專利名稱：太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太陽能聚能器的自動跟蹤 太陽系統(tǒng)。 技術(shù)背景太陽能作為一種清潔能源，取之不盡，用之不竭，是最具開發(fā)潛能的新能源。太陽每秒鐘釋放的能量大約是16xl023KW， 一年內(nèi)到達(dá)地球表面 '的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤約為1.892x1019億噸，是目前世界主要能源探明 儲量的一萬倍。我國太陽能資源十分豐富，但就目前來看，國內(nèi)太陽能的 利用還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這主要是由于太陽能資源自身存在一些弱點太陽 光的密度低、照射時間間歇、空間分布不斷變化等。因為這些弱點，使得 太陽能利用率不高。太陽跟蹤系統(tǒng)為解決這一問題提供了可能，不管哪種 太陽能利用設(shè)備，只要它的聚能裝置能始終保持與太陽光垂直，就可以在 有限的使用面積內(nèi)截獲更多的太陽能。理論分析表明，對太陽的跟蹤與非 跟蹤，能量的接收率相差37.7%。以光伏發(fā)電為例，采用精密太陽能自動跟 蹤聚焦后，lcr^的聚光電池在標(biāo)準(zhǔn)光強下經(jīng)400 600倍聚光后，輸出功率 達(dá)6 10W以上，而同等面積的平板式太陽電池輸出功率僅12 14mW。 ' 目前的太陽跟蹤方法基本有兩大類 一類是根據(jù)地球繞日運行規(guī)律計 算跟蹤運動軌跡的主動式太陽跟蹤；另一類是實時探測太陽對地位置，控 制對日角度的被動式太陽跟蹤。主動式跟蹤的典型代表有控放式跟蹤、時 鐘式跟蹤。控放式跟蹤的原理是在太陽能聚能器的西側(cè)放置一個偏重， 作為聚能器向西的轉(zhuǎn)動力。利用控放裝置對此動力的釋放加以控制，使聚 能器在轉(zhuǎn)動力的作用下緩慢向西偏轉(zhuǎn)運動。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。 但是精度低且只能用于單軸跟蹤。時鐘式跟蹤的控制方法是定時法根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運動角度，計算出聚能器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，從 而設(shè)定出驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，使得聚能器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)變動。其特 點是電路簡單，但由于時鐘累積誤差不斷增加，系統(tǒng)的跟蹤精度很低。 被動式跟蹤的典型代表有壓差式跟蹤和光敏元件比較式跟蹤等。壓差式跟蹤的基本原理是利用密閉容器的兩側(cè)受光面積不同時會產(chǎn)生壓力差的 特點，在壓力的作用下，使裝跟蹤裝置對準(zhǔn)太陽。該方法結(jié)構(gòu)簡單，純機 械控制，不需外接電源。但是該方法只能用于單軸跟蹤且精度很低。光敏元件比較式跟蹤利用光敏元件在光照時性能參數(shù)發(fā)生變化的原理，將四個 完全相同的光敏元件分別放置于聚能器采光板的東南西北方向邊沿處。當(dāng) 太陽光斜射至采光板時，相對的兩個光敏元件接收到的陽光存在照度差， 控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號后驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，直至兩個光敏元件上 的光照強度相同。其優(yōu)點在于跟蹤較精確，且電路容易實現(xiàn)。但是該方法 不能適應(yīng)自然界中光線的變化，跟蹤效果也不太理想。根據(jù)前面所介紹的典型跟蹤方法可知主動式跟蹤屬于不可逆跟蹤， 在跟蹤過程中遇到云朵遮住太陽時，只能以一定速度繼續(xù)運行，才能保證 太陽復(fù)出后的跟蹤不間斷；在跟蹤過程中，系統(tǒng)對控制誤差和機械傳動誤 差無法修正，造成較大的累積誤差，跟蹤精度會隨著時間的推移而降低。 雖然天文觀測數(shù)據(jù)跟蹤精度較高，但其成本卻過于高昂。被動式跟蹤不受 地理位置的限制，且跟蹤精度較高。但是大自然中天氣情況是復(fù)雜多變的， 這就要求被動式跟蹤的傳感探測單元能夠精確地反應(yīng)出太陽光線變化。當(dāng) 出現(xiàn)間歇性的多云天氣、陰雨天氣，甚至僅僅是天空中云朵暫時遮住太陽 時，這類跟蹤方法的傳感單元就無法反映出太陽光線的變化，當(dāng)陰雨或云 朵過后太陽可能已偏離了較大的角度。這種跟蹤方式要求的傳感探測單元 能夠在較大范圍內(nèi)反應(yīng)出太陽光線的變化，實現(xiàn)起來比較困難，目前的這 些跟蹤方法只適合地球上位置固定的聚能器跟蹤太陽，不適合用于運動的 車體及遠(yuǎn)洋船上的太陽聚能器跟蹤太陽。 ，發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)。該系 統(tǒng)跟蹤精度高、不受天氣和環(huán)境影響、不但適合地球上位置固定的太陽能 聚能器跟蹤太陽，而且適合于運動車體及遠(yuǎn)洋船上的太陽聚能器跟蹤太陽。本發(fā)明所提供的太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)，由驅(qū)動太陽能聚 能器跟蹤太陽的電機、機械傳動機構(gòu)和控制機械傳動機構(gòu)工作的跟蹤控制 電路組成，其特征是所述的跟蹤控制電路由GPS接收機、姿態(tài)傳感器及微 處理器控制電路組成，GPS接收機、姿態(tài)傳感器安裝在太陽能聚能器上， GPS接收機與姿態(tài)傳感器的輸出信號送入微處理器控制電路，由微處理器控 制電路分析處理后輸出控制信號給電機控制機械傳動機構(gòu)帶動太陽能聚能 .器正對太陽。本發(fā)明所提供的太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)工作原理如下由 GPS接收機接收全球定位系統(tǒng)中衛(wèi)星發(fā)出的導(dǎo)航電文及時間信息，經(jīng)過GPS接收機計算求出太陽能聚能器的三維位置、以及運動速度和時間信息，姿 '態(tài)傳感器檢測太陽能聚能器的實時朝向，由微處理器控制電路根據(jù)GPS接 收機輸出的精密位置信息和時間信息解算出的實時太陽位置(即從太陽能 聚能器位置觀測的太陽高度角及方位角)及姿態(tài)傳感器所檢測太陽能聚能 器的實時朝向，計算出太陽能聚能器實際朝向和太陽當(dāng)前位置的偏差，經(jīng) 過分析、處理后輸出控制信號給電機伺服機構(gòu)、控制機械傳動機構(gòu)帶動太 陽能聚能器向減少偏差的方向運動直至太陽能聚能器正對太陽。本發(fā)明提出了一種新的高精度太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)，即 利用GPS定位技術(shù)來實現(xiàn)實時準(zhǔn)確的太陽全向跟蹤。該系統(tǒng)兼具傳統(tǒng)的主 動式和被動式跟蹤的特點，以GPS定位系統(tǒng)所提供的精確位置信息和時間 信息為基礎(chǔ)實現(xiàn)自動全向跟蹤。在該方法中太陽的位置不是探測得來的， '而是通過GPS接收機提供的位置和時間信息實時計算出的，且每秒鐘計算 一次。因此不會受太陽光強和天氣變化的影響，也沒有時間累積誤差。在 地球上的任何位置、任何時刻只要GPS接收機能同時接收到4顆或4顆以 上衛(wèi)星發(fā)出信號的，就可以得到準(zhǔn)確的GPS接收機三維位置和時間信息。 目前全球定位系統(tǒng)已發(fā)射至少24顆衛(wèi)星， 一般說來，太陽能聚能器安裝位 置在空曠或無遮擋的地方，GPS接收機接收4顆或4顆以上衛(wèi)星發(fā)出的信 號是不成問題的，因為太陽到地球的平均距離大約為1.49X10"米，而目 前民用GPS接收機的定位誤差為10米左右，可見由此計算出的GPS接收 機位置及太陽位置精度是相當(dāng)高的。隨著現(xiàn)代測量、控制和自動化技術(shù)的 發(fā)展。傳感技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍，技術(shù)也越來越成熟，用來檢測太陽能 聚能器姿態(tài)的姿態(tài)傳感器利用地磁傳感器和重力傳感器能夠準(zhǔn)確地檢測聚 能器的三維姿態(tài)變化，其檢測精度可達(dá)到±0.5°，這些姿態(tài)傳感器還具有 數(shù)字接口，輸出的數(shù)據(jù)可以直接由微處理器處理。因此本發(fā)明所提供的太 陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)不但跟蹤精度高，而且不受天氣和環(huán)境的 影響。本發(fā)明所提供的太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)是以GPS定位系 統(tǒng)所提供的精確位置信息和時間信息為基礎(chǔ)實現(xiàn)自動全向跟蹤的，GPS接收 機輸送出的太陽能聚能器三維位置以及其運動速度和時間信息是動態(tài)信 息，因此，該太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)不但適用于地球上位置固 定的太陽能聚能器自動跟蹤太陽，而且特別適合于運動的車體及遠(yuǎn)洋船上 的太陽聚能器跟蹤太陽。


圖1是本發(fā)明所提供太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明所提供太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)實施例一中跟 蹤控制電路的方框原理圖；圖3是本發(fā)明所提供太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)實施例一中跟 蹤控制電路的電路原理圖；圖4是本發(fā)明所提供太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)實施例二結(jié)構(gòu) 示意圖；圖5是本發(fā)明所提供太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)實施例二中跟 蹤控制電路的方框原理圖；圖6是本發(fā)明所提供太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)實施例二中跟 蹤控制電路的電路原理圖。
具體實施方式
圖1所示為本發(fā)明上所提供太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)實施例 一的結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)中的太陽能聚能器是太陽能電池板l，其機械傳動 機構(gòu)由方位角傳動機構(gòu)2和俯仰角傳動機構(gòu)3組成，分別由方位角驅(qū)動電 機和俯仰角驅(qū)動電機驅(qū)動。跟蹤控制電路由GPS接收機、3D電子羅盤和微 處理器控制電路構(gòu)成。GPS接收機GPS、 3D電子羅盤DL1均安裝在太陽 能電池板上。圖2、圖3所示分別為本發(fā)明所提供太陽能聚能器的自動跟蹤 太陽系統(tǒng)實施例一中跟蹤控制電路的方框原理圖和電原理圖。參見圖2，跟 蹤控制電路由GPS接收機、3D電子羅盤及微處理器控制電路組成，GPS接 收機與3D電子羅盤的輸出信號送入微處理器控制電路，由微處理器控制電 路分析處理后輸出控制信號給方位角驅(qū)動電機和俯仰角驅(qū)動電機，分別驅(qū) 動方位角機械傳動機構(gòu)和俯仰角機械傳動機構(gòu)帶動太陽能電池板跟蹤太 陽。參見圖3，該跟蹤控制電路由GPS接收機GPS、 3D電子羅盤DL1和 微處理器控制電路組成，微處理器控制電路由微處理器Ul、存儲器U2、 .U3 (FLASH、 SDRAM)及通訊接口電路U4組成，GPS接收機GPS、 3D 電子羅盤DL1通過通訊接口電路U4接微處理器U1、微處理器U1的輸出 通過開關(guān)管Q1、繼電器J1，開關(guān)管Q2、繼電器J2接方位角驅(qū)動電機M1， 控制方位角驅(qū)動電機M1的正向、反向運轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動機械傳動機構(gòu)帶動太 陽能電池板東西向跟蹤太陽；微處理器U3的輸出通過開關(guān)管Q、繼電器J3， 開關(guān)管Q4、繼電器J4，接俯仰角驅(qū)動電機M2，控制俯仰角驅(qū)動電機M2的正向、反向運轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動機械傳動機構(gòu)帶動太陽能電池板南北向跟蹤 太陽。其工作原理是由GPS接收機負(fù)責(zé)接收全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文和時間信息，經(jīng)GPS接收機計算求出接收機的位置,并向微處理器輸 出時間信息和GPS接收機精密位置信息；微處理器在程序的控制下計算各 時刻太陽在地平坐標(biāo)系中的位置，即太陽高度角和太陽方位角。3D電子羅 盤向微處理器輸送太陽能電池板的朝向信息，并將太陽能電池板的朝向傳 送給微處理器，微處理器在程序的控制下計算出太陽能電池板的朝向與正 對太陽方向的差值并發(fā)出控制信號，通過控制開關(guān)管Ql、 Q2或開關(guān)管Q3、 Q4的導(dǎo)通、截止，控制繼電器J1、 J2或繼電器J3、 J4的通、斷，從而控 制方位角驅(qū)動電機Ml或俯仰角驅(qū)動電機驅(qū)動方位角傳動機構(gòu)或俯仰角傳 動機構(gòu)將太陽能電池板調(diào)整至正對太陽的位置。這種跟蹤方式以GPS所提 供的精確位置信息和時間信息為基礎(chǔ)實現(xiàn)自動全向跟蹤。由GPS接收機負(fù) 責(zé)接收、運算并輸出時間信息和太陽能聚能器精密位置信息給微處理器控 制電路；微處理器控制電路計算各時刻太陽在地平坐標(biāo)系上的位置，即高 度角及方位角，對處于地球上某一位置的太陽能聚能器來說，某一時刻太 陽相對于它的位置可以用太陽高度角A和太陽方位角^來表示。它們都定 義在地平坐標(biāo)系上。地平坐標(biāo)系規(guī)定觀測點G，即太陽能電池板所在點，為 坐標(biāo)原點，水平面的垂直方向為z軸，地理正南方為義軸，地理正東方為y。 太陽高度角是觀測點0到太陽S的視線矢量與當(dāng)?shù)厮降膴A角，取值范圍 是0°~90°;太陽方位角^是該視線失量在當(dāng)?shù)厮矫嫔系耐队芭c地理正南方的夾角，并規(guī)定正南方為零度，向西為正，向東為負(fù)，取值范圍是 -180° ~+180°。太陽高度角和太陽方位角不僅與觀測點的地理位置有關(guān)，還是時間的 函數(shù)。這里的時間用太陽時角w表示。^的變化周期為一晝夜，變化范圍為 ±180°。規(guī)定正午12時6> = 0，每隔一小時增加15。，上午為正，下午為負(fù)。 例如，上午10點相對于《 = 2><15° = 30°。太陽高度角和太陽方位角可分別由 下式表示<formula>formula see original document page 7</formula>式中/表示觀測點地理緯度，^表示太陽赤緯，w表示太陽時角。安裝在太陽能板上的3D電子羅盤利用地磁傳感器和重力傳感器可以檢測到太陽能 電池板三維姿態(tài)的變化并將其轉(zhuǎn)變成對應(yīng)的數(shù)字信號，通過通信接口電路 U6的串行口輸入到微處理器U3，微處理器U3在程序的控制下(程序存在 FLASH內(nèi))計算出太陽能電池板的朝向與正對太陽方向的差值傳送給微處 理器控制電路;微處理器U3處理分析后發(fā)出控制信號控制電機及相應(yīng)的傳 動機構(gòu)將太陽能電池板調(diào)整至正對太陽的位置。由于GPS接收機在完成初 始化后，在保持鎖定的狀態(tài)下可以最快每秒傳送一次位置修正信息，這對 于跟蹤太陽來說是足夠精確的，即使出現(xiàn)失鎖，重新初始化的時間間隔大 約10分鐘，IO分鐘的重新初始化時間對于太陽來說僅偏移了 2.5° ，并不 影響跟蹤效果。3D電子羅盤提供了可靠的分辨率、動態(tài)響應(yīng)時間和精確度， 因此在該實施例中的太陽電池電池板采用這種跟蹤系統(tǒng)可以使太陽電池安 裝板保持跟蹤太陽，無論太陽能電池板在地球上的位置是固定的，還是安 裝在運行中的車體及遠(yuǎn)洋船上，都能保持太陽能電池板實時跟蹤太陽。實 施例一中姿態(tài)傳感器采用了 3D電子羅盤，對于性能較高的電子羅盤提供的 數(shù)據(jù)是可靠的跟蹤效果很好，對于性能尚不夠高的電子羅盤，還可以在太 陽能電池板上再安裝一個傾角傳感器，由電子羅盤和傾角傳感器向微處理 器控制電路輸送太陽能電池板的姿態(tài)信號，這樣可以保證提供的姿態(tài)信號 準(zhǔn)確、跟蹤效果好。圖4是本發(fā)明所提供太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)實施例二結(jié)構(gòu) 示意圖，這是屋頂太陽能電站中一個發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)示意圖。該發(fā)電單元 中由安裝架1和裝于其上的6塊太陽電池板6、冷水管3、熱水管4、連接 冷水管、熱水管的分水管5構(gòu)成，熱水管的水進(jìn)入貯水箱(圖中省略)，由 忙水箱、冷水管3、熱水管4、連接冷水管與熱水管的分水管5及在每個分 水管的上與其為一體的吸熱板(太陽電池組由導(dǎo)熱絕緣樹脂膠粘貼在與分 水管為一體的吸熱板上成為太陽電池板，圖中只能看到太陽電池板6)構(gòu)成 了光熱利用裝置，該裝置在將太陽光能轉(zhuǎn)變成電能的同時，不斷地移出太 陽電池因受光照所產(chǎn)生的熱量，將這些熱量加以利用供應(yīng)生活用熱水。在 安裝架上裝有GPS接收機GPS、在太陽電池板上安裝傾角傳感器SEN1， 該實施例的機械傳動機構(gòu)由在安裝架的背面、與安裝架水平方向平行的連 動桿9與6個分動桿10組成，分動桿10的一端固定在太陽電池板6背面 的分水管5上，其另一端與連動桿活動連接，由跟蹤控制電路和電機控制 連動桿9、分動桿IO帶動太陽電池板東西方向跟蹤太陽，太陽電池板的俯仰角可以手動調(diào)節(jié)安裝架1的俯仰角度。圖5為跟蹤控制電路的工作原理 框圖，在這個實施例中跟蹤控制電路由GPS接收機、傾角傳感器SEN1和 單片機電路構(gòu)成。圖6所示為該跟蹤控制電路的電原理圖。該跟蹤控制電 路由GPS接收機GPS、傾角傳感器SEN1、單片機電路由單片機U1、存儲 器U2、 U4(FLASH、 SDRAM)及通訊接口電路U4組成，GPS接收機GPS、 傾角傳感器SEN1通過通訊接口電路U4接單片機Ul、單片機Ul的輸出通 過開關(guān)管Q1、 Q2，繼電器J1、 J2接方位角驅(qū)動電機M1。由GPS接收機 負(fù)責(zé)接收全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文和時間信息,經(jīng)計算求出接收機 的位置，并向單片機電路輸出時間信息和GPS接收機精密位置信息；單片機 電路在程序的控制下計算各時刻太陽在地平坐標(biāo)系中的位置，即太陽高度 角和太陽方位角，傾角傳感器將太陽電池板的朝向傳送給單片機電路，單 片機電路在程序的控制下計算出太陽電池板的朝向與正對太陽方向的差 值，并據(jù)此發(fā)出控制信號，通過控制開關(guān)管Ql或Q2的導(dǎo)通、截止，控制 繼電器J1或J2的通、斷，從而控制方位角驅(qū)動電機M1的正向、反向運轉(zhuǎn)， 帶動連動桿9與分動桿10、太陽電池板6東西向跟蹤太陽。
權(quán)利要求
1、一種太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)，由驅(qū)動太陽能聚能器跟蹤太陽的電機、機械傳動機構(gòu)和控制機械傳動機構(gòu)工作的跟蹤控制電路組成，其特征是所述的跟蹤控制電路由GPS接收機、姿態(tài)傳感器及微處理器控制電路組成，GPS接收機、姿態(tài)傳感器安裝在太陽能聚能器上，GPS接收機與姿態(tài)傳感器的輸出信號送入微處理器控制電路，由微處理器控制電路分析處理后輸出控制信號給電機控制機械傳動機構(gòu)帶動太陽能聚能器正對太陽。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)，其特征是 所述的姿態(tài)傳感器是電子羅盤或傾角傳感器。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太陽能聚能器的自動跟蹤太陽系統(tǒng)。該系統(tǒng)由驅(qū)動太陽能聚能器跟蹤太陽的電機、機械傳動機構(gòu)和控制機械傳動機構(gòu)工作的跟蹤控制電路組成，特點由安裝在太陽能聚能器上的GPS接收機、姿態(tài)傳感器向微處理器輸出聚能器位置、朝向等信號，微處理器計算出聚能器朝向與太陽位置的差值后輸出控制信號給電機控制機械傳動機構(gòu)帶動太陽能聚能器正對太陽。利用GPS定位技術(shù)來實現(xiàn)實時準(zhǔn)確的太陽全向跟蹤，不受天氣和環(huán)境影響、適合地球上位置固定的聚能器或在運動車體及遠(yuǎn)洋船上的太陽聚能器跟蹤太陽。
文檔編號G05D3/20GK101403928SQ20081021480
公開日2009年4月8日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者吳冠昌, 吳錫波 申請人:吳錫波