CN206096952U - 一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，包括控制机箱、方位角追踪器转轴和支撑杆，方位角追踪器转轴连接第一步进电机，支撑杆设有带第二步进电机的横杆，第二步进电机连接的仰角追踪器转轴自横杆两端引出，仰角追踪器转轴设有第一遮光筒、第二遮光筒和第三遮光筒，第一遮光筒设有第一透光超薄玻璃、光敏组件，第二遮光筒设有第二透光超薄玻璃、光照度探头，第三遮光筒设有第三透光超薄玻璃、太阳辐射探头，第一步进电机、第二步进电机、方位角追踪器转轴、仰角追踪器转轴、光敏组件、光照度探头和太阳辐射探头均与控制模块连接。本实用新型降低了成本，实现了检测的高精度，可广泛应用太阳能相关产业。

Description

一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种检测装置，更具体的说，是涉及一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置。

背景技术

随着世界能源的短缺，太阳能作为一种取之不竭的绿色能源，被广泛开发利用。如果太阳光可以垂直入射，就可以极大提高太阳能的利用效率。为了测量太阳辐射以及大气光学厚度等大气参数，常使用太阳辐射测量仪器，但是由于太阳一天内位置不断发生变化，如果不能精确判断太阳的位置，太阳直射辐射的数值测量就会存在很大的误差。现在已有的太阳能辐射追踪装置利用光电板电压差，计算出太阳的方位，虽然简单，但是缺少微小控制精确较低，不能满足科研和太阳能研究的要求。在此背景下可以考虑采用其他方式的追踪装置来达到更高的精度，但是花费的成本更低。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，降低了成本，实现了检测的高精度，满足了科研和太阳能领域的应用，对于太阳能利用的研究具有重要的意义。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。

本实用新型的一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，包括由下至上依次设置的控制机箱、方位角追踪器转轴和竖直的支撑杆，所述方位角追踪器转轴与设置于控制机箱内部的第一步进电机相连接，所述支撑杆垂直设置有内部带第二步进电机的横杆，所述第二步进电机连接的仰角追踪器转轴自横杆左右两端面引出，所述仰角追踪器转轴其中一端通过第一套筒设置有第一遮光筒，另一端通过第二套筒设置有第二遮光筒和第三遮光筒，

所述第一遮光筒一端设置有第一透光超薄玻璃，另一端设置有光敏组件；所述第二遮光筒一端设置有第二透光超薄玻璃，另一端设置有光照度探头；所述第三遮光筒一端设置有第三透光超薄玻璃，另一端设置有太阳辐射探头；

所述第一步进电机、第二步进电机、方位角追踪器转轴、仰角追踪器转轴、光敏组件、光照度探头和太阳辐射探头均与设置于控制机箱内部的控制模块相连接。

所述控制模块包括单片机，所述单片机连接有第一电机驱动电路、第二电机驱动电路、数据采集模块、显示模块和AD转换器，所述AD转换器连接有第一角度传感器、第二角度传感器和光敏元件传感器。

所述光敏组件包括固定座，所述固定座设置有九个光敏元件，所述九个光敏元件处于同一径向切面上，其中八个所述光敏元件沿圆周均匀设置，另一个所述光敏元件设置于固定座的中心部位；所述九个光敏元件通过数据线与所述光敏元件传感器相连接。

所述光照度探头和太阳辐射探头均与所述数据采集模块相连接。

所述方位角追踪器转轴与第一角度传感器相连接，所述仰角追踪器转轴与第二角度传感器相连接。

所述第一遮光筒、第二遮光筒和第三遮光筒设置于同一平面内，且彼此间相互平行。

所述第一透光超薄玻璃、第二透光超薄玻璃和第三透光超薄玻璃设置于同一侧。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本实用新型中，方位角追踪器转轴和控制机箱中的第一步进电机做水平方向绕轴转动，追踪太阳的方位角，所述仰角追踪器转轴和横杆内的第二步进电机实现对太阳和地平面仰角的追踪，可通过内置公式预先计算方位角和高度角来精确定位太阳所在位置，实现第一阶段的几何定位；

(2)本实用新型中，第一遮光筒设置有光敏组件，每个微小的光敏元件可以接收一定的光照，通过对比光照度大小，将不同光敏元件的光照度差值控制5％以内，如果超过这个限定，机械传动部分通过负反馈的方式实现方位角和仰角的微调节，达到更高精度的跟踪，实现第二阶段的光学定位；

(3)本实用新型中，第二遮光筒设置有光照度探头，第三遮光筒设置有太阳辐射探头，通过测量光照度和辐射照度，可以实现交叉相互校正，在校正太阳位置的同时获取了光照度和辐射照度的实测数据，实现第三阶段的光热互校正定位。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型中第三遮光筒的结构示意图；

图3是本实用新型中控制模块示意图；

图4是本实用新型几何校正原理图；

图5是本实用新型微校正转动方向示意图；

图6是本实用新型几何校正控制流程图。

附图标记:1控制机箱；2方位角追踪器转轴；3支撑杆；4横杆；5仰角追踪器转轴；6第一套筒；7第二套筒；8第一遮光筒；9第二遮光筒；10第三遮光筒；11第一透光超薄玻璃；12第二透光超薄玻璃；13第三透光超薄玻璃；14光敏组件；15光照度探头；16太阳辐射探头；14-1固定座；14-2光敏元件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

本实用新型的一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，由机械传动部分和控制模块构成，所述控制模块主要控制电源，以及数据采集的简单处理。如图1和图2所示，机械传动部分包括由下至上依次设置的控制机箱1、方位角追踪器转轴2和竖直的支撑杆3。所述控制机箱1内部设置有电源和第一步进电机，所述方位角追踪器转轴2与第一步进电机相连接，所述支撑杆3顶部设置有与其相垂直的水平横杆4，所述横杆4内设置有第二步进电机，所述第二步进电机连接有仰角追踪器转轴5，且所述仰角追踪器转轴5两端分别自横杆4左右两端面引出，所述仰角追踪器转轴2其中一端连接有第一套筒6，另一端连接有第二套筒7。所述方位角追踪器转轴2和控制机箱1中的第一步进电机做水平方向绕轴转动，追踪太阳的方位角，所述仰角追踪器转轴5和横杆4内的第二步进电机实现对太阳和地平面仰角的追踪。

所述第一套筒6设置有第一遮光筒8，所述第一遮光筒8一端设置有第一透光超薄玻璃11，另一端设置为设置有光敏组件14。所述光敏组件14包括固定座14-1，所述固定座14-1设置为实心圆柱结构，所述固定座14-1内镶嵌有九个光敏元件14-2，所述九个光敏元件14-2处于同一径向切面上，其中八个所述光敏元件14-2沿圆周均匀设置，另一个所述光敏元件14-2设置于固定座14-1的中心部位。所述第二套筒7设置有相互平行的第二遮光筒9和第三遮光筒10，所述第一遮光筒8、第二遮光筒9和第三遮光筒10设置于同一平面内，且彼此间相互平行，通过仰角追踪器转轴5实现一体化控制。所述第二遮光筒9一端设置有第二透光超薄玻璃12，另一端设置有光照度探头15，所述第三遮光筒10一端设置有第三透光超薄玻璃13，另一端设置有太阳辐射探头16。所述第一透光超薄玻璃11、第二透光超薄玻璃12和第三透光超薄玻璃13设置于同一侧，所述第一透光超薄玻璃11、第二透光超薄玻璃12和第三透光超薄玻璃13均设置为空心圆筒结构。

所述第一遮光筒8、第二遮光筒9和第三遮光筒10共用同一个水平的仰角追踪器转轴5，使第一遮光筒8、第二遮光筒9和第三遮光筒10同时调节，同步控制。所述第一步进电机、第二步进电机、方位角追踪器转轴2、仰角追踪器转轴5、光照度探头15和太阳辐射探头16均与控制模块相连接，所述九个光敏元件14-2均通过一根数据线与控制模块相连接，所述控制模块设置于控制机箱1内部。

如图3所示，所述控制模块包括单片机，所述单片机连接有第一电机驱动电路、第二电机驱动电路、数据采集模块、显示模块和AD转换器，所述AD转换器连接有第一角度传感器、第二角度传感器和光敏元件传感器。所述第一电机驱动电路连接第一步进电机，所述第二电机驱动电路连接第二步进电机，所述数据采集模块连接光照度探头15和太阳辐射探头16，所述显示模块可选用迪文DGUS液晶显示屏，所述AD转换器可选用16位的AD7706，所述第一角度传感器与方位角追踪器转轴2相连接，所述第二角度传感器与仰角追踪器转轴5相连接，所述光敏元件传感器通过一根数据线与九个光敏元件14-2相连接。另外，所述单片机还可以连接按钮输入模块和上位机等。

参考图4所示，4a中第一遮光筒8偏左，4b中第一遮光筒8偏下，4c中第一遮光筒8偏右，4d中第一遮光筒8偏上。为了实现高精度的跟踪太阳，本实用新型主要从以下几点实现：(1)公式基本校正，在单片机中输入太阳绕日运动的轨迹公式，输入相应地点的经纬度，实现装置的自动化追踪太阳，在日出的半个小时前调整装置位置到达水平位置，在日落半个小时以后停止转动，从而实现装置的间歇性控制；(2)几何校正，每个微小的光敏元件14-2可以接收一定的光照，通过对比光照度大小，将不同光敏元件14-2的光照度差值控制5％以内，如果超过这个限定，机械传动部分通过负反馈的方式实现方位角和仰角的微调节，达到更高精度的跟踪；(3)光热互相校正，太阳能的光和热存在一定的线性关系，通过测量光照度和辐射照度，可以实现交叉相互校正；(4)微校正，遮光筒(第一遮光筒8、第二遮光筒9和第三遮光筒10)会在已定的位置不超过球面角2°的范围内，以图5的方向，遮光筒(第一遮光筒8、第二遮光筒9和第三遮光筒10)中心转换九个位置，微调跟踪记录数据，取最大值作为最终的辐射照度值和光照度值。

所述第一遮光筒8作为观察孔，通过几何校正，如果不同光敏元件14-2的光照度差值超过了5％，则将此命令发送给控制机箱内1的主程序，识别判断以后反馈给单片机，来调节方位角和仰角的大小(参考图6)，本实用新型所使用到材料或者仪器都为常用设备。输入绕日运动轨迹命令，单片机按照时间控制第一步进电机和第二步进电机的运行，调节方位角和仰角大小，实现自动控制追踪太阳。三个遮光筒检测的数据通过数据线链接到控制机箱1，实现数据的收集和简单的加工处理，在既定的位置不超过球面角2°的范围内，微调跟踪记录数据，取最大值作为最终的辐射照度值和光照度值，进而提高检测的精确度。

其自动化控制部分，硬件主要以单片机DSPIC30F6010A为核心，加上辅助的第一步进电机和第二步进电机构成，加之相应的反馈机制就可以完成自动化的所有操作。

本实用新型采用间歇性运行控制，白天运行，夜间停止运行，跟踪运行时间间隔为2分钟，可达到高精度跟踪，南方最大偏差不超过±0.3°，在北方不超过±0.2°。当然可以根据需要调整时间间隔，降低第一步进电机和第二步进电机的运行速度，增加第一遮光筒8、第二遮光筒9和第三遮光筒10的长度来实现更高精度的自动化追踪。

尽管上面对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体功能和工作过程，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (7)

1.一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，其特征在于，包括由下至上依次设置的控制机箱、方位角追踪器转轴和竖直的支撑杆，所述方位角追踪器转轴与设置于控制机箱内部的第一步进电机相连接，所述支撑杆垂直设置有内部带第二步进电机的横杆，所述第二步进电机连接的仰角追踪器转轴自横杆左右两端面引出，所述仰角追踪器转轴其中一端通过第一套筒设置有第一遮光筒，另一端通过第二套筒设置有第二遮光筒和第三遮光筒，

所述第一遮光筒一端设置有第一透光超薄玻璃，另一端设置有光敏组件；所述第二遮光筒一端设置有第二透光超薄玻璃，另一端设置有光照度探头；所述第三遮光筒一端设置有第三透光超薄玻璃，另一端设置有太阳辐射探头；

所述第一步进电机、第二步进电机、方位角追踪器转轴、仰角追踪器转轴、光敏组件、光照度探头和太阳辐射探头均与设置于控制机箱内部的控制模块相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，其特征在于，所述控制模块包括单片机，所述单片机连接有第一电机驱动电路、第二电机驱动电路、数据采集模块、显示模块和AD转换器，所述AD转换器连接有第一角度传感器、第二角度传感器和光敏元件传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，其特征在于，所述光敏组件包括固定座，所述固定座设置有九个光敏元件，所述九个光敏元件处于同一径向切面上，其中八个所述光敏元件沿圆周均匀设置，另一个所述光敏元件设置于固定座的中心部位；所述九个光敏元件通过数据线与所述光敏元件传感器相连接。

4.根据权利要求2所述的一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，其特征在于，所述光照度探头和太阳辐射探头均与所述数据采集模块相连接。

5.根据权利要求1或2所述的一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，其特征在于，所述方位角追踪器转轴与第一角度传感器相连接，所述仰角追踪器转轴与第二角度传感器相连接。

6.根据权利要求1所述的一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，其特征在于，所述第一遮光筒、第二遮光筒和第三遮光筒设置于同一平面内，且彼此间相互平行。

7.根据权利要求1所述的一种高精度跟踪式太阳辐射光热一体化检测装置，其特征在于，所述第一透光超薄玻璃、第二透光超薄玻璃和第三透光超薄玻璃设置于同一侧。