CN202548648U

CN202548648U - 一种太阳自动追踪系统

Info

Publication number: CN202548648U
Application number: CN2012201701217U
Authority: CN
Inventors: 顾行发; 陈继平; 余涛; 宁开放; 李家国; 高海亮
Original assignee: Institute of Remote Sensing Applications of CAS
Current assignee: Institute of Remote Sensing Applications of CAS
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2022-04-20

Abstract

本实用新型公开了一种太阳自动追踪系统，包括光电式追踪机构和辅助该光电式追踪机构追踪太阳方位的视日运动轨迹算法追踪模块，所述光电式追踪机构包括检测太阳方位的四象限探测器，太阳光通过聚光镜头汇聚于所述四象限探测器，由四象限探测器检测太阳方位并且输出光电流，所述光电流的电流电压经过信号调理模块转换和放大，再经过模数转换模块数字化转换并传输给中央处理器，经过中央处理器的计算得出太阳光斑在四象限探测器上的坐标，再对比视日运动轨迹算法追踪模块所提供的数据从而控制执行机构调整整个系统的姿态追踪太阳方位。

Description

一种太阳自动追踪系统

技术领域

本实用新型涉及一种太阳自动追踪系统，具体涉及一种驱动太阳能电池板实时朝向太阳转动的系统。

背景技术

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性以及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中成为了首选的可再生能源。

由于太阳能照射的能量密度分布小，还受到昼夜、季节、纬度、海拔和天气因素的影响具有不稳定性和不连续性。再者太阳能利用装置效率低和成本高等特点制约着太阳能的利用。太阳自动追踪系统为上述问题提供了解决的技术途径，已广泛运用于全自动太阳光度计和太阳能发电中。

太阳自动追踪系统广泛应用于太阳灶、太阳能光伏发电系统，包括平板或聚光、太阳能聚焦热水器系统、太阳光导入系统、太阳能制氢、太阳能集能器和太阳光度计等需要对太阳进行实时精确跟踪的应用领域。

太阳自动追踪系统根据工作原理不同主要分为：纯机械式追踪、光电式追踪和视日运动轨迹算法追踪。但是由于纯机械式追踪系统精度低，并不能实现时时刻刻追踪太阳；光电式因为其设计简单、精度高而被广泛运用，却又容易受到天气的影响；视日运动轨迹算法追踪系统因其无需探测器成本低廉深受欢迎，但是因为系统中的经纬度理论值和实际地理情况存在偏差，往往存在不能精确定位的问题。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种太阳自动追踪系统，该系统追踪精度高，性能可靠，并且不受天气的制约。

为了达到上述目的，本实用新型一种太阳自动追踪系统，包括光电式追踪机构和辅助该光电式追踪机构追踪太阳方位的视日运动轨迹算法追踪模块，所述光电式追踪机构包括检测太阳方位的四象限探测器，太阳光通过聚光镜头汇聚于所述四象限探测器，由四象限探测器检测太阳方位并且输出光电流，所述光电流的电流电压经过信号调理模块转换和放大，再经过模数转换模块数字化转换并传输给中央处理器，经过中央处理器的计算得出太阳光斑在四象限探测器上的坐标，再对比视日运动轨迹算法追踪模块所提供的数据从而控制执行机构调整整个系统的姿态追踪太阳方位。

进一步，所述中央处理器采用MCU。

进一步，所述执行机构包括和MCU电连接的电动机驱动模块，该电动机驱动模块驱动有太阳高度角步进电机和太阳方位角步进电机。

进一步，所述MCU电连接有时钟芯片，该时钟芯片给MUC提供日期、时间数据供MCU判断待机或启动，该时钟芯片同时为视日运动轨迹算法追踪模块提供日期、时间数据。

进一步，所述MCU电连接有作为人机交互接口的显示模块和输入模块。

进一步，所述MCU电连接有监控平台，所述监控平台采用PC机。

进一步，所述执行机构包括安放太阳能电池板的支架，该支架由太阳高度角步进电机和太阳方位角步进电机驱动做追踪太阳方位的转动。

进一步，所述四象限探测器、信号调理模块、模数转换模块安装在探测板背向太阳光的一面，该探测板的同一面还安装有电源稳压模块。

进一步，所述MCU、时钟芯片安装在控制板上，该控制板同时安装有LCD显示屏、电源模块、输入模块所使用按键、地址锁存器、译码器。

本实用新型综合设置光电式追踪机构和视日运动轨迹算法追踪模块，具有以下优点，（1）采用光电跟踪和算法跟踪相结合跟踪精度高；有效日照时间内全程自动跟踪控制；

（2）本太阳自动跟踪系统采用低功耗控制芯片功耗低；

（3）适用于各种天气，由算法和光电强度自动识别天气状况，智能控制太阳能设备的跟踪模式；

（4）抗干扰能力强，由算法消除干扰光源对跟踪系统的影响，如闪电，信号弹等，并且聚光镜头经过氧化处理提高探测器对太阳光源的敏感度；

（5）一天跟踪完成后，自动回到初始设定位置；

（6）性能稳定可靠，具有错误识别，可以自动修复错误数据功能；

（7）具有串口通信接口，支持485通信功能，可以与计算机等主机组成通信网络；

（8）自动监控跟踪器运行状态，具有自行学习能力，达到全程自动可靠控制的要求；

（9）输出具有过流保护功能，正常工作驱动电流2A，保护电流为4A，过流0.3秒钟启动保护功能，并且自锁，排除外部故障后重新断电启动系统并可自动启动跟踪状态；

（10）支持多种驱动机构，支持直流有刷电机驱动，支持步进电机驱动，支持交流电机驱动；

（11）有手动控制功能，方便太阳跟踪系统调试，维护。

附图说明

图1为本实用新型结构视图；

图2为本实用新型作业流程图；

图3为本实用新型执行机构的结构视图。

图中：1.太阳能电池板支架、2.高度角转轴、3.支架、4.方位角转轴、5.方位角步进电机、6.减速器、7.传动齿轮组、8.高度角步进电机、9.减速器、10.传动齿轮组。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达到预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图和较佳实施例，对本实用新型的结构、特征以及功效详细说明如后。

系统结构设计

如图1、图2、图3所示为本实用新型所设计实施例之一，在该实施例中，本设计的太阳自动追踪系统总体结构包括电子电路硬件设计、双轴执行机构设计、算法设计、控制软件和监控软件设计等。电子电路部分包括探测板、控制板和驱动板。双轴执行机构由机械座、机械夹、齿轮组和步进电机组成。算法设计主要包括视日运动轨迹算法和日出日落时间算法。控制软件包括模式判断，步进电机控制，时钟芯片通信程序、模数转换器控制程序和串口通信程序。监控软件设计包括发送命令、接受数据并且显示等。

本设计的太阳自动追踪系统总体结构如图1所示，将平行的太阳光通过聚光镜头中的滤光镜片和凸透镜片后相汇于四象限探测器上，再由四象限探测器检测太阳位置从而输出光电流，经过信号调理模块的转换和放大电流电压，再经过模数转换模块传输给MCU，经过计算得出太阳光斑在四象限探测器上的坐标，进而控制执行机构调整整个系统的姿态去追踪太阳方位。本太阳自动追踪系统时刻将系统工作参数、工作模式和工作状态通过串口传送给PC机上的监控界面。信号调理模块主要是对微弱的光电流信号转换为电压信号，然后再放大。模数转换模块主要将放大后的电压信号进行数字化。显示模块主要是在系统初始化阶段，作为系统的人机交互接口，根据系统提示可以设置系统的经度、纬度、日期和时间，并且可以实时显示当前的工作模式和工作状态等信息。输入模块就是输入系统所需的工作参数。电机驱动模块是接受MCU的控制信号，根据控制信息输出驱动步进电机所需的电流。

硬件设计

本设计的太阳自动追踪系统硬件部分包括：聚光镜头、探测板、控制板和驱动板。聚光镜头上安装了滤光镜片和凸透镜片，目的是将平行太阳光滤除一部分后经凸透镜片相聚于凸透镜片的焦点，即四象限探测器的中心。探测板包括四象限探测器、放大器即信息调理模块、数模转换模块和电源稳压模块。四象限探测器根据四个象限上光强的不同输出光电流，放大器将光电流进行电流到电压转化并且放大，数模转换模块将放大后的模拟电压信号转化为MCU能够计算和处理的数字化信号，电压稳压模块起保护四象限探测器以免光电流过大烧坏。控制板包括MCU、时钟芯片、LCD、独立式按键、地址锁存器、3-8译码器、与门以及非门。控制板接受来自探测板的太阳光位置信息，经过计算后输出控制信息驱动步进电机转动。MCU是整个系统的控制和计算核心。时钟芯片为系统实时提供时间、日期数据。LCD显示系统的工作模式和工作参数，其中工作参数包括当地的经度和纬度，日期和时间。独立式按键是初始化系统时输入工作参数。驱动板主要接受控制板的控制信息之后驱动步进电机，进而调整系统的姿态。

聚光镜头设计

聚光镜头由镜头、镜筒和镜座三部分组成。镜座是由直径3mm的螺栓固定在探测板上。镜筒是由镜座内壁的螺纹固定，使用螺纹可以调整透过凸透镜片的太阳光线在四象限探测器上形成太阳光斑的直径大小。凸透镜镜片由镜筒内壁的凹槽固定。滤光片是由镜筒和镜头夹紧而固定。

探测板设计

系统探测板上安装有四象限探测器模块、信息调理模块、模数转换模块和电源稳压模块。

四象限探测器型为号QP50-6，感光面圆直径是7.8mm，面积是50mm²。该探测器具有象限间隙小、分流阻抗高、暗电流小和高分辨率的特点。

信息调理模块选择OPA4131，是TI公司的多用途差分运算放大器的一种。

模数转换模块选择AD7366，是AD公司的同步采样的四通道模数转换器。

电源稳压模块选择OPA131，是TI公司的多用途差分运算放大器的一种。该模块功能主要是对输入电流进行限制，防止太阳光强太大引起光电流过大而烧坏四象限探测器，同时也限制了四象限探测器的电压，防止因为电压过高而击穿四象限探测器。

探测板是系统光电追踪数据的来源，因为它直接决定了系统的检测精度。由于探测板需要安装在太阳能电池板上，所以探测板设计的面积应该尽量小。并且考虑到在太阳光强的直接照射下，温度必然升高，以及安装聚光镜头的需要，所以探测板上的元器件全部帖装在探测板的反面，这样有利于提高系统精度、便于安装和维护。

控制板设计

系统控制板上安装有MCU、LCD、独立式按键、时钟芯片、串口RS232芯片、电源模块、地址锁存器和译码器等。

控制板是整个系统的控制核心，主要是运行视日运动轨迹算法、日出日落算法和接受检测信号并发出控制步进电机的指令等。由于系统初始化是在控制板上进行的，所以安装了4个按键的键盘和LCD显示屏，并且有与PC机通信的串口扩展和时钟芯片，还设置有连接探测板和连接驱动板的接口。LCD显示的是该系统所在的地理经纬度，经纬度数值可通过按键调整。

驱动板设计

系统驱动板采用经典的L297+L298，最大驱动电流可达2A。L297+L298是驱动两相双极性和四相单极性步进电机的经典电路设计，它的最大特点是外围元件简单和工作稳定性好。

本系统的驱动部分专门为输入部分设置了缓冲隔离，在一定程度上可防止或减轻倒灌电流对系统的MCU造成损害。本系统的驱动部分步进电机驱动器设有工作状态指示灯，在系统控制失灵时可帮助判断步进电机或上位机软件工作是否正常。驱动板以电路简捷，工作可靠为原则。

软件设计

本设计的软件主程序流程图如图2所示，软件是分模块设计的，其中包括以下几个模块：

Figure 2012201701217100002DEST_PATH_IMAGE001

初始化过程，主要初始化系统的工作参数包括当地的经度、纬度、日期和时间。并且初始化时钟芯片的时间，然后经过日出日落时间算法计算出今天的日落时间和明天日出时间，将这两个时间作为时钟芯片的报警时间保存到时钟芯片相对应的RAM中。串口通信传送系统工作参数和日出日落时间到监控界面并显示。

系统工作模式判断，是指系统根据工作时间比如白天和黑夜不同，环境比如晴天和阴雨天气等不同，系统会选择相应的进入不同的工作模式，并且会根据时间和环境的变化而变化的。

Figure 2012201701217100002DEST_PATH_IMAGE003

系统进入视日运动轨迹模式，根据当地的经度、纬度和时钟芯片的日期、时间，通过计算当积日、太阳日角、时差、太阳时角、太阳赤纬角，最后计算出太阳高度角和方位角。再由单片机控制高度角电机和方位角电机调整太阳能电池板姿态。

系统进入四象限探测器追踪模式后，四象限探测器实时检测太阳光强在四个象限的强度从而输出光电流，经放大和模数转换后，由MCU经过计算控制高度角电机和方位角电机调整太阳能电池板姿态。

Figure 2012201701217100002DEST_PATH_IMAGE005

系统确认为夜晚时，设置单片机处于待机模式。系统处于待机模式下，CPU停止工作，以最小的耗电供应状态即“饿电流”供应状态。只有当时钟芯片唤醒单片机，系统才重新开始处于正常的追踪太阳的工作模式。

执行机构的设计

执行机构是太阳自动追踪系统的执行机构，它设计的优劣直接影响到系统的精度。根据太阳自动追踪系统本身的要求，设计双轴执行机构必须满足以下条件：执行机构的方位角跟踪范围必须达到：-180°～+180°；高度角跟踪范围必须达到：0°～90°；平均跟踪精度应小于-1°～+1°；并且防止极限位置的锁死；采用合理机构，降低系统的工作能耗；在满足以上要求的同时，尽量简化加工工艺和加工成本。

本系统的执行机构如图3所示，它是太阳高度角-方位角追踪方式的机械装置。其中，太阳能电池板安装在太阳能电池板支架1上，对太阳方位角的追踪是由方位角转轴4旋转来实现的，对太阳高度角的追踪是由高度角转轴2旋转来实现的。配合方位角转轴4安装有方位角步进电机5和减速器6，以及传动齿轮组7，配合高度角转轴2安装有高度角步进电机8和减速器9，以及传动齿轮组10。这种追踪系统的特点是追踪精度高，设计简单，成本适中，并且机械支承结构的设计比较容易。

监控界面设计

本系统的监控界面是基于上位机PC机与下位机即系统的MCU通过串口R232协议进行实时通信，并且在PC机端根据传送的数据分流后显示和保存。上位机和下位机分工明确。下位机负责数据采集和控制现场的动力装置即步进电机，并且接受上位机发送的命令，比如：停止、开始和工作模式设置等。上位机接受下位机发送工作参数、工作模式、工作状态等信息参数并保存。监控界面还包括设计友好的人机交互界面等。

监控界面上设置有字符显示，显示了系统的经度、纬度、日期和时间。监控界面的仪表显示的是当前下位机MCU的太阳高度角和方位角，并且有精确的数字显示。监控界面还显示了下位机系统的工作模式的提示，如程序控制模式，并且显示当前高度角和方位角度的正反转情况和当前步进电机的状态角。监控界面还显示了今日日落时间和明日日出时间。

上面所述只是为了说明本实用新型，应该理解为本实用新型并不局限于以上实施例，符合本实用新型思想的各种变通形式均在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种太阳自动追踪系统，其特征在于，包括光电式追踪机构和辅助该光电式追踪机构追踪太阳方位的视日运动轨迹算法追踪模块，所述光电式追踪机构包括检测太阳方位的四象限探测器，太阳光通过聚光镜头汇聚于所述四象限探测器，由四象限探测器检测太阳方位并且输出光电流，所述光电流的电流电压经过信号调理模块转换和放大，再经过模数转换模块数字化转换并传输给中央处理器，经过中央处理器的计算得出太阳光斑在四象限探测器上的坐标，再对比视日运动轨迹算法追踪模块所提供的数据从而控制执行机构调整整个系统的姿态追踪太阳方位。

2.如权利要求1所述的追踪系统，其特征在于，所述中央处理器采用MCU。

3.如权利要求2所述的追踪系统，其特征在于，所述执行机构包括和MCU电连接的电动机驱动模块，该电动机驱动模块驱动有太阳高度角步进电机和太阳方位角步进电机。

4.如权利要求2所述的追踪系统，其特征在于，所述MCU电连接有时钟芯片，该时钟芯片给MUC提供日期、时间数据供MCU判断待机或启动，该时钟芯片同时为视日运动轨迹算法追踪模块提供日期、时间数据。

5.如权利要求2所述的追踪系统，其特征在于，所述MCU电连接有作为人机交互接口的显示模块和输入模块。

6.如权利要求2所述的追踪系统，其特征在于，所述MCU电连接有监控平台，所述监控平台采用PC机。

7.如权利要求3所述的追踪系统，其特征在于，所述执行机构包括安放太阳能电池板的支架，该支架由太阳高度角步进电机和太阳方位角步进电机驱动做追踪太阳方位的转动。

8.如权利要求1所述的追踪系统，其特征在于，所述四象限探测器、信号调理模块、模数转换模块安装在探测板背向太阳光的一面，该探测板的同一面还安装有电源稳压模块。

9.如权利要求4所述的追踪系统，其特征在于，所述MCU、时钟芯片安装在控制板上，该控制板同时安装有LCD显示屏、电源模块、输入模块所使用按键、地址锁存器、译码器。