基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，它包括单片机、时钟芯片、键盘、ＬＣＤ控制器、姿态传感器和经信号处理接口与其电连接的直流电机电源，其中计算机为单片机，信号处理接口由数模转换接口构成。该基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置利用日期时间和经纬度，计算太阳方位和当日日出、日落时刻，特别考虑了时差、太阳赤纬变化的不均匀性。结构简单，维护量少，造价低廉，工作稳定，适用于自然环境下无人值守的太阳能开发领域。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种太阳跟踪装置，尤其是基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置。
技术介绍
随着世界能源紧缺，油价高涨，太阳能作为用之不竭的免费绿色能源日益受到重视。为了提高太阳能利用效率，需要使太阳光尽可能垂直入射。科技界在太阳跟踪上进行了大量工作，开发了两种太阳跟踪方法基于感应太阳光方向的主动式跟踪和基于地球绕日轨道规律的被动式跟踪。主动式跟踪如“太阳辐射跟踪控制装置”(专利号01217140.9，授权公告号CN2472151Y)，被动式跟踪代表如“微功耗定时太阳跟踪装置”(专利号02222766.0，授权公告号CN2562135Y)。前者“太阳辐射跟踪控制装置”利用金字塔型光电传感器接收太阳光，太阳光不垂直于金字塔型光电传感器中心时，将造成四个光电板的输出电压不相等，对四个光电板输出的电压进行比较，就可计算出太阳方位，进而控制步进电机驱动跟踪装置对准太阳，优点是精度高，缺点是结构复杂，成本高昂，维护量大，只适合于科研领域，原因在于其为了追求跟踪精度，采用了电热丝、温度传感器、光辐射探测器、四象限探测器、定位传感器等多个模块；后者“微功耗定时太阳跟踪装置”属于被动式跟踪，利用太阳方位角15度/小时的规律，驱动太阳面板方位角同步转动，从9点至18点进行单轴跟踪控制，结构简单，缺点是跟踪误差大，太阳能利用率低，原因在于其没有跟踪太阳高度角，不能实现太阳的双轴跟踪，且没有考虑经度、纬度因素，不适于大面积推广，没有昼夜区分功能，太阳能利用效率低。另外，现有技术中普遍采用步进电机进行驱动，定位装置普遍采用光电传感器，造价昂贵，抗环境干扰能力差。跟踪误差在5度、7度、10度、12度、15度、20度时的跟踪效率分别为ρ5＝cos(5°)＝99.62％，ρ7＝cos(7°)＝99.25％，ρ10＝cos(10°)＝98.48％，ρ12＝cos(12°)＝97.81％，ρ15＝cos(15°)＝96.59％，ρ20＝cos(20°)＝93.97％可见，跟踪误差大于10度后跟踪效率才开始明显下降。民用太阳能领域主要是热水和发电，跟踪误差只要控制在10度以内就可满足需求。民用太阳能领域虽然在跟踪精度上低于科研要求，但追求更高的自动化水平，更少的维护量，更低的成本。目前的主动式跟踪因为涉及光电传感器，造成价格昂贵，且易受灰尘、光污染影响，维护量大，不适于民用太阳能领域；被动式控制由于其可靠性成为民用太阳跟踪装置的方向，但传统的被动式跟踪装置都是依靠步进电机驱动，使用高精度传统系统，造价高，同时没有考虑时差、太阳赤纬变化的不均匀性(地球绕日轨道存在偏心率造成)，也没有考虑经度、纬度，离大规模推广尚有很大差距。
技术实现思路
本技术的目的是针对国内外太阳跟踪器的缺陷，提出一种新型的被动式跟踪装置，以降低太阳跟踪装置的成本，减少维护量，满足民用太阳能领域的需求。本技术的原理是利用单片机根据日期精确求出当日时差(真太阳时与平太阳时的差)与太阳赤纬(太阳直射点的纬度)，再结合当地经度纬度精确计算出太阳当时的高度角和方位角，确定太阳位置，并昼夜判断，本技术计算太阳高度角、方位角的算法如下工作日当天为从1月1日开始计时后的第D天，为方便，设中间量X为x=2π(D-1)365]]>则当天的时差δ，太阳赤纬σ分别为 δ=229.18×(75+186.8com(x)-32077sin(x)-14615cos(2x)-40890sin(2x))1000000]]>σ=180π(6918-399912cos(x)+70257sin(x))-6758cos(2x)+907sin(2x)-2697cos(3x)+1480sin(3x)]]>太阳光直射跟踪装置所在经度后转过的角度称太阳时角Ω，其大小为Ω＝(CT+CL+δ-12)×15°，其中CT为当时的时刻，CL为经度订正，1度/4分钟，δ为当日时差。工作点纬度纬为，北纬为正，南纬为负，太阳高度角α为太阳光线与地平面夹角，太阳方位角β为从正北方向起始，顺时针旋转到太阳光线射影的角度，则对南起赤道北至北极圈的广大地区，有sinα＝sinsinσ+coscosσcosΩ 为了求出当地当天的日出时刻和日落时刻，令高度角α等于零，有cos＝-tantanσ，CT有两个解，小于12的为日出时刻，大于12的解为日落时刻。单片机对太阳期望位置和姿态传感器反馈回来的实际跟踪位置进行比较，得出跟踪误差，根据控制算法输出控制信号，控制直流电机运行，在闭环控制下把误差减小到零，实现双轴跟踪。单片机每隔一段时间就重新进行太阳位置计算，进行新一轮的跟踪，间隔的时间长短可以通过键盘电路对单片机进行设定。姿态传感器由电容传感器组成，其中高度角利用差动电容传感器获知，方位角利用三瓣式电容角度传感器获知，昼间进行跟踪，夜间停止跟踪。本技术的目的是这样实现的一种基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，包括装置结构和电路，所述的装置包括太阳面板、高度角调节杆、高度角传感器、立柱、方位角传感器；所述的电路包括单片机和信号接口；其特征在于 该装置为立筒式结构，太阳面板通过上下两根铰链分别连接到高度角调节杆和支撑杆上，高度角调节杆可在立柱内上下移动，调节太阳面板高度角，高度角传感器的电容动极板和定极板分别置于高度角调节杆外壁与立柱内壁上，方位角传感器的电容动极板置于立柱的底部外壁；该电路包括单片机、信号接口、LCD控制器、时钟芯片、键盘；其特征在于信号接口由两片DAC0832组成，单片机PB0～PB7端口两片DAC0832数据输入端，两片DAC0832的片选信号分别与单片机的PA0，PA1端口电连接；高度角驱动电机电源控制高度角驱动电机，方位角驱动电机电源控制方位角驱动电机；高度角传感器电连接单片机具有内部模/数转换功能的PA2～PA3端口，方位角传感器电连接单片机具有内部模/数转换功能的PA4～PA6端口；LCD控制器的/CS、/WR、DATA电连接单片机的PD5～PD7端口；时钟芯片的RST、SCLK、I/O端口电连接单片机的PD2～PD4端口；键盘的输出端口电连接单片机PC0～PC7端口。所说的单片机为单片机AT90LS8535、时钟芯片为HT1380、信号接口由两片DAC0832组成、LCD控制器为HT1621。所说的高度角驱动电机电源连接控制高度角驱动电机，方位角驱动电机电源连接控制方位角驱动电机。所说的高度角传感器为差动电容传感器，方位角传感器为三瓣式电容角度传感器。所说的单片机的PD0～PD1端口用于外接外部设备串行通信接口。本技术的创新之处在于精确计算了时差、太阳赤纬，避免了现有被动式跟踪技术中不考虑时差，将太阳赤纬变化近似为匀速带来的计算误差；考虑了地理经度、纬度因素，适于各地推广；具有昼夜判别功能；采用了电容传感器实现装置跟踪姿态反馈，利用直流电机进行驱动。本技术的优点是1，成本低廉，由单片机、电容传感器和直流电机组成，无光电传感器和步进电机。2，维护量少，单片机精确计算了决定太阳位置必需的全部因素时差、太阳赤纬、经度、纬度，可实现双轴跟踪，具有昼夜判别能力，可长时间全自动化运行。附本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，包括装置结构和电路，所述的装置包括太阳面板（２）、高度角调节杆（３）、高度角传感器（４）、立柱（５）、方位角传感器（６）；所述的电路包括单片机（１１）和信号接口（１６）；其特征在于：　　　　所述装置为立筒式结构，太阳面板（２）通过上下两根铰链（１）分别连接到高度角调节杆（３）和支撑杆（７）上，高度角调节杆（３）置于立柱（５）内、且与其动配合连接，高度角传感器（４）的电容动极板和定极板分别置于高度角调节杆（３）外壁与立柱（５）内壁上，方位角传感器（６）的电容动极板置于立柱（５）的底部外壁；　　　　所述电路还包括ＬＣＤ控制器（１２）、时钟芯片（１３）、键盘（８）；　　　　信号接口（１６）由两片ＤＡＣ０８３２组成，单片机ＰＢ０～ＰＢ７端口电连接两片ＤＡＣ０８３２数据输入端，两片ＤＡＣ０８３２的片选信号分别与单片机（１１）ＰＡ０，ＰＡ１端口电连接；直流电机电源（９）与高度角驱动电机电连接，直流电机电源（１０）与方位角驱动电机电连接；高度角传感器（４）电连接单片机（１１）具有内部模／数转换功能的ＰＡ２～ＰＡ３端口，方位角传感器（６）电连接单片机（１１）具有内部模／数转换功能的ＰＡ４～ＰＡ６端口；ＬＣＤ控制器（１２）的／ＣＳ、／ＷＲ、ＤＡＴＡ电连接单片机（１１）的ＰＤ５～ＰＤ７端口；时钟芯片（１３）的ＲＳＴ、ＳＣＬＫ、Ｉ／Ｏ端口电连接单片机（１１）的ＰＤ２～ＰＤ４端口；键盘（８）的输出端口电连接单片机（１１）ＰＣ０～ＰＣ７端口。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋记锋，葛运建，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：实用新型
国别省市：34[中国|安徽]