基於日晷儀的太陽跟蹤定位裝置及方法
2023-06-19 21:33:01
專利名稱：基於日晷儀的太陽跟蹤定位裝置及方法
技術領域：
本發明涉及太陽定位技術領域，尤其涉及一種基於日晷儀的太陽跟蹤定位裝置及方法。
背景技術：
在能源危機日益嚴重的今天，太陽能等新能源的利用具有極大的情景。太陽能作為一種綠色環保的能源，越來越受到人們的重視。太陽能發電能為人類提供可持續能源，但其發電效率低，發電成本相對較高，這制約了其大規模應用。太陽能發電板所獲得光照度S=馬其中，為入射光線與被照表面的法線之
間的夾角，馬表亍4力0度時，太陽能發電板所獲得的光照度。光照度越大，光電板產生的光電流越大。由此可見研究具有實用價值的太陽能自動跟蹤裝置，使太陽光直射在太陽能電池板上，即5 = Γ/，以此提高太陽能電池板的使用效率，則是促進太陽能廣泛應用的主要途徑之一。此外，其他一些方式的太陽能利用，比如光——熱形式的太陽能熱水器的太陽能利用率也和太陽能電板相同。日晷是有悠久歷史的利用太陽光測量時間的工具，其結構簡單，適用範圍廣，並且
可靠性高。
發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種基於日晷儀的太陽跟蹤定位裝置及方法。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種基於日晷儀的太陽跟蹤定位裝置，它主要由數位訊號處理裝置、數據採集裝置和日晷儀等依次相連組成；其中，日晷儀主要由晷面和表組成，數據採集裝置包括若干個感光元件、一個比較感光元件和一個數據轉換器等，感光元件和比較感光元件分別與數據轉換器相連；數位訊號處理裝置可以為數位訊號處理晶片或PC機；感光元件和比較感光元件均分布在日晷儀的晷面上。應用上述裝置的太陽跟蹤定位方法，包括以下步驟
(1)日晷儀根據太陽光照位置的變化，在其晷面上產生相應的陰影。(2)數據採集裝置將晷面上的陰影信息轉化為數字電信號。(3)數位訊號處理裝置對輸入的信號進行處理，還原出日晷儀的晷面上的陰影信肩、ο(4)計算太陽水平方位角和高度方位角，從而得到太陽的位置。本發明的有益效果是本發明實時採集太陽方位信息並得到太陽的精確方位，穩定可靠，抗幹擾能力強，適合於大多數太陽能使用設備。
圖1是本發明的整體結構框圖； 圖2是本發明太陽定位方法的流程圖3是本發明中日晷儀原理解釋圖，其中(a)為俯視圖，(b)為側視圖； 圖4是本發明實例中使用的地平式日晷模型圖； 圖5是本發明實例中感光元件排列分析圖； 圖6是本發明實例中使用的地平式日晷原理圖； 圖7是本發明實例中感光元件排列方式示意8是本發明實例中處理數據流程圖； 圖中，表1、晷面2。
具體實施例方式下面根據附圖詳細描述本發明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所示，本發明基於日晷儀的太陽跟蹤定位裝置主要由數位訊號處理裝置、 數據採集裝置和日晷儀依次相連組成；其中，日晷儀主要由晷面和表組成，根據太陽照射角的變化產生陰影；數據採集裝置包括若干個感光元件、一個比較感光元件和一個數據轉換器，感光元件和比較感光元件分別與數據轉換器相連，數據採集裝置根據日晷產生的陰影得到數位訊號，並將該信號傳輸給數位訊號處理裝置；數位訊號處理裝置可以為數位訊號處理晶片或PC機，實現對數據的處理等功能。其中，數據採集裝置中的感光元件可以使用光敏電阻或光敏二極體等獨立光敏器件，數據轉換器可以使用以ADC0809為代表的各類AD轉換晶片。數據採集裝置也可以由 CXD感光模塊以及相應的晶片和電路組成。本裝置的各部分連接方式如下數據採集裝置中的感光元件分布在日晷儀的晷面上，此分布方式為以日晷三角形的表的最高點所對應在晷面上的點為圓心，取N個離散的值作為特殊半徑值，所有的感光元件均分布在這N個特殊半徑值所在的圓周上，並保持每個感光元件之間的間隔相同。所取的特殊半徑值越密則精度越高，同時電路也相應較複雜； 類似的，在同一特殊半徑所在的圓周上排列的感光元件越密，其精度也越高。如圖2所示，基於日晷儀的太陽跟蹤定位方法包括如下步驟 步驟1 日晷儀根據太陽光照位置的變化，在其晷面上產生相應的陰影。以下以地平式日晷為例，解釋其原理。如圖3所示，為日晷儀原理解釋圖，圖A為俯視圖，圖B為側視圖，圖中標號1為表、2為晷面。地平式日晷理論上可以測量M小時內所有時刻的太陽方位角。但是為了減少光的衍射所造成的誤差，實際應用中，擋光物體(稱為「晷針」或「表」)一般不採用處於圓心位置的圓柱體，而是一個三角形的不透明板，如圖4所示。經過改進之後，雖然可測量的時間段變少了，約為12小時，不過大大提高了精度，對於非高緯度用戶來說，測量時間的減少影響不大，而對於高緯度用戶來說，其地理位置本身並不適用於利用太陽能，所以這樣子的設計是一種比較合理也簡單的設計。步驟2 數據採集裝置將晷面上的陰影信息轉化為數字電信號。
如圖5所示，設被陰影部分阻擋的感光元件經過處理後的電信號為邏輯「1」，被太陽直射的電信號為邏輯「0」。通過傳輸數據線，採集到的信號最後以邏輯數「1」或「0」的形式傳送給數據處理裝置。關於邏輯信號「 1，，與邏輯信號「0」的產生方法如下比較感光元件的光照環境在陰影與直射之間，則其測得的信號強弱程度也在兩者之間。感光元件從日晷儀平臺上測得的數據逐一與比較感光元件從日晷儀平臺上測得的數據進行比較，確定其邏輯符號。整個系統採用定時掃描方式，動態掃描並分析信號。步驟3 數位訊號處理裝置對輸入的信號進行處理，還原出日晷儀的晷面上的陰 M^in 息。圖6所示，為本專利說明書中所使用實例中的晷面上的陰影軌跡。可知，任一時刻其軌跡形狀均為三角形，而其底邊則固定不變，所以只要找到三角形陰影的頂點A，即可確定陰影的形狀。所以，還原日晷晷面上的陰影信息的方法其實就是找到陰影頂點A的方法。感光元件的排列方式為密度為以所處位置距離圓心的距離R為參數的函數，設其線度排列密度為P。處於半徑為R出的圓環上排列的元件個數為Ar=個。即為單
位長度上有"個元件分布，在單位面積上有P2個元件排列。並賦予每個感光元件一個二維序列標號η m。其中，η表示半徑序列號，由內至外從1開始遞增；m為某一圓周上排列的第 m個感光元件-’mn為半徑序號為n的圓周上的排列的感光元件的總數目。簡單來說，感光元件的排列方式為N個同心圓環組成，具體如圖7所示。之後以下各步均可以在數位訊號處理裝置中完成。在實現對點A的尋找之前，先
行將輸入的各點數據填充入一個矩陣中。X-代表第η個半徑值所對應的圓周上的第m個
感光元件的邏輯數(值為「0」或「1」)。根據本算法的數據結構，矩陣中某些元素不存在，不構成一個完整的矩陣，可以將元素不存在的位置用「0」填充以使矩陣完整。
同時建立另一矩陣(2)如下，以記錄矩陣(1)每一行感光元件排列位置所處的半徑值。 K表示第η個半徑的半徑值(n=l、2、3……N)。
當矩陣(1)中的每一個元素值都賦上邏輯數值後，晷面上的陰影信息已經被數位訊號處理裝置收集完畢，可以開始尋找點A的算法。
權利要求
1.一種基於日晷儀的太陽跟蹤定位裝置，其特徵在於，它主要由數位訊號處理裝置、數據採集裝置和日晷儀等依次相連組成；其中，日晷儀主要由晷面和表組成，數據採集裝置包括若干個感光元件、一個比較感光元件和一個數據轉換器等，感光元件和比較感光元件分別與數據轉換器相連；數位訊號處理裝置可以為數位訊號處理晶片或PC機；感光元件和比較感光元件均分布在日晷儀的晷面上。
2.根據權利要求1所述裝置的太陽跟蹤定位方法，其特徵在於，它包括以下步驟(1)日晷儀根據太陽光照位置的變化，在其晷面上產生相應的陰影；(2)數據採集裝置將晷面上的陰影信息轉化為數字電信號；(3)數位訊號處理裝置對輸入的信號進行處理，還原出日晷儀的晷面上的陰影信息；(4)計算太陽水平方位角和高度方位角，從而得到太陽的位置。
全文摘要
本發明公開了一種基於日晷儀的太陽跟蹤定位裝置及方法，它主要由數位訊號處理裝置、數據採集裝置和日晷儀等依次相連組成；日晷儀根據太陽光照位置的變化，在其晷面上產生相應的陰影；數據採集裝置將晷面上的陰影信息轉化為數字電信號；數位訊號處理裝置對輸入的信號進行處理，還原出日晷儀的晷面上的陰影信息；最後計算太陽水平方位角和高度方位角，從而得到太陽的位置；本發明實時採集太陽方位信息並得到太陽的精確方位，穩定可靠，抗幹擾能力強，適合於大多數太陽能使用設備。
文檔編號G05D3/12GK102183967SQ20111013451
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月24日 優先權日2011年5月24日
發明者孟濬, 王路克, 謝小玲 申請人:浙江大學