CN111781957A - 一种太阳自动跟踪装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳自动跟踪装置及控制方法，其包括太阳能板，太阳能板的一侧设有与所述太阳能板平行设置的追光器，所述太阳能板底部中心通过球铰固定设置在底座上，太阳能板底部以球铰为中心周向等距设有与其铰接的伸缩杆，底座上设有固定座，伸缩杆穿过所述固定座与位于所述固定座内的顶杆联动配合，顶杆内设有垂直所述伸缩杆设置的导线，且导线两端分别接电源的正负极，固定座内对称设有磁极，两个磁极之间形成可供顶杆轴向滑移的空间。通过追光器实时检测太阳光的入射角度，利用磁极以及通电的顶杆之间的磁力变化，来实现伸缩杆的轴向位移变化，从而实现对太阳能板的角度调节，且由于利用磁力进行调节，不会因为机械联动导致的系统能量损耗。

Description

一种太阳自动跟踪装置及控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，具体涉及一种太阳自动跟踪装置及控制方法。

背景技术

随着社会的发展，节能减排已成为人们所关注的问题，太阳能作为一种新兴的绿色能源，正得到迅速发展与应用，尤其是在无电力设施或电力线难以到达的偏远地区，利用太阳能发电就显得极为重要。

由于太阳相对地球的运动，导致照射到固定的光伏电池板上的太阳光每天在不同的时刻或每年不同的时间具有不同的入射角。此种入射光线会降低太阳能电池板的收集效率及减少太阳能电池板产生的电量。由于收集的太阳能量与余弦角成正比，即太阳光的入射角与太阳能电池板的垂直表面之间的夹角，此效果所导致的损失即为熟知的余弦损失。为提高太阳光的收集效率，太阳能电池板可使用一个跟踪装置以便使其与太阳入射光保持接近垂直的位置。理论研究表明，采用太阳跟踪比不采用时能量的接受率提高37.7％。

跟踪装置通常是一种自动化设备，其跟踪太阳精度是影响能量转化效率的一个重要因素。根据跟踪装置的机械特性，可以将跟踪装置分为单轴跟踪装置和二轴跟踪装置。由于单轴跟踪装置一般只能实现一个方向的太阳跟踪，而不能同时对太阳的东西和南北方向的角度变化进行自动跟踪，导致太阳能板吸收太阳光效率较低。二轴跟踪装置可以保证太阳能板在一年四季高精度的跟踪太阳光运动，获得较高的能量转化效率。

中国发明专利文献CN200610088374.9、CN200610044529.9、CN200610088177.7、CN200610088118.X分别公开了四种太阳能光伏发电跟踪装置，从结构上看，均属于串联式结构，即跟踪一个角度方向的首端驱动系统的重量必须由跟踪另一角度方向的未端驱动装置来承担，这势必会增加未端驱动装置的功率，同时体积庞大，浪费材料和能源。

文献“基于并联球面机构的太阳跟踪装置研究”（张顺心、宋开峰等，《河北工业大学学报》，2003，32(6) ：44-48） 介绍了基于三自由度并联球面机构的二轴跟踪装置，能实现对太阳运动的完全跟踪，大大提高接收器的接收效率，具有高刚度、工作空间大、结构紧凑等特点，其缺点是，机构复杂、正逆解非解耦性强、控制过程比较复杂。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种太阳自动跟踪装置及控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种太阳自动跟踪装置，其包括太阳能板，所述太阳能板的一侧设有与所述太阳能板平行设置的追光器，所述太阳能板底部中心通过球铰固定设置在底座上，所述太阳能板底部以球铰为中心周向等距设有与其铰接的伸缩杆，所述底座上设有固定座，所述伸缩杆穿过所述固定座与位于所述固定座内的顶杆联动配合，所述顶杆内设有垂直所述伸缩杆设置的导线，且所述导线两端分别接电源的正负极，所述固定座内对称设有磁极，两个磁极之间形成可供顶杆轴向滑移的空间，通过通电导线在两个磁极之间产生的磁场的作用力，带动所述顶杆发生轴向位移，从而使得太阳能板根据所述追光器获取的太阳光入射角度调节自身角度。

所述伸缩杆的一侧设有齿，所述固定座内对应设有棘轮机构，所述棘轮机构包括棘轮和止回棘爪，所述止回棘爪的上端设有用于吸附所述止回棘爪的电磁铁。

所述固定座内设有容腔，所述磁极设置在容腔的两侧，且所述顶杆设置在两个磁极之间，且可随通电导线在两个磁极之间产生的磁场作用力的作用下发生轴向位移。

本发明的有益效果：通过追光器实时检测太阳光的入射角度，利用磁极以及通电的顶杆之间的磁力变化，来实现伸缩杆的轴向位移变化，从而实现对太阳能板的角度调节，且由于利用磁力进行调节，不会因为机械联动导致的系统能量损耗。

本发明还提供一种基于上述太阳自动跟踪装置的控制方法，其步骤如下：

（1）对太阳自动跟踪装置系统进行参数初始化，设置追光器的检测周期；

（2）按照太阳高度角和方位角的理论计算公式，估算当前位置和当前时间的太阳的高度角和方位角；

（3）根据理论计算所得到的太阳的高度角和方位角，控制器通过电源控制模块，对顶杆内垂直伸缩杆所设置的导线施加不同大小和不同方向的电流值，通电导线在磁场中产生的磁场作用力下使顶杆产生不同的位移，并带动伸缩杆所产生不同的伸缩量，调控太阳跟踪装置的姿态，使太阳能板与理论计算得到的太阳照射光线方向垂直；

（4）根据所设定的检测周期，当时间为检测时间时，通过追光器检测太阳光的入射角度，确定太阳的高度角和方位角；

（5）根据追光器所检测的太阳的高度角、方位角和太阳跟踪装置的当前姿态，计算各伸缩杆的伸缩量L_i，i =1,2,3；

（6）根据计算得到的各伸缩杆的伸缩量，控制器通过电源控制模块，对顶杆内的导线施加不同大小和不同方向的电流值，通电导线在磁场中产生的磁场作用力下使顶杆产生不同的位移，使各伸缩杆所产生伸缩量L_i（i =1,2,3），调节太阳跟踪装置的姿态，使太阳能板与太阳的照射光线方向保持垂直状态。

本发明的有益效果：通过追光器检测太阳的高度角和方位角，并把所检测的太阳高度角和方位角传送给控制器，根据所检测的太阳高度角和方位角，控制器通过电源控制模块，对顶杆内垂直伸缩杆所设置的导线施加不同大小和不同方向的电流，通电导线在磁场中产生的磁场作用力下控制顶杆产生不同的位移，并带动伸缩杆所产生不同的伸缩量，调控太阳跟踪装置的姿态，使太阳能板与太阳的照射光线方向保持垂直状态。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的剖面示意图。

图3为本发明的太阳自动跟踪装置的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供了一种太阳跟踪装置，其包括太阳能板1，所述太阳能板的一侧设有与所述太阳能板平行设置的追光器2，保证太阳光投射至所述追光器处的入射角与太阳能板处的入射角一致，所述太阳能板底部中心通过球铰6固定设置在底座3上，所述太阳能板底部以球铰为中心周向等距设有与其铰接的伸缩杆5，所述底座上设有固定座4，所述伸缩杆穿过所述固定座与位于所述固定座内的顶杆7联动配合，所述顶杆的上侧与固定座之间设有弹性件8，用于顶杆复位，所述顶杆为中空设置，在该顶杆内设置垂直所述伸缩杆设置的导线12，且所述导线两端分别接电源的正负极，通过导线通电，使得其产生磁场，而所述固定座内对称设有磁极9，两个磁极之间形成可供顶杆轴向滑移的空间，通过导线的通电与两个磁极之间的磁力变化，带动所述顶杆发生轴向位移，从而使得太阳能板根据所述追光器获取的太阳光入射角度调节自身角度。

所述伸缩杆的一侧设有齿10，所述固定座内对应设有棘轮机构，所述棘轮机构包括棘轮11和止回棘爪14，所述止回棘爪14的上端设有电磁铁13，且所述止回棘爪14可在所述电磁铁得电时解除限制棘轮双向转动。在通电过程中，所述止回棘爪14会因为磁力而向上运动，从而解除了与棘轮的配合，此时，伸缩杆会在顶杆以及磁极之间的磁场变化的带动下上下移动，从而调节太阳能板的角度，而当其断电时，由于磁力的解除，该止回棘爪14在复位件的作用下重新与棘轮构成单向限制，从而使得伸缩杆与棘轮配合，可以避免掉电的情况下，由于磁力的消失而导致的伸缩杆下降的现象出现，起到保护的作用。

所述固定座内设有容腔，所述磁极设置在容腔的两侧，且所述顶杆设置在两个磁极之间，且可随通电导线在两个磁极之间产生的磁场作用力的作用下发生轴向位移。

本发明还提供了一种基于上述太阳自动跟踪装置的控制方法，其步骤如下：

（1）对太阳自动跟踪装置系统进行参数初始化，设置追光器的检测周期；

（2）按照太阳高度角和方位角的理论计算公式，估算当前位置和当前时间的太阳的高度角和方位角；

（3）根据理论计算所得到的太阳的高度角和方位角，控制器通过电源控制模块，对顶杆内垂直伸缩杆所设置的导线施加不同大小和不同方向的电流值，通电导线在磁场中产生的磁场作用力下使顶杆产生不同的位移，并带动伸缩杆所产生不同的伸缩量，调控太阳跟踪装置的姿态，使太阳能板与理论计算得到的太阳照射光线方向垂直；

（4）根据所设定的检测周期，当时间为检测时间时，通过追光器检测太阳光的入射角度，确定太阳的高度角和方位角；

（5）根据追光器所检测的太阳的高度角、方位角和太阳跟踪装置的当前姿态，计算各伸缩杆的伸缩量L_i，i =1,2,3；

（6）根据计算得到的各伸缩杆的伸缩量，控制器通过电源控制模块，对顶杆内的导线施加不同大小和不同方向的电流值，通电导线在磁场中产生的磁场作用力下使顶杆产生不同的位移，使各伸缩杆所产生伸缩量L_i（i =1,2,3），调节太阳跟踪装置的姿态，使太阳能板与太阳的照射光线方向保持垂直状态。

其具体的操作流程如下：

第一步，对太阳自动跟踪装置进行参数初始化操作，并设定检测周期；

第二步，理论上估算当前位置和当前时间的太阳的高度角和方位角；

第三步，根据理论估算的高度角以及方位角，调节太阳自动跟踪装置的当前时间的姿态，使得该太阳自动跟踪装置的太阳能板与估算的太阳光照射角度垂直；

第四步，当该装置的时间处于检测周期内时，其通过追光器获取当前位置和当前时间的太阳的高度角和方位角；

第五步，根据追光器检测的高度角和方位角，该太阳自动跟踪装置结合自身的当前姿态，计算在当前太阳能板与太阳光照射角度垂直时，各个伸缩杆的位移量；

第六步，通过计算得到的位移量，实时通过对导线施加对应大小以及方向的电流值，使得导线在通电情况下，产生的磁场作用力下使顶杆产生不同的位移，从而调节太阳能板的位置，使得该太阳能板始终垂直太阳光照射角度。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种太阳自动跟踪装置，其特征在于：其包括太阳能板，所述太阳能板的一侧设有与所述太阳能板平行设置的追光器，所述太阳能板底部中心通过球铰固定设置在底座上，所述太阳能板底部以球铰为中心周向等距设有与其铰接的伸缩杆，所述底座上设有固定座，所述伸缩杆穿过所述固定座与位于所述固定座内的顶杆联动配合，所述顶杆内设有垂直所述伸缩杆设置的导线，且所述导线两端分别接电源的正负极，所述固定座内对称设有磁极，两个磁极之间形成可供顶杆轴向滑移的空间，通过通电导线在两个磁极之间产生的磁场的作用力，带动所述顶杆发生轴向位移，从而使得太阳能板根据所述追光器获取的太阳光入射角度调节自身角度。

2.根据权利要求1所述的太阳自动跟踪装置，其特征在于：所述伸缩杆的一侧设有齿，所述固定座内对应设有棘轮机构，所述棘轮机构包括棘轮和止回棘爪，所述止回棘爪的上端设有用于吸附所述止回棘爪的电磁铁。

3.根据权利要求1所述的太阳自动跟踪装置，其特征在于：所述固定座内设有容腔，所述磁极设置在容腔的两侧，且所述顶杆设置在两个磁极之间，且可随通电导线在两个磁极之间产生的磁场作用力的作用下发生轴向位移。

4.一种基于上述权利要求1至3任意一项所述的太阳自动跟踪装置的控制方法，其特征在于：其步骤如下：

（1）对太阳自动跟踪装置系统进行参数初始化，设置追光器的检测周期；

（2）按照太阳高度角和方位角的理论计算公式，估算当前位置和当前时间的太阳的高度角和方位角；

（3）根据理论计算所得到的太阳的高度角和方位角，控制器通过电源控制模块，对顶杆内垂直伸缩杆所设置的导线施加不同大小和不同方向的电流值，通电导线在磁场中产生的磁场作用力下使顶杆产生不同的位移，并带动伸缩杆所产生不同的伸缩量，调控太阳跟踪装置的姿态，使太阳能板与理论计算得到的太阳照射光线方向垂直；

（4）根据所设定的检测周期，当时间为检测时间时，通过追光器检测太阳光的入射角度，确定太阳的高度角和方位角；

（5）根据追光器所检测的太阳的高度角、方位角和太阳跟踪装置的当前姿态，计算各伸缩杆的伸缩量L_i，i =1,2,3；

（6）根据计算得到的各伸缩杆的伸缩量，控制器通过电源控制模块，对顶杆内的导线施加不同大小和不同方向的电流值，通电导线在磁场中产生的磁场作用力下使顶杆产生不同的位移，使各伸缩杆所产生伸缩量L_i（i =1,2,3），调节太阳跟踪装置的姿态，使太阳能板与太阳的照射光线方向保持垂直状态。

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