專利名稱：一種太陽自動跟蹤裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及定位及自動跟蹤技術領域，具體涉及一種實時準確跟蹤太陽，用于太陽能的高效采集和利用的自動跟蹤裝置。
背景技術：
太陽能是一種清潔無污染的能源，太陽能發(fā)電已成為全球解決能源危機的重要途徑。目前國內(nèi)大中型光伏發(fā)電站的電池板陣列基本為固定式，由于太陽能的能量密度低、隨機性大，太陽的光照方向和強度隨時間不斷變化，并且受自然條件的影響，所以不能充分利用太陽輻射能量。要想在太陽能光伏陣列的單位面積上獲得最大的輻照量，提高太陽能的利用率，就必須使用太陽定位及自動跟蹤技術。 如授權(quán)公告號CN2472151Y，
公開日為2002. I. 16，名稱為“太陽輻射跟蹤控制裝置”的專利文獻中提出了一種用金字塔型光電傳感器接收太陽光，當太陽光不垂直于金字塔型光電傳感器的中心時，就會造成四個光電板的輸出電壓不相等，只要對四個光電板輸出的電壓進行比較，就可以計算出當前的太陽方位，進而控制步進電機驅(qū)動跟蹤裝置跟蹤太陽；其優(yōu)點是精度高，缺點是結(jié)構(gòu)復雜，跟蹤范圍小，成本高，只適合于科研領域；原因在于其為了追求跟蹤精度，采用了電熱絲、溫度傳感器、光輻射探測器、四象限探測器、定位傳感器等多個模塊。再如授權(quán)公告號CN2562135Y，
公開日為2003. 7. 23，名稱為“微功耗定時太陽跟蹤裝置”的專利文獻中提出了一種利用太陽方位角每小時15°的規(guī)律，驅(qū)動太陽面板方位角同步轉(zhuǎn)動，從9點至18點進行單軸跟蹤；其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是跟蹤誤差大，從而造成其太陽能的利用率低；原因在于其沒有跟蹤太陽的高度角，不能實現(xiàn)太陽的雙軸跟蹤，并且沒有區(qū)分晝夜的功能。另外，國內(nèi)生產(chǎn)的太陽跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)品由于各個傳動組件設置不合理以及控制系統(tǒng)不完善等，使得整個系統(tǒng)存在傳動效率低、承載能力小、電機壽命短、跟蹤精度低(5°左右)、能耗高和工程實用性差等不足。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服目前太陽跟蹤系統(tǒng)存在的不足，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種實現(xiàn)方位、俯仰二維同步準確地跟蹤太陽的太陽自動跟蹤裝置，其跟蹤太陽的精度小于
O.1 ，且能耗僅為所驅(qū)動光伏陣列發(fā)電量的O. 5%，并具有壽命長、保護功能完善等特點。本發(fā)明創(chuàng)造為解決其技術問題，通過下述技術方案予以實現(xiàn)一種太陽自動跟蹤裝置，包括太陽能光伏陣列、與太陽能光伏陣列連接并調(diào)節(jié)太陽能光伏陣列位置的調(diào)節(jié)裝置、支撐調(diào)節(jié)裝置的立柱及控制系統(tǒng)，所述的調(diào)節(jié)裝置由俯仰角調(diào)節(jié)組件和方位角調(diào)節(jié)組件組成，太陽能光伏陣列通過支撐架與俯仰角調(diào)節(jié)組件相連接，俯仰角調(diào)節(jié)組件通過立軸與方位角調(diào)節(jié)組件相連，方位角調(diào)節(jié)組件設置在立柱上，控制系統(tǒng)對調(diào)節(jié)裝置進行閉環(huán)控制；所述方位角調(diào)節(jié)組件主要由方位電機、方位減速器、蝸桿、蝸輪、立軸組成，方位電機的動力輸出軸與方位減速器的輸入軸連接，方位減速器的輸出軸通過膜片聯(lián)軸器與蝸桿連接，蝸桿與蝸輪嚙合連接，蝸輪通過鍵與立軸配合連接，實現(xiàn)立軸的方位旋轉(zhuǎn)運動；
所述方位角調(diào)節(jié)組件的立軸上還設有用以檢測太陽能光伏陣列實際位置信息的方位角圓磁柵和方位角圓磁柵讀頭；
俯仰角調(diào)節(jié)組件固定設置在立軸上，所述俯仰角調(diào)節(jié)組件主要由俯仰電機、聯(lián)軸器、弧齒錐齒輪副、動力傳遞軸和支撐架組成，俯仰電機的動力輸出軸通過聯(lián)軸器與弧齒錐齒輪副的主動輪的一端連接，弧齒錐齒輪副的從動輪通過鍵與動力傳遞軸連接，支撐架固定在動力傳遞軸的兩端，實現(xiàn)支撐架的俯仰旋轉(zhuǎn)運動，在支撐架安裝有太陽能光伏陣列；
所述俯仰角調(diào)節(jié)組件的動力傳遞軸上還安裝有用以檢測太陽能光伏陣列實際位置信
息的俯仰角光電編碼器；
所述控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理器、時間獲取與校準模塊、信息反饋模塊、運動控制模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊組成；
所述時間獲取與校準模塊由時鐘芯片和GPS模塊組成，其時鐘芯片用于將一天中太陽不同位置的時間信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器；GPS模塊用于定期對時鐘芯片進行高精度校準；所述信息反饋模塊由俯仰角光電編碼器和方位角圓磁柵讀頭構(gòu)成，用以獲取跟蹤太陽能光伏陣列實際的方位角和俯仰角并將此信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器，與計算出的太陽角度位置信息比較得到跟蹤誤差，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制；
所述運動控制模塊由俯仰電機驅(qū)動電路、俯仰限位開關、方位電機驅(qū)動電路和方位限位開關組成，俯仰電機驅(qū)動電路和方位電機驅(qū)動電路輸出三相定子繞組電壓，以驅(qū)動俯仰電機和方位電機進行旋轉(zhuǎn)，俯仰限位開關和方位限位開關用于對太陽能光伏陣列轉(zhuǎn)動的方位角和俯仰角極限位置進行限位；
所述數(shù)據(jù)處理器利用時鐘芯片準確計算出的一年中某天的時間信息，根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)緯度數(shù)據(jù)和太陽周期運動的規(guī)律方程，計算出某天不同時刻時太陽的方位角和俯仰角，由此確定太陽能光伏陣列對應的方位角和俯仰角，分別作為伺服系統(tǒng)方位角和俯仰角輸入指令信號;
所述俯仰角光電編碼器測量出光伏陣列的實際俯仰角，作為俯仰角反饋信號送入數(shù)據(jù)處理器；數(shù)據(jù)處理器根據(jù)俯仰角輸入指令信號和俯仰角反饋信號的偏差等狀態(tài)，利用自適應控制算法，計算出俯仰電機轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號的大小后，通過D/A轉(zhuǎn)換模塊I將轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速模擬控制信號，同時數(shù)據(jù)處理器發(fā)出俯仰電機旋轉(zhuǎn)方向信號；俯仰電機驅(qū)動電路根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速模擬控制信號和方向信號，輸出相應的三相定子繞組方波電壓控制俯仰電機以一定的速度旋轉(zhuǎn)，通過俯仰電機帶動太陽能光伏陣列動作，實現(xiàn)太陽能光伏陣列在俯仰方向的旋轉(zhuǎn)來實時調(diào)整俯仰角，直到俯仰角輸入指令信號和俯仰角反饋信號的偏差為零，太陽能光伏陣列停止旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對太陽俯仰角實時的高精度跟蹤；所述方位角圓磁柵讀頭測量出太陽能光伏陣列的實際方位角，作為方位角反饋信號送入數(shù)據(jù)處理器；所述數(shù)據(jù)處理器根據(jù)方位角輸入指令信號和方位角反饋信號的偏差等狀態(tài)，計算出方位電機轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號的大小后，由D/A轉(zhuǎn)換模塊II將轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速模擬控制信號，同時數(shù)據(jù)處理器發(fā)出方位電機旋轉(zhuǎn)方向信號；方位電機驅(qū)動電路根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速模擬控制信號和方向信號，輸出相應的三相定子繞組方波電壓控制方位電機以一定的速度旋轉(zhuǎn)，通過方位電機帶動太陽能光伏陣列繞立軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)太陽能光伏陣列在方位方向的旋轉(zhuǎn)來實時調(diào)整方位角，直到方位角輸入指令信號和方位角反饋信號的偏差為零，太陽能光伏陣列停止旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對太陽方位角實時的高精度跟蹤。所述方位角調(diào)節(jié)組件設置在俯仰角調(diào)節(jié)組件下方，方位角調(diào)節(jié)組件固定于立柱上，俯仰角調(diào)節(jié)組件固定于方位角調(diào)節(jié)組件的立軸上。所述方位角調(diào)節(jié)組件中的蝸桿一端通過兩個角接觸球軸承背靠背安裝支撐在方位減速器箱體上，并通過圓螺母調(diào)整預緊力實現(xiàn)徑向和軸向的固定，另一端安裝深溝球軸承實現(xiàn)徑向固定，軸向游動。

所述的俯仰角調(diào)節(jié)組件的弧齒錐齒輪副中的主動輪由兩個角接觸球軸承背靠背安裝支撐，軸承中間連接有軸套，通過圓螺母調(diào)整預緊力實現(xiàn)徑向和軸向的固定。所述方位角調(diào)節(jié)組件中的方位電機和俯仰角調(diào)節(jié)組件的俯仰電機均為無刷直流電機。所述控制系統(tǒng)中還包括光強傳感器和風速傳感器，光強傳感器用于檢測周圍環(huán)境陰雨晴天天氣情況，風速傳感器用于檢測周圍環(huán)境的風速大小；光強傳感器和風速傳感器將檢測到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器。所述數(shù)據(jù)處理器為數(shù)字信號處理器。由于采用上述技術方案，本發(fā)明創(chuàng)造具備如下有益效果
I、本發(fā)明利用信息反饋模塊獲取太陽能光伏陣列的實際位置信息，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，并采用GPS模塊定期對時鐘芯片計算的時間進行高精度校準，提高了太陽實時方位角和俯仰角計算精度，跟蹤精度可達O. I 。2、本發(fā)明采用雙軸聯(lián)動模式，太陽能光伏陣列跟蹤器方位調(diào)節(jié)組件采用平面一次包絡多頭環(huán)面蝸桿蝸輪結(jié)構(gòu)，俯仰調(diào)節(jié)組件采用弧齒錐齒輪結(jié)構(gòu)，傳動效率能達到90% ;兩調(diào)節(jié)組件均采用大減速比的傳動機構(gòu)，顯著減小太陽能光伏陣列的轉(zhuǎn)動慣量，用功率很小的電機就能驅(qū)動太陽能光伏陣列旋轉(zhuǎn)，能耗比為O. 5%。3、本發(fā)明采用無刷直流電機、圓磁柵讀頭和光電編碼器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用自適應控制算法，可有效抑制外部擾動，修正累積誤差和減小系統(tǒng)誤差，具有長期的跟蹤精度和運行的可靠性、且維護費用低。4、本發(fā)明采用風速傳感器來檢測環(huán)境風速，當風速過大時放平太陽能光伏陣列保護系統(tǒng)；采用光強傳感器檢測環(huán)境天氣為陰雨天或晴天，以確定裝置是否跟蹤太陽。5、本發(fā)明傳動機構(gòu)具有自鎖和電氣限位保護功能，傾覆力矩大，控制系統(tǒng)電路采用模塊化設計，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護。


圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I中沿A-A線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2中沿B-B線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖2中沿C-C線的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明中控制系統(tǒng)的原理框圖。附圖標記1、太陽能光伏陣列，2、支撐架，3、俯仰減速器箱體，4、方位電機，5、立柱，6、方位減速器箱體，7、立軸，8、俯仰限位開關，9、俯仰電機，10、擋塊II，11、角接觸球軸承，12、主動輪，13、內(nèi)圈軸套，14、外圈軸套，15、稀油容積式潤滑泵，16、稀油容積式潤滑泵，17、角接觸球軸承，18、蝸輪，19、上軸套，20、輪轂，21、圓螺母，22、防塵蓋，23、密封圈，24、下軸套,25、擋塊I , 26、方位限位開關,27、方位角圓磁柵,28、方位角圓磁柵讀頭,29、圓螺母，30、聯(lián)軸器，31、俯仰電機固定塊，32、圓螺母，33、俯仰角光電編碼器，34、防塵蓋，35、骨架油封，36、從動輪，37、角接觸球軸承，38、圓螺母，39、動力傳遞軸，40、軸承擋圈，41、深溝球軸承，42、蝸桿，43、角接觸球軸承，44、圓螺母，45、骨架油封，46、密封固定環(huán)，47、聯(lián)軸器，48、方位電機固定塊，49、GPS模塊,50、時鐘芯片,51、光強傳感器,52、風速傳感器,53、數(shù)據(jù)處理器，54、D/A轉(zhuǎn)換模塊I , 55、D/A轉(zhuǎn)換模塊II, 56 、俯仰電機驅(qū)動電路,57、方位電機驅(qū)動電路，58、俯仰減速器，59、方位減速器。
具體實施例方式如圖所示，一種太陽自動跟蹤裝置，包括太陽能光伏陣列I、與太陽能光伏陣列連接并調(diào)節(jié)太陽能光伏陣列位置的調(diào)節(jié)裝置、支撐調(diào)節(jié)裝置的立柱5及控制系統(tǒng)，所述的調(diào)節(jié)裝置由俯仰角調(diào)節(jié)組件和方位角調(diào)節(jié)組件組成，太陽能光伏陣列I通過支撐架2與俯仰角調(diào)節(jié)組件相連接，俯仰角調(diào)節(jié)組件通過立軸7與方位角調(diào)節(jié)組件相連，方位角調(diào)節(jié)組件設置在立柱5上，控制系統(tǒng)對調(diào)節(jié)裝置進行閉環(huán)控制；如圖I所示，方位角調(diào)節(jié)組件對應于方位電機4和方位減速器箱體6，俯仰角調(diào)節(jié)組件對應于俯仰電機9和俯仰減速器箱體3，兩調(diào)節(jié)組件之間通過立軸7連接，立柱5作為支撐件支撐整個跟蹤裝置，支撐架2連接于俯仰角調(diào)節(jié)組件的旋轉(zhuǎn)軸兩端，太陽能光伏陣列I通過支撐架2實現(xiàn)其方位和俯仰的旋轉(zhuǎn)跟
足示O俯仰角調(diào)節(jié)組件固定設置在方位角調(diào)節(jié)組件中的立軸7上，所述俯仰角調(diào)節(jié)組件主要由俯仰電機9、俯仰減速器58、聯(lián)軸器、弧齒錐齒輪副、動力傳遞軸39和支撐架2組成，俯仰電機9的動力輸出軸依次通過俯仰減速器和聯(lián)軸器將動力輸出給弧齒錐齒輪副的主動輪12，弧齒錐齒輪副的從動輪36通過鍵與動力傳遞軸39連接，支撐架2固定在動力傳遞軸39的兩端，實現(xiàn)支撐架的俯仰旋轉(zhuǎn)運動，在支撐架2安裝有太陽能光伏陣列I ;詳細說明其設置方式如圖2、3所示，俯仰角調(diào)節(jié)組件采用弧齒錐齒輪副結(jié)構(gòu)俯仰電機9通過俯仰電機固定塊31固定，主動輪12通過聯(lián)軸器30與俯仰電機9的動力輸出軸連接，主動輪采用兩個角接觸球軸承11背靠背安裝支撐，軸承之間設有內(nèi)圈軸套13和外圈軸套14，延長跨距，有利于提高主動輪的剛性，圓螺母29調(diào)整預緊力；從動輪36通過鍵與動力傳遞軸39連接，從動輪36采用角接觸球軸承37背靠背安裝固定，兩端分別有圓螺母38可以左右微調(diào)。因為跟蹤板一般是在野外工作，考慮到工作環(huán)境比較惡劣，在俯仰減速器箱體3的兩端安裝了骨架油封35，骨架油封置于防塵蓋34內(nèi)，可以很好的防雨和防塵，更換的時候拆卸也方便，只要將防塵蓋34拆下即可，這樣保證了減速器箱體內(nèi)的干凈，有利于延長減速器的使用壽命。支撐架2通過圓螺母32固定在動力傳遞軸39的兩端，實現(xiàn)俯仰角的跟蹤旋轉(zhuǎn)。所述俯仰角調(diào)節(jié)組件的動力傳遞軸39上還安裝有用以檢測太陽能光伏陣列實際位置信息的俯仰角光電編碼器33 ；
所述方位角調(diào)節(jié)組件主要由方位電機4、方位減速器59、蝸桿42、蝸輪18、立軸7組成，方位電機4的動力輸出軸與方位減速器59的輸入軸連接,方位減速器59的輸出軸通過膜片聯(lián)軸器與蝸桿42連接，蝸桿42與蝸輪18嚙合連接，蝸輪18通過鍵與立軸7配合連接，實現(xiàn)立軸7的方位旋轉(zhuǎn)運動；詳細說明其設置方式如圖2、4所示，方位電機4通過方位電機固定塊48固定在方位減速器箱體6上，方位角調(diào)節(jié)組件采用平面一次包絡環(huán)面蝸桿蝸輪結(jié)構(gòu)其中蝸桿42 —端通過兩個角接觸球軸承背靠背安裝支撐在方位減速器箱體6上，并通過圓螺母調(diào)整預緊力實現(xiàn)徑向和軸向的固定，另一端安裝深溝球軸承實現(xiàn)徑向固定，軸向游動。其一端只受徑向力束縛，沒有軸向力作用，這樣的好處是當蝸桿受熱膨脹時，有一定的伸縮量，有利于延長使用壽命；蝸桿42跟方位電機4通過聯(lián)軸器47連接，為了防止?jié)櫥土鞯椒轿浑姍C4內(nèi)部從而燒壞電機，在方位電機4和角接觸球軸承43之間安裝有骨架油封45,骨架油封45置于密封固定環(huán)46中。密封固定環(huán)46與方位減速器箱體6是過盈配合安裝，從而防止?jié)櫥偷男孤?。在電機固定塊48上還打有泄油安全孔，如果有潤滑油從骨架油封不慎泄露，可以從這里排出，從而保護電機安全。一般蝸輪材料都是銅合金，為了降低成本，蝸輪采用分體式安裝。蝸輪18安裝于輪轂20上，然后通過鍵與立軸7連接，防塵蓋22安裝在方位減速器箱體6上，中間加裝有O型密封圈圈23，防止漏油。 所述方位角調(diào)節(jié)組件的立軸7上還設有用以檢測太陽能光伏陣列實際位置信息的方位角圓磁柵27和方位角圓磁柵讀頭28 ；
所述方位角調(diào)節(jié)組件中的方位電機和俯仰角調(diào)節(jié)組件的俯仰電機均采用無刷直流電機。所述的方位角調(diào)節(jié)組件和俯仰角調(diào)節(jié)組件采用稀油容積式潤滑泵15、16定時定量給傳動組件和軸承潤滑，最大限度節(jié)省用油，實現(xiàn)經(jīng)濟環(huán)保。在俯仰減速器箱體3的兩邊對稱安裝了兩個俯仰限位開關8，當太陽能光伏陣列I順時針方向或逆時針方向旋轉(zhuǎn)90°時，安裝在支撐架2上的擋塊II 10就會碰到俯仰限位開關8，俯仰電機9停止轉(zhuǎn)動，并發(fā)出報警信號，從而實現(xiàn)±90°的限位。在方位減速器箱體6上安裝有方位限位開關26，當太陽能光伏陣列I旋轉(zhuǎn)360°時，安裝在蝸輪上的擋塊I 25就會碰到方位限位開關26，方位電機4停止轉(zhuǎn)動，發(fā)出報警信號，實現(xiàn)360°的限位。蝸輪蝸桿和弧齒錐齒輪副都是大減速比的傳力機構(gòu)，尤其是平面一次包絡環(huán)面蝸桿蝸輪，具有誤差平均效應，可以提高傳動精度?；↓X錐齒輪結(jié)構(gòu)比較緊湊，傳動平穩(wěn)，噪音小。本發(fā)明就是采用這兩種結(jié)構(gòu)。一般單頭蝸桿傳動效率比較低，為50%-70%左右，為了提高傳動效率，本跟蹤裝置采用多頭蝸桿，傳動效率可達到90%。但是多頭蝸桿減速比減小了，為了增大減速比，在電機側(cè)安裝行星減速機。這種結(jié)構(gòu)可以顯著減小太陽能光伏板的轉(zhuǎn)動慣量，用很小的電機就能驅(qū)動光伏板移動，以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。如圖5所示，所述控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理器53、時間獲取與校準模塊、信息反饋模塊、運動控制模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊I 54、D/A轉(zhuǎn)換模塊II 55、光強傳感器51和風速傳感器52組成；其中，數(shù)據(jù)處理器53為數(shù)字信號處理器，可采用TMS320F2812 ；
光強傳感器51用于檢測周圍環(huán)境陰雨晴天天氣情況，風速傳感器52用于檢測周圍環(huán)境的風速大??；光強傳感器51和風速傳感器52將檢測到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器53 ；
所述時間獲取與校準模塊由時鐘芯片50和GPS模塊49組成，時鐘芯片50可采用DS12C887，用于將一天中太陽不同位置的時間信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器53 ； GPS模塊49用于定期對時鐘芯片50進行高精度校準；所述信息反饋模塊由俯仰角光電編碼器33和方位角圓磁柵讀頭28構(gòu)成，用以獲取跟蹤太陽能光伏陣列實際的方位角和俯仰角并將此信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器，與計算出的太陽角度位置信息比較得到跟蹤誤差，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制；
所述運動控制模塊由俯仰電機驅(qū)動電路56、俯仰限位開關8、方位電機驅(qū)動電路57和方位限位開關26組成，俯仰電機驅(qū)動電路56和方位電機驅(qū)動電路57輸出三相定子繞組電壓，以驅(qū)動俯仰電機9和方位電機4進行旋轉(zhuǎn)，俯仰限位開關8和方位限位開關26用于對太陽能光伏陣列轉(zhuǎn)動的方位角和俯仰角極限位置進行限位；
數(shù)據(jù)處理器53利用時鐘芯片50準確計算出的一年中某天的時間信息，根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)緯度數(shù)據(jù)和太陽周期運動的規(guī)律方程，計算出某天不同時刻時太陽的方位角和俯仰角，由此確定太陽能光伏陣列I對應的方位角和俯仰角，分別作為伺服系統(tǒng)方位角和俯仰角輸入指令信號；
太陽能光伏陣列I方位角的調(diào)節(jié)過程為方位角圓磁柵讀頭28測量出太陽能光伏陣列 I的實際方位角，作為方位角反饋信號送入數(shù)據(jù)處理器53 ;數(shù)據(jù)處理器53根據(jù)方位角輸入指令信號和方位角反饋信號的偏差等狀態(tài)，利用自適應控制算法，計算出方位電機4轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號的大小后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊II 55將轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速模擬控制信號，同時數(shù)據(jù)處理器發(fā)出方位電機4旋轉(zhuǎn)方向信號；方位電機驅(qū)動電路57根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速模擬控制信號和方向信號，輸出相應的三相定子繞組方波電壓控制方位電機4以一定的速度旋轉(zhuǎn)，通過與方位電機4直連的精密行星減速器，驅(qū)動方位減速器59帶動太陽能光伏陣列I繞垂直軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)光伏陣列I在方位方向的旋轉(zhuǎn)來實時調(diào)整方位角，直到方位角輸入指令信號和方位角反饋信號的偏差為零，太陽能光伏陣列I停止旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對太陽方位角實時的聞精度跟蹤；
太陽能光伏陣列I俯仰角的調(diào)節(jié)過程為俯仰角光電編碼器33測量出光伏陣列I的實際俯仰角，作為俯仰角反饋信號送入數(shù)據(jù)處理器53 ;數(shù)據(jù)處理器53根據(jù)俯仰角輸入指令信號和俯仰角反饋信號的偏差等狀態(tài)，利用自適應控制算法，計算出俯仰電機4轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號的大小后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊I 54將轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速模擬控制信號，同時數(shù)據(jù)處理器發(fā)出俯仰電機9旋轉(zhuǎn)方向信號；俯仰電機驅(qū)動電路56根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速模擬控制信號和方向信號，輸出相應的三相定子繞組方波電壓控制俯仰電機9以一定的速度旋轉(zhuǎn)，通過與俯仰電機帶動光伏陣列I繞水平軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)太陽能光伏陣列I在俯仰方向的旋轉(zhuǎn)來實時調(diào)整俯仰角，直到俯仰角輸入指令信號和俯仰角反饋信號的偏差為零，太陽能光伏陣列I停止旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對太陽俯仰角實時的高精度跟蹤。數(shù)據(jù)處理器53利用時鐘芯片50準確計算出的時間信息區(qū)分晝夜，白天進行跟蹤，晚上停止跟蹤并自動回到初始位置；利用風速傳感器52檢測太陽能光伏陣列I的周圍環(huán)境風速，當風速過大且輸出電壓信號超過設定值時，為保護太陽能光伏陣列1，此時裝置停止跟蹤，并放太陽能光伏陣列I來保護系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理器53利用光強傳感器51檢測環(huán)境天氣為陰雨天或晴天，實現(xiàn)晴天跟蹤太陽，陰雨天不跟蹤。綜上所述，本實施例的太陽雙軸自動跟蹤裝置實現(xiàn)了太陽位置的精確確定及準確跟蹤，其跟蹤精度可達O. 1 ，能耗比僅為O. 5%，同時利用完善的保護功能保護了系統(tǒng)。上述內(nèi)容僅用于論述技術方案而非對本發(fā)明做任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、變更及等效結(jié)構(gòu)的變化，均屬于本發(fā)明的技術方案的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種太陽自動跟蹤裝置，包括太陽能光伏陣列(I)、與太陽能光伏陣列連接并調(diào)節(jié)太陽能光伏陣列位置的調(diào)節(jié)裝置、支撐調(diào)節(jié)裝置的立柱(5)及控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的調(diào)節(jié)裝置由俯仰角調(diào)節(jié)組件和方位角調(diào)節(jié)組件組成，太陽能光伏陣列(I)通過支撐架(2)與俯仰角調(diào)節(jié)組件相連接，俯仰角調(diào)節(jié)組件通過立軸(7)與方位角調(diào)節(jié)組件相連，方位角調(diào)節(jié)組件設置在立柱(5)上，控制系統(tǒng)對調(diào)節(jié)裝置進行閉環(huán)控制； 所述方位角調(diào)節(jié)組件主要由方位電機(4)、方位減速器(59)、蝸桿(42)、蝸輪(18)、立軸(7 )組成，方位電機(4 )的動力輸出軸與方位減速器(59 )的輸入軸連接，方位減速器(59 )的輸出軸通過膜片聯(lián)軸器與蝸桿(42)連接，蝸桿(42)與蝸輪(18)嚙合連接，蝸輪(18)通過鍵與立軸(7)配合連接，實現(xiàn)立軸(7)的方位旋轉(zhuǎn)運動； 所述方位角調(diào)節(jié)組件的立軸(7)上還設有用以檢測太陽能光伏陣列實際位置信息的方位角圓磁柵(27)和方位角圓磁柵讀頭(28); 俯仰角調(diào)節(jié)組件固定設置在立軸(7)上，所述俯仰角調(diào)節(jié)組件主要由俯仰電機(9)、聯(lián)軸器、弧齒錐齒輪副、動力傳遞軸(39)和支撐架(2)組成，俯仰電機(9)的動力輸出軸通過聯(lián)軸器與弧齒錐齒輪副的主動輪(12)的一端連接，弧齒錐齒輪副的從動輪(36)通過鍵與動力傳遞軸(39)連接，支撐架(2)固定在動力傳遞軸(39)的兩端，實現(xiàn)支撐架的俯仰旋轉(zhuǎn)運動，在支撐架(2 )安裝有太陽能光伏陣列(I); 所述俯仰角調(diào)節(jié)組件的動力傳遞軸(39)上還安裝有用以檢測太陽能光伏陣列實際位置信息的俯仰角光電編碼器(33)； 所述控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理器(53)、時間獲取與校準模塊、信息反饋模塊、運動控制模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊組成； 所述時間獲取與校準模塊由時鐘芯片(50)和GPS模塊(49)組成，其時鐘芯片(50)用于將一天中太陽不同位置的時間信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器(53) ； GPS模塊(49)用于定期對時鐘芯片(50)進行高精度校準； 所述信息反饋模塊由俯仰角光電編碼器(33)和方位角圓磁柵讀頭(28)構(gòu)成，用以獲取跟蹤太陽能光伏陣列實際的方位角和俯仰角并將此信息發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器，與計算出的太陽角度位置信息比較得到跟蹤誤差，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制； 所述運動控制模塊由俯仰電機驅(qū)動電路(56)、俯仰限位開關(8)、方位電機驅(qū)動電路(57)和方位限位開關(26)組成，俯仰電機驅(qū)動電路(56)和方位電機驅(qū)動電路(57)對電機的控制信號進行放大，以驅(qū)動俯仰電機(9)和方位電機(4)進行旋轉(zhuǎn)，俯仰限位開關(8)和方位限位開關(26)用于對太陽能光伏板轉(zhuǎn)動的方位角和俯仰角極限位置進行限位； 所述數(shù)據(jù)處理器(53)利用時鐘芯片(50)準確計算出的一年中某天的時間信息，根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)緯度數(shù)據(jù)和太陽周期運動的規(guī)律方程，計算出某天不同時刻時太陽的方位角和俯仰角，由此確定太陽能光伏陣列對應的方位角和俯仰角，分別作為伺服系統(tǒng)方位角和俯仰角輸入指令信號； 所述俯仰角光電編碼器(33)測量出光伏陣列的實際俯仰角，作為俯仰角反饋信號送入數(shù)據(jù)處理器(53);數(shù)據(jù)處理器(53)根據(jù)俯仰角輸入指令信號和俯仰角反饋信號的偏差等狀態(tài)，利用自適應控制算法，計算出俯仰電機(9)轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號的大小后，通過D/A轉(zhuǎn)換模塊I (54)將轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速模擬控制信號，同時數(shù)據(jù)處理器發(fā)出俯仰電機旋轉(zhuǎn)方向信號；俯仰電機驅(qū)動電路(56)根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速模擬控制信號和方向信號，輸出相應的三相定子繞組方波電壓控制俯仰電機(9)以一定的速度旋轉(zhuǎn)，通過俯仰電機(9)帶動太陽能光伏陣列(I)動作，實現(xiàn)太陽能光伏陣列在俯仰方向的旋轉(zhuǎn)來實時調(diào)整俯仰角，直到俯仰角輸入指令信號和俯仰角反饋信號的偏差為零，太陽能光伏陣列停止旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對太陽俯仰角實時的聞精度跟蹤； 所述方位角圓磁柵讀頭(28)測量出太陽能光伏陣列的實際方位角，作為方位角反饋信號送入數(shù)據(jù)處理器(53);所述數(shù)據(jù)處理器根據(jù)方位角輸入指令信號和方位角反饋信號的偏差等狀態(tài)，計算出方位電機(4)轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號的大小后，由D/A轉(zhuǎn)換模塊II (55)將轉(zhuǎn)速數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速模擬控制信號，同時數(shù)據(jù)處理器發(fā)出方位電機旋轉(zhuǎn)方向信號；方位電機驅(qū)動電路(57 )根據(jù)接收到的轉(zhuǎn)速模擬控制信號和方向信號，輸出相應的三相定子繞組方波電壓控制方位電機(4)以一定的速度旋轉(zhuǎn)，通過方位電機(4)帶動太陽能光伏陣列繞立軸(7)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)太陽能光伏陣列在方位方向的旋轉(zhuǎn)來實時調(diào)整方位角，直到方位角輸入指令信號和方位角反饋信號的偏差為零，太陽能光伏陣列停止旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對太陽方位角實時的高精度跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽自動跟蹤裝置，其特征是所述方位角調(diào)節(jié)組件設置在俯仰角調(diào)節(jié)組件下方，方位角調(diào)節(jié)組件固定于立柱(5)上，俯仰角調(diào)節(jié)組件固定于方位角調(diào)節(jié)組件的立軸(7)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽自動跟蹤裝置，其特征是所述方位角調(diào)節(jié)組件中的蝸桿(42) —端通過兩個角接觸球軸承背靠背安裝支撐在方位減速器箱體(6)上，并通過圓螺母調(diào)整預緊力實現(xiàn)徑向和軸向的固定，另一端安裝深溝球軸承實現(xiàn)徑向固定，軸向游動。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽自動跟蹤裝置，其特征是所述的俯仰角調(diào)節(jié)組件的弧齒錐齒輪副中的主動輪(12)由兩個角接觸球軸承背靠背安裝支撐，軸承中間連接有軸套，通過圓螺母調(diào)整預緊力實現(xiàn)徑向和軸向的固定。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽自動跟蹤裝置，其特征是所述的方位角調(diào)節(jié)組件和俯仰調(diào)節(jié)組件中均設有稀油容積式潤滑泵。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽自動跟蹤裝置，其特征是所述方位角調(diào)節(jié)組件中的方位電機(4)和俯仰角調(diào)節(jié)組件的俯仰電機(9)均為無刷直流電機。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽自動跟蹤裝置，其特征是所述控制系統(tǒng)中還包括光強傳感器(51)和風速傳感器(52)，光強傳感器(51)用于檢測周圍環(huán)境陰雨晴天天氣情況，風速傳感器(52)用于檢測周圍環(huán)境的風速大??；光強傳感器(51)和風速傳感器(52)將檢測到的信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理器(53 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽自動跟蹤裝置，其特征是所述數(shù)據(jù)處理器(53)為數(shù)字信號處理器。
全文摘要
一種太陽自動跟蹤裝置，涉及一種實時準確跟蹤太陽，用于太陽能的高效采集和利用的裝置，包括太陽能光伏陣列、與太陽能光伏陣列連接并調(diào)節(jié)太陽能光伏陣列位置的調(diào)節(jié)裝置、支撐調(diào)節(jié)裝置的立柱及控制系統(tǒng)，所述的調(diào)節(jié)裝置由俯仰角調(diào)節(jié)組件和方位角調(diào)節(jié)組件組成，太陽能光伏陣列通過支撐架與俯仰角調(diào)節(jié)組件相連接，俯仰角調(diào)節(jié)組件通過立軸與方位角調(diào)節(jié)組件相連，方位角調(diào)節(jié)組件設置在立柱上，控制系統(tǒng)對調(diào)節(jié)裝置進行閉環(huán)控制；該裝置跟蹤太陽的精度小于0.1 ，且能耗僅為所驅(qū)動光伏陣列發(fā)電量的0.5%，具有壽命長、保護功能完善等特點。
文檔編號G05D3/12GK102778896SQ201210224740
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月2日
發(fā)明者何祥宇, 周濤, 姜一達, 王希娟, 肖凱, 陳軍, 陳群 申請人:洛陽師范學院