專(zhuān)利名稱(chēng)：太陽(yáng)光光纖照明裝置及太陽(yáng)跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)自動(dòng)化領(lǐng)域，特別涉及太陽(yáng)光光纖照明裝置及 太陽(yáng)跟蹤方法。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)光是取之不盡的綠色能源，將陽(yáng)光有效收集并利用光纖傳輸?shù)叫?要照明并且對(duì)安全要求嚴(yán)格的場(chǎng)所，例如彈藥庫(kù)、油庫(kù)、礦井等易燃易爆場(chǎng)所和不能直 接接收陽(yáng)光的建筑內(nèi)，進(jìn)行照明，其意義重大。此類(lèi)技術(shù)的核心思想是利用聚光透鏡或 者聚光反射鏡，將陽(yáng)光聚焦到光纖上，利用光纖將陽(yáng)光傳輸?shù)叫枰彰鞯膱?chǎng)所。這種照 明技術(shù)節(jié)能，且光電隔離，非常安全照明，其光譜也適合人類(lèi)健康需求。這種技術(shù)的關(guān) 鍵在于高精度、全自動(dòng)地跟蹤太陽(yáng)，確保太陽(yáng)光準(zhǔn)確聚焦在細(xì)小的光纖受光端面上。目 前的相關(guān)專(zhuān)利提出的太陽(yáng)跟蹤方法分為兩大類(lèi)一類(lèi)是根據(jù)地球繞日運(yùn)行規(guī)律控制釆光 照明裝置；另一類(lèi)是利用光敏傳感器跟蹤太陽(yáng)。太陽(yáng)跟蹤技術(shù)是本發(fā)明申請(qǐng)人長(zhǎng)期研究
的課題，此前已經(jīng)有一項(xiàng)"基于跟蹤姿態(tài)反饋的太陽(yáng)跟蹤裝置及跟蹤方法"發(fā)明專(zhuān)利授
權(quán)(專(zhuān)利號(hào)ZL200510094900.8 )，即屬于前者。申請(qǐng)人在研究中發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)釆用上述 兩類(lèi)方法中的一種，無(wú)法高精度全自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)，無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)光纖傳輸陽(yáng)光進(jìn)行照明 之目的。
利用光敏傳感器跟蹤太陽(yáng)，不受當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度限制，如專(zhuān)利"太陽(yáng)光光纖照明裝置" (申請(qǐng)?zhí)?1113529.8 )采用四象限光伏探測(cè)器跟蹤太陽(yáng)，但也存在缺點(diǎn)，在陽(yáng)光焦斑 偏離中心時(shí)，四象限光伏探測(cè)器僅能提供偏差的大致方向信息，而無(wú)法獲得偏差的具體 數(shù)值和準(zhǔn)確方向，作為閉環(huán)控制的反饋信號(hào)不夠理想，且受環(huán)境溫度干擾，并且在曰出 時(shí)刻，如果四象限光伏探測(cè)器軸線與陽(yáng)光偏差太大，陽(yáng)光聚焦不理想或者焦斑沒(méi)有投射 在光伏探測(cè)器上，則裝置無(wú)法探測(cè)到太陽(yáng)方位，失去控制，自動(dòng)化水平低，可靠性不夠 高
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)光光纖照明裝置的缺陷，提出一種新型 的具備雙重太陽(yáng)跟蹤方法的太陽(yáng)跟蹤裝置即太陽(yáng)光光纖照明裝置及太陽(yáng)跟蹤方法，以提 高太陽(yáng)光光纖照明裝置的太陽(yáng)跟蹤精度,提高自動(dòng)化水平，滿(mǎn)足民用太陽(yáng)能領(lǐng)域的需求。
本發(fā)明的原理是單片機(jī)讀取GPS電路信號(hào)，獲得當(dāng)?shù)亟?jīng)度、緯度和日期時(shí)刻，據(jù) 此計(jì)算當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)位置，對(duì)比角度傳感器信號(hào)，計(jì)算出裝置姿態(tài)與太陽(yáng)方位之間的偏差，利用偏差信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制裝置指向太陽(yáng)，完成初步跟蹤；再利用太陽(yáng)定位傳感器實(shí) 現(xiàn)進(jìn)一步高精度跟蹤控制，太陽(yáng)光聚焦后的焦斑如果偏離光敏器件陣列中心，則信號(hào)處 理電路計(jì)算出偏差，單片機(jī)根據(jù)偏差驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，直至太陽(yáng)光聚焦光斑位于 光敏器件陣列中心，集光器的軸線與太陽(yáng)定位傳感器軸線平行，此時(shí)集光器中陽(yáng)光聚焦 后準(zhǔn)確照射在光纖受光端面上，光纖將陽(yáng)光傳輸?shù)叫枰膱?chǎng)所實(shí)現(xiàn)照明。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種太陽(yáng)光光纖照明裝置，包括集光器陣列、與控制器電連接的太陽(yáng)定位傳感器、 角度傳感器，特別是
集光器陣列包括多個(gè)單元，其中每個(gè)單元包括采光聚光透鏡、光纖、夾持頭和鏡簡(jiǎn)， 采光聚光透鏡經(jīng)鏡簡(jiǎn)固定在俯仰板上，光纖經(jīng)夾持頭貫穿俯仰板并固定在俯仰板上，光 纖受光端置于采光聚光透鏡焦點(diǎn)處,集光器陣列的鏡簡(jiǎn)軸線與太陽(yáng)定位傳感器的遮光筒 軸線平行；
太陽(yáng)定位傳感器包括定位聚光透鏡和光敏器件陣列，光敏器件陣列置于定位聚光透 鏡焦平面附近，聚光透鏡通過(guò)遮光簡(jiǎn)相對(duì)固定在光敏器件陣列上，遮光簡(jiǎn)固定在俯仰板 上，俯仰板固定在左橫軸和右橫軸上，左橫軸通過(guò)左軸承與u型支架相連接，右橫軸通 過(guò)右軸承與u型支架相連接；
角度傳感器為橫軸角度傳感器和縱軸角度傳感器,橫軸角度傳感器的輸入軸與右橫 軸相連接且固定在u型支架的一側(cè)，用于測(cè)量俯仰板的俯仰角，所述u型支架的另一側(cè) 固定有橫軸電機(jī)，橫軸電機(jī)的輸出軸經(jīng)橫軸大齒輪與橫軸小齒輪嚙合，橫軸小齒輪帶動(dòng) 俯仰板轉(zhuǎn)動(dòng)；
縱軸角度傳感器和縱軸電機(jī)固定在底座上，底座包括上蓋板、下蓋板、縱軸、固定 柱，縱軸置于底座的中間，底座四周置有多個(gè)固定柱，固定柱上下兩端分別固定在上蓋 板和下蓋板上，縱軸的頂部穿過(guò)上蓋板經(jīng)上向心軸承和上軸承蓋與上蓋板連接，縱軸的 頂部末端與u型支架固定連接，縱軸的上端置有縱軸小齒輪，縱軸下端依次同軸串聯(lián)下 向心軸承和推力軸承，下軸承蓋將下向心軸承和推力軸承連接在固定環(huán)上，固定環(huán)固定 在下蓋板上，縱軸下部末端與縱軸角度傳感器的輸入軸連接，用于測(cè)量u型支架的方位 角，縱軸電機(jī)輸出軸經(jīng)縱軸大齒輪嚙合縱軸上的縱軸小齒輪，縱軸小齒輪帶動(dòng)縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)；
控制器為單片機(jī)的通訊端口分別與橫軸角度傳感器、縱軸角度傳感器、GPS電路、
信號(hào)處理電路通訊端口電連接，單片機(jī)的輸出端口分別與橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、縱軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制端口電連接，信號(hào)處理電路用于接受太陽(yáng)定位傳感器輸入的模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)換 為數(shù)字信號(hào)后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)通訊端口，橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和縱軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于接受單片 機(jī)的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)。
光敏器件陣列采用下述一種①光敏二極管陣列；②光敏電阻；③光伏電池陣列； ④熱敏二極管陣列；⑤熱敏電阻陣列； 熱電偶陣列。
橫軸角度傳感器和縱軸角度傳感器釆用下述一種①巨磁阻式角度傳感器；②電容 式角度傳感器；③碼盤(pán)式角度傳感器；④電位器式角度傳感器。 單片機(jī)釆用C8051F020單片機(jī)。
本發(fā)明太陽(yáng)光光纖照明裝置的太陽(yáng)跟蹤方法，包括利用GPS信號(hào)計(jì)算太陽(yáng)方位，結(jié) 合角度傳感器信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)裝置的閉環(huán)跟蹤控制，并利用太陽(yáng)定位傳感器進(jìn)一步 精確定位太陽(yáng)位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度太陽(yáng)跟蹤，特別是
設(shè)置單片機(jī)啟動(dòng)后，讀取GPS信號(hào)；
根據(jù)GPS信號(hào)，計(jì)算太陽(yáng)真實(shí)位置；
讀取角度傳感器數(shù)值，得到裝置實(shí)際姿態(tài)；
如果裝置實(shí)際姿態(tài)與根據(jù)GPS信號(hào)計(jì)算出的太陽(yáng)位置偏差較大，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行閉 環(huán)控制，降低偏差；
當(dāng)角度偏差小于一定數(shù)值后，裝置再利用太陽(yáng)定位傳感器精確定位太陽(yáng)位置，根據(jù) 陽(yáng)光焦斑位置與光敏器件陣列中心位置的偏差，精確判斷太陽(yáng)跟蹤偏差，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)使 得陽(yáng)光聚焦光斑落在太陽(yáng)定位傳感器的光敏器件陣列中心位置，此時(shí)對(duì)于集光器陣列， 陽(yáng)光經(jīng)采光聚光透鏡聚焦后光斑落在光纖受光端面上，光纖將陽(yáng)光傳輸?shù)叫枰膱?chǎng)合進(jìn) 行照明；
單片機(jī)執(zhí)行時(shí)間中斷功能，設(shè)定中斷時(shí)間周期，每次中斷開(kāi)始后重新讀取GPS信號(hào)， 計(jì)算太陽(yáng)位置，并結(jié)合角度傳感器信號(hào)計(jì)算跟蹤偏差，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行跟蹤姿態(tài)調(diào)整，減 小跟蹤偏差，在此基礎(chǔ)上再利用太陽(yáng)定位精確定位太陽(yáng)位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度太陽(yáng)跟蹤。
本發(fā)明的有益效果是
1.本發(fā)明裝置包括控制器、太陽(yáng)定位傳感器和角度傳感器，控制器包括GPS電路 和單片機(jī)，太陽(yáng)定位傳感器釆用了光敏器件陣列來(lái)測(cè)量陽(yáng)光聚焦光斑詳細(xì)位置，根據(jù)聚焦光斑位置與光敏器件陣列中心位置的偏差，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的高精度定位，獲得太陽(yáng)光精確 的方向偏差和角度偏差。而現(xiàn)有發(fā)明技術(shù)中單純采用四象限光伏探測(cè)器跟蹤太陽(yáng)，僅能 夠獲得太陽(yáng)偏差的大致方向信息，無(wú)法獲得精確的方向偏差信息，也無(wú)法獲得角度偏差 數(shù)值。另外，本發(fā)明裝置可以通過(guò)加大光敏器件陣列的密度來(lái)提高太陽(yáng)定位精度，以滿(mǎn) 足更苛刻的應(yīng)用要求。
2. 本發(fā)明裝置中，集光器陣列固定在俯仰板上，俯仰板與橫軸角度傳感器連接， 俯仰板通過(guò)左右橫軸、U型支架與縱軸上固定連接，縱軸下端串聯(lián)向心軸承和推力軸承, 縱軸末端連接縱軸角度傳感器，控制器包括GPS電路和單片機(jī),相對(duì)現(xiàn)有發(fā)明技術(shù)而言， 本發(fā)明裝置很容易通過(guò)調(diào)節(jié)俯仰板的重心位置，使得縱軸和橫軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大幅度降 低，從而節(jié)省驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，降低能耗。
3. 本發(fā)明的太陽(yáng)跟蹤方法首先利用單片機(jī)根據(jù)GPS信號(hào)計(jì)算太陽(yáng)方位，參考角度 傳感器反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤，再利用太陽(yáng)定位傳感器精確定位太陽(yáng)位置，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步 的精細(xì)跟蹤調(diào)節(jié)。相對(duì)現(xiàn)有發(fā)明技術(shù)中單純釆用四象限光伏探測(cè)器跟蹤太陽(yáng)，在太陽(yáng)偏 差較大情況下，四象限光伏探測(cè)器得不到陽(yáng)光照射，失去太陽(yáng)定位能力，致使裝置跟蹤 失控。本發(fā)明方法能夠在太陽(yáng)偏離角度過(guò)大時(shí)候,利用GPS信號(hào)根據(jù)軌道算法定位太陽(yáng)， 避免裝置失控，控制裝置跟蹤太陽(yáng)，減小偏差，偏差小于特定數(shù)值時(shí)，再利用太陽(yáng)定位 傳感器來(lái)精細(xì)跟蹤太陽(yáng)，這樣可保證跟蹤的全自動(dòng)化，不會(huì)失控，并利用軌道算法實(shí)現(xiàn) 晝夜判斷。


圖l為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明裝置的縱軸下端結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明裝置中集光器陣列單元結(jié)構(gòu)示意圖4為本發(fā)明裝置中太陽(yáng)定位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明裝置中控制器電路框圖6為本發(fā)明裝置的太陽(yáng)跟蹤方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
如圖l所示本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，l是集光器陣列，2是太陽(yáng)定位傳感器，3 是俯仰板，4是左橫軸，5是左軸承，6是橫軸小齒輪，7是橫軸大齒輪，8是橫軸電機(jī),
89是U型支架，IO是上軸承蓋，ll是上蓋板，12是固定柱，13是縱軸小齒輪，14是縱 軸，15是下軸承蓋，16是固定環(huán)，17是下蓋板，18是控制器，19是縱軸角度傳感器， "是推力軸承，21是下向心軸承，22是縱軸電機(jī)，23是縱軸大齒輪，24是上向心軸 承，"是光纖，"是夾持頭，27是橫軸角度傳感器，28是右軸承，29是右橫軸。
該裝置中集光器陣列1和太陽(yáng)定位傳感器2固定在俯仰板3上,俯仰板3通過(guò)左橫 軸4經(jīng)橫軸小齒輪6與橫軸大齒輪7嚙合,橫軸大齒輪7與橫軸電機(jī)8的輸出軸相連接， 橫軸電機(jī)8固定在U型支架9上,俯仰板3的俯仰角調(diào)節(jié)依靠橫軸電機(jī)8通過(guò)橫軸大齒 輪7嚙合橫軸小齒輪6帶動(dòng)左橫軸4轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；俯仰板3另 一端經(jīng)右橫軸29與橫軸角 度傳感器27的輸入軸相連，橫軸角度傳感器27固定在U型支架9上。U型支架9和縱 軸14連接，縱軸14經(jīng)縱軸小齒輪13嚙合縱軸大齒輪23，縱軸大齒輪23與縱軸電機(jī) 22輸出軸連接，縱軸電機(jī)22固定在下蓋板17上，下蓋板17經(jīng)固定柱12與上蓋板11 固定連接。俯仰板3的方位角調(diào)節(jié)依靠縱軸電機(jī)22通過(guò)縱軸大齒輪23嚙合縱軸小齒輪 13帶動(dòng)與縱軸14固定的U型支架9實(shí)現(xiàn)。
橫軸角度傳感器27和縱軸角度傳感器19釆用下述一種①巨磁阻式角度傳感器； ②電容式角度傳感器；③碼盤(pán)式角度傳感器；④電位器式角度傳感器。橫軸角度傳感器 27用于測(cè)量俯仰板3相對(duì)U型支架9的俯仰角，縱軸角度傳感器19用于測(cè)量縱軸14 相對(duì)下蓋板17的方位角。
上向心軸承24和下向心軸承21承受縱軸14的徑向載荷，推力軸承20承受縱軸 14的軸向載荷。
如圖2所示本發(fā)明裝置的縱軸下端結(jié)構(gòu)示意圖，14是縱軸，15是下軸承蓋，21 是下向心軸承，20是推力軸承，16是固定環(huán)，19是縱軸角度傳感器。
縱軸角度傳感器19輸入軸與縱軸14同軸線方式固定，縱軸角度傳感器19固定端 連接在固定環(huán)16上，縱軸14相對(duì)固定環(huán)16的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以通過(guò)縱軸角度傳感器19 測(cè)量獲得。
如圖3所示本發(fā)明裝置中集光器陣列單元結(jié)構(gòu)示意圖，3是俯仰板，25是光纖， 26是夾持頭，30是釆光聚光透鏡，31是鏡簡(jiǎn)。
采光聚光透鏡30固定在鏡簡(jiǎn)31上，鏡簡(jiǎn)31固定在俯仰板3上，光纖25通過(guò)夾持 頭26固定在俯仰板3上，光纖25受光端面位于釆光聚光透鏡30焦點(diǎn)附近。太陽(yáng)光通過(guò)采光聚光透鏡30聚焦在光纖25受光端面，經(jīng)由光纖25傳輸?shù)叫枰膱?chǎng)所照明。
如圖4所示本發(fā)明裝置中太陽(yáng)定位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，32是定位聚光透鏡，33 是遮光簡(jiǎn)，34是光敏器件陣列。
定位聚光透鏡32將陽(yáng)光聚焦在光敏器件陣列34上，太陽(yáng)的精確定位依靠光敏器件 陣列34對(duì)陽(yáng)光聚焦光斑的位置感應(yīng)來(lái)確定。當(dāng)太陽(yáng)沒(méi)有正對(duì)太陽(yáng)定位傳感器2,則陽(yáng) 光聚焦光斑將偏離光敏器件陣列34的中心，根據(jù)光敏器件陣列34的感應(yīng)輸出即可獲知 太陽(yáng)光線偏離角度大小和方向。
光敏器件陣列34采用下述一種①光敏二極管陣列；②光敏電阻；③光伏電池陣 列；④熱敏二極管陣列；⑤熱敏電阻陣列； 熱電偶陣列。
如圖5所示本發(fā)明裝置控制器電路框圖，2是太陽(yáng)定位傳感器，8是橫軸電機(jī)， 18是控制器，22是縱軸電機(jī)，27是橫軸角度傳感器，19是縱軸角度傳感器，101是單 片機(jī)C8051F020, 102是GPS電路，103是信號(hào)處理電路，104是橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，105 是縱軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
單片機(jī)101通訊端口分別電連接橫軸角度傳感器27和縱軸角度傳感器19的數(shù)據(jù)輸 出端口，單片機(jī)IOI可讀取橫軸角度傳感器27和縱軸角度傳感器19的信號(hào)。單片機(jī) 101通訊端口與GPS電路102通訊端口電連接，單片機(jī)101可以讀寫(xiě)GPS電路102。太 陽(yáng)定位傳感器2電連接信號(hào)處理電路103,信號(hào)處理電路103數(shù)據(jù)輸出端口電連接單片 機(jī)IOI的通訊端口，信號(hào)處理電路103通過(guò)處理太陽(yáng)定位傳感器2的信號(hào)，獲得太陽(yáng)焦 斑位置并發(fā)送給單片機(jī)IOI。單片機(jī)101通訊端口與橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器104、縱軸電機(jī)驅(qū) 動(dòng)器105的控制端口電連接，橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器104輸出端口與橫軸電機(jī)8輸入端口電連 接，橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器105輸出端口與縱軸電機(jī)22輸入端口電連接，橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器104、 縱軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器105根據(jù)單片機(jī)101發(fā)送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)橫軸電機(jī)8、縱軸電機(jī) 22。
如圖6所示太陽(yáng)跟蹤方法流程圖。
具體實(shí)施方式
單片機(jī)101啟動(dòng)后進(jìn)入全自動(dòng)工作狀態(tài)。啟動(dòng)完畢后，單片機(jī)ioi 通過(guò)通訊端口讀取GPS電路信號(hào)，獲得當(dāng)?shù)亟?jīng)度、緯度、日期、時(shí)刻，計(jì)算出太陽(yáng)的方 位，根據(jù)太陽(yáng)是否在地平線以上來(lái)判斷當(dāng)時(shí)的晝夜?fàn)顟B(tài)，如果是黑夜，則延時(shí)等待一段 時(shí)間，單片機(jī)101重新讀取GPS電路信號(hào)，如果是白晝，則跟蹤開(kāi)始。跟蹤開(kāi)始后，單片機(jī)101讀取橫軸角度傳感器27和縱軸角度傳感器19的電信號(hào)， 其中橫軸角度傳感器27測(cè)量俯仰板3的俯仰角，縱軸角度傳感器19測(cè)量U型支架9 的方位角；單片機(jī)101通訊端口分別與橫軸角度傳感器27和縱軸角度傳感器19的數(shù)據(jù) 輸出端口電連接；單片機(jī)101計(jì)算出太陽(yáng)實(shí)際方位與裝置在俯仰角和方位角上的偏差， 輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)通訊端口分別輸入到橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器104控制端口和縱軸電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器105控制端口。
橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器104驅(qū)動(dòng)橫軸電機(jī)8，控制俯仰板3旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)固定在 俯仰板3上的集光器陣列1的俯仰角調(diào)節(jié)；縱軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器105驅(qū)動(dòng)縱軸電機(jī)22,控 制U型支架9旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)固定在俯仰板3上的集光器陣列1的方位角調(diào)節(jié)。
單片機(jī)101完成上述控制調(diào)整后，讀取信號(hào)處理電路103數(shù)據(jù)，獲得太陽(yáng)定位傳感 器2測(cè)量到的陽(yáng)光焦斑與光敏器件陣列34中心位置之間的偏差，單片機(jī)101根據(jù)偏差 計(jì)算出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)通訊端口分別輸入到橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器104控制端口和縱軸電機(jī)驅(qū) 動(dòng)器105控制端口，橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器104和縱軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器105分別驅(qū)動(dòng)橫軸電機(jī)8 和縱軸電機(jī)22，實(shí)現(xiàn)對(duì)俯仰板3上的集光器陣列1的俯仰角、方位角精細(xì)調(diào)節(jié)。
參見(jiàn)圖6，太陽(yáng)光光纖照明裝置的太陽(yáng)跟蹤方法和工作流程如下
通電啟動(dòng)后，單片機(jī)C8051F020啟動(dòng)內(nèi)部駐有程序，開(kāi)始工作(步驟110);接著 在步驟120中，單片機(jī)C8051F020讀取GPS數(shù)據(jù)，獲得當(dāng)?shù)亟?jīng)度、緯度、日期、時(shí)刻； 步驟130中，單片機(jī)計(jì)算太陽(yáng)位置；步驟140中，單片機(jī)根據(jù)太陽(yáng)與地平線的位置關(guān)系， 判斷當(dāng)時(shí)是否為黑夜，如果判斷為黑夜，則轉(zhuǎn)入步驟150,延時(shí)，再轉(zhuǎn)入步驟120;如 果判斷為白晝，則開(kāi)始跟蹤控制，轉(zhuǎn)入步驟160,在步驟160中，單片機(jī)讀取角度傳感 器數(shù)據(jù)，比較太陽(yáng)位置和裝置姿態(tài)之間的偏差(步驟170),如果角度偏差過(guò)大，則轉(zhuǎn) 入步驟180，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置跟蹤，再轉(zhuǎn)入步驟120;否則，轉(zhuǎn)入步驟190，單片機(jī)101 通過(guò)信號(hào)處理電路103讀取太陽(yáng)定位傳感器信號(hào)，計(jì)算偏差，判斷裝置是否對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)(步 驟200 )，如果裝置沒(méi)有精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，則轉(zhuǎn)入步驟210，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置跟蹤太陽(yáng)，再轉(zhuǎn) 入步驟190;如果裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，則延時(shí)一段時(shí)間(步驟220 ),延時(shí)完成后轉(zhuǎn)入步驟 120,開(kāi)始下一輪跟蹤流程。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離發(fā)明的精神 和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍 之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種太陽(yáng)光光纖照明裝置，包括集光器陣列(1)與控制器(18)電連接的太陽(yáng)定位傳感器(2)、角度傳感器，其特征在于所述集光器陣列(1)包括多個(gè)單元，其中每個(gè)單元包括采光聚光透鏡(30)、光纖(25)、夾持頭(26)和鏡筒(31)，所述采光聚光透鏡(30)經(jīng)鏡筒(31)固定在俯仰板(3)上，所述光纖(25)經(jīng)夾持頭(26)貫穿俯仰板(3)并固定在俯仰板(3)上，光纖(25)受光端置于采光聚光透鏡(30)焦點(diǎn)處，集光器陣列(1)的鏡筒(31)軸線與太陽(yáng)定位傳感器(2)的遮光筒(33)軸線平行；所述太陽(yáng)定位傳感器(2)包括定位聚光透鏡(32)和光敏器件陣列(34)，所述光敏器件陣列(34)置于定位聚光透鏡(32)焦平面附近，所述聚光透鏡(32)通過(guò)遮光筒(33)相對(duì)固定在光敏器件陣列(34)上，遮光筒(33)固定在俯仰板(3)上，所述俯仰板(3)固定在左橫軸(4)和右橫軸(29)上，所述左橫軸(4)通過(guò)左軸承(5)與U型支架(9)相連接，右橫軸(29)通過(guò)右軸承(28)與U型支架(9)相連接；所述角度傳感器為橫軸角度傳感器(27)和縱軸角度傳感器(19)，所述橫軸角度傳感器(27)的輸入軸與右橫軸(29)相連接且固定在U型支架(9)的一側(cè)，用于測(cè)量俯仰板(3)的俯仰角，所述U型支架(9)的另一側(cè)固定有橫軸電機(jī)(8)，所述橫軸電機(jī)(8)的輸出軸經(jīng)橫軸大齒輪(7)與橫軸小齒輪(6)嚙合，橫軸小齒輪(6)帶動(dòng)俯仰板(3)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述縱軸角度傳感器(19)和縱軸電機(jī)(22)固定在底座上，所述底座包括上蓋板(11)、下蓋板(17)、縱軸(14)、固定柱(12)，所述縱軸(14)置于底座的中間，所述底座四周置有多個(gè)固定柱(12)，所述固定柱(12)上下兩端分別固定在上蓋板(11)和下蓋板(17)上，所述縱軸(14)的頂部穿過(guò)上蓋板(11)經(jīng)上向心軸承(24)和上軸承蓋(10)與上蓋板(11)連接，所述縱軸(14)的頂部末端與U型支架(9)固定連接，所述縱軸(14)的上端置有縱軸小齒輪(13)，所述縱軸(14)下端依次同軸串聯(lián)下向心軸承(21)和推力軸承(20)，下軸承蓋(15)將下向心軸承(21)和推力軸承(20)連接在固定環(huán)(16)上，固定環(huán)(16)固定在下蓋板(17)上，所述縱軸(14)下部末端與縱軸角度傳感器(19)的輸入軸連接，用于測(cè)量U型支架(9)的方位角，所述縱軸電機(jī)(22)輸出軸經(jīng)縱軸大齒輪(23)嚙合縱軸(14)上的縱軸小齒輪(13)，縱軸小齒輪(13)帶動(dòng)縱軸(14)轉(zhuǎn)動(dòng)；所述控制器(18)為單片機(jī)(101)的通訊端口，所述控制器(18)分別與橫軸角度傳感器(27)、縱軸角度傳感器(19)、GPS電路(102)、信號(hào)處理電路(103)通訊端口電連接，所述單片機(jī)(101)的輸出端口分別與橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(104)、縱軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(105)控制端口電連接，所述信號(hào)處理電路(103)用于接受太陽(yáng)定位傳感器(2)輸入的模擬信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)(101)的通訊端口，所述橫軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(104)和縱軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(105)用于接受單片機(jī)(101)的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)光光纖照明裝置，其特征是所述集光器陣列(1) 包括的多個(gè)單元是5個(gè)或12個(gè)或36個(gè)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)光光纖照明裝置，其特征是所述光敏器件陣列 (34)采用光敏二極管陣列或光敏電阻或光伏電池陣列或熱敏二極管陣列或熱敏電阻陣列或熱電偶陣列。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)光光纖照明裝置，其特征是所述橫軸角度傳感 器(27 )和縱軸角度傳感器(19 )采用巨磁阻式角度傳感器或電容式角度傳感器或碼盤(pán) 式角度傳感器或電位器式角度傳感器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽(yáng)光光纖照明裝置，其特征是所述單片機(jī)(IOI) 釆用C8051F020單片機(jī)。
6、 一種使用權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)光光纖照明裝置的太陽(yáng)跟蹤方法，包括利用 GPS信號(hào)，結(jié)合軌道算法，計(jì)算太陽(yáng)方位，利用角度傳感器反饋信號(hào)計(jì)算跟蹤偏差，利 用偏差驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)裝置的閉環(huán)跟蹤控制，并利用太陽(yáng)定位傳感器進(jìn)一步精確定位太 陽(yáng)位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度太陽(yáng)跟蹤，其特征在于設(shè)定單片機(jī)(101)啟動(dòng)后，讀取GPS信號(hào)；根據(jù)GPS信號(hào)，計(jì)算太陽(yáng)真實(shí)位置；讀取角度傳感器數(shù)值，得到裝置實(shí)際姿態(tài)；如果裝置實(shí)際姿態(tài)與根據(jù)GPS信號(hào)計(jì)算出的太陽(yáng)位置偏差較大，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行閉 環(huán)控制，降低角度偏差；當(dāng)角度偏差小于一定數(shù)值后，裝置再利用太陽(yáng)定位傳感器(2)精確定位太陽(yáng)位置， 根據(jù)陽(yáng)光焦斑位置與光敏器件陣列(34)中心位置的偏差，精確判斷太陽(yáng)跟蹤偏差，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)使得陽(yáng)光聚焦光斑落在太陽(yáng)定位傳感器(2)的光敏器件陣列(34)中心位置， 此時(shí)對(duì)于集光器陣列(1)，陽(yáng)光經(jīng)采光聚光透鏡(30)聚焦后光斑落在光纖(25)受光 端面上，光纖(25)將陽(yáng)光傳輸?shù)叫枰膱?chǎng)合進(jìn)行照明；單片機(jī)(101)執(zhí)行時(shí)間中斷功能，設(shè)定中斷時(shí)間周期，每次中斷開(kāi)始后重新讀取 GPS信號(hào)，計(jì)算太陽(yáng)位置，并結(jié)合角度傳感器信號(hào)計(jì)算跟蹤偏差，驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行跟蹤姿 態(tài)調(diào)整，減小跟蹤偏差，在此基礎(chǔ)上再利用太陽(yáng)定位精確定位太陽(yáng)位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn) 高精度太陽(yáng)跟蹤。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種太陽(yáng)光光纖照明裝置及太陽(yáng)跟蹤方法，裝置包括集光器陣列與控制器電連接的太陽(yáng)定位傳感器、角度傳感器，集光器陣列與太陽(yáng)定位傳感器固定在裝置俯仰板上，俯仰板通過(guò)橫軸和縱軸可進(jìn)行雙自由度旋轉(zhuǎn)，橫軸和縱軸分別連接角度傳感器，測(cè)量俯仰板的俯仰角和方位角，太陽(yáng)定位傳感器利用光敏器件陣列精細(xì)測(cè)量太陽(yáng)方位，控制器包括單片機(jī)、GPS電路和信號(hào)處理電路；跟蹤方法包括在大偏差情況下利用軌道算法跟蹤太陽(yáng)，在小偏差情況下用太陽(yáng)定位傳感器精確跟蹤太陽(yáng)；本發(fā)明保證了太陽(yáng)跟蹤過(guò)程的自動(dòng)化和高精度，確保光纖照明裝置運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，適用于軍火庫(kù)、療養(yǎng)院、博物館、地下室等需要安全照明或者自然光照明場(chǎng)所。
文檔編號(hào)F21S11/00GK101482246SQ20081002017
公開(kāi)日2009年7月15日 申請(qǐng)日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者宋記鋒 申請(qǐng)人:宋記鋒