天文式太阳跟踪器制造技术

一种天文式太阳跟踪器，由控制器、两自由度三维机械旋转平台、电机、减速机构成。其特征在于：还包含一个方位角传感器（6）、一个高度角传感器（3）、一台能自行计算太阳方位角和高度角并能与方位角传感器和高度角传感器一起构成闭环控制的控制器（7）、一组牵拉式非定比传动的高度角调整牵引装置（9）、一个钢丝绳收紧装置（4）、一对非定比传动的驱动轮（11）、一个水平机械旋转平台（16）、一个由高度角调整牵引装置（9）驱动的可自由调整倾角的机械承物平台（2）、一组固接在水平机械旋转平台之上并能支承机械承物平台的支承脚架（8），构成一个闭环控制的天文式太阳跟踪器。

【技术实现步骤摘要】
天文式太阳跟踪器
本专利技术为一种天文式太阳跟踪器，属于太阳能应用领域，能对太阳作三维跟踪；其三维旋转平台上可装太阳能采集设备(如光伏设备或光热接收设备)对太阳进行跟踪运行，使得接收设备的接收平面始终与太阳入射光线垂直，以获得最大的太阳幅射采集量。
技术介绍
现有技术中，若以跟踪方法作区分，有以下两种方法，优缺点如下：1、光跟踪法：用一组光传感器，适时检测入射太阳光与设备的差角，进而驱动执行设备作姿态调整，直至差角为零，从而进入一个短暂的设备角与光入射角匹配的状态，并等待下一个差角的产生和调整，周而复始以达到跟踪太阳的目的；这种方法称作“光跟踪法”，属“被动跟踪”范畴，其逻辑构架如图18所示。由于光跟踪法简单、经济、易于实现，因此被人们最早采用。其优点是设备简单，不需配用复杂、精密的伺服系统，精度可做得很高，但其致命缺点是仅适用于全天晴朗无云的气候，若在复杂的气候条件下，哪怕只有些许浮云，设备就会不听使唤，误动作频发，原地重复多圈旋转，最终导致配线与配管系统的毁坏；灵敏度越高的设备这个问题越趋严重。而当阳光一旦从云缝里射出，由于机构反应速度差的存在，跟踪器却不在预定位置上，此时，接收设备若为高倍聚光的组中，则高温光斑不投射在接收元件上，而会投射在不耐温的(诸如电缆、管线、构架等)部件上，从而烧坏设备。此外，高分辨率的传感器大多由两组共四个光信号检测元件构成，它们彼此按不同的朝向工作，在户外环境中，朝上的那个元件极易受飘尘和鸟类的污染，朝下的元件易受雨水浸润等污染，而造成检测误差；同理，空中的飞机、飞禽活动、周边建筑、相邻的太阳能接收设备等等反射过来的哪怕很微弱的光，都将严重干扰着设备的正常运行，使之误判而烧坏设备。这就是国际太阳能产品市场上至今未能买到合适的此类型太阳跟踪器的原因。2、天文跟踪法：先根据地球与太阳之间的天文运行规律，计算出地球表面上任一点太阳的高度角与方位角随季节和时间变化的规律，再设计一套数控的机械设备，按其规律对设备进行预调整，以达到跟踪之目的；这种方法被称作“天文跟踪法”属“主动跟踪”范畴，其逻辑构架如图19所示。天文跟踪法首先要理清地球与太阳之间的天文运行规律。由于地球自转与绕太阳公转之间的黄道面/赤道面夹角(23°27′)的存在，以及地球上“恒星年”(365.25636日≈365日6时9分10秒)、“回归年”(365.24219879日≈365日5小时48分45.5秒)和“历法年”(365～366天/年，4年一闰、百年不闰、400年再闰)之间的差异，三者的公倍数无限大，使得太阳在天空中的位置随着时间和地理位置的不同而在不断变化着，不但每日不同、每季不同，而且每年的同一日也不同，国际天文学界以及太阳能界的先驱们数百年来作了许多探索，发表了许多论文，公布了许多算法。在天文算法中规定：水平方向以正南为零度，南偏东为负值、南偏西为正值，称为方位角；垂直方向以地平线为零度，低于地平线为负值、高于地平线为正值，称作高度角。对聚光太阳能接收设备而言，其聚光比越大，在预定焦平面上得到的光强越大，要求的算法精度就越高，其接收效率也越高；反之，设备的聚光比越小，对算法精度的要求也愈低；因此，对于不同系统，只要采用与其精度要求相适应的算法就行。这种跟踪器在国际上有人销售，价格昂贵。此外，天文跟踪法是一种数字式跟踪器，设备易于组成需作姿态群控的接收器阵列，比如“避风”(设备拉平，高度角＝90°)、“避雪”(设备竖直，高度角＝0°)、“避尘”(设备竖直，高度角＝0°)、“防冻”(内部液体排空)、“防系统热溢出”(与太阳光保持一定夹角)“跟踪”、“休眠”等定量的远程姿态群控指令，可通过总线式“RS485”接口或以太网的“TPC/IP”接口得以发出和接收，通过服务器还能进行各种数据远程采集以及设备的初始化和自动化管理。现有技术中，若以系统的控制方式作区分，也有以下两种，优缺点如下：1、闭环控制：在光跟踪法中，光传感器发出的是模拟信号，不能用于控制步进电机作定量传动，因而系统不能进行“目标运算、定比传动、定量到位”的开环控制，只能用常规电机进行“开关”控制，并经由被控设备带动的传感器，使之逐步逼近、并最终抵达目标而完成一次闭环控制；具体的工作过程是：由光传感器发出的纠偏信号经放大后，控制电机工作，电机经减速后推动机械构架转动进行纠偏；光传感器安装在机械构架中与其随动，逐步逼近目标，设备角度越接近目标，光传感器的纠偏信号越小，直至与目标完全重合后纠偏信号消失，完成一次闭环控制。这种闭环控制系统的缺点是：无法预先得到目标的准确位置并发出定量的目标坐标指令；其优点是：设备简单，对电机、减速机和传动系统没什么要求，机械传动中偶发的“打滑”、“跳齿”不会影响系统的准确跟踪，因此，跟踪设备水平方向的方位角调整可用简单的“滚轮/路轨”方式实现，垂直方向的高度角调整可用更简单的连杆、皮带传动等方法实现。取材方便、经济实惠，设备的造价低。2、开环控制：在天文跟踪法中，常规的做法是采用开环控制，即：由计算机给出即时的目标坐标，并根据机械定比传动的匹配数据算出步进电机所需的“步数”，进而向步进电机发出定量的工作指令，只要电机完成工作指令、转过一定的“步数”，系统即默认为“已对准目标”。在此过程中，没有位置信号传感器反馈设备在纠偏过程和纠偏结束时的姿态信息，设备的运行精确度依赖于机械传动中各环节的传动精度。当然，系统若采用伺服电机(步进电机+旋转编码器)，能有利于监控电机对指令执行的结果，能避免步进电机的电气“失步”，但设备整体还是属于开环控制的范畴，无法防止机械传输系统的打滑、跳齿带来的永久性传动误差。此外，还有《华中科技大学》的陈应天教授提出的《用简单编码器提高普通直流电机驱动精度和可靠性的方法》(中国专利号200610200317.5)，其方法的优势是：用普通直流电机搭成“准步进电机”，优点是a、可省去价格昂贵的步进电机；b、直流电机的供电方式与太阳能接收设备易于匹配；但其缺点是易“失步”，无法保证受控设备准确的定量纠偏，还需要一套精确的机械定比传动系统与其匹配；此例也属于开环控制纠偏法。开环控制纠偏法虽在许多天文跟踪设备(如大型天文望远镜、太阳跟踪器)、卫星接收设备中广为采用，但其需要一套精密可靠的定比传动的机械设备与其匹配运行，它控制的是“过程”而不是“目标”，是用精确的传动过程来保证目标的实现；因此，其机械设备相当昂贵并且难以伺候，每个环节均需使用齿轮、链轮或同步带轮传动，这在小型设备上易于实现，在大至数米至数十米的大型设备上就很难实施；若在户外环境中用于大型太阳跟踪器，一旦传动过程中由于风载或“热胀冷缩”等外界原因产生“跳齿”、“打滑”都会产生永久性的误差，使其偏离预定方向。总结：在户外大型太阳跟踪器中，现有技术常用的有以下二种控制方法：1、闭环控制：是一种目标控制，有反馈环节，通过反馈系统使系统的精确度提高，它能保证不达目标绝不罢休，并且设备成本低，易于实现，是大型太阳跟踪器理想的控制方式。2、开环控制：是一种过程控制，无反馈环节，系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，没有自动修正或补偿的能力它只管工作流程而不管产生效果，“官僚”且高成本，用于大型太阳跟踪器太过奢侈，一旦发生偏差无法感知。由此可见本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天文式太阳跟踪器，由控制器、两自由度三维机械旋转平台、电机、减速机构成，其特征在于：还包含一个方位角传感器（6）、一个高度角传感器（3）、一台能自行计算太阳方位角和高度角并能与方位角传感器和高度角传感器一起构成闭环控制的控制器（7）、一组牵拉式非定比传动的高度角调整牵引装置（9）、一个钢丝绳收紧装置（4）、一对非定比传动的驱动轮（11）、一个水平机械旋转平台（16）、一个由高度角调整牵引装置（9）驱动的可自由调整倾角的机械承物平台（2）、一组固接在水平机械旋转平台（16）之上并能支承机械承物平台（2）的支承脚架（8），构成一个闭环控制的天文式太阳跟踪器。

【技术特征摘要】
1.一种天文式太阳跟踪器，包括电机、减速机，其特征在于：还包含一个方位角传感器(6)、一个高度角传感器(3)、一台能自行计算太阳方位角和高度角并能与方位角传感器和高度角传感器一起构成闭环控制的控制器(7)、一组牵拉式非定比传动的高度角调整牵引装置(9)、一个钢丝绳收紧装置(4)、一对非定比传动的驱动轮(11)、一个水平机械旋转平台(16)、一个由高度角调整牵引装置(9)驱动的可自由调整倾角的机械承物平台(2)、一组固接在水平机械旋转平台(16)之上并能支承机械承物平台(2)的支承脚架(8)；所述控制器(7)还包括自动获取地理位置坐标接口。2.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：方位角传感器(6)安装在水平机械旋转平台(16)或支承脚架(8)之上，其核心由一组三坐标地球磁场方向矢量感知器和一组A/D转换器构成；分布在X轴、Y轴、Z轴上的地球磁场方向矢量感知器感知的微弱磁场信号经“磁/电”转换后再经内部放大器放大，再由A/D转换器转换成数字信号后传输给控制器(7)，由控制器(7)内部计算出此时设备的实际方位角。3.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：高度角传感器(3)安装在机械承物平台(2)之上，其核心由一组三坐标地球重力方向矢量感知器和一组A/D转换器构成；分布在X轴、Y轴、Z轴上的地球重力方向矢量感知器感知的微弱重力场信号经内部放大器放大，再经A/D转换器转换成数字信号后传输给控制器(7)，由控制器(7)内部计算出此时设备的实际高度角。4.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：控制器(7)内部由电源、计算器、传感器接口、比较器、电机驱动电路构成；计算器根据设备所在的地理位置和时间计算出即时的太阳方位角与高度角的理论数据，同时将由传感器接口输入的方位角传感器(6)和高度角传感器(3)感知的设备姿态数据进行计算，计算结果与理论数据进行比较，比较后，定时或定差向电机驱动电路发出姿态调整信号；设备的姿态改变后，与设备随动的方位角传感器和高度角传感器感知的新的数据再行与理论数据进行比较，直至分别相同为止，以此实现设备的方位角和高度角的闭环控制。5.根据权利要求1或4所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：控制器(7)内部还设有远程通讯接口、手动输入地理位置坐标接口；远程通讯接口通过“RS485”总线式接口或“TPC/IP”接口或其它协议的通讯接口对本设备作“避风”、“避雪”、“避尘”、“防冻”、“防系统热溢出”、“跟踪”、“休眠”远程姿态控制，通过服务器，还能将多个跟踪器组成跟踪器阵列，并对其作群控和各种数据采集以及设备的初始化和自动化管理。6.根据权利要求1所述的天文式太阳跟踪器，其特征在于：高度角调整牵引装置(9)是一种牵拉式非定比传动的电动装置，由拖曳轮压紧装置(9a)、外壳(9b)、一组拖曳轮(9e)、一个压力...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鼎凌，
申请(专利权)人：陈鼎凌，
类型：发明
国别省市：福建;35