CN109542124A - 基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置及对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置及对准方法，在底座上安设用于实现对准装置在水平方向移动的平动结构，平动结构的上方安设用于实现对准装置在垂直方向移动的升降结构，升降结构的顶部安装追踪器，平动结构和升降结构共同作用实现追踪器对太阳的定位追踪；本发明整个装置采用不透明半圆形外壳，使得光敏电阻在测量过程中不受周围环境中的光线影响，提高了测量精度。

Description

基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置及对准方法

技术领域

本发明涉及一种基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置及对准方法，属于太阳能设备技术领域。

背景技术

太阳能是一种低密度，间歇性，空间分布不断变化的能源，与常规能源有本质上的区别，这就对太阳能的收集与利用提出了更高的要求。若想提高太阳能的利用率，可以让太阳能电池板跟着阳光旋转，使得太阳能电池与阳光入射角保持垂直，以达到光能最大获取率。

因此技术人员开始研究出一种太阳追踪器，而构成太阳追踪器的一种重要的器件就是半导体光敏电阻，它是一种半导体光电子器件，被应用在多种太阳能电池跟踪系统中。

常见有一种简单的隔板式太阳位置传感器，在底座上垂直安装了两组隔板，两组隔板相互垂直；在底座上还安装了4个光敏电阻器件，4个光敏电阻器件紧贴隔板拐角安装，光敏电阻器件受光面向上，4个光敏电阻器件必须是同一型号，性能相近，隔板式传感器利用隔板两边光敏元件感受到的光强不同来判断太阳的位置，把传感器的隔板按照东西南北方向摆正，当太阳位置在隔板的西侧时，东侧的光线受到遮挡，西侧光敏电阻受光量大于东侧光敏电阻，西侧器件电阻小于东侧器件电阻，于是可以判断出太阳的位置在西侧，而且在一定范围内光线偏差越大两侧电阻值相差越大，由于隔板是十字状，隔板式传感器还可检测出太阳在南北方向的位置，将4个传感器信号综合比较后就可得出太阳的位置。

上述装置中采用的光敏电阻跟踪器的原理如图1所示，具体可描述为，对于太阳能电池板单轴跟踪系统，传感器只需一片隔板就可以了，隔板方向与转轴平行，当两侧电阻相同时说明传感器正对太阳，当两侧电阻不同时，太阳能电池板应向电阻小的一侧转动，直到两侧电阻相同；隔板式传感器也可以采用光敏二极管作为光敏元件，光敏二极管就是一小块光伏电池，在相互垂直的隔板4个角安装4光敏二极管，利用隔板两边光敏元件感受到的光照面积不同来判断太阳的位置。其工作原理与采用光敏电阻相同，受光强的光敏二极管比受光弱的光敏二极管输出电流大，利用放大器把电流信号转换成电压信号就方便比较了。

但是上述装置很明显存在一个劣势，由于结构完全暴露在阳光下，那么对太阳进行追踪过程中，很容易受到周围环境中光纤的影响，降低了测量精度。

发明内容

本发明提供一种基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置及对准方法，整个装置采用不透明半圆形外壳，使得光敏电阻在测量过程中不受周围环境中的光线影响，提高了测量精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置，在底座上安设用于实现对准装置在水平方向移动的平动结构，平动结构的上方安设用于实现对准装置在垂直方向移动的升降结构，升降结构的顶部安装追踪器，平动结构和升降结构共同作用实现追踪器对太阳的定位追踪；

作为本发明的进一步优选，前述的平动结构包括第一电机，其安装固定在底座上，第一电机的第一电机轴与底座垂直设置；

横向转轴的一端与第一电机轴固定，其另一端固定在上部底座下表面；

在上部底座的表面固定第二电机，第二电机的第二电机轴与上部底座垂直设置，高度角轴的一端与第二电机轴固定，其另一端固定追踪器；

作为本发明的进一步优选，前述的追踪器呈封闭式的半球形，其包括半球状弧形部分和圆形平面，在半球状弧形顶部中心位置开设正方形小孔，圆形平面表面布设以3×3形式排列的且大小相同的九个光敏电阻，分别标记为一号至九号电阻，其中，五号电阻位于九宫格中心位置，其与正方形小孔的中心位于同一直线上；

作为本发明的进一步优选，前述的追踪器呈封闭式的半球形，其为不透明结构；

作为本发明的进一步优选，正方形小孔的大小与光敏电阻的大小相同；

一种基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置的对准方法，具体为，将布设于追踪器圆形表面上的光敏电阻上找取一点，标记为A，此时A为太阳所处位置，同时太阳光透过追踪器半球状弧形顶部中心的正方形小孔照射进追踪器内部时以A为中心形成一个虚正方形；

以追踪器圆形平面中心为坐标原点，建立坐标轴，圆形平面表面布设以3×3形式排列的且大小相同的九个光敏电阻，每个光敏电阻为一个正方形，其边长为M，则每个小正方形的面积S＝M²,以标记A为中心构建的虚正方形，定义虚正方形的四条边分别为X₁，X₂，Y₁，Y₂，此时A的坐标为(X₂,Y₁)，构成虚正方形的四个小面积分别为Sa＝X₁Y₁，Sb＝X₂Y₁，Sc＝X₁Y₂，Sd＝X₂Y₂，接着进行推理，可知，X₁+X₂＝Y₁+Y₂＝M，由上述可知最后通过公式 推导出为了使追踪器保持与太阳垂直角度需将追踪器在X轴方向进行移动的角度θ；此时启动第一电机，调整追踪器在水平方向上的位移；

将推导出的θ投影至三维坐标中，构建A点的三维坐标，A在垂直方向Z上的高度定义为h，通过可知，

可推算出为了使追踪器保持与太阳垂直角度需将追踪器在Z轴方向进行移动的角度β，此时启动第二电机，调整追踪器在垂直方向上的位移。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置在圆形平面上以九宫格形式排列的九个光敏电阻，实时传回信号，从而准确的判断出追踪器与太阳的角度，及时调整太阳能板的位置，最大化提高太阳能的利用率；

整个装置采用不透明半圆形外壳，使得光敏电阻在测量过程中不受周围环境中的光线影响，提高了测量精度

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的光敏电阻跟踪器的原理；

图2是本发明的优选实施例的整体结构示意图；

图3是本发明的优选实施例的圆形平面上布设以3×3形式排列的且大小相同的九个光敏电阻的结构示意图；

图4是本发明的优选实施例的太阳透过追踪器半球状弧形顶部中心的正方形小孔照射进追踪器内部时的示意图；

图5是本发明的优选实施例的以追踪器圆形平面中心为坐标原点构建A点二维坐标系的示意图；

图6是本发明的优选实施例的以追踪器圆形平面中心为坐标原点构建A点三维坐标系的示意图。

图中：1为隔板，2为光敏电阻，3为底座，4为第一电机，5为横向转轴，6为上部底座，7为第二电机，8为高度角轴，9为追踪器，10为光敏电阻。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图2-图6所示，本发明包括以下特征部件：3为底座，4为第一电机，5为横向转轴，6为上部底座，7为第二电机，8为高度角轴，9为追踪器，10为光敏电阻。

本发明的一种基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置，在底座上安设用于实现对准装置在水平方向移动的平动结构，平动结构的上方安设用于实现对准装置在垂直方向移动的升降结构，升降结构的顶部安装追踪器，平动结构和升降结构共同作用实现追踪器对太阳的定位追踪；

图2所示，作为本发明的进一步优选，前述的平动结构包括第一电机，其安装固定在底座上，第一电机的第一电机轴与底座垂直设置；

横向转轴的一端与第一电机轴固定，其另一端固定在上部底座下表面；

在上部底座的表面固定第二电机，第二电机的第二电机轴与上部底座垂直设置，高度角轴的一端与第二电机轴固定，其另一端固定追踪器；

作为本发明的进一步优选，前述的追踪器呈封闭式的半球形，其包括半球状弧形部分和圆形平面，在半球状弧形顶部中心位置开设正方形小孔，图3所示，圆形平面表面布设以3×3形式排列的且大小相同的九个光敏电阻，分别标记为一号至九号电阻，其中，五号电阻位于九宫格中心位置，其与正方形小孔的中心位于同一直线上；

作为本发明的进一步优选，前述的追踪器呈封闭式的半球形，其为不透明结构；

作为本发明的进一步优选，正方形小孔的大小与光敏电阻的大小相同；

本发明中，第一电机负责水平方向的转动，当第一电机启动时，横向转轴开始转动，带动上部底座转动，第二电机的启动，带动高度角轴转动，此时追踪器进行转动；当追踪器监测到太阳位置发生变化时，光敏电阻发出传感信号，经过放大器放大后传输至控制器处，控制器控制第一电机、第二电机，调整追踪器位置，重新使太阳与追踪器保持垂直状态；第一电机的设置抵消水平方向的角度偏差，第二电机的设置抵消垂直方向的角度偏差。

一种基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置的对准方法，具体为，图4所示，将布设于追踪器圆形表面上的光敏电阻上找取一点，标记为A，此时A为太阳所处位置，同时太阳光透过追踪器半球状弧形顶部中心的正方形小孔照射进追踪器内部时以A为中心形成一个虚正方形；

以追踪器圆形平面中心为坐标原点，建立坐标轴，圆形平面表面布设以3×3形式排列的且大小相同的九个光敏电阻，每个光敏电阻为一个正方形，其边长为M，则每个小正方形的面积S＝M²,图5所示，以标记A为中心构建的虚正方形，定义虚正方形的四条边分别为X₁，X₂，Y₁，Y₂，此时A的坐标为(X₂,Y₁)，构成虚正方形的四个小面积分别为Sa＝X₁Y₁，Sb＝X₂Y₁，Sc＝X₁Y₂，Sd＝X₂Y₂，接着进行推理，可知，X₁+X₂＝Y₁+Y₂＝M，由上述可知最后通过公式 推导出为了使追踪器保持与太阳垂直角度需将追踪器在X轴方向进行移动的角度θ；此时启动第一电机，调整追踪器在水平方向上的位移；

图6所示，将推导出的θ投影至三维坐标中，构建A点的三维坐标，A在垂直方向Z上的高度定义为h，通过可知，

可推算出为了使追踪器保持与太阳垂直角度需将追踪器在Z轴方向进行移动的角度β，此时启动第二电机，调整追踪器在垂直方向上的位移。

太阳光透过追踪器半球状弧形顶部中心的正方形小孔照射进追踪器内部时以A为中心形成一个虚正方形，当虚正方形与五号电阻重合时，代表设备与太阳处于垂直状态，若太阳进行偏移，以A点为例，九宫格内的九个光敏电阻传回的信号判断出设备此时状态(即五号电阻传回的信息量比垂直照射时传回的信号量要少，且二号电阻、三号电阻和六号电阻也会传回信号)，通过控制中心的调整，可使虚正方形重新与五号电阻重合，也就是说只有五号电阻传回信号且信息量与垂直照射时相同，即可保证设备与太阳垂直设置。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (6)

1.一种基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置，其特征在于：在底座上安设用于实现对准装置在水平方向移动的平动结构，平动结构的上方安设用于实现对准装置在垂直方向移动的升降结构，升降结构的顶部安装追踪器，平动结构和升降结构共同作用实现追踪器对太阳的定位追踪。

2.根据权利要求1所述的基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置，其特征在于：前述的平动结构包括第一电机，其安装固定在底座上，第一电机的第一电机轴与底座垂直设置；

横向转轴的一端与第一电机轴固定，其另一端固定在上部底座下表面；

在上部底座的表面固定第二电机，第二电机的第二电机轴与上部底座垂直设置，高度角轴的一端与第二电机轴固定，其另一端固定追踪器。

3.根据权利要求1所述的基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置，其特征在于：前述的追踪器呈封闭式的半球形，其包括半球状弧形部分和圆形平面，在半球状弧形顶部中心位置开设正方形小孔，圆形平面表面布设以3×3形式排列的且大小相同的九个光敏电阻，分别标记为一号至九号电阻，其中，五号电阻位于九宫格中心位置，其与正方形小孔的中心位于同一直线上。

4.根据权利要求3所述的基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置，其特征在于：前述的追踪器呈封闭式的半球形，其为不透明结构。

5.根据权利要求3所述的基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置，其特征在于：正方形小孔的大小与光敏电阻的大小相同。

6.一种基于太阳光照角度感知的自动旋转对准装置的对准方法，其特征在于：具体为，将布设于追踪器圆形表面上的光敏电阻上找取一点，标记为A，此时A为太阳所处位置，同时太阳光透过追踪器半球状弧形顶部中心的正方形小孔照射进追踪器内部时以A为中心形成一个虚正方形；

以追踪器圆形平面中心为坐标原点，建立坐标轴，圆形平面表面布设以3×3形式排列的且大小相同的九个光敏电阻，每个光敏电阻为一个正方形，其边长为M，则每个小正方形的面积S＝M²,以标记A为中心构建的虚正方形，定义虚正方形的四条边分别为X₁，X₂，Y₁，Y₂，此时A的坐标为(X₂,Y₁)，构成虚正方形的四个小面积分别为Sa＝X₁Y₁，Sb＝X₂Y₁，Sc＝X₁Y₂，Sd＝X₂Y₂，接着进行推理，可知，X₁+X₂＝Y₁+Y₂＝M，由上述可知最后通过公式 推导出为了使追踪器保持与太阳垂直角度需将追踪器在X轴方向进行移动的角度θ；此时启动第一电机，调整追踪器在水平方向上的位移；

将推导出的θ投影至三维坐标中，构建A点的三维坐标，A在垂直方向Z上的高度定义为h，通过可知，

可推算出为了使追踪器保持与太阳垂直角度需将追踪器在Z轴方向进行移动的角度β，此时启动第二电机，调整追踪器在垂直方向上的位移。