太陽自動跟蹤系統及方法

2023-07-31 17:30:21

太陽自動跟蹤系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種太陽自動跟蹤系統及方法，屬於太陽能應用領域，為解決現有技術能耗高等問題而設計。本發明太陽自動跟蹤系統包括光電檢測裝置、跟蹤裝置和控制單元；其中，光電檢測裝置用於檢測當前時刻天空中是否有太陽光，並將檢測結果發送至控制單元；控制單元用於根據光電檢測裝置的檢測結果和太陽運行軌跡數據來控制跟蹤裝置；跟蹤裝置用於將太陽光反射向指定位置或指定方向。本發明太陽自動跟蹤方法先使用光電檢測方法來判斷當前時刻天空中是否有太陽光，當確定當前時刻天空中有太陽光後使用視日運動軌跡跟蹤方法調整反光鏡的角度，以將太陽光反射向指定位置或指定方向。本發明太陽自動跟蹤系統及方法能耗低，裝置使用壽命長。
【專利說明】太陽自動跟蹤系統及方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種太陽自動跟蹤系統以及基於該系統的太陽自動跟蹤方法。

【背景技術】
[0002]建築物(尤其是高層建築中)通常會有常年見不到陽光的房間，例如地下室、地下通道、以及地下商場等。這些房間即使在白天、室外光線充足的時候依然需要使用人工電力照明方式，增加了能耗。
[0003]為了降低這部分能耗，可以將太陽光反射、導入這些房間中，替代電力照明。因太陽的高度角和方位角隨著時間和日期的不同而不同，所以反射太陽光時需要根據太陽的運行軌跡來調整光線傳輸裝置的角度。
[0004]現有的太陽自動跟蹤方法主要包括兩種:第一，使用光電式檢測方法實時探測太陽的對地位置，從而控制光線傳輸裝置的對日角度；第二，根據天文知識計算太陽位置以跟蹤太陽。第一種方法受氣象、環境條件影響較大，容易發生誤差；第二種方法沒有考慮天氣情況，在陰雨天氣中這種連續跟蹤是沒作用的，不但無法反射太陽光反而會對系統資源和能源造成浪費。


【發明內容】

[0005]本發明的一個目的是提出一種對太陽的自動跟蹤效果更準確、延長了裝置使用壽命的太陽自動跟蹤系統。
[0006]本發明的另一個目的是提出一種形成間歇跟蹤方式、避免浪費能源的太陽自動跟蹤方法。
[0007]為達此目的，一方面，本發明採用以下技術方案:
[0008]一種太陽自動跟蹤系統，所述系統包括光電檢測裝置、跟蹤裝置和控制單元；其中，光電檢測裝置用於檢測當前時刻天空中是否有太陽光，並將檢測結果發送至所述控制單元；控制單元用於根據所述光電檢測裝置的檢測結果和太陽運行軌跡數據來控制跟蹤裝置；跟蹤裝置包括反光鏡和轉向組件，所述轉向組件能根據所述控制單元的指令調整所述反光鏡的角度，用於將太陽光反射向指定位置或指定方向。
[0009]特別是，所述光電檢測裝置包括底板，在所述底板上第一光電池、第二光電池、第三光電池和第四光電池沿順時針方向排列呈田字形，在每兩塊光電池之間設置不透光的隔板；四塊所述光電池相對於所述隔板兩兩對稱；所述第一光電池連接至第一檢測電路，所述第二光電池連接至第二檢測電路，所述第三光電池連接至第三檢測電路，所述第四光電池連接至第四檢測電路；所述第一檢測電路和所述第三檢測電路的輸出端共同連接至第一減法電路，所述第一減法電路的輸出端連接至第一絕對值電路，所述第一絕對值電路的輸出端連接至第一比較電路；所述第二檢測電路和所述第四檢測電路的輸出端共同連接至第二減法電路，所述第二減法電路的輸出端連接至第二絕對值電路，所述第二絕對值電路的輸出端連接至第二比較電路；所述第一比較電路和所述第二比較電路的輸出端共同連接至或門電路。
[0010]特別是，所述跟蹤裝置包括底座、安裝在所述底座上的第一支架和第二支架、設置在所述第一支架和第二支架之間的方位角軸、設置在所述方位角軸上的轉向組件、以及設置在所述轉向組件上的反光鏡。
[0011]特別是，所述轉向組件包括套設在所述方位角軸上的箱體，所述箱體內設置有第一步進電機、第二步進電機和齒輪；其中，所述第一步進電機和齒輪分別套設在所述方位角軸上；所述反光鏡設置在高度角軸的一端；所述高度角軸的另一端連接至第二步進電機輸出軸。
[0012]另一方面，本發明採用以下技術方案:
[0013]一種基於上述太陽自動跟蹤系統的太陽自動跟蹤方法，先使用光電檢測方法來判斷當前時刻天空中是否有太陽光，當確定當前時刻天空中有太陽光後使用視日運動軌跡跟蹤方法調整反光鏡的角度，以將太陽光反射向指定位置或指定方向。
[0014]特別是，所述方法包括下述步驟:
[0015]步驟1、根據當前地理位置計算得到每天的日出時間和日落時間，保存計算結果；
[0016]步驟2、當達到所述日出時間時啟動光電檢測裝置和跟蹤裝置；
[0017]步驟3、判斷當前時刻天空中是否有太陽光，是則轉至步驟4 ;否則轉至步驟5 ;
[0018]步驟4、計算得到太陽的高度角Hs和方位角As，使用視日運動軌跡跟蹤方法根據所述高度角Hs和方位角As的數值調整反光鏡的角度，以將太陽光反射向指定位置或指定方向；計時達到設定時間T後，轉至步驟3 ；
[0019]步驟5、所述跟蹤裝置保持當前狀態，計時達到設定時間T後，轉至步驟3。
[0020]進一步,在所述步驟4中計算太陽的高度角Hs和方位角As所依據的是時間t、當前位置緯度值Φ、太陽赤緯角δ以及太陽時角ω。
[0021]特別是，在所述步驟3中，在判斷當前時刻天空中是否有太陽光之前先判斷是否到達所述日落時間，是則轉至步驟6，否則使用光電檢測裝置判斷當前時刻天空中是否有太陽光;
[0022]步驟6、計算第二天日出時太陽的方位角Asn，將反光鏡轉動至對應所述方位角Asn且高度角Hs為零的位置，暫停光電檢測裝置和跟蹤裝置至第二天日出時刻。
[0023]特別是，在所述步驟4中設置修訂時間Tj，每間隔所述修訂時間Tj後重新計算一次太陽的高度角Hs和方位角As，根據新得到的高度角Hs和方位角As數值調整反光鏡的角度。
[0024]本發明太陽自動跟蹤系統包括光電檢測裝置和跟蹤裝置，在收到光電檢測裝置的信號後再確定是否啟動跟蹤裝置的自動跟蹤功能，能很好地根據天氣、雲量來判斷是否啟用該系統，對太陽的自動跟蹤效果更準確，避免了無謂的能耗，延長了裝置的使用壽命。
[0025]本發明太陽自動跟蹤方法先使用光電檢測方法來判斷當前時刻天空中是否有太陽光、等確定有太陽光後再使用視日運動軌跡跟蹤方法調整反光鏡的角度，形成間歇跟蹤方式，避免浪費能源。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發明優選實施例一提供的光電檢測裝置的原理圖；
[0027]圖2是本發明優選實施例一提供的光電檢測裝置的結構示意圖；
[0028]圖3是本發明優選實施例一提供的跟蹤裝置的結構示意圖。
[0029]圖中標記為:
[0030]1、第一光電池；2、第二光電池；3、第三光電池；4、第四光電池；5、第一檢測電路；6、第二檢測電路；7、第二檢測電路；8、第四檢測電路；9、第一減法電路；10、第二減法電路；
11、第一絕對值電路；12、第二絕對值電路；13、第一比較電路；14、第二比較電路；15、或門電路；16、隔板；17、底板；18、底座；19、第一支架；20、第二支架；21、第一步進電機；22、方位角軸；23、齒輪；24、箱體；25、第二步進電機；26、高度角軸；27、反光鏡；28、第二步進電機輸出軸。

【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖並通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0032]優選實施例一:
[0033]本優選實施例公開一種太陽自動跟蹤系統。該系統包括光電檢測裝置、跟蹤裝置和控制單元。其中，光電檢測裝置用於檢測當前時刻天空中是否有太陽光，並將檢測結果發送至控制單元；控制單元用於根據光電檢測裝置的檢測結果和太陽運行軌跡數據來控制跟蹤裝置；跟蹤裝置包括反光鏡和轉向組件，轉向組件能根據控制單元的指令調整反光鏡的角度，用於將太陽光反射向指定位置或指定方向。
[0034]如圖1和圖2所示，光電檢測裝置包括底板17，在底板17上第一光電池1、第二光電池2、第三光電池3和第四光電池4沿順時針方向排列呈田字形，在每兩塊光電池之間設置不透光的隔板16 ;四塊光電池相對於隔板16兩兩對稱。
[0035]第一光電池I連接至第一檢測電路5，第二光電池2連接至第二檢測電路6，第三光電池3連接至第三檢測電路7，第四光電池4連接至第四檢測電路8。
[0036]第一檢測電路5和第三檢測電路7的輸出端共同連接至第一減法電路9，第一減法電路9的輸出端連接至第一絕對值電路11，第一絕對值電路11的輸出端連接至第一比較電路13。
[0037]第二檢測電路6和第四檢測電路8的輸出端共同連接至第二減法電路10，第二減法電路10的輸出端連接至第二絕對值電路12，第二絕對值電路12的輸出端連接至第二比較電路14。第一比較電路13和第二比較電路14的輸出端共同連接至或門電路15。
[0038]工作原理:將該光電檢測裝置放置在空曠無遮擋的地方。當有光線落在光電池上時，光電池就會輸出一定強度的光電流。陰天時四塊光電池的受光量相同，產生的光電流也相同；當天空中有太陽時太陽光照射到十字形的不透光的隔板16上，隔板16在四塊光電池上分別產生投影。因為投影面積的不同，導致各個光電池輸出的光電流不同。
[0039]四塊光電池產生的光電流分別輸入對應的檢測電路中，分別得到四路經過放大的電壓信號；然後將第一光電池I和第三光電池3的電壓信號輸入到第一減法電路9中，將第二光電池2和第四光電池4的電壓信號輸入到第二減法電路10中。第一減法電路9和第二減法電路10分別將電信號輸送給第一絕對值電路11和第二絕對值電路12中；第一絕對值電路11和第二絕對值電路12的輸出信號分別輸入到第一比較電路13和第二比較電路14中。
[0040]第一比較電路13和第二比較電路14分別將收到的電壓信號與零電壓進行比較，當電壓不為零時輸出高電平，電壓為零時輸出低電平。將第一比較電路13和第二比較電路14的信號通過一個或門電路15後輸出。如果輸出是低電平則說明天空中雲量較多或者為陰天，沒有可供反射的太陽光；如果輸出是高電平則說明天空中有太陽，可以準備反射。
[0041]如圖3所示，跟蹤裝置包括底座18、安裝在底座18上的第一支架19和第二支架20、設置在第一支架19和第二支架20之間的方位角軸22、設置在方位角軸22上的轉向組件、以及設置在轉向組件上的反光鏡27。
[0042]其中，轉向組件包括套設在方位角軸22上的箱體24，箱體24內設置有第一步進電機21、第二步進電機25和齒輪23 ;其中，第一步進電機21和齒輪23分別套設在方位角軸22上；反光鏡27設置在高度角軸26的一端；高度角軸26的另一端連接至第二步進電機輸出軸28。
[0043]基於上述系統的太陽自動跟蹤方法是先使用光電檢測方法來判斷當前時刻天空中是否有太陽光，當確定當前時刻天空中有太陽光後使用視日運動軌跡跟蹤方法調整反光鏡27的角度，以將太陽光反射向指定位置或指定方向。
[0044]具體的，該方法包括下述步驟:
[0045]步驟1、根據專業的天文軟體並結合系統安裝地的精確的當前地理位置信息計算得到每天的日出時間和日落時間，保存計算結果。如遇閏年，則調用閏年的信息；程序所需的時間由系統自帶的時鐘提供。
[0046]步驟2、當達到日出時間時啟動光電檢測裝置和跟蹤裝置；
[0047]步驟3、判斷是否到達日落時間，是則轉至步驟6，否則使用光電檢測裝置判斷當前時刻天空中是否有太陽光；有太陽光則轉至步驟4，無太陽光則轉至步驟5 ;
[0048]步驟4、根據時間t、當前位置緯度值Φ、太陽赤緯角δ以及太陽時角ω計算得到太陽的高度角Hs和方位角As。
[0049]其中，高度角Hs的計算公式為:
[0050]sinHs = sin Φ.sin δ +cos Φ.cos δ.cos ω ；
[0051]方位角As的計算公式為:.sin5-cos6-cos6cos6cos?
[0052]COS A4.=-
sm Hc
[0053]日出時間、日落時間的太陽的方位角計算公式為:

Sm 5
[0054]CosAs =---

cos φ
[0055]使用視日運動軌跡跟蹤方法根據高度角Hs和方位角As的數值調整反光鏡27的角度，以將太陽光反射向指定位置或指定方向。
[0056]設置修訂時間Tj，每間隔修訂時間Tj後重新計算一次太陽的高度角Hs和方位角As，根據新得到的高度角Hs和方位角As數值調整反光鏡27的角度。計時達到設定時間T後，轉至步驟3。
[0057]步驟5、跟蹤裝置保持當前狀態，計時達到設定時間T後，轉至步驟3，再次檢測當前時刻天空中是否有太陽光。
[0058]步驟6、當到達日落時間後，計算第二天日出時太陽的方位角Asn，將反光鏡27轉動至對應方位角Asn且高度角Hs為零的位置，暫停光電檢測裝置和跟蹤裝置至第二天日出時刻。
[0059]該系統包括光電檢測裝置和跟蹤裝置，能將光電檢測方法和視日運動軌跡跟蹤方法進行有機的結合，形成間歇跟蹤方式。所謂間歇跟蹤方式是指當判定當前時刻天空中有太陽光後才進行視日運動軌跡跟蹤，無太陽光時跟蹤裝置不運動，避免浪費能源，延長跟蹤裝置的使用壽命。
[0060]優選實施例二:
[0061]本優選實施例公開一種太陽自動跟蹤系統，其結構與優選實施例一基本相同。該系統包括光電檢測裝置、跟蹤裝置和控制單元。其中，光電檢測裝置用於檢測當前時刻天空中是否有太陽光，並將檢測結果發送至控制單元；控制單元用於根據光電檢測裝置的檢測結果和太陽運行軌跡數據來控制跟蹤裝置；跟蹤裝置包括反光鏡和轉向組件，轉向組件能根據控制單元的指令調整反光鏡的角度，用於將太陽光反射向指定位置或指定方向。
[0062]不同之處在於，光電檢測裝置的具體結構不限，能夠檢測是否有太陽光即可；跟蹤裝置的具體結構不限，能夠將太陽光反射向指定位置或指定方向即可。
[0063]基於上述系統的太陽自動跟蹤方法與優選實施例一基本相同。先使用光電檢測方法來判斷當前時刻天空中是否有太陽光，當確定當前時刻天空中有太陽光後使用視日運動軌跡跟蹤方法調整反光鏡的角度，以將太陽光反射向指定位置或指定方向。
[0064]不同之處在於，太陽自動跟蹤方法的具體步驟不限，能夠將光電檢測方法和視日運動軌跡跟蹤方法相結合地間歇跟蹤太陽即可。當達到日落時間後，可以直接關閉光電檢測裝置和跟蹤裝置；也可以將跟蹤裝置預先調整至第二天日出時間的相應位置，為第二天的太陽自動跟蹤做好準備。
【權利要求】
1.一種太陽自動跟蹤系統，其特徵在於，所述系統包括光電檢測裝置、跟蹤裝置和控制單元；其中， 光電檢測裝置，用於檢測當前時刻天空中是否有太陽光，並將檢測結果發送至所述控制單兀； 控制單元，用於根據所述光電檢測裝置的檢測結果和太陽運行軌跡數據來控制跟蹤裝置； 跟蹤裝置，包括反光鏡(27)和轉向組件，所述轉向組件能根據所述控制單元的指令調整所述反光鏡(27)的角度，用於將太陽光反射向指定位置或指定方向。
2.根據權利要求1所述的太陽自動跟蹤系統，其特徵在於，所述光電檢測裝置包括底板(17),在所述底板(17)上第一光電池(I)、第二光電池(2)、第三光電池(3)和第四光電池(4)沿順時針方向排列呈田字形，在每兩塊光電池之間設置不透光的隔板(16);四塊所述光電池相對於所述隔板(16)兩兩對稱； 所述第一光電池(I)連接至第一檢測電路(5)，所述第二光電池(2)連接至第二檢測電路(6)，所述第三光電池(3)連接至第三檢測電路(7)，所述第四光電池(4)連接至第四檢測電路⑶； 所述第一檢測電路(5)和所述第三檢測電路(7)的輸出端共同連接至第一減法電路(9)，所述第一減法電路(9)的輸出端連接至第一絕對值電路(11)，所述第一絕對值電路(11)的輸出端連接至第一比較電路(13)； 所述第二檢測電路(6)和所述第四檢測電路(8)的輸出端共同連接至第二減法電路(10)，所述第二減法電路(10)的輸出端連接至第二絕對值電路(12)，所述第二絕對值電路(12)的輸出端連接至第二比較電路(14)； 所述第一比較電路(13)和所述第二比較電路(14)的輸出端共同連接至或門電路(15)。
3.根據權利要求1所述的太陽自動跟蹤系統，其特徵在於，所述跟蹤裝置包括底座(18)、安裝在所述底座(18)上的第一支架(19)和第二支架(20)、設置在所述第一支架(19)和第二支架(20)之間的方位角軸(22)、設置在所述方位角軸(22)上的轉向組件、以及設置在所述轉向組件上的反光鏡(27)。
4.根據權利要求1或3所述的太陽自動跟蹤系統，其特徵在於，所述轉向組件包括套設在所述方位角軸(22)上的箱體(24)，所述箱體(24)內設置有第一步進電機(21)、第二步進電機(25)和齒輪(23);其中，所述第一步進電機(21)和齒輪(23)分別套設在所述方位角軸(22)上； 所述反光鏡(27)設置在高度角軸(26)的一端；所述高度角軸(26)的另一端連接至第二步進電機輸出軸(28)。
5.一種基於權項I至4任一所述太陽自動跟蹤系統的太陽自動跟蹤方法，其特徵在於，先使用光電檢測方法來判斷當前時刻天空中是否有太陽光，當確定當前時刻天空中有太陽光後使用視日運動軌跡跟蹤方法調整反光鏡(27)的角度，以將太陽光反射向指定位置或指定方向。
6.根據權利要求5所述的太陽自動跟蹤方法，其特徵在於，所述方法包括下述步驟: 步驟1、根據當前地理位置計算得到每天的日出時間和日落時間，保存計算結果； 步驟2、當達到所述日出時間時啟動光電檢測裝置和跟蹤裝置； 步驟3、判斷當前時刻天空中是否有太陽光，是則轉至步驟4 ;否則轉至步驟5 ； 步驟4、計算得到太陽的高度角Hs和方位角As，使用視日運動軌跡跟蹤方法根據所述高度角Hs和方位角As的數值調整反光鏡(27)的角度，以將太陽光反射向指定位置或指定方向；計時達到設定時間T後，轉至步驟3 ； 步驟5、所述跟蹤裝置保持當前狀態，計時達到設定時間T後，轉至步驟3。
7.根據權利要求6所述的太陽自動跟蹤方法，其特徵在於，在所述步驟4中計算太陽的高度角Hs和方位角As所依據的是時間t、當前位置緯度值Φ、太陽赤緯角δ以及太陽時角ω。
8.根據權利要求6或7所述的太陽自動跟蹤方法，其特徵在於，在所述步驟3中，在判斷當前時刻天空中是否有太陽光之前先判斷是否到達所述日落時間，是則轉至步驟6，否則使用光電檢測裝置判斷當前時刻天空中是否有太陽光； 步驟6、計算第二天日出時太陽的方位角Asn，將反光鏡(27)轉動至對應所述方位角Asn且高度角Hs為零的位置，暫停光電檢測裝置和跟蹤裝置至第二天日出時刻。
9.根據權利要求6或7所述的太陽自動跟蹤方法，其特徵在於，在所述步驟4中設置修訂時間Tj，每間隔所述修訂時間Tj後重新計算一次太陽的高度角Hs和方位角As，根據新得到的高度角Hs和方位角As數值調整反光鏡(27)的角度。
【文檔編號】G05D3/12GK104238581SQ201410559784
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】麻碩, 邱忠義, 謝鵬, 由菁菁, 任晉芳 申請人:北京金自天正智能控制股份有限公司