CN1752660A - 基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法，装置包括受光面板与控制器电连接的传感器、电机，所说受光面板经铰链与支撑杆、高度角调节杆连接，支撑杆的另一端与立柱连接，所说控制器为单片机的模/数端口分别与高度角传感器和方位角传感器电连接、数/模端口分别与高度角驱动电机控制端口和方位角驱动电机控制端口电连接；跟踪方法包括利用经度、纬度和日期时间计算当地当日太阳赤纬和时差，根据经度、纬度、太阳赤纬、时差和时刻实时计算太阳方位角和高度角，利用闭环控制实现实时跟踪；装置结构简单、造价低廉、跟踪方法无误差积累、维护量少，适用于自然环境下无人值守的太阳能开发。

Description

基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法

技术领域  本发明涉及太阳能开发自动化领域，特别涉及基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法。

背景技术  随着世界能源紧缺，油价高涨，太阳能作为用之不竭的免费绿色能源日益受到重视。为了提高太阳能利用效率，需要使太阳光尽可能垂直入射。科技界在太阳跟踪上进行了大量工作，开发了两种太阳跟踪方法：基于感应太阳光方向的主动式跟踪和基于地球绕日轨道规律的被动式跟踪。

主动式跟踪如“太阳辐射跟踪控制装置”(专利号01217140.9，授权公告号CN2472151Y)，被动式跟踪代表如“微功耗定时太阳跟踪装置”(专利号02222766.0，授权公告号CN2562135Y)。前者“太阳辐射跟踪控制装置”利用金字塔型光电传感器接收太阳光，太阳光不垂直于金字塔型光电传感器中心时，将造成四个光电板的输出电压不相等，对四个光电板输出的电压进行比较，就可计算出太阳方位，进而控制步进电机驱动跟踪装置对准太阳，优点是精度高，缺点是结构复杂，成本高昂，维护量大，只适合于科研领域，原因在于其为了追求跟踪精度，采用了电热丝、温度传感器、光辐射探测器、四象限探测器、定位传感器等多个模块；后者“微功耗定时太阳跟踪装置”属于被动式跟踪，利用太阳方位角15度/小时的规律，驱动太阳面板方位角同步转动，从9点至18点进行单轴跟踪控制，结构简单，缺点是跟踪误差大，太阳能利用率低，原因在于其没有跟踪太阳高度角，不能实现太阳的双轴跟踪，且没有考虑经度、纬度因素，不适于大面积推广，没有昼夜区分功能，太阳能利用效率低。另外，现有技术中普遍采用步进电机进行驱动，定位装置普遍采用光电传感器，造价昂贵，抗环境干扰能力差。

民用太阳能领域追求高的自动化水平，更少的维护量，更低的成本。目前的主动式跟踪因为涉及光电传感器，造成价格昂贵，且易受灰尘、光污染影响，维护量大，不适于民用太阳能领域；被动式控制由于其可靠性成为民用太阳跟踪装置的方向，但传统的被动式跟踪装置都是依靠步进电机驱动，使用高精度传统系统，造价高，同时没有考虑时差、太阳赤纬变化的不均匀性(地球绕日轨道存在偏心率造成)，也没有考虑经度、纬度，离大规模推广尚有很大差距。

发明内容  本发明的目的是针对国内外太阳跟踪器的缺陷，提出一种新型的被动式跟踪装置即基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法，以降低太阳跟踪装置的成本，减少维护量，满足民用太阳能领域的需求。

本发明的原理是：利用单片机根据日期精确求出当日时差(真太阳时与平太阳时的差)与太阳赤纬(太阳直射点的纬度)，再结合当地经度纬度精确计算出太阳当时的高度角和方位角，确定太阳位置，区分昼夜。

时差和太阳赤纬是日期的周期函数，周期为一年，可查表。为了达到更高的计算精度，可以采用查表内插或函数拟合手段，下面是一种典型的函数拟合算法：

工作日当天为从1月1日开始计时后的第D天，为方便，设中间量X为

$x=\frac{2\mathrm{\π}(D-1)}{365}$

则当天的时差δ，太阳赤纬σ分别为

$\mathrm{\δ}=\frac{229.18\×[75+186.8\cos \left(x\right)-32077\sin \left(x\right)-14615\cos \left(2x\right)-40890\sin \left(2x\right)]}{1000000}$

$\mathrm{\σ}=\frac{180[(6918-399912\cos \left(x\right)+70257\sin \left(x\right))-6758\cos \left(2x\right)+907\sin \left(2x\right)-2697\cos \left(3x\right)+1480\sin \left(3x\right)]}{10000000\mathrm{\π}}$

本发明利用时差、经度及当前时刻计算太阳时角Ω(太阳光直射跟踪装置所在经度后转过的角度称太阳时角)，其大小为

Ω＝(CT+CL+δ-12)×15°，其中CT为当前时刻，CL为经度订正，1度/4分钟，δ为当日时差。

本发明通过太阳时角Ω、太阳赤纬σ及纬度(北纬为正，南纬为负)计算太阳高度角α(太阳光线与地平面夹角)和太阳方位角β(从正北方向起始，顺时针旋转到太阳光线射影的角度)，则对南起赤道北至北极圈的广大地区，有

sinα＝sinsinσ+coscosσcosΩ

本发明通过高度角的值判断昼夜。为了求出当地当天的日出时刻和日落时刻，令高度角α等于零，有cos[(CT+CL+δ-12)×15°]＝-tantanσ，CT有两个解，小于12的为日出时刻，大于12的解为日落时刻。

单片机对太阳期望位置和姿态传感器反馈回来的实际跟踪位置进行比较，得出跟踪误差，根据控制算法输出控制信号，控制直流电机运行，在闭环控制下把误差减小到零，实现双轴跟踪。单片机每隔一段时间就重新进行太阳位置计算，进行新一轮的跟踪，间隔的时间长短可以通过键盘电路对单片机进行设定。姿态传感器由电容传感器组成，其中高度角利用差动电容传感器获知，方位角利用三瓣式电容角度传感器获知，昼间进行跟踪，夜间停止跟踪。

本发明的技术方案是：一种基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，包括受光面板、与控制器电连接的传感器、电机，其特征在于：

所说受光面板经铰链与支撑杆、高度角调节杆连接，所说支撑杆的另一端与立柱连接，所说高度角调节杆的另一端置于所说立柱的内腔中；

所说传感器为高度角传感器和方位角传感器，所说高度角传感器为差动电容式传感器，所说差动电容式传感器的电容动极板和定极板分别置于高度角调节杆的另一端和立柱内腔壁上，所说方位角传感器为三瓣式电容角度传感器，所说三瓣式电容角度传感器的电容动极板和定极板分别置于立柱一端的外壁和外壳上；

所说电机为高度角驱动电机和方位角转动电机，所说高度角驱动电机固定在支架上，支架固定在立柱上，所说高度角驱动电机输出轴经减速器减速后通过蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮共轴带动齿轮，齿轮与置于立柱内腔中的高度角调节杆另一端上的齿条相连接，所说方位角驱动电机固定在底座上，方位角驱动电机的输出轴经减速器减速后通过小齿轮与固定在立柱上的大齿轮同轴连接；

所说控制器为单片机的模/数端口分别与高度角传感器和方位角传感器电连接、数/模端口分别与高度角转动电机控制端口和方位角动驱电机控制端口电连接。

所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是单片机为AT90S4434型单片机。

所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是AT90S4434型单片机的PC0～PC7端口与键盘电连接。

所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是AT90S4434型单片机的PD2～PD4端口分别与时钟芯片的RST、SCLK、I/O脚电连接。

所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是AT90S4434型单片机的PD5～PD7端口分别与HT1612控制器的 CS、 WR、DATA脚电连接。

基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置的跟踪方法，包括将接收的传感器的模拟量信号转换成数字信号，对其处理后再变换为模拟量去推动电机，其特征在于：

系统初始化后，时钟芯片开始不间断计时；

根据时钟芯片提供的日期，计算当日太阳赤纬和时差；

根据地理经度、纬度、时差、太阳赤纬，计算实时太阳方位角和高度角；

高度角大于零则判断为白昼，否则判断为黑夜，夜间不跟踪；

对跟踪装置的高度角和方位角进行闭环控制，消除跟踪误差。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

其一，本发明中的太阳跟踪装置主要由单片机、电容传感器和直流电机组成，相对于现有技术微功耗定时太阳跟踪装置”没有使用光电传感器和步进电机，说明本发明跟踪装置结构简单、成本低廉，维护量小。

其二，本发明中的太阳跟踪装置属于双轴跟踪，可跟踪太阳方位角和高度角，相对于现有技术“微功耗定时太阳跟踪装置”，进行太阳方位角的单轴跟踪则精度高。

其三，“本发明的太阳跟踪装置有方位角度传感器和高度角传感器，采用电容传感器实现装置跟踪姿态反馈，利用直流电机进行驱动，因为有反馈环节，无误差积累，所以电机选择范围大。

其四，本发明的跟踪方法是由于单片机对太阳期望位置和传感器反馈回来的实际跟踪位置进行比较，得出跟踪误差，根据控制算法输出控制信号，控制直流电机运行，能够在闭环控制下把误差减小到零，实现双轴跟踪。

其五，本发明的跟踪方法是全面的地平坐标系跟综方法，由于单片机精确计算了决定太阳位置必需的全部因素：时差、太阳赤纬、经度、纬度，则本发明考虑了时差、太阳赤纬全年变化的不均匀性，避免了现有技术被动式跟踪技术中不考虑时差，将太阳赤纬变化近似为匀速带来的计算误差；由于本发明的跟踪算法考虑了经度、纬度因素，通过设定经度、纬度值，相对于现有技术可适用于广大地区；

本发明的跟踪方法还可以判断每日日出、日落时刻，实现日出即开始跟踪，日落即停止跟踪，具有昼夜判别能力，能够长时间全自动化运行，避免了现有技术被动式跟踪，从9点至18点进行单轴跟踪控制，跟踪误差大，太阳能利用率低的缺点，另外方法中利用差动电容比值，可抗天气变化引起的干扰。

附图说明

图1为本发明装置具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明装置具体实施方式电路图；

图3为本发明装置具体实施方式高度角调节杆升降机构结构图；

图4为本发明方法具体实施方式时差变化曲线；

图5为本发明方法具体实施方式太阳赤纬变化曲线；

图6为本发明装置具体实施方式圆筒式电容传感器工作原理图；

图7为本发明具体实施方式差动圆筒电容传感器结构图；

图8为本发明装置具体实施方式三瓣式电容角度传感器结构图；

图9为本发明装置具体实施方式三瓣式电容角度传感器电路示意图；

图10为本发明装置在具体实施方式中跟踪方法流程图。

具体实施方式  下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

在图1中1为铰链，2为高度角调节杆，3为高度角传感器，4为齿条，5为蜗轮，6为蜗杆，7为齿轮，8为减速器，9为高度角驱动电机，10为支架，11为控制器，12为小齿轮，13为减速器，14为方位角驱动电机，15为底座，16为轴承，17为方位角传感器，18为大齿轮，19为立柱，20为滑块，21为支撑杆，22为受光面板。

该装置为立筒式结构，受光面板22通过上下两根铰链1分别连接到高度角调节杆2和支撑杆21上，高度角调节杆2可在立柱19内上下移动，调节受光面板22的高度角，高度角传感器3的电容动极板和定极板分别置于高度角调节杆2的外壁与立柱19的内壁上，方位角传感器17的电容动极板置于立柱19的底部外壁上。高度角驱动电机9输出轴经减速器8减速后充当蜗杆6，带动蜗轮5，蜗轮5与齿轮7共轴联动，齿轮7与高度角调节杆一端的齿条4咬合。方位角的调节依靠方位角驱动电机14经减速器13减速后的小齿轮12咬合立柱19上的大齿轮18实现。

在图2中，30为键盘，27为时钟芯片HT1380，29为单片机11的串行通信接口PD0，28为单片机11的串行通信接口PD1，26为控制器HT1621，25为单片机AT90S4434，23为高度角驱动电机控制端口，24为方位角驱动电机控制端口。

单片机25通过PA0、PA1连接高度角驱动电机控制端口23和方位角驱动电机控制端口24，高度角传感器3与单片机25的PA2、PA3连接，方位角传感器17与单片机25的PA4～PA6连接，控制器HT162112、时钟芯片HT1380、键盘通过PD5～PD7、PD2～PD4、PC0～PC7与单片机25连接。

图3为高度角调节杆升降结构示意图，为蜗杆-蜗轮-齿轮-齿条的传动方式。

图4为东经120度中午时刻的时差变化图。图中横坐标为天数，纵坐标为时差，一年之中时差随天数变化而曲线上升。

图5为太阳赤纬变化图。图中横坐标为天数，纵坐标为太阳的赤纬，一年之中天数变化到150时赤纬随曲线上升为顶峰，随后曲线又开始下降。这说明在一年当中太阳赤纬变化曲线并不均匀，传统技术中将其近似为线性变化，造成了很大的跟踪误差。

图6是圆筒式电容传感器工作原理图，电容值与两个极板的相对面积成正比。

图7是差动圆筒电容传感器结构图。高度角调节杆2位置变化时，两电容分别变大/变小，利用两电容值之比，可计算出高度角调节杆2相对于立柱19的位置。利用差动电容比值方法可抗天气变化引起的干扰。

图8是三瓣式电容角度传感器，三个定极板以对称方式围成一周，与动极板组成3个电容器。

图9是三瓣式电容角度传感器电路图。立柱19转动时带动动极板旋转，引起三个电容变化，根据三个电容值之比，可计算出立柱19转动角度，也即受光面板22的方位角。

图10是跟踪控制方法流程图。

具体实施方式  利用键盘30经单片机25的PC0～PC7端口设定系统启动时所需数据：当地经度、纬度、日期、休眠期，时钟芯片27的RST、SCLK、I/O端口电连接单片机25的PD2～PD4端口，从单片机25获取时间后开始不间断计时，装置启动完毕，进入全自动工作状态。装置启动后，单片机25读取时钟芯片27的计时，结合存入内存的经度、纬度值，算出当日时差和太阳赤纬，进而计算出太阳当时的高度角和方位角，计算出当地当日日出时刻与日落时刻，如当前时刻为黑夜，则程序循环等待，如为白昼，则系统进行跟踪。

跟踪开始后，单片机25读取高度角传感器3和方位角传感器17的电信号，其中高度角传感器3利用差动电容感知高度角调节杆2相对于立柱19的位置，方位角传感器17通过三瓣定极板感知贴有动极板的立柱19的方位角，单片机25利用PA口自带的A/D转换功能实现高度角和方位角电信号的模拟/数字转换；单片机25的模/数端口分别与高度角传感器3、方位角传感器17电连接；单片机25计算太阳与太阳面板22在高度角和方位角上的差值，分别利用PID算法计算出控制信号，经数/模转换后经单片机25的PA0、PA1端口将控制信号分时输入信号接口高度角驱动电机控制端口23和方位角驱动电机控制端口24。

高度角驱动电机控制高度角调节杆2移动到相应位置，实现受光面板22的高度角调节；方位角驱动电机控制立柱19旋转到相应位置，实现受光面板22的方位角调节。

单片机25通过PD5～PD7端口电连接HT1621控制器26的 CS、 WR、DATA端口，将当前时钟、经度、纬度分时输入控制器26，实现对外显示。

参见图10，基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置的跟踪方法和工作流程如下：通电启动后，单片机AT90S4434启动内部驻有程序，等待键盘30输入命令，操作人员通过键盘30向单片机25设置初始值，包括当地经度、纬度、日期、时刻、延时时间(步骤100)；接着在步骤110中，时钟芯片HT1380从单片机25获取初始值后开始不间断计时，HT1621控制器26对外不间断显示当前时钟、经度、纬度；步骤120中单片机25根据日期计算当日的太阳赤纬及时差；步骤130中单片机25根据经度、纬度、时差、太阳赤纬实时计算太阳方位角和高度角；步骤140中单片机AT90S4434判断高度角是否大于零，如果小于零，则转入步骤150，延时特定时间后转入步骤120；如果判断高度角大于或等于零，则转入步骤160，进行闭环控制，实现实时跟踪，接下来延时特定时间(步骤170)，延时完成后转入步骤130。

跟踪装置每半年维护一次，维护时操作人员重新启动系统，重新设定系统时钟与当地经度、纬度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1、一种基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，包括受光面板(22)与控制器电连接的传感器、电机，其特征在于：

1.1、所说受光面板(22)经铰链(1)与支撑杆(21)、高度角调节杆(2)连接，所说支撑杆(21)的另一端与立柱(19)连接，所说高度角调节杆(2)的另一端与滑块(20)相连，滑块(20)置于所说立柱(19)的内腔中；

1.2、所说传感器为高度角传感器(3)和方位角传感器(17)，所说高度角传感器(3)为差动电容式传感器，所说差动电容式传感器的电容动极板和定极板分别置于高度角调节杆(2)的另一端和立柱(19)内腔壁上，所说方位角传感器(17)为三瓣式电容角度传感器，所说三瓣式电容角度传感器的电容动极板和定极板分别置于立柱(19)一端的外壁上和外壳的内壁上；

1.3、所说电机为高度角驱动电机(9)和方位角驱动电机(14)，所说高度角驱动电机(9)固定在支架(10)上，支架(10)固定在立柱(19)上，所说高度角驱动电机(9)输出轴经减速器(8)减速后通过蜗杆(6)与蜗轮(5)啮合，蜗轮(5)共轴带动齿轮(7)，齿轮(7)与置于立柱(19)内腔中的高度角调节杆(2)另一端上的齿条(4)相连接，所说方位角驱动电机(14)固定在底座(15)上，方位角驱动电机(14)的输出轴经减速器(13)减速后通过小齿轮(12)与固定在立柱(19)上的大齿轮(18)同轴连接；

1.4、所说控制器为单片机的模/数端口分别与高度角传感器(3)和方位角传感器(17)电连接、数/模端口分别与高度角驱动电机控制端口(23)和方位角驱动电机控制端口(24)电连接。

2、根据权利要求1所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是单片机(25)为AT90S4434型单片机。

3、根据权利要求2所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是AT90S4434型单片机(25)的PC0～PC7端口与键盘(30)电连接。

4、根据权利要求1所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是AT90S4434型单片机(25)的PD2～PD4端口分别与时钟芯片(27)的RST、SCLK、I/O脚电连接。

5、根据权利要求1所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是AT90S4434型单片机(25)的PD5～PD7端口分别与HT1621控制器(26)的 CS、WR、DATA脚电连接。

6、根据权利要求1所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置的跟踪方法，包括将接收的传感器的模拟量信号转换成数字信号，对其处理后再变换为模拟量去推动电机，其特征在于：

系统初始化后，时钟芯片(27)开始不间断计时；

根据时钟芯片(27)提供的日期，计算当日太阳赤纬和时差；

根据地理经度、纬度、时差、太阳赤纬，计算实时太阳方位角和高度角；

高度角大于零则判断为白昼，否则判断为黑夜，夜间不跟踪；

对跟踪装置的高度角和方位角进行闭环控制，消除跟踪误差；具体方法为：

先根据日期求出当日时差与太阳赤纬，再结合当地经度、纬度算出太阳当时的高度角和方位角，以确定太阳位置，区分昼夜；

时差和太阳赤纬采用查表内插或函数拟合方式，其中，函数拟合算法为：

则当天的时差δ，太阳赤纬σ分别为：

$\mathrm{\δ}=\frac{229.18\×[75+186.8\cos \left(x\right)-32077\sin \left(x\right)-14615\cos \left(2x\right)-40890\sin \left(2x\right)]}{1000000}$

$\mathrm{\σ}=\frac{180[(6918-399912\cos \left(x\right)+70257\sin \left(x\right))-6758\cos \left(2x\right)+907\sin \left(2x\right)-2697\cos \left(3x\right)+1480\sin \left(3x\right)]}{10000000\mathrm{\π}}$

式中，工作日当天为从1月1日开始计时后的第D天，中间量X设为：

$x=\frac{2\mathrm{\π}(D-1)}{365}$

太阳时角Ω为：Ω＝(CT+CL+δ-12)×15°，式中，CT为当前时刻，CL为经度订正，1度/4分钟，δ为当日时差；

通过太阳时角Ω、太阳赤纬σ及纬度(北纬为正，南纬为负)计算太阳高度角α(太阳光线与地平面夹角)和太阳方位角β(从正北方向起始，顺时针旋转到太阳光线射影的角度)，则对南起赤道北至北极圈的广大地区，有

sinα＝sinsinσ+coscosσcosΩ

通过高度角的值判断昼夜，为了求出当地当天的日出时刻和日落时刻，令高度角α等于零，有cos[(CT+CL+δ-12)×15°]＝-tantanσ，CT有两个解，小于12的为日出时刻，大于12的解为日落时刻，从而由太阳高度角α和太阳方位角β得到太阳期望位置；

单片机(25)对太阳期望位置与高度角传感器(3)、方位角传感器(17)反馈回来的实际跟踪位置进行比较，得出跟踪误差以输出控制信号，控制高度角驱动电机(9)和方位角驱动电机(14)运行，使受光面板(22)垂直于太阳光。

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