CN213119552U - 一种自动跟踪式太阳灶 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自动跟踪式太阳灶，包括太阳灶，属于新能源利用的技术领域，还包括分别对太阳灶的仰角和方位转角进行调节的推杆组件和动力组件；还包括双轴跟踪控制器，该双轴跟踪控制器连接有北斗GPS、高度角倾角传感器、方位角倾角传感器、高度角驱动器和方位角驱动器，所述高度角驱动器和方位角驱动器分别与所述推杆组件和动力组件电连接，高度角倾角传感器和方位角倾角传感器均与所述太阳灶的运动作同步联动，以达到解决使用光线传感器太阳灶的缺点，避免因为光线传感器被遮挡或者干扰光源而导致设备失效的目的。

Description

一种自动跟踪式太阳灶

技术领域

本实用新型属于新能源利用的技术领域，具体而言，涉及一种自动跟踪式太阳灶。

背景技术

市面上常用的多为固定式的太阳灶，即人工安装完成后就固定了太阳灶的朝向，固定朝向就意味着太阳灶只能在某些时段才能接收光照，太阳光的接收量远远不足，且太阳光的利用率低。

为了解决固定朝向所带来的弊端，提出了可调节式太阳灶。在太阳灶后面加上仰角调节杆，从而可以手动调节太阳灶朝向。但是，此装置实用性很低，需要有人随机调节太阳灶以对准太阳，人工成本太高，不实用。

为了解决手动调节耗费人力的弊端，有人提出了自动跟踪式太阳灶。在太阳灶上安装光线传感器，然后，控制器调整太阳灶位置直到光线传感器接收到的光线最大。但该方法十分依赖与光线传感器，户外条件恶劣，光纤传感器容易被遮挡，从而导致整套设备失效。除此之外，光线传感器易受外界光源干扰，导致程序判断出错而无法与太阳光线保持垂直。

实用新型内容

鉴于此，为了解决现有技术存在的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种自动跟踪式太阳灶以达到解决使用光线传感器太阳灶的缺点，避免因为光线传感器被遮挡或者干扰光源而导致设备失效的目的。

本实用新型所采用的技术方案为：一种自动跟踪式太阳灶，包括太阳灶，还包括分别对太阳灶的仰角和方位转角进行调节的推杆组件和动力组件；

还包括双轴跟踪控制器，该双轴跟踪控制器连接有北斗GPS、高度角倾角传感器、方位角倾角传感器、高度角驱动器和方位角驱动器，所述高度角驱动器和方位角驱动器分别与所述推杆组件和动力组件电连接，高度角倾角传感器和方位角倾角传感器均与所述太阳灶的运动作同步联动。

进一步地，所述双轴跟踪控制器包括微控制器、分别与该微控制器连接的信号采集电路、驱动电路、GPS电路和电源电路，所述信号采集电路连接至高度角倾角传感器和方位角倾角传感器，驱动电路连接至高度角驱动器和方位角驱动器，GPS电路连接至北斗GPS，电源电路连接有对其供电的外部电源，无需光线传感器，避免因为光线传感器被遮挡或者干扰光源而导致设备失效。

进一步地，所述双轴跟踪控制器还包括与微控制器连接的报警电路，该报警电路连接有声光报警器，以在发生故障时，能够及时提醒维护人员进行检修。

进一步地，还包括底座，所述底座上转动设置有转台，且通过所述动力组件驱动该转台转动；还包括设于转台上的支撑架，该支撑架的端部铰接连接有太阳灶，且转台上铰接有所述推杆组件，推杆组件的另一端铰接于太阳灶上。

进一步地，所述太阳灶上设有光纤支架且光纤支架上设有位于该太阳灶聚焦中心的光转换器，光转换器连接有光纤且光纤的另一端连接有加热设备，以将室外聚焦的高能太阳光传输至室内，以该用户对太阳灶的使用场景需求。

进一步地，所述光纤支架呈U型结构，且该光纤支架的两支臂分别位于所述太阳灶的两侧，该结构的光纤支架对太阳灶产生最小的太阳光线遮挡。

进一步地，所述加热设备为太阳炉灶，太阳炉灶设有与光纤相匹配的光纤插口，以满足太阳炉灶的使用需求。

进一步地，所述加热设备为太阳热水器，太阳热水器设有与光纤相匹配的光纤插口，以满足太阳热水器的使用需求。

进一步地，所述动力组件包括设于所述转台上的蜗轮和设于所述底座内的蜗杆，所述蜗杆与蜗轮啮合传动，且蜗杆另一端连接有驱动其转动的电机，利用蜗轮蜗杆机构，能够产生足够的转动扭矩，且在转动过程中，具有自锁性能。

进一步地，所述底座内设有空腔，且空腔内容纳有所述蜗轮、蜗杆和电机，以达到良好的外观美观度，且能够对蜗轮、蜗杆和电机起到良好的保护作用。

进一步地，所述推杆组件设为电动推杆，电动推杆的两端分别铰接于光纤支架和转台上，以通过电动推杆的伸缩，实现对太阳灶的仰角(高度角)进行调整。

本实用新型的有益效果为：

1.采用本实用新型所提供的自动跟踪式太阳灶，其通过北斗GPS自动获取当地的经纬度，双轴跟踪控制器根据经纬度计算出太阳所在的高度，再通过高度角倾角传感器和方位角倾角传感器实时反馈太阳灶的仰角角度和方位角角度至双轴跟踪控制器，以此，对太阳灶的角度位置进行闭环控制，以调整太阳灶与太阳光线垂直，相对于现有技术，能解决使用光线传感器太阳灶的缺点，避免因为光线传感器被遮挡或者干扰光源而导致设备失效，本方案的自动跟踪式太阳灶可安装在任何地方而无需修改程序，抗干扰能力强且不会受其他光源的干扰。

附图说明

图1是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶的整体结构示意图；

图2是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶的局部结构示意图；

图3是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶中太阳炉灶的结构示意图；

图4是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶中太阳热水器的结构示意图；

图5是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶的系统电路框图；

图6是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶中双轴跟踪控制器的局部电路图Ⅰ；

图7是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶中双轴跟踪控制器的局部电路图Ⅱ；

图8是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶中双轴跟踪控制器的局部电路图Ⅲ；

图9是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶中双轴跟踪控制器的局部电路图Ⅳ；

图10是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶中双轴跟踪控制器的局部电路图Ⅴ；

图11是本实用新型提供的自动跟踪式太阳灶中双轴跟踪控制器的局部电路图Ⅵ；

附图中标注如下：

1-太阳灶，2-光转换器，3-光纤支架，4-电动推杆，5-底座，6-转台，7-支撑架，8-电控箱，9-电机，10-蜗杆，11-蜗轮，12-热水器支架，13-钢丝网，14-灶台支架，15-灶台底座，16-凹透镜，17-光纤，18-储水罐。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

实施例1

太阳能是一种可再生清洁能源，取之不尽用之不竭；太阳能具有普遍性、无害、储量大、使用长久等优点，使用太阳能，有助于保护环境。在本实施例中具体提供了一种自动跟踪式太阳灶，用以解决使用光线传感器太阳灶的缺点，同时，还能避免因为光线传感器被遮挡或者干扰光源而导致设备失效的问题。

如图1所示，该自动跟踪式太阳灶主要包括太阳灶、推杆组件、动力组件和双轴跟踪控制器，其中，推杆组件和动力组件分别对太阳灶的仰角和方位转角进行调节，太阳灶的仰角和方位转角可同时或单独进行调节，以满足太阳灶接收最大太阳光线的需求。

为满足该双轴跟踪控制器的正常工作需求，该双轴跟踪控制器连接有北斗GPS、高度角倾角传感器、方位角倾角传感器、高度角驱动器和方位角驱动器，所述高度角驱动器和方位角驱动器分别与所述推杆组件和动力组件电连接，通过高度角驱动器和方位角驱动器发出执行信号至推杆组件和动力组件，推杆组件和动力组件分别对太阳灶的仰角(高度角)和方位转角(方位角)进行调节；高度角倾角传感器和方位角倾角传感器均与所述太阳灶的运动作同步联动，以通过高度角倾角传感器和方位角倾角传感器将太阳灶当前所处的仰角和方位转角反馈至双轴跟踪控制器，以实现双轴跟踪控制器在对太阳灶位置调节过程中的闭环控制。

·对于双轴跟踪控制器的内部电路设计如下：

如图5所示，双轴跟踪控制器包括微控制器、分别与该微控制器连接的第一信号采集电路、第二信号采集电路、第一驱动电路、第二驱动电路、GPS电路和电源电路，所述第一信号采集电路和第二信号采集电路分别连接至高度角倾角传感器和方位角倾角传感器，第一驱动电路和第二驱动电路分别连接至高度角驱动器和方位角驱动器，GPS电路连接至北斗GPS，电源电路连接有对其供电的外部电源。其中，微控制器采用型号为TM4C的微控制器。

各个部分的设计原理如下：如图8、图9所示，该TM4C的微控制器通过型号为XDS100的仿真器外接电脑，以作为对微控制器芯片进行软硬件调试的开发工具，配合集成开发环境使用仿真器可以对单片机程序进行单步跟踪调试，也可以使用断点、全速等调试手段，并可观察各种变量、RAM及寄存器的实时数据，跟踪程序的执行情况。

该微控制器的MC1引脚、MC2引脚连接有第一信号采集电路，微控制器的MC3引脚、MC4引脚连接有第一信号采集电路，如图11所示，在第一信号采集电路和第二信号采集电路中主要采用型号为TLP521的光耦合器件。其中，第一信号采集电路中光耦合器件的CW1引脚、CCW1引脚连接有端口J5，端口J5连接至高度角倾角传感器，优选的，可采用GUC360倾角传感器、SCA61T-FA1H1G单轴倾角传感器、MMA7361角度传感器等，此处不作限制，可根据成本和实际场景选择；其中，第二信号采集电路中光耦合器件的CW2引脚、CCW2引脚连接有端口J6，端口J6连接至方位角倾角传感器，优选的，可采用LW120A无触点霍尔角度传感器、WOA-A系列磁感应旋转角度位置传感器等，此处不作限制，可根据成本和实际场景选择，且该方位角倾角传感器在安装过程中，其测量转轴与转台的转动作同步运动，以实时测量转台相对于底座的旋转角度，进而得知太阳灶当前的方位转角，例如：将方位角倾角传感器的测量转轴与转台的转动轴的转动中心连接，以实现与转台的转动作同步运动。

如图7所示，该微控制器连接有第一驱动电路和第二驱动电路，微控制器的U0Rx引脚、U0ED/RE引脚以及U0Tx引脚通过485-1串口连接至端口J2，通过端口J2与高度角驱动器连接，高度角驱动器采用直流电机驱动器，直流电机驱动器连接至上述的推杆组件(在本实施例中，推力组件为电动推杆)；优选的，可采用型号为：DRV8800RTYR、DRV8801等电机驱动器，此处不作限制，可根据成本和实际场景选择。同理，微控制器的U5Rx引脚、U5ED/RE引脚以及U5Tx引脚通过485-2串口连接至端口J3，通过端口J3与方位角驱动器连接，方位角驱动器采用直流电机驱动器，直流电机驱动器连接至上述的动力组件(在本实施例中，动力组件为蜗轮蜗杆机构)；优选的，也可采用型号为：DRV8800RTYR、DRV8801等电机驱动器，此处不作限制，可根据成本和实际场景选择。

如图10所示，该微控制器连接有GPS电路，GPS电路包括三极管和北斗GPS芯片，且三极管和北斗GPS芯片分别与微控制器的GPSCT引脚和GNRMC引脚相连，优选的，北斗GPS芯片可采用M16M3北斗GPS模块、M10Z2北斗+GPS模块等等，此处不作限制，可根据成本和实际场景选择。

如图10所示，该微控制器还连接有报警电路，以微控制器的BUZZER引脚通过三极管连接有声光报警器。

如图6所示，太阳能跟踪装置还包括供电的电源电路，电源电路包括稳压器电路，稳压器电路采用LM2675M-5的稳压芯片和SD1040的二极管，二极管连接有接口J1，接口J1与蓄电池或其他外部电源连接。

其工作逻辑如下：

(1)整个太阳灶安装完成之后，通过北斗GPS获取GPS信息(UTC、时间、经度以及纬度)，并计算出跟踪角Φ1；

(2)分别获取太阳灶当前的高度角倾角传感器和方位角倾角传感器数据，并计算出太阳灶的当前高度角角度Φ2和方位角角度Φ3；

对于高度角和方位角的控制调节过程分别采用以下方式，两者可能同时或单独分别执行：

若|Φ1-Φ2|≥5°，经进入下一步，否则，返回；

继续判断，若Φ1>Φ2，则向东驱动，并进入闭环控制流程；否则，向西驱动，并进入闭环控制流程；所述闭环控制流程为：判断|Φ1-Φ2|≤0.5°，若为是，则停止驱动；否则，继续返回驱动，直至满足|Φ1-Φ2|≤0.5°。

又或者：

若|Φ1-Φ3|≥5°，经进入下一步，否则，返回；

继续判断，若Φ1>Φ3，则正向驱动转动，并进入闭环控制流程；否则，反向驱动转动，并进入闭环控制流程；所述闭环控制流程为：判断|Φ1-Φ3|≤0.5°，若为是，则停止驱动；否则，继续返回驱动，直至满足|Φ1-Φ3|≤0.5°

通过上述原理，在双轴跟踪控制器、高度角倾角传感器和方位角倾角传感器的配合下，完成对太阳的跟踪，并将信号传送给动力组件和推杆组件进行驱动调节，以对太阳灶的位置角度实时调节，以此，太阳灶跟随太阳所在角度作相应调节以实时对准太阳光线，由于始终保持和太阳光线垂直，就能保证太阳灶每天能够接收最大的光照亮，进而对太阳能的充分利用。

·对于太阳灶的整体结构设计如下：

如图1、图2所示，包括底座5，底座5作为该太阳灶1的基座，并将其设为圆柱结构。在所述底座5上转动设置有转台6，转台6也设为圆柱结构，且转台6配设有驱动其转动的动力组件；所述动力组件包括设于所述转台6上的蜗轮11和设于所述底座5内的蜗杆10，所述蜗杆10与蜗轮11啮合传动，且蜗杆10另一端连接有驱动其转动的电机9，通过电机9驱动蜗杆10转动，在蜗杆10的转动时联动蜗轮11转动，进而实现对转台6的方位角度调整。优选的，在所述底座5内设有空腔，空腔内容纳有所述蜗轮11、蜗杆10和电机9，且底座5的上端端面通过滚动轴承连接有转动轴，转动轴的一端与转台6连接，另一端则装有所述蜗轮11；所述蜗杆10转动设于底座5的空腔内，且蜗杆10与蜗轮11之间啮合传动。

还包括设于转台6上的支撑架7，为提升支撑架7的稳定性，将其设为三角形结构，该支撑架7的端部设有铰接轴，通过铰接轴铰接连接有太阳灶1，太阳灶1呈内凹圆形，以对太阳光线进行聚焦，且在转台6上铰接有推杆组件，推杆组件的另一端铰接于太阳灶1上；所述推杆组件设为电动推杆4，电动推杆4的两端分别铰接于光纤支架3和转台6上，以通过电动推杆4的伸缩，实现对太阳灶1的仰角进行调节，以使太阳灶1在任意时刻能够与太阳光线相垂直。

为实现对太阳灶1聚焦后的光线有效利用，在太阳灶1上设有光纤支架3且光纤支架3上设有位于该太阳灶1聚焦中心的光转换器2，光纤支架3呈U型结构，且该光纤支架3的两支臂分别位于所述太阳灶1的两侧，光转换器2连接有光纤17，以通过光纤17将聚焦后的高能光束传输至用户需要的位置。其中，所述光转换器2可以将聚焦后的太阳光转化为聚焦度更高的平行光，这样高能光束在传导至光纤17内时可以减小捏菲尔效应，使高能光束的损失达到最小，并且使高能光束在光纤17另一端的光纤插口端产生的热效应降到最低。在本实施例中，所述光纤17采用10cm的石英光纤，通过光纤17传导高能光束，实现室外的聚焦后的太阳光斑传导至室内，改变传统太阳灶1的使用场景和地点的局限性。

如图2所示，还包括电控箱8，通过电控箱8内布置有双轴跟踪控制器、北斗GPS、高度角驱动器和方位角驱动器，以通过电控箱8对各个器件进行保护，以防止外界的雨水或灰尘造成各个器件的损坏。

实施例2

将实施例1中的自动跟踪式太阳灶应用至太阳炉灶中，如图3所示，所述加热设备为太阳炉灶，太阳炉灶设有与光纤17相匹配的光纤插口。在本实施例中，太阳炉灶包括灶台底座15、设于灶台底座15上的灶台支架14，所述灶台支架14的上方设有钢丝网13，钢丝网13是规整的网格状；在钢丝网13的下方还设有凹透镜16，该凹透镜16与光纤插口紧密连接，当光纤插口与光纤17接通后，能够将光纤17所传输的高能光束进行分散后照射在钢丝网13，以对钢丝网13进行均匀加热，进而，满足该太阳炉灶的功能实现。

除了采用上述方式设计太阳炉灶，还可采用以下方式：在室外聚集的高能量太阳光通过光纤17传导至室内并连接至炉具的光纤插口，高能光束照射在太阳炉灶里面的第一透镜上，该第一透镜将光纤17传导过来的高能光束转化成平行光后照射在第二透镜上，通过第二透镜进行再次聚焦，聚焦后的光斑照射在炊具上，利用光能进行炊事操作。

实施例3

将实施例1中的自动跟踪式太阳灶应用至太阳热水器中，如图4所示，所述加热设备为太阳热水器，太阳热水器设有与光纤17相匹配的光纤插口。在本实施例中，太阳热水器包括热水器支架12和设于该热水器支架12上的储水罐18，所述储水罐18设为圆柱罐体，该圆柱罐体的下方设为圆弧凸起；还包括一凹透镜16，该凹透镜16的一端与光纤插口紧密连接，另一端与圆弧凸起紧密贴合，以减少光能损耗，当光纤插口与光纤17接通后，能够将光纤17所传输的高能光束进行分散后照射在储水罐18的底端表面上，以对储水罐18内部的水进行加热，以供用户使用。

除了采用上述方式设计太阳热水器，还可采用以下方式：在室外聚集的高能量太阳光通过光纤17传导至室内并连接至太阳热水器的光纤插口，高能光束照射在设于储水罐18下方的第一透镜上，该第一透镜将光纤17传导过来的高能光束转化成平行光后照射在第二透镜上，通过第二透镜进行再次聚焦，聚焦后的光斑照射在储水罐18的底端表面上，利用光能进行加热储水罐18中的水。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种自动跟踪式太阳灶，包括太阳灶，其特征在于，还包括分别对太阳灶的仰角和方位转角进行调节的推杆组件和动力组件；

还包括双轴跟踪控制器，该双轴跟踪控制器连接有北斗GPS、高度角倾角传感器、方位角倾角传感器、高度角驱动器和方位角驱动器，所述高度角驱动器和方位角驱动器分别与所述推杆组件和动力组件电连接，高度角倾角传感器和方位角倾角传感器均与所述太阳灶的运动作同步联动。

2.根据权利要求1所述的自动跟踪式太阳灶，其特征在于，所述双轴跟踪控制器包括微控制器、分别与该微控制器连接的信号采集电路、驱动电路、GPS电路和电源电路，所述信号采集电路连接至高度角倾角传感器和方位角倾角传感器，驱动电路连接至高度角驱动器和方位角驱动器，GPS电路连接至北斗GPS，电源电路连接有对其供电的外部电源。

3.根据权利要求2所述的自动跟踪式太阳灶，其特征在于，所述双轴跟踪控制器还包括与微控制器连接的报警电路，该报警电路连接有声光报警器。

4.根据权利要求1所述的自动跟踪式太阳灶，其特征在于，还包括底座，所述底座上转动设置有转台，且通过所述动力组件驱动该转台转动；还包括设于转台上的支撑架，该支撑架的端部铰接连接有太阳灶，且转台上铰接有所述推杆组件，推杆组件的另一端铰接于太阳灶上。

5.根据权利要求1所述的自动跟踪式太阳灶，其特征在于，所述太阳灶上设有光纤支架且光纤支架上设有位于该太阳灶聚焦中心的光转换器，光转换器连接有光纤且光纤的另一端连接有加热设备。

6.根据权利要求5所述的自动跟踪式太阳灶，其特征在于，所述光纤支架呈U型结构，且该光纤支架的两支臂分别位于所述太阳灶的两侧。

7.根据权利要求5所述的自动跟踪式太阳灶，其特征在于，所述加热设备为太阳炉灶，太阳炉灶设有与光纤相匹配的光纤插口。

8.根据权利要求5所述的自动跟踪式太阳灶，其特征在于，所述加热设备为太阳热水器，太阳热水器设有与光纤相匹配的光纤插口。

9.根据权利要求4所述的自动跟踪式太阳灶，其特征在于，所述动力组件包括设于所述转台上的蜗轮和设于所述底座内的蜗杆，所述蜗杆与蜗轮啮合传动，且蜗杆另一端连接有驱动其转动的电机。

10.根据权利要求5所述的自动跟踪式太阳灶，其特征在于，所述推杆组件设为电动推杆，电动推杆的两端分别铰接于光纤支架和转台上。

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