專利名稱：基于psd的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置及其跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能源領(lǐng)域，更準(zhǔn)確地說本發(fā)明涉及一種基于PSD的全自動(dòng)高 精度太陽礙蹤裝置及其跟蹤方法，可用于太陽能高效釆集和利用。
技術(shù)背景太陽能是取之不盡的，雖然它只有幾十億分之一的能量到達(dá)地球的表面， 也比地球能源儲(chǔ)存的能量多。由于輻射到地面的陽光受到氣候、煒度等自然條 件的影響，所以目前的太陽能利用效率還不高，要想在單位面積上得到較大功 率，就要使用跟蹤對準(zhǔn)太陽的技術(shù)?，F(xiàn)在國內(nèi)外也有好多的太陽跟蹤器精度很 高，但是在價(jià)格上常常不能被普遍接受，特別是用于微小衛(wèi)星上的太陽敏感器 尤其是如此，雖然這些產(chǎn)品在精度上可以滿足要求，但是價(jià)格奇高，很難在市 場大范圍推廣。還有就是 一些四象限探測器件或者太陽能電池等用來探測位置 也能在一定程度上滿足某些場合的要求，但是其精度不高。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本的基于PSD (光電位置探測 器)的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置。本發(fā)明是采取以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的基于DSP的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置，包括基于PSD的太陽位置傳感器、 曰歷芯片、信號釆集處理電路、控制系統(tǒng)、跟蹤機(jī)構(gòu)和跟蹤校準(zhǔn)立桿，其特征 是所述基于PSD的太陽位置傳感器包括傳感器底座、帶有太陽光入射小孔的蓋 子、遮光桶、PSD、 PSD底座、能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)照射到PSD上光強(qiáng)的光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào) 節(jié)裝置和半球形遮擋灰塵和雨水的光路保護(hù)罩；蓋子通過四個(gè)螺釘安裝在遮光 桶上，蓋子上的四個(gè)螺釘安裝孔直徑比螺釘直徑大，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)蓋子的入射 小孔與PSD中心對準(zhǔn)調(diào)節(jié)；PSD安裝在PSD底座上，PSD底座通過遮光桶內(nèi)螺紋與遮光桶聯(lián)結(jié)，根據(jù)跟蹤精度要求，能夠通過這種螺紋聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)遮光桶上的小 孔到PSD光電位置探測器表面距離的調(diào)節(jié)；遮光桶和蓋子內(nèi)壁覆蓋了一層吸光 材料以防止入射光在里面反射造成誤差；光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置安裝在蓋子上面； 半球形光路保護(hù)罩把整個(gè)太陽位置傳感器罩起來；日歷芯片釆自帶電源的DS1302,系統(tǒng)斷電后它能夠繼續(xù)工作，保證了日歷和時(shí)間準(zhǔn)確；跟蹤校準(zhǔn)立桿和太陽位置傳感器都安裝在一個(gè)高平面度的平板上，該平板再安裝在跟蹤機(jī)構(gòu)上。前述的基于DSP的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置，其特征在于光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié) 裝置中包括聚光透鏡、帶有一系列直徑由小到大透光孔的光闌盤、光闌旋轉(zhuǎn)驅(qū) 動(dòng)電機(jī)，聚光透鏡能夠增加入射太陽光的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)較低光強(qiáng)下跟蹤太陽，帶 有透光孔的光闌盤能夠保護(hù)PSD光電位置探測器，使其在正常光強(qiáng)范圍內(nèi)工作。前述的基于DSP的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置，其特征在于遮擋灰塵和雨水 的光路保護(hù)罩釆用透過光率較高的玻璃或者塑料材料制成的半球形結(jié)構(gòu)，該形 狀結(jié)構(gòu)能夠在雨和風(fēng)的作用下自潔其表面的灰塵。前述的基于DSP的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置，其特征在于跟蹤校準(zhǔn)立桿為 高垂直度、高直線度和極小變形的合金立桿，當(dāng)跟蹤器自動(dòng)對準(zhǔn)太陽時(shí)，通過 立桿太陽光陰影來校準(zhǔn)跟蹤裝置的基于PSD的太陽位置傳感器的陽光入射小孔 與PSD中心位置關(guān)系，直到立桿太陽陰影長度小于誤差長度為止。前述的基于DSP的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置的跟蹤方法，其特征在于跟蹤 太陽步驟如下(1 )開機(jī)后，控制系統(tǒng)通過日歷芯片DS1302判斷是否在正常的工作時(shí)間(設(shè) 正常的工作時(shí)間為6: 00~18: 00),如果不在正常的工作時(shí)間則不啟動(dòng)跟蹤程 序；(2) 如果在正常工作時(shí)間，進(jìn)行位置初始化，即控制跟蹤機(jī)構(gòu)到基準(zhǔn)位置， 以太陽方位角-90° ，高度角0°時(shí)為基準(zhǔn)；(3) 根據(jù)曰歷計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的太陽高度角和方位角，啟動(dòng)曰歷查詢控制跟 蹤機(jī)構(gòu)到當(dāng)前的高度角和方位角(即日歷跟蹤)，通過A/D轉(zhuǎn)換器檢測PSD光電 位置探測器上的光強(qiáng)度大小，如果光強(qiáng)度滿足PSD光電位置探測器正常工作范 圍，則啟動(dòng)光電自動(dòng)跟蹤，即根據(jù)基于PSD的太陽位置傳感器輸出的太陽位置 信息，即電壓信號，當(dāng)光點(diǎn)正好在PSD中心時(shí)，電壓為0，控制系統(tǒng)控制跟蹤機(jī) 構(gòu)向著電壓趨向于0的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，直到傳感器輸出的電壓信號滿足控制精度要 求；(4) 如果PSD光電位置探測器上的光強(qiáng)度超過位置探測其所能承受的光強(qiáng) 度時(shí)，控制光闌旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向小直徑透光孔方向旋轉(zhuǎn)，直到PSD光電位置探 測器的光強(qiáng)度在正常工作范圍為止；(5 )如果PSD光電位置探測器上的光強(qiáng)度低于其所能正常工作的光強(qiáng)度時(shí)， 控制光闌旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向大直徑透光孔方向旋轉(zhuǎn)，直到PSD光電位置探測器的 光強(qiáng)度在正常工作范圍為止，如果旋轉(zhuǎn)一圈都沒有達(dá)到其要求的正常工作光強(qiáng)，則使光闌盤停止在最大透光光強(qiáng)位置，同時(shí)控制系統(tǒng)把跟蹤切換到日歷跟蹤；(6)當(dāng)檢測到的曰歷時(shí)間超過正常工作時(shí)間，則停止跟蹤，并且控制跟 蹤機(jī)構(gòu)回到初始位置。本發(fā)明的工作原理是把PSD這種高精度的光電位置探測器安裝在上面一個(gè) 帶有太陽光入射小孔的遮光桶中，這樣在陽光照射下能夠檢測出太陽的位置角， 由于PSD的A區(qū)具有檢測光點(diǎn)的精度可達(dá)6〃m，又由于入射小孔到PSD的距離 可調(diào)，這里設(shè)定為34mm，則由三角函數(shù)可知檢測太陽方位的精度達(dá)到0.01。，再 結(jié)合太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律的日歷跟蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)各種天氣下的太陽跟蹤，另外，成本 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前高精度的太陽跟蹤器。本發(fā)明專利的有益效果是提高了太陽跟蹤器的精度、降低了生產(chǎn)成本；同時(shí)解決了基于PSD的太陽跟蹤器中太陽光過強(qiáng)對PSD的損毀和太陽光過弱 無法光電跟蹤的問題；另外，本發(fā)明的蓋子位置可以微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)入射小孔與PSD中心對準(zhǔn)，PSD 底座通過螺紋聯(lián)結(jié)也能夠?qū)崿F(xiàn)小孔與PSD距離的調(diào)解，即提高了校準(zhǔn)對準(zhǔn)精度。


圖1為基于PSD的太陽位置傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為基于PSD的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置跟蹤流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明專利進(jìn)一步說明。如圖1所示的基于PSD的太陽位置傳感器，包括傳感器底座l、半球形光 路保護(hù)罩2、 PSD底座3、 PSD4遮光桶5、蓋子6光闌盤7、光闌旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電 機(jī)8、光闌盤上的透光孔9、蓋子上的太陽入射小孔IO、聚光透鏡ll。如圖2所示的基于PSD的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置跟蹤流程圖。太陽透過半球形光路保護(hù)罩2、光鬧盤7、蓋子上的太陽入射小孔10和聚光 透鏡11成像在PSD 4上。開機(jī)后，單片機(jī)控制系統(tǒng)通過曰歷芯片DS1302判斷是否在正常的工作時(shí)間 (設(shè)正常的工作時(shí)間為6: 00~18: 00),如果不在正常的工作時(shí)間則不啟動(dòng)跟蹤程序；如果在正常工作時(shí)間，進(jìn)行位置初始化，即控制跟蹤機(jī)構(gòu)到基準(zhǔn)位置，以太陽方位角-90° ，高度角0°時(shí)為基準(zhǔn)；根據(jù)日歷計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的太陽高度角和方位角，啟動(dòng)曰歷查詢控制跟蹤機(jī)構(gòu) 到當(dāng)前的高度角和方位角(即日歷跟蹤)，通過A/D轉(zhuǎn)換器檢測PSD光電位置探大小，如果光強(qiáng)度滿足PSD光電位置探測器4正常工作范圍， 則啟動(dòng)光電自動(dòng)跟蹤，即根據(jù)基于PSD 4的太陽位置傳感器輸出的太陽位置信 息，即電壓信號，當(dāng)光點(diǎn)正好在PSD 4中心時(shí)，電壓為0,控制系統(tǒng)控制跟蹤 機(jī)構(gòu)向著電壓趨向于0的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，直到傳感器輸出的電壓信號滿足控制精度 要求；如果PSD光電位置探測器4上的光強(qiáng)度超過光電位置探測器所能承受的光 強(qiáng)度時(shí)，控制光闌旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向小直徑透光孔方向旋轉(zhuǎn)，直到PSD光電位置 探測器4的光強(qiáng)度在正常工作范圍為止；如果PSD光電位置探測器4上的光強(qiáng)度低于其所能正常工作的光強(qiáng)度時(shí)，控 制光闌旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)8向大直徑透光孔9方向旋轉(zhuǎn)，直到PSD光電位置探測器 4的光強(qiáng)度在正常工作范圍為止，如果旋轉(zhuǎn)一圈都沒有達(dá)到其要求的正常工作光 強(qiáng)，則使光闌盤7停止在最大透光光強(qiáng)位置，同時(shí)控制系統(tǒng)把跟蹤切換到曰歷 跟蹤；當(dāng)檢測到的日歷時(shí)間超過正常工作時(shí)間，則停止跟蹤，并且控制跟蹤機(jī)構(gòu) 回到初始位置。實(shí)驗(yàn)表明，基于PSD的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置能夠?qū)崿F(xiàn)各種天氣下對太陽的跟蹤，通過跟蹤校準(zhǔn)立桿可知，跟蹤精度能夠達(dá)到o.or。除上述實(shí)施例外，凡釆用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術(shù)方案， 均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于DSP的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置，包括基于PSD的太陽位置傳感器、日歷芯片DS1302、信號采集處理電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、跟蹤機(jī)構(gòu)和跟蹤校準(zhǔn)立桿，其特征在于所述基于PSD的太陽位置傳感器包括傳感器底座(1)、帶有太陽光入射小孔的蓋子(6)、遮光桶(5)、PSD(4)、PSD底座(3)、能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)照射到PSD上光強(qiáng)的光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和半球形遮擋灰塵和雨水的光路保護(hù)罩(2)；蓋子(6)通過四個(gè)螺釘安裝在遮光桶(5)上，蓋子(6)上的四個(gè)螺釘安裝孔直徑比螺釘直徑大，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)蓋子的太陽入射小孔(10)與PSD(4)中心對準(zhǔn)調(diào)節(jié)；PSD(4)安裝在PSD底座(3)上，PSD底座(3)通過遮光桶內(nèi)螺紋與遮光桶(3)聯(lián)結(jié)，根據(jù)跟蹤精度要求，能夠通過這種螺紋聯(lián)結(jié)實(shí)現(xiàn)遮光桶上的小孔到PSD光電位置探測器表面距離的調(diào)節(jié)；光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置安裝在蓋子上面；光路保護(hù)罩(2)把整個(gè)太陽位置傳感器罩起來；跟蹤校準(zhǔn)立桿和太陽位置傳感器都安裝在一個(gè)高平面度的平板上，該平板再安裝在跟蹤機(jī)構(gòu)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PSD的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置，其特征在于: 所述光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置中包括聚光透鏡(11)、帶有一系列直徑由小到大透 光孔(9)的光闌盤(7)和光闌旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(8),聚光透鏡(11)能夠增 加入射太陽光的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)較低光強(qiáng)下跟蹤太陽，帶有透光孔(9)的光闌盤(7)能夠保護(hù)PSD，使其在正常光強(qiáng)范圍內(nèi)工作。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于DSP的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置,其特征在于: 所述遮擋灰塵和雨水的光路保護(hù)罩(2)釆用透過光率較高的玻璃或者塑料材 料制成的半球形結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置,其特征在于: 所述跟蹤校準(zhǔn)立桿為高垂直度、高直線度和極小變形的合金立桿，當(dāng)跟蹤器 自動(dòng)對準(zhǔn)太陽時(shí)，通過立桿太陽光陰影來校準(zhǔn)跟蹤裝置的基于PSD的太陽位 置傳感器的陽光入射小孔與PSD中心位置關(guān)系，直到立桿太陽陰影長度小于 誤差長度為止。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置的跟蹤方法， 其特征在于其跟蹤太陽步驟為(l)開機(jī)后，首先通過日歷芯片DS1302判斷是否在正常的工作時(shí)間，可以 設(shè)定正常的工作時(shí)間為6: 00~18: 00,如果不在正常的工作時(shí)間則不啟動(dòng)跟蹤程序；(2) 如果在正常工作時(shí)間，進(jìn)行位置初始化，即控制跟蹤機(jī)構(gòu)到基準(zhǔn)位置，以太陽方位角-90° ，高度角0°時(shí)為基準(zhǔn)；(3) 根據(jù)日歷計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的太陽高度角和方位角，啟動(dòng)日歷查詢控制跟 蹤機(jī)構(gòu)到當(dāng)前的高度角和方位角，即日歷跟蹤，通過A/D轉(zhuǎn)換器檢測PSD光 電位置探測器上的光強(qiáng)度大小，如果光強(qiáng)度滿足PSD光電位置探測器正常工 作范圍，則啟動(dòng)光電自動(dòng)跟蹤，即根據(jù)基于PSD的太陽位置傳感器輸出的太 陽位置信息，即電壓信號，當(dāng)光點(diǎn)正好在PSD中心時(shí)，電壓為0，控制系統(tǒng)控 制跟蹤機(jī)構(gòu)向著電壓趨向于0的位置轉(zhuǎn)動(dòng)，直到傳感器輸出的電壓信號滿足 控制精度要求；(4) 如果PSD光電位置探測器上的光強(qiáng)度超過位置探測其所能承受的光強(qiáng) 度時(shí)，控制光闌旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(8)向小直徑透光孔(9)方向旋轉(zhuǎn)，直到PSD 光電位置探測器的光強(qiáng)度在正常工作范圍為止；(5 )如果PSD光電位置探測器上的光強(qiáng)度低于其所能正常工作的光強(qiáng)度時(shí)，控制光闌旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向大直徑透光孔方向旋轉(zhuǎn)，直到PSD光電位置探測器 的光強(qiáng)度在正常工作范圍為止，如果旋轉(zhuǎn)一圏都沒有達(dá)到其要求的正常工作 光強(qiáng)，則使光闌盤停止在最大透光光強(qiáng)位置，同時(shí)控制系統(tǒng)把跟蹤切換到曰 歷跟蹤；(6)當(dāng)檢測到的日歷時(shí)間超過正常工作時(shí)間，則停止跟蹤，并且控制跟 蹤機(jī)構(gòu)回到初始位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于PSD的全自動(dòng)高精度太陽跟蹤裝置，包括基于PSD的太陽位置傳感器、日歷芯片DS1302、信號采集處理電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)、跟蹤機(jī)構(gòu)和跟蹤校準(zhǔn)立桿，所述基于PSD的太陽位置傳感器包括傳感器底座(1)、帶有太陽光入射小孔的蓋子(6)、遮光桶(5)、PSD(4)、PSD底座(3)、能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)照射到PSD上光強(qiáng)的光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和半球形遮擋灰塵和雨水的光路保護(hù)罩(2)；蓋子(6)通過四個(gè)螺釘安裝在遮光桶(5)上，蓋子(6)上的四個(gè)螺釘安裝孔直徑比螺釘直徑大，PSD(4)安裝在PSD底座(3)上，PSD底座(3)通過遮光桶內(nèi)螺紋與遮光桶(3)聯(lián)結(jié)。通過以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了太陽跟蹤裝置的精度，同時(shí)成本較低。
文檔編號G05D3/20GK101329583SQ20081012308
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者杰 姚, 宋大鵬, 徐貴力, 王志超, 程月華, 非 謝, 東 韓 申請人:南京航空航天大學(xué)