專利名稱：基于光電池y型布局的太陽方位傳感器及太陽跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光電池Y型布局大視場和高精度太陽跟蹤裝置,特別是涉及 太陽能利用中的低成本大視場高精度跟蹤對準(zhǔn)裝置。
背景技術(shù)：
開發(fā)利用太陽能，對T節(jié)約常規(guī)能源、保護環(huán)境、促進經(jīng)濟發(fā)展都有極為重耍的意
義，太陽跟蹤裝置能有效的提高太陽能的利用率，具有廣泛的應(yīng)用前景。 太陽跟蹤裝置現(xiàn)階段普遍釆用的太陽方位傳感器有四象限光電探測器、PSD和光 敏電阻，四象限光電探測器和PSD成本很高，且枧場小，光敏電阻雖然成本低視場大，但是 跟蹤復(fù)雜精度低。為了滿足低成本、大視場和高精度的要求，本發(fā)明設(shè)計研制了基于—塊光 電池Y型布局的太陽方位傳感器及以其為核心的太陽跟蹤裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所耍解決的技術(shù)問題是提出供.,中低成本、無需l--i歷即能夠大視場高精度 地跟蹤太陽的太陽跟蹤裝置。'々ft -決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是釆取以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的 —種雄于光電池Y型布局的太陽方位傳感器，其特征在于包括底座,三塊光電池
呈Y型均g似置T底座上，-:塊光電池在底座底面上的投影互成120° 。 前述的太陽方位傳感器，其特征在f :所述底座為三面金字塔型、三面錐臺型或倒 三面錐臺型，三塊光電池分別設(shè)置于底座的三個工作斜面上。 前述的太陽方位傳感器，其特征在于所述二塊光電池均勻設(shè)置于底座的二個工 作斜面上。 前述的太陽方位傳感器，其特征在于所述底座為圓錐形，三塊光電池均勻設(shè)置于 錐形斜面上。 —種基于光電池Y型布局的太陽跟蹤裝置，包括用于太陽力'位探測的太陽方位傳 感器，所述太陽方位傳感器與用于信號采集的采集系統(tǒng)相連，采集系統(tǒng)與計算機相連，其特 征在f :所述太陽方位傳感器包括底座，三塊光電池呈Y型均勻布置f底座上，三塊光電池 在底座底面上的投影互成i20°夾角，所述太陽方位傳感器設(shè)置在云臺上，所述云臺與云臺 控制器相連，所述云臺控制器與計算機相連。 所述光電池與云臺工作面(即底座與S臺連接面)的夾角Q可取60° 。(〕值越 大，系統(tǒng)誤差越小但視場角越小。 前述的基于光電池Y型布局的太陽跟蹤裝置，其特征在于所述計算機內(nèi)設(shè)置有 對采集信號進行處理的數(shù)據(jù)處理模塊和用于根據(jù)得到的數(shù)據(jù)控制云臺轉(zhuǎn)動的跟蹤控制模 塊。 前述的基f光電池Y型布局的太陽跟蹤裝置，其特征在f :所述底座為正三面金 字塔型或倒三面金字塔型，底座的三個工作斜面為三角形。
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前述的基于光電池Y型布局的太陽跟蹤裝置，其特征在于—塊光電池分別設(shè)置 f底座的三個斜面的形心。 甜述的基于光電池Y型布局的太陽跟蹤裝置，其特征在于所述底座為圓錐形，三 塊光電池互均勻設(shè)置于錐形斜面上，二塊光電池在底座底面上的投影互成120°夾角。 前述的基T光電池Y型布W的太陽跟蹤裝置，其特征在IS所述采集系統(tǒng)包括至
少三路采集通道，所述光電池的正極接入采集通道，負極接地。--種基于光電池Y型布局的太陽跟蹤裝置的跟蹤方法其特征在于包括以下步 驟 (1)將太陽方位傳感器同定在云臺上，傳感器的中垂線(即過-:塊光電池的中軸 線交點與云臺工作面的垂線)與云臺中軸線重合； (2)太陽方位傳感器的三路輸出信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)定時采集，三塊光電池的正
極分別接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)卡的二個模擬輸入端，二塊光電池的負極接地； (3)計算機的數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)傳感器的Y型布W數(shù)學(xué)模型計算出太陽方位的偏
差，當(dāng)I: F或左右偏差大于設(shè)定電壓時由計算機的跟蹤控制模塊產(chǎn)生云臺動作控制信號； (4)計算機的跟蹤控制模塊的輸出控制信號接S臺控制器控制-S臺的轉(zhuǎn)動并最終
使太陽力'位傳感器屮垂線與太陽精確對準(zhǔn)。 本發(fā)明的工作原理為 太陽的方位nj以明確地由兩個角度和Y表不，|3是太陽的橫向角，Y是太陽 的縱向角。太陽方位傳感器的橫向角和縱向角分別為P i和Y i，當(dāng)太陽方位傳感器對準(zhǔn)太 陽時，PI = 13 、 Y 1 = Y ;如果太陽方位傳感器沒有對準(zhǔn)太陽時，太陽傳感器就會產(chǎn)生一組 偏差信3 AX和AY，用T橫向角P和縱向角Y的跟蹤。根據(jù)圖l設(shè)計的太陽方位傳感器 建立二維坐標(biāo)系如圖2(a)，三片光電池的輸出電壓分別為U1、U2、U3且成120°的火角。將 這組輸出電壓在二維坐標(biāo)系上進行合成，所得到的矢量和U就是太陽傳感器相對太陽的方 位偏差信號，如圖2(b)。將這組輸出電壓在二維坐標(biāo)系屮進行分解，如圖2(c),可以分別得 到反映太陽偏轉(zhuǎn)方向的一組正交的偏差信號AX和AY。其中，AX反映了縱向角的偏差， AY反映了橫向角的偏差。將偏差信號在水平方向上的分解為
U2*cos30° -lH*cos30° = 0. 707 (U2-U丄) (丄)
在垂直方向上的分解為 U3—(Ul+U2)*sin30° = U3—0, 5 (U1+U2) (2) 所以可以選取下面一組偏差信號來反映太陽傳感器與太陽橫向角和縱向角的偏 差 AX = U1—U2 (3)
AY = U1+U2-2U3 (4) 為了避免太陽光強度的變化和大氣傳輸引起的衰減對跟蹤精度影響，nj附加一個 除法，艮卩AX丄=(U丄一U2)/(U丄+U2)禾卩AY丄=(U丄+U2—2U3)./(U丄+U2+2U3)。
本發(fā)明所達到的有益效果 本發(fā)明的太陽跟蹤裝置，其傳感器與現(xiàn)有的太陽跟蹤裝置傳感器相比成本低，只
需三塊光電池和一個三面金字塔平臺，視場大，無需日歷即可實現(xiàn)跟蹤，精度可達到().r
以上。實現(xiàn)了對太陽人視場實時、精確的跟蹤，人人提高了太陽能的轉(zhuǎn)換效率，在太陽能發(fā)電站、船舶的通訊電源、人造衛(wèi)星上的電池板定位上W廣泛的應(yīng)用前景。


圖1本發(fā)明中的太陽傳感器結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明中的太陽傳感器二維坐標(biāo)圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的一種棊于光電池Y型布局的太陽跟蹤裝置，包括用于太陽方位探測的太陽方位傳感器，所述太陽方位傳感器包括-:向金字塔型的底座l，底座1的-:個工作斜面為等邊三角形，三塊光電池2均勻設(shè)置f底座l的三個斜面的中心，光電池與底座地面(即底座與云臺連接面)的夾角e取60° ，日.三塊光電池在底座底面上的投影互成120°夾角;所述太陽方位傳感器設(shè)置于在云臺上,太陽方位傳感器的中垂線與云臺中軸線重合，所述云臺與云臺控制器相連，所述^臺控制器與計算機相連。所述計算機內(nèi)設(shè)置有對采集信3進行處理的數(shù)據(jù)處理模塊和用于根據(jù)得到的數(shù)據(jù)控制云臺轉(zhuǎn)動的跟蹤控制模塊。所述采集系統(tǒng)包括至少三路釆集通道以供釆集三個光電池輸出的電壓信號，所述光電池的正極接輸入采集通道,負極接地。所述數(shù)據(jù)處理模塊按照Y型布局的數(shù)學(xué)模型計算跟蹤方位的上下及左右偏差。所述跟蹤控制模塊根據(jù)方位偏差數(shù)據(jù)計算輸出四個控制信號，控制云臺的上K、左右轉(zhuǎn)動，對準(zhǔn)跟蹤太陽。 本發(fā)明的基于光電池Y型布局的太陽跟蹤裝置的跟蹤方法如下 (1)將太陽方位傳感器固定在云臺....匕傳感器的中垂線與云臺中軸線重合； (2)太陽方位傳感器的三路輸出信^由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)定吋采集,三塊光電池的正
極分別接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)卡的三個模擬輸入端，三塊光電池的負極接地； (3)計算機的數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)傳感器的Y型布局數(shù)學(xué)模型計算出太陽方位的偏
差，當(dāng)上下或左右偏差大于lnw電壓時由計算機的跟蹤控制模塊產(chǎn)生云臺動作控制信號； (4)計算機的跟蹤控制模塊的輸出控制信號接云臺控制器控制云臺的轉(zhuǎn)動并最終
使太陽方位傳感器中垂線與太陽精確對準(zhǔn)。 甜述的方法中，在所述歩驟(3)及歩驟(4)中，計算機每隔丄秒訃算-一次偏差，計
算機每1秒產(chǎn)生一個控制信號并且....匕F的控制信號和左右控制信號交替產(chǎn)生。 當(dāng)太陽橫向角的偏差大T lnw吋計算機通過數(shù)據(jù)卡產(chǎn)生.寸脈沖控制信^控制
云臺轉(zhuǎn)動帶動傳感器向右移動一步，橫向角的偏差小于-lmv時云臺帶動傳感器向左移動
一步，偏差在此之間-K臺不動；當(dāng)太陽縱向伯的偏差人于liw時計算機通過數(shù)據(jù)卡產(chǎn)生-一
個脈沖控制信號控制云臺轉(zhuǎn)動帶動傳感器向上移動一步，太陽縱向角的偏差小于-lnw時
云臺帶動傳感器向下移動一歩，偏差在此之間云臺不動。最后當(dāng)橫向角的偏差和縱向角的
偏差都在lnw以內(nèi)時,傳感器精確的跟蹤到了的太陽方位,跟蹤精度為0. r 。 在所述歩驟(3)中，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)下式訃算太陽方位的偏差 AX = U1-U2 AY = U1+U2-2U3。 在所述步驟3)巾，為了避免太陽光強度的變化和大氣傳輸引起的衰減對跟蹤精度影響，可附加- -個除法，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)下式計算太陽方位的偏差
AX1 = (Ul-U2)Z(U1+U2) AY1 = (U1+U2-2U3)/(U1+U2+2U3)。 以上已以較佳實施例公開了本發(fā)明，然其并非用以限制本發(fā)明，凡采用等同杼換或者等效變換方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種基于光電池Y型布局的太陽方位傳感器，其特征在于包括底座，三塊光電池呈Y型均勻布置于底座上，三塊光電池在底座底面上的投影互成120°。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光電池Y型布局的太陽方位傳感器，其特征在于所述底座為三面金字塔型、三面錐臺型或倒三面錐臺型，三塊光電池分別設(shè)置于底座的三個工作斜面--匕
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光電池Y型布局的太陽方位傳感器，其特征在于所述三塊光電池均勻設(shè)置f底座的三個工作斜面....匕。
4. 根據(jù)權(quán)利要求丄所述的基于光電池Y型布局的太陽方位傳感器，其特征在于所述底座為圓錐形,二塊光電池均勻設(shè)賞于錐形斜面上。
5. -,中基丁'光電池Y型布W的太陽跟蹤裝置，包括用T太陽方位探測的太陽方位傳感器，所述太陽方位傳感器與用于信號采集的采集系統(tǒng)相連，采集系統(tǒng)與計算機相連，其特征在于所述太陽方位傳感器包括底座，三塊光電池呈Y型均勻布置于底座上，三塊光電池在底座底面上的投影互成1.20°夾角，所述太陽力'位傳感器設(shè)置在云臺上，所述云臺與云臺控制器相連，所述云臺控制器與計算機相連。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基f光電池Y型布局的太陽跟蹤裝置，其特征在f :所述計算機內(nèi)設(shè)置有對采集信號進行處理的數(shù)據(jù)處理模塊和用于根據(jù)得到的數(shù)據(jù)控制云臺轉(zhuǎn)動的跟蹤控制模塊。
7. -浙基T光電池Y型布W的太陽跟蹤裝置的跟蹤方法其特征在T:包括以下步驟(1) 將太陽方位傳感器固定在云臺匕傳感器的中垂線與云臺中軸線重合；(2) 太陽方位傳感器的三路輸出信號由數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)定時釆集，三塊光電池的正極分別接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)'P的三個模擬輸入端,三塊光電池的負極接地；(3) 計算機的數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)傳感器的Y型布局數(shù)學(xué)模型計算出太陽方位的偏差，當(dāng)上'K或左右偏差大f設(shè)定電壓時由計算機的跟蹤控制模塊產(chǎn)生云臺動作控制信號；(4) 訃算機的跟蹤控制模塊的輸出控制信號接云臺控制器控制云臺的轉(zhuǎn)動并最終使太陽方位傳感器中垂線與太陽精確對準(zhǔn)。
8. 根據(jù)權(quán)利耍求7所述的跟蹤方法，其特征在IS在所述步驟(3)及步驟4)中，計算機每隔1秒計算一次偏差，計算機每1秒產(chǎn)生一個控制信號并且k下的控制信號和左右的控制信號交替產(chǎn)生。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的跟蹤方法,其特征在于在所述步驟(3)屮，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)下式計算太陽方位的偏差A(yù)X = Ul-U2AY = U丄+U2-2U3。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的跟蹤方法，其特征在于在所述歩驟(3)中，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)下式計算太陽方位的偏差A(yù)X1 = (U1—U2)/(U1+U2)AY1 = (U1+U2-2U3),/(U1+U2+2U3)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光電池Y型布局的太陽方位傳感器及太陽跟蹤裝置，包括用于太陽方位探測的太陽方位傳感器，所述太陽方位傳感器與用于信號采集的采集系統(tǒng)相連，采集系統(tǒng)與計算機相連，其特征在于所述太陽方位傳感器包括底座，三塊光電池呈Y型均勻布置于底座上，三塊光電池在底座底面上的投影互成120°夾角，所述太陽方位傳感器設(shè)置在云臺上，三塊光電池均與云臺工作面具有相同的夾角，所述云臺與云臺控制器相連，所述云臺控制器與計算機相連。本發(fā)明實現(xiàn)了無需日歷即可對太陽大視場實時、精確的跟蹤，跟蹤對準(zhǔn)精度達0.1°以上，大大提高了太陽能的轉(zhuǎn)換效率，在太陽能發(fā)電站、船舶的通訊電源、人造衛(wèi)星上的電池板定位上有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G05D3/12GK101694382SQ20091003594
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月14日
發(fā)明者倪煒基, 呂東岳, 徐貴力, 曹傳東, 李文躍, 楊小偉, 蘇正偉, 蔣琦 申請人:南京航空航天大學(xué);