專利名稱：三桿式太陽跟蹤裝置的制作方法
三桿式太陽跟蹤裝置技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于太陽能利用領(lǐng)域，具體涉及一種三桿式太陽跟蹤裝置。
技術(shù)背景
隨著全球能源危機的愈演愈烈，開發(fā)和利用新能源變得越來越有必要。太陽能 以其綠色環(huán)保，可持續(xù)利用的優(yōu)點，成為研究的熱點。由于太陽能存在著光能密度低、 間歇性、空間分布不斷變化的缺點，其利用率十分低。要提高太陽能的利用率，必須提 高太陽能的吸收效率。太陽跟蹤裝置為提高太陽能的吸收效率提供了有效的途徑。
目前太陽跟蹤主要有光電跟蹤和太陽運動軌跡跟蹤兩種方式。光電跟蹤方式通 過檢測太陽光的入射角度控制裝置跟蹤太陽，是一種閉環(huán)控制方法。該方式反應(yīng)靈敏， 算法簡單，但易受天氣影響。太陽運動軌跡跟蹤方式通過計算太陽運動軌跡控制裝置跟 蹤太陽，是一種開環(huán)控制方法。該方式不受天氣影響，運行穩(wěn)定，但算法復(fù)雜，存在積 累誤差。
在具體實現(xiàn)上，太陽跟蹤主要是單軸跟蹤和雙軸跟蹤。單軸跟蹤只能跟蹤方 位角和高度角中的一個角度的變化，一般是跟蹤方位角的變化，存在跟蹤精度不高的缺 點。雙軸跟蹤能夠同時跟蹤方位角和高度角的變化，但存在靈活度不高的缺點。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有太陽跟蹤裝置的缺點，提供一種三桿式太陽跟蹤裝 置，該裝置具有易于實現(xiàn)，運行穩(wěn)定，精度高和靈活度高的特點。
本發(fā)明提供的一種三桿式太陽跟蹤裝置，其特征在于，該裝置包括光電檢測 器，載物平臺，萬向球運行軌道，萬向球，電動推桿，支撐平臺和信號處理器；光電檢 測器固定于載物平臺表面的中心；載物平臺背面設(shè)置有三根互成120度的長度相同的 萬向球運行軌道，三根萬向球運行軌道的延長線交與一點；載物平臺由三根電動推桿 支撐，電動推桿一端通過萬向球嵌入到萬向球運行軌道，并能夠在萬向球運行軌道上滑 動，另一端固定在支撐平臺上；電動推桿的軸線與支撐平臺的平面保持垂直，三根電動 推桿在支撐平臺上對應(yīng)的固定點構(gòu)成一個正三角形；支撐平臺內(nèi)承載有信號處理器。
本發(fā)明的有益效果是，采用三根電動推桿支撐載物平臺，負(fù)重能力強，可以承 載大面積太陽能電池板，降低成本；調(diào)整方式多樣，靈活性高；誤差小，精確度高；調(diào) 整過程中慣量小，摩擦小，提高了裝置穩(wěn)定性，延長了裝置使用壽命；機械結(jié)構(gòu)簡單巧 妙，實用性強；易于實現(xiàn)，引入記憶功能，不受天氣影響；擴(kuò)展性強，適用于任意波長 光線的跟蹤。


圖1為本裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為光電檢測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本裝置上半部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本裝置下半部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為信號處理器的組成示意圖。
圖6為四象限探測器與軌道相對位置示意圖。
圖7為數(shù)據(jù)處理算法流程圖。
圖中標(biāo)號1-光電檢測器；2-載物平臺；3-萬向球運行軌道；4-萬向球； 5-電動推桿；6-支撐平臺；7-信號處理器；8-遮光罩；9-四象限探測器；10-放大電 路；11-A/D轉(zhuǎn)換電路；12-單片機；13-驅(qū)動電路。
具體實施方式
下面通過借助實施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本 發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實施例的限制。
如圖1所示，一種三桿式太陽跟蹤裝置包括光電檢測器1，載物平臺2，萬向球 運行軌道3，萬向球4，電動推桿5，支撐平臺6和信號處理器7。
光電檢測器1固定于載物平臺2上。如圖2所示，光電檢測器1包括遮光罩8 和四象限探測器9。遮光罩8為中空的圓柱體，側(cè)壁封閉不透光，頂部中心開有圓孔。 四象限探測器9置于遮光罩8內(nèi)，且位于遮光罩的底部中心。四象限探測器9感光面的 半徑比遮光罩8頂部圓孔的半徑要大。當(dāng)太陽光垂直照射時，太陽入射光斑的中心與四 象限的原點重合，四象限探測器9光敏面上四個象限的受光面積相同，四路輸出信號相 同；否則，四路輸出信號不同。通過對四路輸出信號進(jìn)行處理可以得到太陽入射光斑的 中心相對于四象限原點的偏移量。
如圖3所示，載物平臺2是一塊圓形的薄板。載物平臺2背面設(shè)置有三根互成 120度的萬向球運行軌道3，萬向球運行軌道3為內(nèi)嵌式軌道，軌道內(nèi)表面光潔度高。萬 向球4內(nèi)嵌于萬向球運行軌道3中，其半徑比軌道半徑略小，可以緊貼軌道在軌道中作任 意方向的轉(zhuǎn)動，萬向球4表面光潔度高。萬向球4通過半徑較小的圓柱與電動推桿5相 連接，圓柱半徑小于萬向球4半徑的一半。電動推桿5內(nèi)部帶有的直流電機，可以控制 電動推桿5伸長與縮短。當(dāng)電動推桿5伸長或縮短時，萬向球4隨之上升或下降，萬向 球4與萬向球運行軌道3發(fā)生相對運動，載物平臺2角度隨之發(fā)生變化。電動推桿5長 度的變化將轉(zhuǎn)化為載物平臺2角度的變化。電動推桿5具有自鎖功能，當(dāng)其長度達(dá)到最 大值或最小值時，將進(jìn)行鎖定。
如圖4所示，電動推桿5底部固定在支撐平臺6上，電動推桿5的軸線與支撐平 臺6的平面保持垂直，三根電動推桿5在支撐平臺6上對應(yīng)的固定點構(gòu)成一個正三角形。 支撐平臺6是一個中空的圓柱體，其內(nèi)部承載著信號處理器7。
如圖5所示，信號處理器7包括依次電連接的放大電路10，A/D轉(zhuǎn)換電路11， 單片機12和驅(qū)動電路13。放大電路10將四象限探測器9的輸出信號放大，A/D轉(zhuǎn)換電 路11將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機12采用數(shù)據(jù)處理算法對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 信號進(jìn)行處理，得到的控制信號通過驅(qū)動電路13控制電動推桿5工作。
如圖6所示，三根萬向球運行軌道3中一根與四象限探測器9的縱軸平行，一根 位于四象限探測器9的第三象限，一根位于四象限探測器9的第四象限。三根萬向球運行軌道3靠近四象限探測器9的三個端點構(gòu)成一個正三角形，該正三角形的中心與四象限 探測器9的原點重合。
數(shù)據(jù)處理算法流程圖如圖7所示。設(shè)從四象限探測器9輸出的電壓經(jīng)過放大和 A/D轉(zhuǎn)換后分別為vl，v2, v3, V4。引入變量s表示光強，引入變量x，y分別表示χ 軸方向上的偏移和y軸方向上的偏移，s = vl+v2+v3+v4, χ = (vl+v4-v2-v3)/s, y = (vl+v2-v3-v4)/s。要為光強s，偏移量x，偏移量y分別設(shè)定一個閾值Ms，Mx, My。 光強閾值的選取與所處地理位置有關(guān)，偏移量閾值的選取與裝置的靈敏度有關(guān)，本裝置 中令 Ms = 0.1，Mx = My = 0.02。
當(dāng)天氣為晴天時，光強較強，超過閾值，進(jìn)入正常調(diào)節(jié)模式。Li，L2，L3分別 表示三根電動推桿5，Ll與縱軸方向上的軌道相對應(yīng)，L2與第三象限的軌道相對應(yīng)，L3 與第四象限的軌道相對應(yīng)。先考慮y，iy>My，則Ll上升4個單位長度，L2和L3 下降2個單位長度。當(dāng)-My<y<My，則Li，L2，L3都保持不變。當(dāng)y < _My，則 Ll下降4個單位長度，L2和L3上升2個單位長度。再考慮x，當(dāng)χ > Mx，則Ll保持 不變，L2下降3個單位長度，L3上升3個單位長度。當(dāng)-MX<x<Mx，則Li，L2， L3都保持不變。當(dāng)x<-Mx，則Ll保持不變，L2上升3個單位長度，L3下降3個單 位長度。單位長度的選取與裝置的尺寸有關(guān)，本裝置中單位長度為電動推桿通電0.2秒所 伸長的長度。同時考慮χ和y，則偏移量取值范圍與調(diào)整方式的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。
表1調(diào)整方式對應(yīng)表
權(quán)利要求
1.一種三桿式太陽跟蹤裝置，其特征在于，該裝置包括光電檢測器(1)，載物平臺 (2)，萬向球運行軌道(3)，萬向球(4)，電動推桿(5)，支撐平臺(6)和信號處理器(7)；光電檢測器(1)固定于載物平臺(2)表面的中心；載物平臺(2)背面 設(shè)置有三根互成120度的長度相同的萬向球運行軌道(3)，三根萬向球運行軌道(3) 的延長線交與一點；載物平臺(2)由三根電動推桿(5)支撐，電動推桿(5) —端通 過萬向球(4)嵌入到萬向球運行軌道(3)，并能夠在萬向球運行軌道(3)上滑動， 另一端固定在支撐平臺(6)上；電動推桿(5)的軸線與支撐平臺(6)的平面保持垂 直，三根電動推桿(5)在支撐平臺(6)上對應(yīng)的固定點構(gòu)成一個正三角形；支撐平臺 (6)內(nèi)承載有信號處理器(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽跟蹤裝置，其特征在于，所述光電檢測器(1)包括遮 光罩(8)和四象限探測器(9)；遮光罩(8)為中空的圓柱體，側(cè)壁封閉不透光，頂 部中心開有圓孔；四象限探測器(9)置于遮光罩(8)內(nèi)，且位于遮光罩(8)的底部 中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽跟蹤裝置，其特征在于，所述萬向球運行軌道(3)為 內(nèi)嵌式軌道。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽跟蹤裝置，其特征在于，三根萬向球運行軌道(3) 中一根與四象限探測器(9)的縱軸平行，一根位于四象限探測器(9)的第三象限，一 根位于四象限探測器(9)的第四象限；三根萬向球運行軌道(3)靠近四象限探測器(9)的三個端點構(gòu)成一個正三角形，該正三角形的中心與四象限探測器(9)的原點重I=I ο
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽跟蹤裝置，其特征在于，所述萬向球(4)通過圓柱與 電動推桿(5)相連接，圓柱半徑小于萬向球(4)半徑的一半。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽跟蹤裝置，其特征在于，所述信號處理器(7)包 括依次電連接的放大電路(10)，A/D轉(zhuǎn)換電路(11)，單片機(12)和驅(qū)動電路 (13)；放大電路(10)將四象限探測器(9)的輸出信號放大，A/D轉(zhuǎn)換電路(11) 將放大后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機(12)采用數(shù)據(jù)處理算法對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字 信號進(jìn)行處理，得到的控制信號通過驅(qū)動電路(13)控制電動推桿(5)工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽跟蹤裝置，其特征在于，所述裝置具有記憶功能，在 單片機(12)內(nèi)存有固定時刻的電動推桿(5)長度；當(dāng)天氣為晴天時，光強較強，進(jìn) 入正常調(diào)節(jié)模式，并在每天的相應(yīng)時刻，對電動推桿(5)的長度進(jìn)行刷新；當(dāng)天氣為 陰天或多云時，光強較弱，進(jìn)入記憶調(diào)節(jié)模式，按照單片機(12)內(nèi)固定時刻電動推桿 (5)的長度控制電動推桿(5)工作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽跟蹤裝置，其特征在于，若將太陽光波長的四象限探 測器(9)換成任意波長的四象限探測器(9)，則該裝置跟蹤任意波長的光線。
全文摘要
本發(fā)明提供的太陽跟蹤裝置，其特征在于，該裝置包括光電檢測器，載物平臺，萬向球運行軌道，萬向球，電動推桿，支撐平臺和信號處理器；光電檢測器固定于載物平臺表面的中心；載物平臺背面設(shè)置有三根互成120度的長度相同的萬向球運行軌道，三根萬向球運行軌道的延長線交與一點；載物平臺由三根電動推桿支撐，電動推桿一端通過萬向球嵌入到萬向球運行軌道，并能夠在萬向球運行軌道上滑動，另一端固定在支撐平臺上；電動推桿的軸線與支撐平臺的平面保持垂直，三根電動推桿在支撐平臺上對應(yīng)的固定點構(gòu)成一個正三角形；支撐平臺內(nèi)承載有信號處理器。本發(fā)明負(fù)重能力強，可以承載大面積太陽能電池板；調(diào)整過程中慣量小，摩擦小，提高了裝置穩(wěn)定性，延長了裝置使用壽命；具有易于實現(xiàn)，精度高和靈活度高的特點。
文檔編號G05D3/12GK102023646SQ201010589870
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者劉輝, 張瑞, 王慶歡, 苗英豪, 鄒志革, 鄒雪城, 雷鑑銘 申請人:華中科技大學(xué)