CN112050934A - 一种自动追踪型太阳散辐射测量仪及测量方法 - Google Patents

一种自动追踪型太阳散辐射测量仪及测量方法 Download PDF

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CN112050934A CN202010964623.6A CN202010964623A CN112050934A CN 112050934 A CN112050934 A CN 112050934A CN 202010964623 A CN202010964623 A CN 202010964623A CN 112050934 A CN112050934 A CN 112050934A
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Abstract

本发明涉及一种自动追踪型太阳散辐射测量仪及测量方法。本发明装置包括太阳散辐射测量装置、控制器、上位机，太阳散辐射测量装置与控制器无线连接，控制器与上位机无线连接。本发明通过控制器的北斗定位授时模块获取测量地点的经纬度、当地时间和自动追踪型太阳散辐射测量仪的初始摆放方位，通过太阳几何光学原理，计算出太阳的赤纬角、高度角和方位角；将日子数n时各时刻下的太阳的赤纬角、高度角和方位角并控制太阳散辐射测量装置追踪太阳进行位置变化，太阳散辐射测量装置获得辐射电压，通过控制器计算出太阳散辐射值并传递给上位机进行显示和数据存储。本发明太阳散辐射测量装置可精确自动运行，不需要昂贵的光学跟踪装置。

Description

一种自动追踪型太阳散辐射测量仪及测量方法
技术领域
本发明涉及一种自动追踪型太阳散辐射测量仪及测量方法，属于太阳辐射强度测量技术领域。
背景技术
太阳辐射强度一直是新能源利用、气象监测和建筑设计等领域中的重要参数。比如，在气象监测站等数据采集现场，需要实时测量环境温度、风速及太阳辐射辐照度等数据。太阳辐射可分为直辐射与散辐射，在测得太阳总辐射强度后，可通过直辐射或散辐射数据，获得另一者数据。从而为新能源系统的设计，气象分析和预测及建筑保温设计等提供数据参照。
太阳散辐射强度测量仪主要通过环形遮光环遮挡感光元件达到消除太阳直辐射影响的目的。当前散辐射测量仪的遮光环的面积普遍较大，这在遮挡住太阳直辐射的同时，也遮挡住了相当一部分的太阳散辐射，进而导致辐射数据采集精度较差。减小遮光环的面积虽然可以有效提升采集精度，但是这会使得操作的难度上升。这是因为太阳的位置是在天空中实时变化的，在长时间的检测过程中，很容易由于阳光角度变化导致辐射测量仪的感光元件脱离遮光环阴影区域。为了避免测量数据的精准性和连贯性受到影响，在采集过程中操作人员需要对遮光环的位置进行多次调节。而在烈日当空的条件下，测量仪的实时调节需求会给操作人员造成极大的身体负担和安全风险。并且遮光环为简单机械架构，其初始放置角度需要根据太阳赤纬角进行每日调节，这在规模化的监测中也消耗了大量宝贵的人力。
发明内容
本发明针对现有技术中太阳散辐射测量设备的问题，提供一种自动追踪型太阳散辐射测量仪及测量方法，本发明自动追踪型太阳散辐射测量仪的操作简易，携带轻便，对工作环境要求不高；数据采集与传输装置可以独立自动运行，通过太阳几何光学原理，计算出太阳的赤纬角、高度角和方位角；将日子数n时各时刻下的太阳的赤纬角、高度角和方位角并控制太阳散辐射测量装置追踪太阳进行位置变化，太阳散辐射测量装置获得辐射电压，通过控制器计算出太阳散辐射值并传递给上位机进行显示和数据存储。本发明太阳散辐射测量装置可精确自动运行，不需要昂贵的光学跟踪装置。
一种自动追踪型太阳散辐射测量仪，包括太阳散辐射测量装置2、控制器3、上位机5，太阳散辐射测量装置2与控制器3无线连接，控制器3与上位机5无线连接。
所述太阳散辐射测量装置2包括圆形遮光板2.1、角度调节电机2.2、圆弧形支撑杆2.3、圆弧形套筒2.4、步进电机2.5、支撑架2.6、驱动电机2.7、高度调节脚撑2.8、转动圆环2.9、太阳辐射辐照计2.10，支撑架2.6的顶端中心嵌设太阳辐射辐照计2.10，太阳辐射辐照计2.10外设置有转动圆环2.9，转动圆环2.9与太阳辐射辐照计2.10位于同一水平面上且转动圆环2.9的圆心与太阳辐射辐照计2.10的中心点重叠，转动圆环2.9与驱动电机2.7传动连接，转动圆环2.9的外壁水平设置有水平连杆，水平连杆的端头固定设置有圆弧形套筒2.4，圆弧形支撑杆2.3穿过圆弧形套筒2.4的中心孔，圆弧形支撑杆2.3的竖直方向上均匀设置有卡齿I，步进电机2.5固定设置在水平连杆上，步进电机2.5的输出轴水平设置且与输出轴延伸方向与水平连杆延伸方向垂直，步进电机2.5的输出轴上固定设置有主动齿轮I，圆弧形套筒2.4的侧壁开设有矩形口，主动齿轮I穿过圆弧形套筒2.4的矩形口，主动齿轮I与圆弧形支撑杆2.3的卡齿I啮合传动；角度调节电机2.2固定设置在圆弧形支撑杆2.3的顶端，圆形遮光板2.1设置在角度调节电机2.2的输出轴上，太阳辐射辐照计2.10的感光区域位于圆形遮光板2.1的阴影区域4内，驱动电机2.7、角度调节电机2.2、步进电机2.5、太阳辐射辐照计2.10均与控制器3无线连接。
所述圆弧形套筒2.4可随转动圆环2.9转动，并沿以太阳辐射辐照计2.10的中心为圆心的圆弧运动；
进一步的，所述支撑架2.6包括支撑脚和支撑面板，支撑面板为圆形支撑面板，支撑面板固定设置在支撑脚顶端，太阳辐射辐照计2.10嵌设在支撑面板的中心，支撑脚的底端设置有高度调节脚撑2.8，支撑面板的边缘固定设置有圆环形滑轨，转动圆环2.9的内壁设置有圆环形滑槽，圆环形滑槽滑设在圆环形滑轨上且圆环形滑槽可绕圆环形滑轨转动；支撑面板正下方通过竖向连接杆固定设置有驱动电机2.7固定板，驱动电机2.7固定设置在驱动电机2.7固定板上，驱动电机2.7的输出轴竖直向上设置，输出轴上固定设置有主动齿轮II，转动圆环2.9底端内侧沿转动圆环周向均匀设置有卡齿II，主动齿轮II与转动圆环2.9底端的卡齿II啮合传动。
通过高度调节脚撑2.8可微调支撑脚的高度以实现支撑面板水平。
所述驱动电机2.7、角度调节电机2.2、步进电机2.5和太阳辐射辐照计2.10内均设置有无线数据发射接收模块，无线数据发射接收模块与控制器3无线连接。
进一步的，所述控制器3设置有北斗定位授时模块、液晶触摸屏3.1、无线数据发射接收器3.2、太阳能吸收板3.3和太阳能蓄电池，太阳能吸收板3.3设置在控制器3顶端，太阳能吸收板3.3与太阳能蓄电池电连接，液晶触摸屏3.1设置在控制器3侧面，无线数据发射接收器3.2设置在控制器3一侧，控制器3通过无线数据发射接收器3.2与驱动电机2.7、角度调节电机2.2、步进电机2.5和太阳辐射辐照计2.10的无线数据发射接收模块无线连接，控制器3通过无线数据发射接收器3.2与上位机无线连接。
太阳辐射辐照计2.10感光区域的太阳直辐射1被遮光板2.1吸收或反射，太阳辐射辐照计2.10感光区域处于遮光板阴影4中，直辐射被过滤后，太阳辐射辐照计2.10测得散辐射的辐射电压值。
自动追踪型太阳散辐射的测量方法，采用自动追踪型太阳散辐射测量仪，具体步骤如下：
(1)通过控制器的北斗定位授时模块获取测量地点的经纬度、当地时间和自动追踪型太阳散辐射测量仪的初始摆放方位，通过太阳几何光学原理，计算出太阳的赤纬角、高度角和方位角；
(2)将日子数n时各时刻下的太阳的赤纬角、高度角和方位角通过控制器进行数模转换得到驱动电机、角度调节电机和步进电机的转动步长；
(3)控制器控制驱动电机、角度调节电机和步进电机进行转动使圆形遮光板实时维持水平且圆形遮光板实时遮挡太阳辐射辐照计光感区域，太阳辐射辐照计获得辐射电压；
(4)太阳辐射辐照计通过无线数据发射接收模块将辐射电压信号传输给控制器，控制器计算出太阳散辐射值并通过无线数据发射接收器传输给上位机进行显示和数据存储。
所述太阳赤纬角δ的计算公式为
δ＝0.006918-0.399912cosB+0.070257sinB-0.006758cos2B+0.000907sin2B-0.002697cos3B+0.00148sin3B
其中δ表示太阳赤纬角即地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，当太阳位于北半球时δ取正，位于南半球时δ取负；B表示日期修正系数，计算公式为：
Figure BDA0002681783430000031
n表示日期系数。
所述太阳高度角α的计算方法为
1)设
Figure BDA0002681783430000033
为地球中心指向太阳的单位向量：
Figure BDA0002681783430000032
nx,ny,nz的参数方程表示为：
nx＝cosδcosω
ny＝-cosδsinω
nz＝sinδ
其中，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，计算公式为：
ω＝15×(Ts-12)
其中，Ts为当地太阳时，计算公式为
Ts＝T+E-4(Lst-Lloc)
其中，T为当地标准时间，Lloc为当地经度，Lst为制定标准时间采用的标准经度，E为经度修正系数；
2)在地球表面表面建立坐标系o'-x'y'z'，其中o'x'轴指向天顶，o'y'轴指向正东，o'z'轴指向正北，地平坐标系o'-x'y'z'可采用赤道平面坐标系o-xyz坐标系绕y轴旋转
Figure BDA00026817834300000412
而得，
Figure BDA00026817834300000413
为当地纬度，依据坐标变换公式得：
Figure BDA0002681783430000041
ny'＝ny
Figure BDA0002681783430000042
建立地面坐标系单位向量
Figure BDA0002681783430000043
Figure BDA0002681783430000044
为地面坐标系中地球到太阳的单位矢量，各方向分量为：
Figure BDA0002681783430000045
ny'＝-cosδsinω
Figure BDA0002681783430000046
太阳光线在水平面的入射角即太阳天顶角θz,由下式计算:
Figure BDA0002681783430000047
由正余弦定理得：
sinα＝cosθz
其中，α为太阳高度角即圆形遮光片圆心到太阳辐射辐照计感光元件圆心连线与太阳光线垂直投影之间的夹角，由反正弦定理得:
Figure BDA0002681783430000048
其中，α为太阳高度角，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，
Figure BDA0002681783430000049
为当地纬度。
所述太阳方位角γs的计算公式为
Figure BDA00026817834300000410
其中，γs为太阳方位角，α为太阳高度角，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，
Figure BDA00026817834300000411
为当地纬度。
所述太阳散辐射值的计算方法为
设太阳辐射辐照计的量程为0～R W/m2，输出电压为0～TV，
太阳散辐射值I的计算公式为：
Figure BDA0002681783430000051
其中，V为辐照计输出电压，R为太阳辐射辐照计量程的最大辐射值，T为太阳辐射辐照计量程的最大输出电压。
本发明的有益效果是：
(1)本发明圆形遮光板有较小的遮光面积，并可以跟随太阳高度角实时调节使得太阳散辐射被遮挡面积及概率更低，从而提高太阳散辐射采集设备数据采集精度；
(2)本发明利用太阳能几何光学，通过迭代及循环求解，获得太阳散辐射测量装置的追光定位，不需要昂贵的光学跟踪装置，实现装置自动运行；
(3)本发明利用机械结构使遮光板围绕测量仪的中心做圆周运动，测量值更为稳定，获得数据也更接近真实数值。
附图说明
图1为自动追踪型太阳散辐射测量仪结构示意图；
图2为太阳散辐射测量装置与控制器配合示意图；
图3为自动追踪型太阳散辐射测量原理图；
图4为驱动电机与转动圆环装配示意图；
图5为步进电机与圆弧形支撑杆装配示意图；
其中，1-太阳光线，2-太阳散辐射测量装置、2.1-圆形遮光板、2.2-角度调节电机、2.3-圆弧形支撑杆、2.4-圆弧形套筒、2.5-步进电机、2.6-支撑架、2.7-驱动电机、2.8-高度调节脚撑、2.9-转动圆环、2.10-太阳辐射辐照计、3-控制器、3.1-液晶触摸屏、3.2-无线数据发射接收器、3.3-太阳能吸收板、4-遮光板阴影、5-上位机。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：从图1～2、4～5所示，一种自动追踪型太阳散辐射测量仪，包括太阳散辐射测量装置2、控制器3、上位机5，太阳散辐射测量装置2与控制器3无线连接，控制器3与上位机5无线连接；
太阳散辐射测量装置2包括圆形遮光板2.1、角度调节电机2.2、圆弧形支撑杆2.3、圆弧形套筒2.4、步进电机2.5、支撑架2.6、驱动电机2.7、高度调节脚撑2.8、转动圆环2.9、太阳辐射辐照计2.10，支撑架2.6的顶端中心嵌设太阳辐射辐照计2.10，太阳辐射辐照计2.10外设置有转动圆环2.9，转动圆环2.9与太阳辐射辐照计2.10位于同一水平面上且转动圆环2.9的圆心与太阳辐射辐照计2.10的中心点重叠，转动圆环2.9与驱动电机2.7传动连接，转动圆环2.9的外壁水平设置有水平连杆，水平连杆的端头固定设置有圆弧形套筒2.4，圆弧形支撑杆2.3穿过圆弧形套筒2.4的中心孔，圆弧形支撑杆2.3的竖直方向上均匀设置有卡齿I，步进电机2.5固定设置在水平连杆上，步进电机2.5的输出轴水平设置且与输出轴延伸方向与水平连杆延伸方向垂直，步进电机2.5的输出轴上固定设置有主动齿轮I，圆弧形套筒2.4的侧壁开设有矩形口，主动齿轮I穿过圆弧形套筒2.4的矩形口，主动齿轮I与圆弧形支撑杆2.3的卡齿I啮合传动；角度调节电机2.2固定设置在圆弧形支撑杆2.3的顶端，圆形遮光板2.1设置在角度调节电机2.2的输出轴上，太阳辐射辐照计2.10的感光区域位于圆形遮光板2.1的阴影区域4内，驱动电机2.7、角度调节电机2.2、步进电机2.5、太阳辐射辐照计2.10均与控制器3无线连接。
圆弧形套筒2.4可随转动圆环2.9转动，并沿以太阳辐射辐照计2.10的中心为圆心的圆弧运动；
支撑架2.6包括支撑脚和支撑面板，支撑面板为圆形支撑面板，支撑面板固定设置在支撑脚顶端，太阳辐射辐照计2.10嵌设在支撑面板的中心，支撑脚的底端设置有高度调节脚撑2.8，支撑面板的边缘固定设置有圆环形滑轨，转动圆环2.9的内壁设置有圆环形滑槽，圆环形滑槽滑设在圆环形滑轨上且圆环形滑槽可绕圆环形滑轨转动；支撑面板正下方通过竖向连接杆固定设置有驱动电机2.7固定板，驱动电机2.7固定设置在驱动电机2.7固定板上，驱动电机2.7的输出轴竖直向上设置，输出轴上固定设置有主动齿轮II，转动圆环2.9底端内侧沿转动圆环周向均匀设置有卡齿II，主动齿轮II与转动圆环2.9底端的卡齿II啮合传动；
通过高度调节脚撑2.8可微调支撑脚的高度以实现支撑面板水平；
驱动电机2.7、角度调节电机2.2、步进电机2.5和太阳辐射辐照计2.10内均设置有无线数据发射接收模块，无线数据发射接收模块与控制器3无线连接；
控制器3设置有北斗定位授时模块、液晶触摸屏3.1、无线数据发射接收器3.2、太阳能吸收板3.3和太阳能蓄电池，太阳能吸收板3.3设置在控制器3顶端，太阳能吸收板3.3与太阳能蓄电池电连接，液晶触摸屏3.1设置在控制器3侧面，无线数据发射接收器3.2设置在控制器3一侧，控制器3通过无线数据发射接收器3.2与驱动电机2.7、角度调节电机2.2、步进电机2.5和太阳辐射辐照计2.10的无线数据发射接收模块无线连接，控制器3通过无线数据发射接收器3.2与上位机无线连接；
太阳辐射辐照计2.10感光区域的太阳直辐射1被遮光板2.1吸收或反射，太阳辐射辐照计2.10感光区域处于遮光板阴影4中，直辐射被过滤后，太阳辐射辐照计2.10测得散辐射的辐射电压值。
实施例2：本实施例采用实施例1自动追踪型太阳散辐射测量仪进行太阳散辐射测量的方法，具体步骤如下：
(1)通过控制器的北斗定位授时模块获取测量地点的经纬度、当地时间和自动追踪型太阳散辐射测量仪的初始摆放方位，通过太阳几何光学原理，计算出太阳的赤纬角、高度角和方位角；
太阳赤纬角δ的计算公式为
δ＝0.006918-0.399912cosB+0.070257sinB-0.006758cos2B+0.000907sin2B-0.002697cos3B+0.00148sin3B
其中δ表示太阳赤纬角即地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，当太阳位于北半球时δ取正，位于南半球时δ取负；B表示日期修正系数，计算公式为：
Figure BDA0002681783430000071
n表示日期系数；
太阳高度角α的计算方法为
1)设
Figure BDA0002681783430000072
为地球中心指向太阳的单位向量：
Figure BDA0002681783430000073
nx,ny,nz的参数方程表示为：
nx＝cosδcosω
ny＝-cosδsinω
nz＝sinδ
其中，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，计算公式为：
ω＝15×(Ts-12)
其中，Ts为当地太阳时，计算公式为
Ts＝T+E-4(Lst-Lloc)
其中，T为当地标准时间，Lloc为当地经度，Lst为制定标准时间采用的标准经度，E为经度修正系数；
2)在地球表面表面建立坐标系o'-x'y'z'，其中o'x'轴指向天顶，o'y'轴指向正东，o'z'轴指向正北，地平坐标系o'-x'y'z'可采用赤道平面坐标系o-xyz坐标系绕y轴旋转
Figure BDA0002681783430000074
而得，
Figure BDA0002681783430000075
为当地纬度，依据坐标变换公式得：
Figure BDA0002681783430000081
ny'＝ny
Figure BDA0002681783430000082
建立地面坐标系单位向量
Figure BDA0002681783430000083
Figure BDA0002681783430000084
为地面坐标系中地球到太阳的单位矢量，各方向分量为：
Figure BDA0002681783430000085
ny'＝-cosδsinω
Figure BDA0002681783430000086
太阳光线在水平面的入射角即太阳天顶角θz,由下式计算:
Figure BDA0002681783430000087
由正余弦定理得：
sinα＝cosθz
其中，α为太阳高度角即圆形遮光片圆心到太阳辐射辐照计感光元件圆心连线与太阳光线垂直投影之间的夹角，由反正弦定理得:
Figure BDA0002681783430000088
其中，α为太阳高度角，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，
Figure BDA0002681783430000089
为当地纬度。
太阳方位角γs的计算公式为
Figure BDA00026817834300000810
其中，γs为太阳方位角，α为太阳高度角，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，
Figure BDA00026817834300000811
为当地纬度；
(2)将日子数n时各时刻下的太阳的赤纬角、高度角和方位角通过控制器进行数模转换得到驱动电机、角度调节电机和步进电机的转动步长；
(3)控制器控制驱动电机、角度调节电机和步进电机进行转动使圆形遮光板实时维持水平且圆形遮光板实时遮挡太阳辐射辐照计光感区域，太阳辐射辐照计获得辐射电压；
太阳散辐射值的计算方法为
设太阳辐射辐照计的量程为0～R W/m2，输出电压为0～TV，
太阳散辐射值I的计算公式为：
Figure BDA0002681783430000091
其中，V为辐照计输出电压，R为太阳辐射辐照计量程的最大辐射值，T为太阳辐射辐照计量程的最大输出电压；
(4)太阳辐射辐照计通过无线数据发射接收模块将辐射电压信号传输给控制器，控制器计算出太阳散辐射值并通过无线数据发射接收器传输给上位机进行显示和数据存储。
实施例3：本实施例采用实施例1自动追踪型太阳散辐射测量仪对昆明地区2018年11月27日进行追踪型太阳散辐射测量的方法，具体步骤如下：
(1)通过控制器的北斗定位授时模块获取测量地点的经纬度(东经102.86°、北纬24.84°)、北京时间(11:56)和自动追踪型太阳散辐射测量仪的初始摆放方位(正南放置)，通过太阳几何光学原理，计算出太阳的赤纬角、高度角和方位角；
太阳赤纬角δ的计算公式为
δ＝0.006918-0.399912cosB+0.070257sinB-0.006758cos2B+0.000907sin2B-0.002697cos3B+0.00148sin3B
其中δ表示太阳赤纬角即地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，当太阳位于北半球时δ取正，位于南半球时δ取负；B表示日期修正系数，计算公式为：
Figure BDA0002681783430000092
n表示日期系数；由控制器对照测量日的日期与数据(见表1)表格可得，
表1日期系数
Figure BDA0002681783430000093
对于闰年，3月份之前的日子数+1；
本实施例当天太阳赤纬角δ为-20.997°；
太阳高度角α的计算方法为
1)设
Figure BDA0002681783430000095
为地球中心指向太阳的单位向量：
Figure BDA0002681783430000094
nx,ny,nz的参数方程表示为：
nx＝cosδcosω
ny＝-cosδsinω
nz＝sinδ
其中，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，计算公式为：
ω＝15×(Ts-12)
其中，Ts为当地太阳时，计算公式为
Ts＝T+E-4(Lst-Lloc)
其中，T为当地标准时间，Lloc为当地经度，Lst为制定标准时间采用的标准经度，E为经度修正系数；
2)在地球表面表面建立坐标系o'-x'y'z'，其中o'x'轴指向天顶，o'y'轴指向正东，o'z'轴指向正北，地平坐标系o'-x'y'z'可采用赤道平面坐标系o-xyz坐标系绕y轴旋转
Figure BDA0002681783430000101
而得，
Figure BDA0002681783430000102
为当地纬度，依据坐标变换公式得：
Figure BDA0002681783430000103
ny'＝ny
Figure BDA0002681783430000104
建立地面坐标系单位向量
Figure BDA0002681783430000105
Figure BDA0002681783430000106
为地面坐标系中地球到太阳的单位矢量，各方向分量为：
Figure BDA0002681783430000107
ny'＝-cosδsinω
Figure BDA0002681783430000108
太阳光线在水平面的入射角即太阳天顶角θz,由下式计算:
Figure BDA0002681783430000109
由正余弦定理得：
sinα＝cosθz
其中，α为太阳高度角即圆形遮光片圆心到太阳辐射辐照计感光元件圆心连线与太阳光线垂直投影之间的夹角，由反正弦定理得:
Figure BDA00026817834300001010
其中，α为太阳高度角，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，
Figure BDA0002681783430000111
为当地纬度；
本实施例太阳高度角α为见表2
表2不同时刻的太阳高度角α
当地太阳时 北京时间 高度角α°
11:00 11:56 41.90
11:15 12:11 42.88
11:30 12:26 43.59
11:45 12:41 44.02
12:00 12:56 44.16
12:15 13:11 44.02
12:30 13:26 43.59
12:45 13:41 42.88
13:00 13:56 41.90
太阳方位角γs的计算公式为
Figure BDA0002681783430000112
其中，γs为太阳方位角，α为太阳高度角，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，
Figure BDA0002681783430000113
为当地纬度；
本实施例太阳高度角γs见表3
表3不同时刻的太阳高度角γs
当地太阳时 北京时间 方位角γ<sub>s</sub>°
11:00 11:56 -18.39
11:15 12:11 -13.98
11:30 12:26 -9.41
11:45 12:41 -4.73
12:00 12:56 0.00
12:15 13:11 4.73
12:30 13:26 9.41
12:45 13:41 13.98
13:00 13:56 18.39
(2)将日子数n时各时刻下的太阳的赤纬角、高度角和方位角通过控制器进行数模转换得到驱动电机、角度调节电机和步进电机的转动步长；
(3)控制器控制驱动电机、角度调节电机和步进电机进行转动使圆形遮光板实时维持水平且圆形遮光板实时遮挡太阳辐射辐照计光感区域，太阳辐射辐照计获得辐射电压；
本实施例辐射电压见表4
表4不同时刻的辐射电压
Figure BDA0002681783430000114
Figure BDA0002681783430000121
(4)太阳辐射辐照计通过无线数据发射接收模块将辐射电压信号传输给控制器，控制器计算出太阳散辐射值并通过无线数据发射接收器传输给上位机进行显示和数据存储；太阳散辐射值的计算方法为
设太阳辐射辐照计的量程为0～R W/m2，输出电压为0～TV，
太阳散辐射值I的计算公式为：
Figure BDA0002681783430000122
其中，V为辐照计输出电压，R为太阳辐射辐照计量程的最大辐射值，T为太阳辐射辐照计量程的最大输出电压；
本实施例太阳辐射辐照计的量程为0～1200W/m2，输出电压为0～12V，太阳散辐射值见表5，
表5不同时刻的太阳散辐射值
当地太阳时 北京时间 散辐射值W/m<sup>2</sup>
11:00 11:56 76.6
11:15 12:11 79.0
11:30 12:26 77.4
11:45 12:41 78.4
12:00 12:56 77.6
12:15 13:11 72.6
12:30 13:26 70.4
12:45 13:41 71.0
13:00 13:56 73.3
从表5可知，不同时刻太阳散辐射值不同，通过本方法，太阳散辐射值可精确到0.1W/m2。
以上是对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种自动追踪型太阳散辐射测量仪，其特征在于：包括太阳散辐射测量装置(2)、控制器(3)、上位机(5)，太阳散辐射测量装置(2)与控制器(3)无线连接，控制器(3)与上位机(5)无线连接。
2.根据权利要求1所述自动追踪型太阳散辐射测量仪，其特征在于：所述太阳散辐射测量装置(2)包括圆形遮光板(2.1)、角度调节电机(2.2)、圆弧形支撑杆(2.3)、圆弧形套筒(2.4)、步进电机(2.5)、支撑架(2.6)、驱动电机(2.7)、高度调节脚撑(2.8)、转动圆环(2.9)、太阳辐射辐照计(2.10)，支撑架(2.6)的顶端中心嵌设太阳辐射辐照计(2.10)，太阳辐射辐照计(2.10)外设置有转动圆环(2.9)，转动圆环(2.9)与太阳辐射辐照计(2.10)位于同一水平面上且转动圆环(2.9)的圆心与太阳辐射辐照计(2.10)的中心点重叠，转动圆环(2.9)与驱动电机(2.7)传动连接，转动圆环(2.9)的外壁水平设置有水平连杆，水平连杆的端头固定设置有圆弧形套筒(2.4)，圆弧形支撑杆(2.3)穿过圆弧形套筒(2.4)的中心孔，圆弧形支撑杆(2.3)的竖直方向上均匀设置有卡齿I，步进电机(2.5)固定设置在水平连杆上，步进电机(2.5)的输出轴水平设置且与输出轴延伸方向与水平连杆延伸方向垂直，步进电机(2.5)的输出轴上固定设置有主动齿轮I，圆弧形套筒(2.4)的侧壁开设有矩形口，主动齿轮I穿过圆弧形套筒(2.4)的矩形口，主动齿轮I与圆弧形支撑杆(2.3)的卡齿I啮合传动；角度调节电机(2.2)固定设置在圆弧形支撑杆(2.3)的顶端，圆形遮光板(2.1)设置在角度调节电机(2.2)的输出轴上，太阳辐射辐照计(2.10)的感光区域位于圆形遮光板(2.1)的阴影区域(4)内，驱动电机(2.7)、角度调节电机(2.2)、步进电机(2.5)、太阳辐射辐照计(2.10)均与控制器(3)无线连接。
3.根据权利要求2所述自动追踪型太阳散辐射测量仪，其特征在于：支撑架(2.6)包括支撑脚和支撑面板，支撑面板为圆形支撑面板，支撑面板固定设置在支撑脚顶端，太阳辐射辐照计(2.10)嵌设在支撑面板的中心，支撑脚的底端设置有高度调节脚撑(2.8)，支撑面板的边缘固定设置有圆环形滑轨，转动圆环(2.9)的内壁设置有圆环形滑槽，圆环形滑槽滑设在圆环形滑轨上且圆环形滑槽可绕圆环形滑轨转动；支撑面板正下方通过竖向连接杆固定设置有驱动电机(2.7)固定板，驱动电机(2.7)固定设置在驱动电机(2.7)固定板上，驱动电机(2.7)的输出轴竖直向上设置，输出轴上固定设置有主动齿轮II，转动圆环(2.9)底端内侧沿转动圆环周向均匀设置有卡齿II，主动齿轮II与转动圆环(2.9)底端的卡齿II啮合传动。
4.根据权利要求2或3所述自动追踪型太阳散辐射测量仪，其特征在于：驱动电机(2.7)、角度调节电机(2.2)、步进电机(2.5)和太阳辐射辐照计(2.10)内均设置有无线数据发射接收模块，无线数据发射接收模块与控制器(3)无线连接。
5.根据权利要求4所述自动追踪型太阳散辐射测量仪，其特征在于：控制器(3)设置有北斗定位授时模块、液晶触摸屏(3.1)、无线数据发射接收器(3.2)、太阳能吸收板(3.3)和太阳能蓄电池，太阳能吸收板(3.3)设置在控制器(3)顶端，太阳能吸收板(3.3)与太阳能蓄电池电连接，液晶触摸屏(3.1)设置在控制器(3)侧面，无线数据发射接收器(3.2)设置在控制器(3)一侧，控制器(3)通过无线数据发射接收器(3.2)与驱动电机(2.7)、角度调节电机(2.2)、步进电机(2.5)和太阳辐射辐照计(2.10)的无线数据发射接收模块无线连接，控制器(3)通过无线数据发射接收器(3.2)与上位机无线连接。
6.自动追踪型太阳散辐射的测量方法，其特征在于：采用权利要求5所述自动追踪型太阳散辐射测量仪，具体步骤如下：
(1)通过控制器的北斗定位授时模块获取测量地点的经纬度、当地时间和自动追踪型太阳散辐射测量仪的初始摆放方位，通过太阳几何光学原理，计算出太阳的赤纬角、高度角和方位角；
(2)将日子数n时各时刻下的太阳的赤纬角、高度角和方位角通过控制器进行数模转换得到驱动电机、角度调节电机和步进电机的转动步长；
(3)控制器控制驱动电机、角度调节电机和步进电机进行转动使圆形遮光板实时维持水平且圆形遮光板实时遮挡太阳辐射辐照计光感区域，太阳辐射辐照计获得辐射电压；
(4)太阳辐射辐照计通过无线数据发射接收模块将辐射电压信号传输给控制器，控制器计算出太阳散辐射值并通过无线数据发射接收器传输给上位机进行显示和数据存储。
7.根据权利要求6所述自动追踪型太阳散辐射的测量方法，其特征在于：太阳赤纬角δ的计算公式为
δ＝0.006918-0.399912cos B+0.070257sin B-0.006758cos 2B+0.000907sin 2B-0.002697cos 3B+0.00148sin 3B
其中δ表示太阳赤纬角即地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，当太阳位于北半球时δ取正，位于南半球时δ取负；B表示日期修正系数，计算公式为：
Figure FDA0002681783420000021
n表示日期系数。
8.根据权利要求7所述自动追踪型太阳散辐射的测量方法，其特征在于：太阳高度角α的计算方法为1)设
Figure FDA0002681783420000022
为地球中心指向太阳的单位向量：
Figure FDA0002681783420000031
nx,ny,nz的参数方程表示为：
nx＝cosδcosω
ny＝-cosδsinω
nz＝sinδ
其中，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，计算公式为：
ω＝15×(Ts-12)
其中，Ts为当地太阳时，计算公式为
Ts＝T+E-4(Lst-Lloc)
其中，T为当地标准时间，Lloc为当地经度，Lst为制定标准时间采用的标准经度，E为经度修正系数；
2)在地球表面表面建立坐标系o'-x'y'z'，其中o'x'轴指向天顶，o'y'轴指向正东，o'z'轴指向正北，地平坐标系o'-x'y'z'可采用赤道平面坐标系o-xyz坐标系绕y轴旋转
Figure FDA00026817834200000310
而得，
Figure FDA00026817834200000311
为当地纬度，依据坐标变换公式得：
Figure FDA0002681783420000032
ny'＝ny
Figure FDA0002681783420000033
建立地面坐标系单位向量
Figure FDA0002681783420000034
Figure FDA0002681783420000035
为地面坐标系中地球到太阳的单位矢量，各方向分量为：
Figure FDA0002681783420000036
Figure FDA0002681783420000037
Figure FDA0002681783420000038
太阳光线在水平面的入射角即太阳天顶角θz,由下式计算:
Figure FDA0002681783420000039
由正余弦定理得：
sinα＝cosθz
其中，α为太阳高度角即圆形遮光片圆心到太阳辐射辐照计感光元件圆心连线与太阳光线垂直投影之间的夹角，由反正弦定理得:
Figure FDA0002681783420000041
其中，α为太阳高度角，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，
Figure FDA0002681783420000042
为当地纬度。
9.根据权利要求8所述自动追踪型太阳散辐射的测量方法，其特征在于：太阳方位角γs的计算公式为
Figure FDA0002681783420000043
其中，γs为太阳方位角，α为太阳高度角，δ表示太阳赤纬角，ω为太阳时角，
Figure FDA0002681783420000044
为当地纬度。
10.根据权利要求6所述自动追踪型太阳散辐射的测量方法，其特征在于：太阳散辐射值的计算方法为
设太阳辐射辐照计的量程为0～R W/m2，输出电压为0～TV，
太阳散辐射值I的计算公式为：
Figure FDA0002681783420000045
其中，V为辐照计输出电压，R为太阳辐射辐照计量程的最大辐射值，T为太阳辐射辐照计量程的最大输出电压。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113566810A (zh) * 2021-06-30 2021-10-29 合肥工业大学 时序天空偏振模式信息采集设备、采集系统及采集方法
CN114296153A (zh) * 2022-01-17 2022-04-08 安徽省大气探测技术保障中心 一种光电式数字日照计核查装置
CN115077491A (zh) * 2022-06-29 2022-09-20 航天东方红卫星有限公司 一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109307370A (zh) * 2018-10-13 2019-02-05 宜昌朗途科技开发有限公司 同心圆轨式跟踪聚光装置
US20190271756A1 (en) * 2016-07-28 2019-09-05 Amrita Vishwa Vidyapeetham Solar monitoring system for measuring solar radiation intensity
CN110474602A (zh) * 2019-07-29 2019-11-19 合肥中南光电有限公司 一种太阳能采集装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190271756A1 (en) * 2016-07-28 2019-09-05 Amrita Vishwa Vidyapeetham Solar monitoring system for measuring solar radiation intensity
CN109307370A (zh) * 2018-10-13 2019-02-05 宜昌朗途科技开发有限公司 同心圆轨式跟踪聚光装置
CN110474602A (zh) * 2019-07-29 2019-11-19 合肥中南光电有限公司 一种太阳能采集装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
段鹏飞 等: ""圆形吸收体复合抛物聚光器面形模型研究及仿真验证"", 《光学学报》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113566810A (zh) * 2021-06-30 2021-10-29 合肥工业大学 时序天空偏振模式信息采集设备、采集系统及采集方法
CN113566810B (zh) * 2021-06-30 2024-05-28 合肥工业大学 时序天空偏振模式信息采集设备、采集系统及采集方法
CN114296153A (zh) * 2022-01-17 2022-04-08 安徽省大气探测技术保障中心 一种光电式数字日照计核查装置
CN114296153B (zh) * 2022-01-17 2023-09-29 安徽省大气探测技术保障中心 一种光电式数字日照计核查装置
CN115077491A (zh) * 2022-06-29 2022-09-20 航天东方红卫星有限公司 一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法
CN115077491B (zh) * 2022-06-29 2023-06-30 航天东方红卫星有限公司 一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法

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