基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置的製作方法

2023-05-26 05:12:41

專利名稱：基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種太陽跟蹤裝置，尤其是基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置。
背景技術：
隨著世界能源緊缺，油價高漲，太陽能作為用之不竭的免費綠色能源日益受到重視。為了提高太陽能利用效率，需要使太陽光儘可能垂直入射。科技界在太陽跟蹤上進行了大量工作，開發了兩種太陽跟蹤方法基於感應太陽光方向的主動式跟蹤和基於地球繞日軌道規律的被動式跟蹤。
主動式跟蹤如「太陽輻射跟蹤控制裝置」(專利號01217140.9，授權公告號CN2472151Y)，被動式跟蹤代表如「微功耗定時太陽跟蹤裝置」(專利號02222766.0，授權公告號CN2562135Y)。前者「太陽輻射跟蹤控制裝置」利用金字塔型光電傳感器接收太陽光，太陽光不垂直於金字塔型光電傳感器中心時，將造成四個光電板的輸出電壓不相等，對四個光電板輸出的電壓進行比較，就可計算出太陽方位，進而控制步進電機驅動跟蹤裝置對準太陽，優點是精度高，缺點是結構複雜，成本高昂，維護量大，只適合於科研領域，原因在於其為了追求跟蹤精度，採用了電熱絲、溫度傳感器、光輻射探測器、四象限探測器、定位傳感器等多個模塊；後者「微功耗定時太陽跟蹤裝置」屬於被動式跟蹤，利用太陽方位角15度/小時的規律，驅動太陽面板方位角同步轉動，從9點至18點進行單軸跟蹤控制，結構簡單，缺點是跟蹤誤差大，太陽能利用率低，原因在於其沒有跟蹤太陽高度角，不能實現太陽的雙軸跟蹤，且沒有考慮經度、緯度因素，不適於大面積推廣，沒有晝夜區分功能，太陽能利用效率低。另外，現有技術中普遍採用步進電機進行驅動，定位裝置普遍採用光電傳感器，造價昂貴，抗環境幹擾能力差。
跟蹤誤差在5度、7度、10度、12度、15度、20度時的跟蹤效率分別為ρ5＝cos(5°)＝99.62％，ρ7＝cos(7°)＝99.25％，ρ10＝cos(10°)＝98.48％，ρ12＝cos(12°)＝97.81％，ρ15＝cos(15°)＝96.59％，ρ20＝cos(20°)＝93.97％可見，跟蹤誤差大於10度後跟蹤效率才開始明顯下降。民用太陽能領域主要是熱水和發電，跟蹤誤差只要控制在10度以內就可滿足需求。
民用太陽能領域雖然在跟蹤精度上低於科研要求，但追求更高的自動化水平，更少的維護量，更低的成本。目前的主動式跟蹤因為涉及光電傳感器，造成價格昂貴，且易受灰塵、光汙染影響，維護量大，不適於民用太陽能領域；被動式控制由於其可靠性成為民用太陽跟蹤裝置的方向，但傳統的被動式跟蹤裝置都是依靠步進電機驅動，使用高精度傳統系統，造價高，同時沒有考慮時差、太陽赤緯變化的不均勻性(地球繞日軌道存在偏心率造成)，也沒有考慮經度、緯度，離大規模推廣尚有很大差距。
實用新型內容 本實用新型的目的是針對國內外太陽跟蹤器的缺陷，提出一種新型的被動式跟蹤裝置，以降低太陽跟蹤裝置的成本，減少維護量，滿足民用太陽能領域的需求。
本實用新型的原理是利用單片機根據日期精確求出當日時差(真太陽時與平太陽時的差)與太陽赤緯(太陽直射點的緯度)，再結合當地經度緯度精確計算出太陽當時的高度角和方位角，確定太陽位置，並晝夜判斷，本實用新型計算太陽高度角、方位角的算法如下工作日當天為從1月1日開始計時後的第D天，為方便，設中間量X為x=2(D-1)365]]>則當天的時差δ，太陽赤緯σ分別為
=229.18(75+186.8com(x)-32077sin(x)-14615cos(2x)-40890sin(2x))1000000]]>=180(6918-399912cos(x)+70257sin(x))-6758cos(2x)+907sin(2x)-2697cos(3x)+1480sin(3x)]]>太陽光直射跟蹤裝置所在經度後轉過的角度稱太陽時角Ω，其大小為Ω＝(CT+CL+δ-12)×15°，其中CT為當時的時刻，CL為經度訂正，1度/4分鐘，δ為當日時差。
工作點緯度緯為，北緯為正，南緯為負，太陽高度角α為太陽光線與地平面夾角，太陽方位角β為從正北方向起始，順時針旋轉到太陽光線射影的角度，則對南起赤道北至北極圈的廣大地區，有sinα＝sinsinσ+coscosσcosΩ 為了求出當地當天的日出時刻和日落時刻，令高度角α等於零，有cos[(CT+CL+δ-12)×15°]＝-tantanσ，CT有兩個解，小於12的為日出時刻，大於12的解為日落時刻。
單片機對太陽期望位置和姿態傳感器反饋回來的實際跟蹤位置進行比較，得出跟蹤誤差，根據控制算法輸出控制信號，控制直流電機運行，在閉環控制下把誤差減小到零，實現雙軸跟蹤。單片機每隔一段時間就重新進行太陽位置計算，進行新一輪的跟蹤，間隔的時間長短可以通過鍵盤電路對單片機進行設定。姿態傳感器由電容傳感器組成，其中高度角利用差動電容傳感器獲知，方位角利用三瓣式電容角度傳感器獲知，晝間進行跟蹤，夜間停止跟蹤。
本實用新型的目的是這樣實現的一種基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置，包括裝置結構和電路，所述的裝置包括太陽面板、高度角調節杆、高度角傳感器、立柱、方位角傳感器；所述的電路包括單片機和信號接口；其特徵在於
該裝置為立筒式結構，太陽面板通過上下兩根鉸鏈分別連接到高度角調節杆和支撐杆上，高度角調節杆可在立柱內上下移動，調節太陽面板高度角，高度角傳感器的電容動極板和定極板分別置於高度角調節杆外壁與立柱內壁上，方位角傳感器的電容動極板置於立柱的底部外壁；該電路包括單片機、信號接口、LCD控制器、時鐘晶片、鍵盤；其特徵在於信號接口由兩片DAC0832組成，單片機PB0～PB7埠兩片DAC0832數據輸入端，兩片DAC0832的片選信號分別與單片機的PA0，PA1埠電連接；高度角驅動電機電源控制高度角驅動電機，方位角驅動電機電源控制方位角驅動電機；高度角傳感器電連接單片機具有內部模/數轉換功能的PA2～PA3埠，方位角傳感器電連接單片機具有內部模/數轉換功能的PA4～PA6埠；LCD控制器的/CS、/WR、DATA電連接單片機的PD5～PD7埠；時鐘晶片的RST、SCLK、I/O埠電連接單片機的PD2～PD4埠；鍵盤的輸出埠電連接單片機PC0～PC7埠。
所說的單片機為單片機AT90LS8535、時鐘晶片為HT1380、信號接口由兩片DAC0832組成、LCD控制器為HT1621。
所說的高度角驅動電機電源連接控制高度角驅動電機，方位角驅動電機電源連接控制方位角驅動電機。
所說的高度角傳感器為差動電容傳感器，方位角傳感器為三瓣式電容角度傳感器。
所說的單片機的PD0～PD1埠用於外接外部設備串行通信接口。
本實用新型的創新之處在於精確計算了時差、太陽赤緯，避免了現有被動式跟蹤技術中不考慮時差，將太陽赤緯變化近似為勻速帶來的計算誤差；考慮了地理經度、緯度因素，適於各地推廣；具有晝夜判別功能；採用了電容傳感器實現裝置跟蹤姿態反饋，利用直流電機進行驅動。
本實用新型的優點是1，成本低廉，由單片機、電容傳感器和直流電機組成，無光電傳感器和步進電機。
2，維護量少，單片機精確計算了決定太陽位置必需的全部因素時差、太陽赤緯、經度、緯度，可實現雙軸跟蹤，具有晝夜判別能力，可長時間全自動化運行。


圖1為本實用新型具體實施方式
的結構示意圖；圖2為本實用新型具體實施方式
電路圖；圖3為本實用新型具體實施方式
時差變化曲線；圖4為本實用新型具體實施方式
太陽赤緯變化曲線；圖5為本實用新型具體實施方式
圓筒式電容傳感器工作原理圖；圖6為本實用新型具體實施方式
差動圓筒電容傳感器結構圖；圖7為本實用新型具體實施方式
三瓣式電容角度傳感器結構圖；圖8為本實用新型具體實施方式
三瓣式電容角度傳感器電路示意圖。
具體實施方式
在圖1中1為鉸鏈，2為太陽面板，3為高度角調節杆，4為高度角傳感器，5為立柱，6為方位角傳感器，7為支撐杆。
在圖2中，8為鍵盤，9為高度角驅動電機電源，10為方位角驅動電機電源，11為單片機AT90LS8535，12為LCD控制器HT1621，13為時鐘晶片HT1380，14為單片機11的串行通信接口PD0，15為單片機串11的串行通信接口PD1，16為信號接口，信號接口16由兩片DAC0832組成。
圖3為2004年東經120度中午時刻的時差變化圖。
圖4為太陽赤緯變化圖，太陽的赤緯在一年當中的變化並不均勻，傳統技術中將其近似為線性變化，造成了很大的跟蹤誤差。
圖5是圓筒式電容傳感器工作原理圖，電容值與兩個極板的相對面積成正比。
圖6是差動圓筒電容傳感器結構圖。高度角調節杆3位置變化時，兩電容分別變大/變小，利用兩電容值之比，可計算出高度角調節杆3相對於立柱5的位置。利用差動電容比值方法可抗天氣變化引起的幹擾。
圖7是三瓣式電容角度傳感器，三個定極板以對稱方式圍成一周，與動極板組成3個電容器。
圖8是三瓣式電容角度傳感器電路圖。立柱5轉動時帶動動極板旋轉，引起三個電容變化，根據三個電容值之比，可計算出立柱5轉動角度，也即太陽面板2的方位角。
工作方式如下利用鍵盤8經單片機11的PC0～PC7埠設定系統啟動時所需數據當地經度、緯度、日期、休眠期，時鐘晶片13的RST、SCLK、I/O埠電連接單片機11的PD2～PD4埠，從單片機11獲取時間後開始不間斷計時，裝置啟動完畢，進入全自動工作狀態。裝置啟動後，單片機11讀取時鐘晶片13的計時，結合存入內存的經度、緯度值，算出當日時差和太陽赤緯，進而計算出太陽當時的高度角和方位角，計算出當地當日日出時刻與日落時刻，如當前時刻為黑夜，則程序循環等待，如為白晝，則系統進行跟蹤。
跟蹤開始後，單片機11讀取高度角傳感器4和方位角傳感器6的電信號，其中高度角傳感器4利用差動電容感知高度角調節杆3相對於立柱5的位置，方位角傳感器6通過三瓣定極板感知貼有動極板的立柱5的方位角，單片機11利用PA口自帶的A/D轉換功能實現高度角和方位角電信號的模擬/數字轉換；單片機11計算太陽與太陽面板2在高度角和方位角上的差值，分別利用PID算法計算出控制信號，單片機11的PB0～PB7埠將控制信號分時輸入信號接口16，單片機11通過PA0，PA1電連接信號接口16中的兩個DAC0832的片選信號/CS埠，輪流對高度角控制信號和方位角控制信號進行D/A轉換，轉換後分別輸入高度角驅動電機電源9和方位角驅動電機電源10；高度角驅動電機控制高度角調節杆3移動到相應位置，實現太陽面板2的高度角調節；方位角驅動電機控制立柱5旋轉到相應位置，實現太陽面板2的方位角調節。
單片機11通過PD5～PD7埠電連接LCD控制器12的/CS、/WR、DATA埠，將當前時鐘、經度、緯度分時輸入LCD控制器12，實現對外顯示。
跟蹤裝置每半年維護一次，維護時操作人員通過鍵盤8重新啟動系統，重新設定系統時鐘與當地經度、緯度。
權利要求1.一種基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置，包括裝置結構和電路，所述的裝置包括太陽面板(2)、高度角調節杆(3)、高度角傳感器(4)、立柱(5)、方位角傳感器(6)；所述的電路包括單片機(11)和信號接口(16)；其特徵在於所述裝置為立筒式結構，太陽面板(2)通過上下兩根鉸鏈(1)分別連接到高度角調節杆(3)和支撐杆(7)上，高度角調節杆(3)置於立柱(5)內、且與其動配合連接，高度角傳感器(4)的電容動極板和定極板分別置於高度角調節杆(3)外壁與立柱(5)內壁上，方位角傳感器(6)的電容動極板置於立柱(5)的底部外壁；所述電路還包括LCD控制器(12)、時鐘晶片(13)、鍵盤(8)；信號接口(16)由兩片DAC0832組成，單片機PB0～PB7埠電連接兩片DAC0832數據輸入端，兩片DAC0832的片選信號分別與單片機(11)PA0，PA1埠電連接；直流電機電源(9)與高度角驅動電機電連接，直流電機電源(10)與方位角驅動電機電連接；高度角傳感器(4)電連接單片機(11)具有內部模/數轉換功能的PA2～PA3埠，方位角傳感器(6)電連接單片機(11)具有內部模/數轉換功能的PA4～PA6埠；LCD控制器(12)的/CS、/WR、DATA電連接單片機(11)的PD5～PD7埠；時鐘晶片(13)的RST、SCLK、I/O埠電連接單片機(11)的PD2～PD4埠；鍵盤(8)的輸出埠電連接單片機(11)PC0～PC7埠。
2.根據權利要求1所述的一種基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置，其特徵是所說的單片機(11)為單片機AT90LS8535、時鐘晶片(13)為HT1380、信號接口(16)由兩片DAC0832組成、LCD控制器(12)為HT1621。
3，根據權利要求1所述的一種基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置，其特徵是所說的直流電機電源(9)連接控制高度角驅動電機，直流電機電源(10)連接控制方位角驅動電機。
4，根據權利要求1所述的一種基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置，其特徵是所說的高度角傳感器(4)為差動電容傳感器，方位角傳感器(6)為三瓣式電容角度傳感器。
5，根據權利要求1所述的一種基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置，其特徵是所說的單片機(11)的PD0～PD1埠用於外接外部設備串行通信接口(14)和(15)。
專利摘要本實用新型公開了一種基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置，它包括單片機、時鐘晶片、鍵盤、LCD控制器、姿態傳感器和經信號處理接口與其電連接的直流電機電源，其中計算機為單片機，信號處理接口由數模轉換接口構成。該基於跟蹤姿態反饋的太陽跟蹤裝置利用日期時間和經緯度，計算太陽方位和當日日出、日落時刻，特別考慮了時差、太陽赤緯變化的不均勻性。結構簡單，維護量少，造價低廉，工作穩定，適用於自然環境下無人值守的太陽能開發領域。
文檔編號F24J2/38GK2791552SQ20052007129
公開日2006年6月28日 申請日期2005年4月28日 優先權日2005年4月28日
發明者宋記鋒, 葛運建 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院