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CN201149660Y - 一种碟形太阳能收集器跟踪装置 - Google Patents

一种碟形太阳能收集器跟踪装置 Download PDF

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CN201149660Y CNU2008200974884U CN200820097488U CN201149660Y CN 201149660 Y CN201149660 Y CN 201149660Y CN U2008200974884 U CNU2008200974884 U CN U2008200974884U CN 200820097488 U CN200820097488 U CN 200820097488U CN 201149660 Y CN201149660 Y CN 201149660Y
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刘京诚
任松林
李敏
刘俊
陈小强
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Abstract

本实用新型涉及一种碟形太阳能收集器跟踪装置，包括光电传感器、太阳能电池板、聚光器、控制器和驱动单元。驱动单元包括方位角驱动机构和高度角驱动机构。光电传感器由一个暗筒和9片光电池组成，在暗筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4片光电池，用来粗略检测太阳由东往西运动的方位角和太阳的高度角；在暗筒内部东、南、西、北四个方向上也分别布置4片光电池，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的高度角；暗筒中心布置一光电池用于探测光强。本装置采用大范围跟踪太阳的传感器，使跟踪精度大为改善，采用单片机为控制核心，可以在不同的跟踪模式下自动切换，实现全自动跟踪太阳，驱动单元结构简单，径向尺寸比较紧凑，承载能力大，调整方便。

Description

一种碟形太阳能收集器跟踪装置
技术领域：
本实用新型涉及一种太阳能利用装置，尤其涉及一种精确跟踪太阳的装置。
背景技术
太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了很高的要求。尽管现有技术相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳灶等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能利用设备，如果它的集能装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳每时每刻都是在运动着，集能装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要精确地跟踪太阳，使接收器的接收率大大提高，进而提高太阳能装置的太阳能利用率。
中国专利02222766.0提出的微功耗定时太阳跟踪装置，是利用地球以每小时自转15度的规律。微电脑每10分钟驱动步进电机对太阳能装置进行一次角度调整，每次驱动调整耗时1秒。其余时间微电脑处于休眠状态。在每日9时到18时之间对太阳能装置进行54次角度调整从而提高太阳能装置的太阳能转换效率。其特点是电路简单，但由于不同季节日出日落时间不同，再加之时钟积累误差不断增加会降低该系统的精度，而且不能完全实现双轴跟踪，太阳能利用率低下。
中国专利02293527.4提出了一种碟式聚光太阳跟踪装置，其由蝶形聚光器，聚光器支架和驱动控制单元组成。蝶形聚光器由反光镜组，反光镜支撑架及其转轴组成，反光镜支架通过轴承等可转动机构与聚光器支架相联接。聚光器支架采用桁架结构，分为三层，每层的节点采用钢球结构。该太阳跟踪装置的缺点是机械结构较为复杂，安装、拆卸不方便。
中国专利200610028311.4提出了太阳光采集系统所用的太阳跟踪定位器，其太阳跟踪方法是：光敏电阻阵列把太阳位置变化转化为电流变化，并输给控制电路，从而控制电机转动，使太阳光采集系统正对太阳。但该跟踪方法未考虑遇到乌云遮住太阳的情况，没有昼夜判断功能，故跟踪器可能产生错误的动作，从而使跟踪效果不理想。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术存在的不足，设计出一种碟形太阳能收集器跟踪装置，采用大范围跟踪太阳的传感器，使跟踪精度大为改善；而且采用单片机为控制核心，可以在不同的跟踪模式下自动切换，实现全自动跟踪太阳；采用的驱动单元结构简单、径向尺寸比较紧凑、承载能力大、调整测量方便；另外配备太阳能电池板，在远离市电的情况能为跟踪装置提供电能，适用范围广。
本实用新型的技术方案如下：
一种碟形太阳能收集器跟踪装置，包括光电传感器、聚光器、控制器和驱动单元。光电传感器和太阳能电池板设置在聚光器上，聚光器安装在驱动单元上，光电传感器的信号线接入控制器，控制器的控制线连接驱动单元。驱动单元包括方位角驱动机构和高度角驱动机构。本实用新型设计了一种结构独特的光电传感器，它由一个暗筒和9片光电池组成，在暗筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4片光电池，其中东西对称安装的光电池E、G用来粗略检测太阳由东往西运动的方位角；南北对称安装的光电池H、F用来粗略检测太阳的视高度即高度角；在暗筒内部东、南、西、北四个方向上也分别布置4片光电池，东西对称安装的光电池A、C用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度，南北对称安装的光电池B、D用来精确检测太阳的视高度；暗筒中心布置一光电池O用于探测光强。光电池A、G并联，输出电压记为UA；光电池E、C并联，输出电压记为UC；光电池F、D并联，输出电压记为UD；光电池H、B并联，输出电压为UB，输出电压UA、UC接入控制器的直差信号提取电路，经放大、减法、加法、除法运算后输出电压Ux，输出电压UB、UD接入控制器的直差信号提取电路，经放大、减法、加法、除法运算后输出电压Uy，Ux，Uy分别表示太阳光线在东西方向和南北方向偏离探测器中心的情况，偏差信号Ux控制驱动单元的方位角电机，在东西方向上跟踪太阳。偏差信号Uy控制驱动单元的高度角电机使聚光器做俯仰运动，调整聚光器的倾角，使聚光器在南北方向跟踪太阳，直到Ux＝0和Uy＝0.即测量跟踪装置的主光轴与太阳光线平行。
所述控制器以单片机做核心部件，还包含有时钟芯片、信号调理电路和电机驱动电路。
所述驱动单元的方位角驱动机构包括方位角电机、方位角蜗杆、方位角蜗轮、方位角转轴和位角跟踪平台，其中角电机、方位角蜗杆、方位角蜗轮和方位角转轴置于箱体内，方位角转轴上下各用一个圆锥滚子轴承，方位角跟踪平台被支撑在方位角转轴上。方位角电机输出轴通过连轴器与方位角蜗杆连接，方位角蜗杆与方位角涡轮啮合传动，方位角涡轮紧固于方位角转轴上。
所述高度驱动机构包括高度角电机、高度角蜗杆、高度角蜗轮、丝杠、丝杠铰链、铰链和撑板组成，支撑板通过铰链安装在方位角跟踪平台上，高度角电机输出轴连接高度角蜗杆，高度角蜗杆与高度角蜗轮啮合传动，高度角蜗轮内部有丝母，通过丝母高度角蜗轮与丝杠啮合，丝杠与支撑板通过丝杠铰链、轴承与方位角跟踪平台紧配合，从而为高度角蜗轮提供支撑。高度角电机转动时，通过高度角蜗杆、蜗轮把力矩传给丝杠，丝杠将推动支撑板做俯仰运动调整聚光器的倾角，使聚光器在南北方向跟踪太阳。
支撑板通过铰链支撑在方位角跟踪平台上，支撑板之上固定聚光器。
在所述方位角跟踪平台右半部分与水平面有一个夹角，致使丝杠相对水平面倾斜。
在方位角跟踪平台上安装有弹簧平衡器，它由垫圈、压缩弹簧、拉杆、延伸杆和外筒组成。拉杆上部与支撑板不需要直接固定，而与支撑板的延伸杆下端通过铰链连接，延伸杆上端用齿形花键与支撑板部分固定在一起，拉杆和垫圈固定连接，压缩弹簧置于垫圈和外筒上部之间，外筒与方位角跟踪平台转动连接于P点，实现聚光器俯仰转动的平衡。
在聚光器上还设置有太阳能电池板，为装置供电。
与现有技术相比，本太阳跟踪装置主要有以下几个有点：
1、本跟踪装置中，采用暗筒外围的四个光电池(E，F，G，H)进行粗定位跟踪，即当筒内光电池(A，B，C，D，O)无法捕捉到太阳光时，外围的四个光电池也会因为太阳光线与暗筒光轴不平行而产生电压差，控制器根据产生的电压差异驱动电机转动，直到太阳聚焦光斑落到内部光电池上，内部光电池再进行精定位跟踪，直到太阳光线与聚光器光轴平行，此时外围光电池和筒内光电池产生的压差均为零，驱动装置无动作。传感器的暗筒对干扰光源进行了有效屏蔽，而暗筒外的光电池在聚光器的主光轴与太阳光线偏离很远时能够发挥功能，解决了乌云、阴雨天气、日夜交替等对跟踪效果的影响。
2、采用单片机做为控制核心，价格便宜，功能强大，且可实现传感器跟踪和定时跟踪方式的自动切换，跟踪效率较高。
3、机械执行部分采用方位-俯仰模式，高度角变化范围大，容易实现，结构紧凑；蜗杆，蜗轮传动比大，能自锁性，防风，使跟踪平台不会被风吹动甚至翻转；设计的弹簧平衡器实现了俯仰转动部分的平衡。
本实用新型结构简单，成本低廉，运行可靠，安装拆卸方便，易于推广。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2A是其中光电传感器的剖面图；
图2B是光电传感器的俯视图；
图3是控制器的结构框图；
图4是直差电压信号提取电路的原理图；
图5是跟踪控制算法流程框图。
具体实施方式
参见图1，本跟踪装置主要由光电传感器1、太阳能电池板5、聚光器6、控制器和驱动单元几部分组成。光电传感器1和太阳能电池板5设置在聚光器6上，聚光器6安装在驱动单元上，光电传感器1的信号线接入控制器，控制器的控制线连接驱动单元；驱动单元包括方位角驱动机构和高度角驱动机构，太阳能电池板5向控制器和驱动单元的电机供电。
光电传感器1主要是由一个暗筒和9片性能参数一致的光电池组成，其具体结构见图2A和图2B：暗筒31对外界环境的散射光线及其他干扰光线进行屏蔽，使得外界干扰光线对跟踪效果的影响降到较低。在暗筒31外部东、南、西、北四个方向上分别布置4片光电池；其中一对光电池(E、G)东西对称安装在暗筒31外侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的方位角；另一对光电池(H、F)南北对称安装在暗筒外侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角；在暗筒31内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4片光电池；其中一对光电池(A、C)东西对称安装在暗筒31的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度；另一对光电池(B、D)南北对称安装在暗筒31的内侧，用来精确检测太阳的视高度，设置在中心的光电池O用于探测光强，为跟踪方式切换提供依据。光电传感器1设置在聚光器6上，随聚光器6一起转动。
光电传感器的工作原理：以东西方向(即方位角)为例，假设太阳的高度角是不变的，即假设暗筒在高度方向始终对准太阳。当早上太阳从东方升起的时候，光电池G接受到的光强(阳面)大于E接受到的光强(阴面)，因此输出一个差动信号给控制器，经过处理后驱动电机使跟踪平台向东转动。当转动到一定的精度范围内，太阳偏离不太远时，与G并联的A开始起主导作用，使暗筒精确对准太阳。当太阳向西偏移时，E和C分别起作用使平台向西跟踪太阳，当遇到云层遮住太阳或者下雨等其它原因导致太阳偏离较远时，E起主导作用进行较大范围的搜索跟踪，到一定精度后C慢慢起主导作用进行精确跟踪。高度角的跟踪基本原理及工作方式与之类似。
光电池A、G并联，输出电压记为UA；光电池E、C并联，输出电压记为UC；光电池F、D并联输出电压记为UD；光电池H、B并联，输出电压为UB。输出电压UA，UB，UC，UD和中心光电池O的输出电压UO分别输入到控制器的直差信号提取电路，直差信号提取电路主要由放大，加法，减法，除法运算电路组成，运算放大器采用LM324，参见图4。输出电压UA，UC经放大，减法，加法，除法运算后输出电压Ux。输出电压UB，UD经放大，减法，加法，除法运算后输出电压Uy，Ux，Uy分别表示太阳光线在东西方向，南北方向偏离探测器中心的情况，偏差信号Ux控制方位角电机，在东西方向上跟踪太阳。偏差信号Uy控制高度角电机，使聚光器做俯仰运动，调整聚光器的倾角，使聚光器在南北方向跟踪太阳，直到Ux＝0，Uy＝0此时跟踪装置的主光轴4与太阳光线平行。
根据中心光电池O的输出电压UO大小来判断天气阴晴变化，在晴天的时候用传感器跟踪，当判断是阴天的时候采用定时跟踪，这样跟踪的效率，准确性将大幅度提高。
参见图3，控制器主要由单片机32、信号调理电路34、时钟芯片35、电机驱动电路37a、37b、电源电路33、指示灯36、JTAG接口38等组成。控制器选用低损耗、高性能单片机C8051F020做核心部件，其内部含有12位ADC、64K字节FLASH存储器。时钟芯片35采用DS1302，信号调理电路34包括直差信号提取电路、滤波电路，电机驱动电路37a、37b采用步进电机驱动芯片TA8435H。当控制信号Ux，Uy输入到控制器经过A/D转化后，控制器将发出指令控制高度角电机11和方位角电机24向偏差信号减小方向转动，最终实现Ux＝0，Uy＝0.为了避免步进电机频繁转动，影响实际测量，给定一个很小的容许偏差预值，当光电传感器1输出的差值在预值的范围内，单片机32将不驱动步进电机转动。
单片机32读取时钟芯片35信息，当到夜晚(18:00)的时候使跟踪装置复位，为跟踪装置提供基点且避免了电缆缠绕。软件流程如图5所示。
本跟踪装置的驱动单元采用了方位角-高度角的跟踪模式，方位角驱动机构由方位角电机24、方位角蜗杆22、方位角蜗轮26、方位角转轴20、方位角跟踪平台19组成。方位角电机24、方位角蜗杆22、方位角蜗轮26和方位角转轴20置于箱体21内，方位角转轴20上下各用一个圆锥滚子轴承29(a)和29(b)，方位角跟踪平台19被支撑在方位角转轴20上。方位角电机24的输出轴23通过联轴器30带动方位角蜗杆22，方位角蜗轮26驱动方位角转轴20，方位角转轴20在轴承的支撑下转动，紧固在方位角转轴20上的跟踪平台19也随方位角转轴20一起转动，实现太阳方位角的跟踪，方位角的转动范围可达±180度。
高度角驱动机构是由高度角电机11、高度角蜗杆12、蜗轮10、支撑板8和丝杠14等组成。支撑板8通过铰链7安装在方位角跟踪平台19上，高度角电机11的输出轴连接高度角蜗杆12，高度角蜗杆12与高度角蜗轮10啮合传动，高度角蜗轮10内部有丝母，通过丝母高度角蜗轮10与丝杠14啮合，丝杠14与支撑板8通过丝杠铰链9连接，轴承13与方位角跟踪平台19紧配合，从而为高度角蜗轮10提供支撑。当高度角电机11转动时，通过高度角蜗杆12、蜗轮10把力矩传给丝杠14，丝杠14将推动支撑板8做俯仰运动，调整聚光器6的倾角，使聚光器6在南北方向跟踪太阳。丝杠14倾斜与水平面夹角65度，这样使高度角的变化范围足够大，本跟踪装置的高度角变化范围是55度。
当南北方向有误差信号输出时，高度角电机11将驱动高度角蜗杆12、蜗轮10转动，此时丝杠14将做直线伸缩运动，推动与其通过丝杠铰链9相联结的支撑板8做俯仰运动，在高度角上跟踪太阳，直到南北方向上的误差信号变为零。
方位角转轴20上下各用一个圆锥滚子轴承29(a)、29(b)，分别支撑在箱体21和底座27上，装置的径向力、轴向力和倾覆力矩均由这两个轴承29(a)、29(b)承受，底座27上安装有滚轮28，便于装置的移动。
另外，在方位角跟踪平台19上还安装有弹簧平衡器，它由垫圈17、压缩弹簧16、拉杆18、延伸杆MN和外筒15组成。拉杆18上部与支撑板8不需要直接固定，而与支撑板的延伸杆MN下端通过铰链连接，延伸杆MN上端用齿形花键与支撑板部分固定在一起，拉杆18和垫圈17固定连接，压缩弹簧16置于垫圈17和外筒15上部之间，弹簧平衡器外筒15可以绕P点的轴摆动，整个弹簧平衡器相当于一个曲柄滑块机构。弹簧力通过拉杆18作用于装置的俯仰转动部分。弹簧平衡器的作用是平衡掉重力矩和风力矩，实现俯仰转动部分的平衡。
聚光器6通过聚光器支架2固定在支撑板8上，聚光器6为碟形，其上安装有太阳能吸收装置支架3。
太阳能电池板5把太阳能转化为电能，可以与蓄电池配合使用，从而为整个装置的工作提供电能。本装置在不需要市电的情况下可独立工作，适用范围广。

Claims (6)

1、一种碟形太阳能收集器跟踪装置，包括光电传感器(1)、聚光器(6)、控制器和驱动单元，光电传感器(1)和太阳能电池板(5)设置在聚光器(6)上，聚光器(6)安装在驱动单元上，光电传感器(1)的信号线接入控制器，控制器的控制线连接驱动单元；驱动单元包括方位角驱动机构和高度角驱动机构；其特征是：所述光电传感器(1)由一个暗筒(31)和9片光电池组成，在暗筒(31)外部东、南、西、北四个方向上分别布置4片光电池，其中东西对称安装的光电池(E、G)用来粗略检测太阳由东往西运动的方位角；南北对称安装的光电池(H、F)用来粗略检测太阳的高度角；在暗筒(31)内部东、南、西、北四个方向上也分别布置4片光电池，东西对称安装的光电池(A、C)用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度，南北对称安装的光电池(B、D)用来精确检测太阳的高度角；暗筒中心布置一光电池(O)用于探测光强；所述光电池(A、G)并联，输出电压记为(UA)；光电池(E、C)并联，输出电压记为(UC)；光电池(F、D)并联，输出电压记为(UD)；光电池(H、B)并联，输出电压为(UB)，输出电压(UA、UC)接入控制器的直差信号提取电路，经放大、减法、加法、除法运算后输出电压(Ux)，输出电压(UB、UD)接入控制器的直差信号提取电路，经放大、减法、加法、除法运算后输出电压(Uy)，(Ux，Uy)分别表示太阳光线在东西方向和南北方向偏离光电传感器中心的情况，偏差信号(Ux)控制驱动单元的方位角电机，使聚光器在东西方向上跟踪太阳，偏差信号(Uy)控制驱动单元的高度角电机，使聚光器在南北方向跟踪太阳，直到Ux＝0和Uy＝0，即跟踪装置的主光轴(4)与太阳光线平行。
2、根据权利要求1所述的碟形太阳能收集器跟踪装置，其特征是：所述控制器以单片机(32)做核心部件，还包含有时钟芯片(35)、信号调理电路(34)和电机驱动电路(37a)、37b)。
3、根据权利要求1或2所述的碟形太阳能收集器跟踪装置，其特征是：所述驱动单元的方位角驱动机构包括方位角电机(24)、方位角蜗杆(22)、方位角蜗轮(26)、方位角转轴(20)和方位角跟踪平台(19)，方位角电机(24)、方位角蜗杆(22)、方位角蜗轮(26)和方位角转轴(20)置于箱体(21)内，方位角转轴20上下各用一个圆锥滚子轴承(29(a)、29(b))，方位角跟踪平台(19)被支撑在方位角转轴(20)上。
4、根据权利要求1或2所述的碟形太阳能收集器跟踪装置，其特征是：所述驱动单元的高度角驱动机构包括有高度角电机(11)、高度角蜗杆(12)、高度角蜗轮(10)、丝杠(14)、丝杠铰链(9)、铰链(7)和支撑板(8)，支撑板(8)通过铰链(7)安装在方位角跟踪平台(19)上，高度角电机(11)输出轴连接高度角蜗杆(12)，高度角蜗杆(12)与高度角蜗轮(10)啮合传动，高度角蜗轮(10)内部有丝母，通过丝母高度角蜗轮(10)与丝杠(14)啮合，丝杠(14)与支撑板(8)通过丝杠铰链(9)连接、轴承(13)与方位角跟踪平台(19)紧配合，为高度角蜗轮(10)提供支撑，支撑板(8)之上固定聚光器(6)。
5、根据权利要求4所述的碟形太阳能收集器跟踪装置，其特征是：在所述方位角跟踪平台(19)右半部分与水平面有一个夹角，与其连接的丝杠(14)相对水平面倾斜。
6、根据权利要求3所述的碟形太阳能收集器跟踪装置，其特征是：在方位角跟踪平台(19)上安装有弹簧平衡器，它包括有垫圈(17)、压缩弹簧(16)、拉杆(18)、延伸杆(MN)和外筒(15)，拉杆(18)上部与延伸杆(MN)的下端N通过铰链连接，延伸杆(MN)的上端M用齿形花键与支撑板(8)部分固定在一起，拉杆(18)和垫圈(17)固定连接，压缩弹簧(16)置于垫圈(17)和外筒(15)上部之间，外筒(15)与方位角跟踪平台(19)转动连接于P点，实现聚光器(6)俯仰转动的平衡。
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