專利名稱：基于球形傳感器的太陽(yáng)跟蹤定位裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到光線定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于球形傳感器的太陽(yáng)跟蹤定位裝置與方法。
背景技術(shù)：
由于現(xiàn)今能源緊張和能源污染問題的日益嚴(yán)重，對(duì)于找到一種總量可觀且清潔無污染能源的要求越來越迫切，而太陽(yáng)能作為一種綠色可再生資源越來越得到人們的青睞。 然而現(xiàn)今對(duì)于太陽(yáng)能的利用主要受到其低下的利用率的限制。如何得到高效率的太陽(yáng)能利用裝置，也成為解決能源問題的一大研究熱點(diǎn)。
從幾何光學(xué)原理來看，太陽(yáng)能的接收功率和太陽(yáng)能發(fā)電板與太陽(yáng)光的光線角度有關(guān)，當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射到發(fā)電板上時(shí)太陽(yáng)能的利用率最高，利用率與偏離這個(gè)垂直角的余弦成正比，即S= ^ Md。而一個(gè)白天當(dāng)中，太陽(yáng)光的入射角是隨時(shí)間而變化的，故提高對(duì)太陽(yáng)能的跟蹤技術(shù)也成為提高太陽(yáng)能利用率的一大有效途徑。
目前，太陽(yáng)光方位跟蹤控制器主要以電控為主，早先純機(jī)械跟蹤方式由于精度低、 機(jī)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差等因素基本已經(jīng)停止應(yīng)用。采用電控方式的太陽(yáng)光方位跟蹤控制器，有時(shí)鐘跟蹤和傳感器跟蹤兩種。采用時(shí)鐘跟蹤方式多為極軸方式線性跟蹤，但是會(huì)存在累積偏差，需要人工修正；當(dāng)使用在其他跟蹤機(jī)構(gòu)上時(shí)，由于為非線性跟蹤，控制器多為工控機(jī)， 算法復(fù)雜，成本高，可移植性不強(qiáng)。采用傳感器跟蹤，現(xiàn)有的研究的多半需要傳感器隨著太陽(yáng)光的改變而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣添加了一個(gè)傳感器的機(jī)械控制環(huán)節(jié)，不但帶來了更大的誤差， 而且還會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于球形傳感器的太陽(yáng)跟蹤定位裝置與方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
一種基于球形傳感器的太陽(yáng)能定位裝置，它主要由球形傳感器、信號(hào)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理芯片等依次連接組成；球形傳感器包括若干個(gè)感光元件和球體，感光元件均勻分布在球體上。
一種根據(jù)上述裝置的太陽(yáng)跟蹤定位方法，包括以下步驟 (1)球形傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬電信號(hào)。
(2)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路將各個(gè)感光元件采集的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)并且輸入數(shù)字信號(hào)處理芯片。
(3)數(shù)字信號(hào)處理芯片采用最大光強(qiáng)點(diǎn)法、最大最小光強(qiáng)差值法或分類法對(duì)數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行處理，得到太陽(yáng)光入射角其中，所述最大光強(qiáng)點(diǎn)法為對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行比較，得出數(shù)值最大點(diǎn)ZmaxfXZ1,込··。)，根據(jù)其標(biāo)號(hào)m和所處的位置即可得到太陽(yáng)光的入射角0 ；所述最大最小光強(qiáng)差值法為對(duì)所采集的任意兩點(diǎn)數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行比較，選得差值最大的兩點(diǎn)，即[Zjb1-I^ = 0111( - ),其中，戰(zhàn)|2=1》..^n為選用感光元件個(gè)數(shù)。
根據(jù)其編號(hào)mi、m2的位置關(guān)系便可得到太陽(yáng)光的入射角^ ；所述分類法為將感光元件分為兩類向著陽(yáng)光的半個(gè)球體上的感光元件定為向陽(yáng)類，背著太陽(yáng)光的半個(gè)球體上的感光元件定為背陽(yáng)類，然后將采集來的各個(gè)感光元件上的數(shù)字電信號(hào)用向量機(jī)分類法進(jìn)行分類，分類中得到的閾值再和各個(gè)點(diǎn)的數(shù)字電信號(hào)作比較，選出離閾值相差最小的三個(gè)點(diǎn)，可認(rèn)為這三個(gè)點(diǎn)處在向陽(yáng)和背陽(yáng)的分界面上，則根據(jù)此三點(diǎn)的編號(hào)和位置得出其所在平面的法線方向即為太陽(yáng)光的入射方向，從而得到太陽(yáng)光的入射角0。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明基于球形的傳感器，根據(jù)球形的高度對(duì)稱性，傳感器可以靜止地對(duì)太陽(yáng)能位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，相比于其他傳感器減少了傳感器的傳動(dòng)環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)，故本發(fā)明得到的太陽(yáng)位置精度高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，可適用于跟蹤精度高、設(shè)備性能要求穩(wěn)定的太陽(yáng)能聚光發(fā)電系統(tǒng)使用。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；
圖2是正六面體及感光元件分布圖； 圖3是球形傳感器工作的幾何原理圖； 圖4是信號(hào)的處理流程圖； 圖5是所得電壓信號(hào)的散點(diǎn)圖。
具體實(shí)施例方式以下根據(jù)所

本發(fā)明的工作原理和所達(dá)到的效果。
如圖1所示，本發(fā)明基于球形傳感器的太陽(yáng)能定位裝置主要由球形傳感器、信號(hào)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理芯片依次連接組成。太陽(yáng)光照射到球體表面時(shí)，光信號(hào)通過球形傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電信號(hào)；模擬電信號(hào)進(jìn)入信號(hào)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電信號(hào)，信號(hào)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字電信號(hào)，由數(shù)字信號(hào)處理芯片處理得到太陽(yáng)光入射角信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的定位。
其中，球形傳感器包括若干個(gè)感光元件(感光元件越多精度越高)和球體，利用的是球體的高度對(duì)稱性，感光元件均勻分布在球體上，故可以用正多面體來逼近球體，而正多面體的頂點(diǎn)位置即可選為感光元件的位置。例如圖2所示用正十二面體來代替球體，其有二十個(gè)頂點(diǎn)，根據(jù)其頂點(diǎn)的分布情況來設(shè)置感光點(diǎn)的分布，并一一對(duì)其編號(hào)。同時(shí)對(duì)感光器件的選取，需要考慮到一般白天的光強(qiáng)，太陽(yáng)光的光譜等因素。隨著感光材料的發(fā)展，球陣的CCD材料可視為該傳感器的上佳材料。由于要達(dá)到高精度的要求，感光元件個(gè)數(shù)相對(duì)較多，故該信號(hào)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路先對(duì)各個(gè)感光元件上的模擬電信號(hào)進(jìn)行掃描，而后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字電信號(hào)，再通過串行輸入的模式輸入數(shù)字信號(hào)處理芯片內(nèi)。
本發(fā)明基于球形傳感器的太陽(yáng)跟蹤定位方法，包括以下步驟 步驟1 球形傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬電信號(hào)。
當(dāng)處在晴朗天氣的白天時(shí)，陽(yáng)光照射到球形傳感器，如圖3所示，可以假設(shè)太陽(yáng)光為平行光，在球體各個(gè)點(diǎn)上的光強(qiáng)都不一樣，且與太陽(yáng)光入射的角度有關(guān)，而感光元件也即將其所在點(diǎn)的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電信號(hào)輸出。所得的模擬電信號(hào)也就包含了太陽(yáng)的位直fe息。
步驟2 掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路將各個(gè)感光元件采集的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)并且輸入數(shù)字信號(hào)處理芯片。
由于要達(dá)到較高的精度，需要設(shè)置的感光點(diǎn)數(shù)量較多，如用正十二面體逼近則需要20個(gè)感光元件，每次采集則需要20個(gè)信號(hào)輸入，而一般單片機(jī)(數(shù)字信號(hào)處理芯片)的 I/O 口數(shù)量達(dá)不到這么多，由于在整個(gè)白天當(dāng)中，太陽(yáng)光的改變速率相比于數(shù)字信號(hào)處理芯片的處理速度較慢，故可采用掃描的方式進(jìn)行一次信號(hào)的采集，具體實(shí)施時(shí)可以設(shè)置片選信號(hào)，通過多次的信號(hào)掃描完成輸入一整次的信號(hào)的采集。采集而得的信號(hào)為模擬電信號(hào)， 而單片機(jī)處理的信號(hào)多為數(shù)字信號(hào)，故需要將模擬信號(hào)通過信號(hào)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，實(shí)際中可以用ADC0809等A/D轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)，輸入單片機(jī)內(nèi)信號(hào)為一組數(shù)字電信號(hào)PJpWj…C/Sj,其中n為選用感光元件個(gè)數(shù)。整個(gè)信號(hào)的處理流程可用圖4進(jìn)行簡(jiǎn)明的概括。
步驟3 數(shù)字信號(hào)處理芯片對(duì)數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行處理，得到太陽(yáng)光入射角。
通過信號(hào)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路輸入到單片機(jī)內(nèi)的數(shù)字信號(hào)僅僅為各個(gè)感光元件上的與光強(qiáng)成正比的電壓信號(hào)，而怎樣將該光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)光入射的角度信號(hào)則為單片機(jī)所需要解決的問題。不同的處理算法所得到的結(jié)果精度是不同的。一下介紹幾種可行的方法。以下均將太陽(yáng)光等效為一平行光束。
(1) 最大光強(qiáng)點(diǎn)法如圖3所示，其中A點(diǎn)切面與太陽(yáng)光線垂直。當(dāng)太陽(yáng)光照射球形傳感電路上時(shí)，太陽(yáng)光的入射點(diǎn)A的半徑方向即為太陽(yáng)光的入射方向，根據(jù)光學(xué)原理，A點(diǎn)為正對(duì)太陽(yáng)光的點(diǎn)，該處光強(qiáng)最大。故對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行比較，得出數(shù)值最大點(diǎn)&； =JiaiPllIk;·Um),根據(jù)其標(biāo)號(hào)m和所處的位置即可得到太陽(yáng)光的入射角0。同時(shí)由于感光器件的精度、環(huán)境影響等因素，所得到的光強(qiáng)最大點(diǎn)不一定完全可靠，故本方法存在較大的誤差。
(2)最大最小光強(qiáng)差值法當(dāng)太陽(yáng)光照射球形傳感電路上時(shí)，其模型如圖3所示。根據(jù)光學(xué)原理可得，理論上A點(diǎn)和B點(diǎn)所在直徑方向即為太陽(yáng)光的入射方向，由于A點(diǎn)正對(duì)于太陽(yáng)光，而B點(diǎn)正背于太陽(yáng)光，故在球體表面A點(diǎn)即為太陽(yáng)光光強(qiáng)最大點(diǎn)，B點(diǎn)即為太陽(yáng)光光強(qiáng)最小點(diǎn)，也即兩點(diǎn)光強(qiáng)差值最大。在單片機(jī)內(nèi)只需要對(duì)所采集的任意兩點(diǎn)數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行比較，選得差值最大的兩點(diǎn)，即^^&^二！?。?！^-^丨，其中，！^松^…??！^為選用感光元件個(gè)數(shù)。根據(jù)其編號(hào)ml、m2和位置關(guān)系便可得到太陽(yáng)光的入射角沒。由于本方法比較的為兩點(diǎn)的差值，一方面增大了比較的數(shù)值，可以減小相對(duì)誤差，提高了系統(tǒng)的精度，另一方面運(yùn)用差值法可以抵消一些外界因素的影響。相比于1中最大光強(qiáng)法，本方法精度和抗干擾能力有了較大的提升。
(3)分類法如圖2和3所示，各個(gè)感光元件在球體上均勻分布，故在理論上可以將所有感光元件分為兩類，在向著陽(yáng)光的半個(gè)球體上的定為向陽(yáng)類，背著太陽(yáng)光的半個(gè)球體上的定為背陽(yáng)類?？梢詫⒉杉瘉淼母鱾€(gè)感光元件上的數(shù)值用向量機(jī)分類法(Support Vector Machines for classification and regression)等方法進(jìn)行分類，如圖5所示。分類中得到的閾值(圖5 中間的分類線)再和各個(gè)點(diǎn)的數(shù)值作比較，選出離閾值相差最小的三個(gè)點(diǎn)，可認(rèn)為這三個(gè)點(diǎn)處在向陽(yáng)和背陽(yáng)的分界面上，則根據(jù)此三點(diǎn)的編號(hào)和位置得出其所在平面的法線方向即為太陽(yáng)光的入射方向，故可得太陽(yáng)光的入射角^。
上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，凡是采用類似的球形傳感器對(duì)光線進(jìn)行定位的系統(tǒng)都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于球形傳感器的太陽(yáng)能定位裝置，其特征在于，它主要由球形傳感器、信號(hào)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理芯片等依次連接組成；球形傳感器包括若干個(gè)感光元件和球體，感光元件均勻分布在球體上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述裝置的太陽(yáng)跟蹤定位方法，其特征在于，包括以下步驟(1)球形傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬電信號(hào)；(2)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路將各個(gè)感光元件采集的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)并且輸入數(shù)字信號(hào)處理芯片；(3)數(shù)字信號(hào)處理芯片采用最大光強(qiáng)點(diǎn)法、最大最小光強(qiáng)差值法或分類法對(duì)數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行處理，得到太陽(yáng)光入射角其中， 所述最大光強(qiáng)點(diǎn)法為對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行比較，得出數(shù)值最大點(diǎn) Uw=TaMUlJJ2^Ux),根據(jù)其標(biāo)號(hào)m和所處的位置即可得到太陽(yáng)光的入射角θ ；所述最大最小光強(qiáng)差值法為對(duì)所采集的任意兩點(diǎn)數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行比較，選得差值最大的兩點(diǎn)，即 Uxl-U^2 = max(Ua-Ul2)，其中，Mfl^=+Ijη為選用感光元件個(gè)數(shù)；根據(jù)其編號(hào)叫馮的位置關(guān)系便可得到太陽(yáng)光的入射角^；所述分類法為將感光元件分為兩類向著陽(yáng)光的半個(gè)球體上的感光元件定為向陽(yáng)類，背著太陽(yáng)光的半個(gè)球體上的感光元件定為背陽(yáng)類，然后將采集來的各個(gè)感光元件上的數(shù)字電信號(hào)用向量機(jī)分類法進(jìn)行分類，分類中得到的閾值再和各個(gè)點(diǎn)的數(shù)字電信號(hào)作比較，選出離閾值相差最小的三個(gè)點(diǎn)，可認(rèn)為這三個(gè)點(diǎn)處在向陽(yáng)和背陽(yáng)的分界面上，則根據(jù)此三點(diǎn)的編號(hào)和位置得出其所在平面的法線方向即為太陽(yáng)光的入射方向，從而得到太陽(yáng)光的入射角·。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于球形傳感器的太陽(yáng)能定位裝置與方法，它主要由球形傳感器、信號(hào)掃描及A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理芯片等依次連接組成；球形傳感器包括若干個(gè)感光元件和球體，感光元件均勻分布在球體上；本發(fā)明基于球形的傳感器，根據(jù)球形的高度對(duì)稱性，傳感器可以靜止地對(duì)太陽(yáng)能位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，相比于其他傳感器減少了傳感器的傳動(dòng)環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié)，故本發(fā)明得到的太陽(yáng)位置精度高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，可適用于跟蹤精度高、設(shè)備性能要求穩(wěn)定的太陽(yáng)能聚光發(fā)電系統(tǒng)使用；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而得到的系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，可適用于那些要求高精度、高穩(wěn)定性的太陽(yáng)能發(fā)電、聚光的系統(tǒng)中使用。
文檔編號(hào)G05D3/00GK102183965SQ20111013451
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者孟濬, 曾恒力, 黃種藝 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)