所述的两组光强感测板中至少一组所述的光强感测板中的两块光强感测面板接收太阳光光强存在差异，所述的两块光强感测面板中一块接收到所述的高光强光束，另一块被所述的遮挡片遮挡，致使所述的两块光强感测面板接到的光强信号存在较大差异。所述的两组光强感测板分别将光强信号转化为电压号并输入控制器单元，所述的两组光强感测板中第一组光强感测板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第一自由度上进行旋转；所述的两组光强感测板中第二组光强感测板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第二自由度上进行旋转，直至所述的第一光强感测面板、第二光强感测面板、第三光强感测面板及第四光强感测面板接收的太阳光入射光强相同，所述的双自由度受光板停止旋转，所述的太阳跟踪系统跟踪到位，实现太阳光入射小角度偏差的精调跟踪。

由上述技术方案可知，本发明的太阳跟踪系统及方法的优点在于：太阳跟踪的精调装置中包含粗调装置，并非两套独立的装置，这在系统设计及装配时更加集约化。同时粗调装置应用于太阳光入射大角度偏差时，光强感测面板的灵敏度足够分辨；在太阳光小角度偏差时，应用光杠杆原理，将太阳光小角度偏差转化为太阳光汇聚的高光强光束的大位移偏移，致使部分光强感测面板接收的光强加大，而对侧的光强感测面板受到遮挡片的遮挡，接收的光强减弱，从而放大因太阳光小角度偏差而带来的太阳光入射光强的差异，克服光强感测面板自身灵敏度较低的不足，实现太阳光入射小角度偏差的校准跟踪。

附图说明

附图仅为本发明的示范性定性图解，并非固化的单一实际系统装置，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或者类似的部件，其中：

图1是根据一示例性实施方式示出的一种太阳跟踪系统应用装置结构示意图；

图2是根据一示例性实施方式示出的一种太阳跟踪系统中传感器单元组件及结构示意图；

图3是根据一示例性实施方式示出的一种太阳跟踪系统中传感器单元的4块光强感测面板俯视图的示意图；

图4是根据一示例性实施方式示出的一种太阳跟踪系统中传感器单元，在太阳入射光大角度偏差时传感器单元的光强感测面板接收阳光光线示意图；

图5是太阳光入射角度的示意图；

图6是太阳跟踪系统对准太阳时，阳光正入射传感器单元的光线示意图；

图7是太阳跟踪系统斜对太阳时，光线相对传感器单元出现小角度偏差时，阳光射入传感器单元的光线示意图。

具体实施方式

现在将通过参看附图更全面地描述示例实施方式，而实际示例实施方式能够以多种形式实施，且不应该被理解为仅仅局限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式的示例使得本发明更加全面和完整，同时更加方便地将本发明的原理、构思、设计及实施全面易懂地传达给本领域的技术人员。

如图1所示：本发明太阳跟踪系统的结构示意图，1是传感器单元，11是双自由度受光板，15是控制器单元，13是驱动器单元的驱动双自由度受光板水平面内(第一自由度，下同)旋转的步进电机，14是驱动器单元的驱动双自由度受光板进行俯仰(第二自由度，下同)旋转的步进电机，12是太阳跟踪系统的机械单元中的三叉型U型支架。

本发明的太阳跟踪系统，通过传感器单元1感测太阳光入射角偏角，将接受到的光强信号转化为电压信号输入给控制器单元15，控制器单元15通过比较输入的电压信号做出驱动器所需的开关指令，当控制器单元15输入给驱动器单元的开关指令为开通指令时，同时会输入给驱动器单元的步进电机转动方向的指令，驱动器单元通过步进电机13的驱动，从而驱动与三叉型U型支架12固接的水平齿轮17，从而驱动三叉型U型支架12在水平面上进行旋转，调整双自由度受光板11在水平面自由度方向上指向太阳的角度；驱动器单元通过步进电机14带动丝杆18，从而驱动螺纹滑块25的起降，实现驱动双自由度受光板11在俯仰自由度方向的旋转，从而调整双自由度受光板11在俯仰自由度方向指向太阳的角度。

当双自由度受光板11的法线与太阳入射光线不平行时，即太阳入射光线相对双自由度受光板11的法线方向存在偏角时，太阳跟踪系统的控制器单元15接收到传感器单元1输入的电压偏差信号，控制器单元15将输入给驱动器单元开通指令，驱动器将调整双自由受光板11在水平面自由度方向上及俯仰自由度方向上向正对太阳的方向进行旋转，当双自由度受光板11正对太阳时，控制器单元15输入给驱动器单元关闭指令，驱动器单元的步进电机13或14进入停止运转、休眠状态。

如图5所示，ON为双自由度受光板的法线，PO示意为太阳光的入射光线，∠PON为太阳光线入射角。

本发明的太阳跟踪系统的传感器单元1的光强感测组件是由四块光强感测面板组成，本示例中的四块光强感测面板是四块全等等腰梯形形状的光伏板，等腰梯形光伏板的底角大小为等腰梯形光伏板2的右侧腰线与等腰梯形光伏板4的左侧腰线重合绝缘拼接，等腰梯形光伏板4的右侧腰线与等腰梯形光伏板3的左侧腰线重合绝缘拼接，等腰梯形光伏板3的右侧腰线与等腰梯形光伏板5的左侧腰线重合绝缘拼接，等腰梯形光伏板5的右侧腰线与等腰梯形光伏板2的左侧腰线重合绝缘拼接，四块全等等腰梯形光伏板组成光伏板2与光伏板3相对并且垂直，光伏板4与光伏板5相对并且垂直的对面垂直的正四棱台光强感测单元。四块光伏板分别与双自由度受光板11成角45°装置在双自由度受光板11的横轴方向的一侧。如图2所示光伏板4与光伏板5沿双自由度受光板11的横轴线装置在双自由度受光板11的右侧方形平台上；光伏板2和光伏板3平行于双自由度光伏板11纵轴线装置在双自由度受光板11上。

如图3所示，本发明太阳跟踪系统中传感器单元1示例的四块光伏板构成的对面垂直正四棱台光强感测单元的俯视图，四块光伏板组成的对面垂直正四棱台光强感测单元及其正上方装置的半透半反镜10构成传感器单元的粗调装置。

如图4所示，当太阳光入射角出现大角度偏差时，太阳跟踪系统的传感器单元1的光强感测面板接收太阳光的示意图，例如光伏板5接收到部分太阳的直射光与部分经过半透半反镜透射的太阳光，光伏板4接收的太阳光均为经过半透半反镜的透射光，且太阳光相对光伏板5的入射角较小，相对光伏板4的入射角较大，因此光伏板5接收的光强明显大于光伏板4接收的光强，光伏板5光电转化的电压明显大于光伏板4光电转化的电压，光伏板5与光伏板4分别输出的电压信号输入给控制器单元，进行太阳跟踪系统的粗调跟踪。

如图2所示，本发明太阳跟踪系统的传感器单元1示例结构中，凸透镜6、凸透镜7、平面镜8、平面镜9、半透半反镜10及光伏板2、光伏板4、光伏板3、光伏板5为组成精调装置的主要元件。

如图2所示，本发明太阳跟踪系统的传感器单元1示例结构中，凸透镜6、凸透镜7及平面镜8通过镜筒或者支架装置在双自由度受光板11横轴线上的左侧方台上，凸透镜6与凸透镜7的主光轴重合，凸透镜6与凸透镜7的主光轴所在直线穿过平面镜8的中心，凸透镜6与凸透镜7的镜面与双自由度受光板11平行，平面镜8与双自由度受光板11成角45°。

如图2所示，本发明太阳跟踪系统的传感器单元1示例结构中，平面镜9通过支架或镜筒装置在四块光伏板组成的对面垂直正四棱台光强感测单元的正上方，平面镜9的中心与平面镜10的中心所在的直线与凸透镜6、凸透镜7的主光轴所在直线垂直，平面镜9与双自由度受光板11成角45°。

如图2所示，本发明太阳跟踪系统的传感器单元1示例结构中，半透半反镜10装置在四块光伏板组成的对面垂直正四棱台光强感测单元的正上方，平面镜9的正下方。本发明太阳跟踪系统的传感器单元1中的半透半反镜10至少有三个作用：作用一是减弱太阳光入射到光伏板2或3或4或5上的光强，防止光伏板在太阳光相对双自由度受光板11正入射前接收光能饱和，从而影响其对光强变化的灵敏度；作用二是用于减弱经由经由凸透镜6与凸透镜7汇聚的高光强太阳光光束光强，保护光伏板，同时使得光伏板即使在接收到经由凸透镜6与凸透镜7汇聚的高光强太阳光光束时，仍然处于接收光能接近或者未饱和状态，保证光伏板的光电输出的灵敏性；作用三是太阳跟踪系统处于太阳入射光大角度偏差时进行的粗调状态时，对于太阳光线入射角较大的光伏板起到遮光作用，从而加大太阳光入射角较小的光伏板与太阳光入射角较大的光伏板接收光能的差异，提升粗调系统的灵敏度。

如图6所示，当太阳光线平行于双自由度受光板11的法线方向入射时，即太阳光线垂直于双自由度受光板入射时11，光伏板4与光伏板5接收到太阳直射光的光线对称均匀分布，光伏板4与光伏板5接收到的太阳直射光强相等；当太阳光线平行于双自由度11受光板的法线方向入射时，平面镜9作为遮挡片，对于光伏板4与光伏板5所遮挡的太阳光直射光线对称分布，平面镜9作为遮挡片在遮挡太阳直射光线形成的暗影相对光伏4与光伏板5对称分布；当太阳光线平行于双自由度受光板11的法线方向入射时，太阳光线经由凸透镜6与凸透镜7汇聚形成高光强平行光束，高光强平行光束经由平面镜8反射传输到平面镜9，经由平面镜9反射传输到半透半反镜10，经由半透半反镜10透射射入四块光伏板组成的对面垂直正四棱台光强感测单元的中心空井中，即高光强光束未射入四块光伏板的任意一块。因此当太阳光线平行于双自由度受光板11的法线方向入射时，四块光伏板接收到的太阳光强对称均匀分布，四块光伏板接收到的光能相等，太阳跟踪系统的驱动系统处于关闭状态。

如图7所示，当太阳光线与双自由度受11光板成小角度偏差时，太阳跟踪系统进行精调跟踪太阳。此时太阳入射光线例如图7所示，光伏板4与光伏板5接收到的太阳直射光的光线分布不均匀，表现为光伏板5一部分接收到太阳光的直射光，一部分接收到经过半透半反镜10透射的太阳光，光伏板4受到平面镜9的遮挡，处在平面镜9遮挡阳光形成的暗影区内，故接收到太阳直射光较少，即使有接收到少量的太阳直射光，也是入射角相对光伏板5偏大的入射光，并且这些光线全部经过半透半反镜透射10，光强大大减弱；经过凸透镜6与凸透镜7汇聚的高光强光束经由平面镜8与平面镜9的反射，延伸了高光强光束的光程，同时将经过凸透镜6与凸透镜7汇聚的高光强平行光束的小角度偏移通过光程延伸后，转化为投射到光伏板上的高光强光斑大位移偏移，因此高光强光斑偏向光伏板5投射；因此在太阳光入射小角度偏差的情况下，传感器单元的光伏板接收到的太阳光强分布明显不均匀，光伏板接收光能也会产生较大差异，产生较为明显差异的电压信号，输入给控制器单元15，从而触发驱动器开关进入开通状态，太阳跟踪系统进入精调校准跟踪太阳状态，直至双自由度光伏板11正对太阳时，驱动系统进入关闭及休眠状态。

本发明太阳跟踪系统及方法的创新点在于，太阳光入射大角度偏差时，通过成对光伏板垂直角度装置，致使太阳光入射一侧光伏板的入射角远小于太阳光入射对侧光伏板的入射角，同时入射角较大一侧的光伏板受半透半反镜遮挡面较大，从在不改变光伏板原有物理感光灵敏度的前提下，明显改变了成对光伏板接收阳光光强的差异，因此提升了整个太阳跟踪系统的传感器单元的粗调状态的灵敏度；

本发明太阳跟踪系统及方法的创新点还在于，太阳光入射小角度偏差时，通过凸透镜系统将大面积入射阳光汇聚为高光强光束，应用光杠杆延伸高光强光束的光程，巧妙地将太阳光小角度偏差转化为高光强光束的投射到光伏板上的大位移偏移，使得四块光伏板不对称地接收高光强光束，致使一侧光伏板接收到高光强光束，而对侧光伏板又被遮挡片遮挡，这就使得接收到高光强光束的光伏板同时还能接收到太阳的直射光，而没有接收到高光强光束的光伏板同时又被遮挡片遮挡，以及被半透半反镜遮挡，这样就造成了，在太阳入射光小角度偏差时，成对的光伏板，一侧既能接收到太阳直射光同时还能接收到被凸透镜组汇聚的高光强光束，而对侧的光伏板处在平面镜和半透半反镜的阴影区内，在不改变光伏板的感光灵敏度的前提下，加大了太阳光入射小角度偏差时成对光伏板接收光强的巨大差异，提升了太阳跟踪系统的传感器单元的感光偏角的灵敏度，使得太阳跟踪系统在太阳光小角度偏差时能够灵敏地进行精调校准，完成太阳跟踪系统精准正对太阳。

如图1所示，本发明太阳跟踪系统控制器单元15示例实施为电压比较开关，控制器单元15有两路电压比较开关，一路接收传感器单元1的光伏板4与光伏板5输出的电压信号，进行这两路电压的比较，判断两路电压的差值是否超过设定的基准值，如果超过基准值，输出给驱动器单元开通状态的信号，同时判断两路电压哪一路偏大，基于此控制器单元输出给驱动器单元的步进电机13旋转方向的触发信号，步进电机13驱动蜗杆16，蜗杆16带动大齿轮17，从而驱动连接轴28所固接的三叉型U型支架12进行在水平面自由度上的旋转；控制器单元15的另一路比较开关接收传感器单元1的光伏板2与光伏板3输出的电压信号，进行这两路电压的比较，判断两路电压的差值是否超过设定的基准值，如果超过基准值，输出给驱动器单元开通状态的信号，同时判断两路电压哪一路偏大，基于此控制器单元15输出给驱动器单元的步进电机14旋转方向的触发信号，步进电机14驱动丝杆18，丝杆18带动螺纹滑块25，从而驱动双自由度受光板11在俯仰自由度方向进行旋转。

为保证太阳跟踪系统的机械系统的灵活光滑性能，设置了旋转轴连接端轴承连接，如图1所示太阳跟踪系统的示例结构，与步进电机13连接的蜗杆16的另一端通过轴承30与立板连接；固接三叉型U型支架的竖直轴28通过轴承26与底座29上固定板连接，通过轴承27与底座29的下固定板连接；步进电机14通过转轴及轴承23与三叉型U型支架12的垂直支架24连接，可以实现光滑适应系统角度调整，螺纹滑块25通过转轴及轴承22与双自由度受光板11连接，可以实现光滑适应系统角度调整；双自由受光板11通过转轴与安装在三叉型U型支架12水平臂两端的轴承21连接，可以实现双自由度受光板11光滑旋转。

本发明太阳跟踪系统及方法可以应用于太阳能应用装置，也可以应用天文观测等领域，但不局限于这些领域。本发明太阳跟踪系统及方法应用在太阳能应用装置时，例如在双自由度受光板上安装光伏发电板，通过太阳精准跟踪，使得光伏板实时正对太阳，使得发光效率时刻保持最大，提升光伏系统的光电转化效率；例如双自由度受光板上安装聚光镜，通过太阳精准跟踪，使得聚光镜的中心轴线时刻指向太阳，保证最大效率的光热转化、光电转化。

综上，本发明的一种太阳跟踪系统及方法，在不利用精密感光传感器的前提下，应用普通光伏板作为感测光强传感器，通过运用光杠杆的方法，将太阳光入射偏角转化为高光强光束大位移偏转，增强一部分光伏板的入射光强及光能，同时应用遮挡片及半透半反镜遮挡减弱对侧光伏板的入射光强，加大成对光伏板接收光强差异，从而提升普通光伏板作为传感器单元的感测入射光线偏角的灵敏度。

本说明书所描述的特征、结构或特性及运用的方法及原理可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。所描述的功能元件也可以用相同功能的其他元件替代。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的更加充分的理解。然而，本领域的技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其他的结构、方法、组件、元件及材料等，在其他情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、组件、元件及材料或者操作以避免模糊本发明的各个方面。

Claims (10)

1.一种太阳跟踪系统，所述太阳跟踪系统包括传感器单元，控制器单元，驱动器单元，机械单元；所述传感器单元固定在双自由度受光板上，所述双自由度受光板为机械单元的一个组件；所述传感器单元感测太阳光入射角偏角，将光强信号转化为电压信号传输给控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元驱动机械单元，调整机械单元的双自由度受光板组件进行跟踪太阳运动。

2.如权利要求1所述的太阳跟踪系统，其特征在于，所述的传感器单元具有一粗调装置和精调装置，所述的粗调装置能够对太阳光入射角大角度偏差时进行感测，并将接收到的光强信号转化为电压信号输入给控制器单元，所述的控制器单元控制驱动器单元，所述的驱动器单元驱动机械单元，所述的机械单元调整双自由度受光板进行粗调跟踪太阳；所述的精调装置能够对太阳光入射角小角度偏差时进行感测，并将接收到的光强信号转化为电压信号输入给控制器单元，所述的控制器单元控制驱动器单元，所述的驱动单元驱动机械单元，所述的机械单元调整双自由度受光板进行精调跟踪太阳。

3.如权利要求2所述的传感器单元，其特征在于，所述的粗调装置包含在精调装置中，所述的粗调装置全部组件为精调装置的部分组件；所述的传感器单元包括光强感测面板，所述的光强感测面板为光伏板、光敏电阻阵列、光电二极管。

4.如权利要求3所述的传感器单元，其特征在于，所述的光强感测面板包括两组光强感测板，第一组光强感测板为第一光强感测面板与第二光强感测面板，第二组光强感测板为第三光强感测面板与第四光强感测面板；所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板分别布置在所述的双自由度受光板的受光面上，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板平行于双自由度受光板横轴方向对称布置，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板成直角夹角布置在双自由度受光板的受光面上，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板分别与双自由度受光板成45°角布置在双自由度受光板的受光面上；所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板分别布置在所述的双自由度受光板的受光面上，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板平行于双自由度受光板纵轴方向布置，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板成直角夹角布置在双自由度受光板的受光面上，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板分别与双自由度受光板成45°角布置在双自由度受光板的受光面上。

5.如权利要求3或4所述的传感器单元，其特征在于，所述的光强感测面板为光伏板，所述的第一光强感测面板、第二光强感测面板、第三光强感测面板及第四光强感测面板为四块全等的等腰梯形面板，所述的等腰梯形的底角大小为所述的第一光强感测面板的右侧腰线与第三光强感测面板的左侧腰线重合绝缘拼接，第三光强感测面板的右侧腰线与第二光强感测面板的左侧腰线重合绝缘拼接，第二光强感测面板的右侧腰线与第四光强感测面板的左侧腰线重合绝缘拼接，第四光强感测面板的右侧腰线与第一光强感测面板的左侧腰线重合绝缘拼接，组成对面垂直的正四棱台光强感测单元。

6.如权利要求2或4或5所述的传感器单元，其特征在于，所述的光强感测面板包括两组光强感测板，所述的两组光强感测板组成对面垂直的正四棱台光强感测单元，所述的正四棱台光强感测单元与降低光强的滤镜片构成粗调装置，所述的粗调装置能够在太阳光入射角大角度偏差时至少一组光强感测面板中的两块光强感测面板接收太阳光光强存在差异，所述的两组光强感测板分别将光强信号转化为电压信号并输入控制器单元，所述的两组光强感测板中第一组光强感测板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第一自由度上进行旋转；所述的两组光强感测板中第二组光强感测板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第二自由度上进行旋转，实现太阳光入射大角度偏差的粗调跟踪。

7.如权利要求2或3或5所述的传感器单元，其特征在于，所述的精调装置应用光杠杆方式进行太阳精准跟踪，所述的光杠杆是将太阳光入射小角度偏差转化为汇聚高光强光束大位移偏转；所述的精调装置包括汇聚太阳光线的透镜组、反射光线的反射镜组、遮挡光线的遮挡片、降低光强的滤镜片及所述的对面垂直的正四棱台光强感测单元。

8.如权利要求7所述的传感器单元，其特征在于，所述的精调装置的透镜组为两片凸透镜，所述的反射镜组为两块平面镜，所述的遮挡片为所述的两块平面镜中的一块平面镜，所述的滤镜片为半透半反镜；所述的两片凸透镜主光轴重合布置，所述的两片凸透镜的主光轴所在直线穿过所述的两块平面镜的第一块平面镜，所述的第一块平面镜与所述的两片凸透镜的主光轴成45°夹角；所述的两块平面镜的第二块平面镜布置于所述的对面垂直的正四棱台光强感测单元正上方，所述的两块平面镜的第二块平面镜与所述的两块平面镜的第一块平面镜平行，所述的两块平面镜的第二块平面镜与所述的两块平面镜的第一块平面镜的中心所在直线与所述的两片凸透镜的主光轴垂直；所述的遮挡片为所述的两块平面镜中的第二块平面镜；所述的半透半反镜布置于所述的对面垂直的正四棱台光强感测单元正上方，所述的半透半反镜布置于所述的两块平面镜中的第二块平面镜的正下方。

9.如权利要求1或2所述的太阳跟踪系统，其特征在于，所述的控制器单元接收所述的传感器单元的粗调装置或精调装置的光强信号，控制所述的驱动系统、机械系统运转或休眠。

10.一种太阳跟踪方法，应用太阳跟踪系统，所述的太阳跟踪系统包括传感器单元，控制器单元，驱动器单元，机械单元；所述传感器单元固定在双自由度受光板上，所述双自由度受光板为机械单元的一个组件；所述的传感器单元包括两组光强感测板，所述的两组光强感测板中第一组光强感测板包括第一光强感测面板与第二光强感测面板，所述的第一组光强感测板与第二组光强感测板分别通过控制器单元、驱动器单元控制所述的双自由度受光板在两个自由度上独立旋转；所述的第一组光强感测板包括第一光强感测面板与第二光强感测面板，所述的第二组光强感测板包括第三光强感测面板与第四光强感测面板；所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板分别布置在所述的双自由度受光板的受光面上，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板平行于双自由度受光板横轴方向布置，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板成直角夹角布置在双自由度受光板的受光面上，所述的第一光强感测面板与第二光强感测面板分别与双自由度受光板成45°角布置在双自由度受光板的受光面上；所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板分别布置在所述的双自由度受光板的受光面上，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板平行于双自由度受光板纵轴方向布置，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板成直角夹角布置在双自由度受光板的受光面上，所述的第三光强感测面板与第四光强感测面板分别与双自由度受光板成45°角布置在双自由度受光板的受光面上；所述的传感器单元包括汇聚太阳光线的透镜组、反射光线的反射镜组、遮挡光线的遮挡片、降低光强的滤镜片；

所述的太阳跟踪方法，包括粗调步骤与精调步骤：

所述的粗调步骤应用于太阳光入射大角度偏差时，至少一组所述的光强感测板中的两块光强感测面板接收太阳光光强存在差异，所述的两组光强感测面板分别将光强信号转化为电压号并输入控制器单元，所述的两组光强感测面板中第一组光强感测面板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第一自由度上进行旋转；所述的两组光强感测面板中第二组光强感测面板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第二自由度上进行旋转，实现太阳光入射大角度偏差的粗调跟踪；

所述的精调步骤应用于太阳光入射小角度偏差时，所述的传感器单元的所述的透镜组汇聚高光强光束，经由所述的反射镜组反射，延伸高光强光束的光程，将太阳光入射角的小角度偏差转化为所述的高光强光束射在所述的光强感测面板上的光斑大位移偏移，形成光杠杆，所述的两组光强感测板中至少一组所述的光强感测板中的两块光强感测面板接收太阳光光强存在差异，所述的两块光强感测面板中一块接收到所述的高光强光束，另一块被所述的遮挡片遮挡，所述的两块光强感测面板接收到的光强信号存在差异，所述的两组光强感测面板分别将光强信号转化为电压号并输入控制器单元，所述的两组光强感测面板中第一组光强感测面板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第一自由度上进行旋转；所述的两组光强感测面板中第二组光强感测面板将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元控制所述的双自由度受光板在第二自由度上进行旋转，实现太阳光入射小角度偏差的精调跟踪。