基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法

技术领域  本发明涉及太阳能开发自动化领域，特别涉及基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法。

背景技术  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。

民用太阳能领域追求高的自动化水平，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。

发明内容  本发明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即基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法，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。

本发明的原理是：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，区分昼夜。

时差和太阳赤纬是日期的周期函数，周期为一年，可查表。为了达到更高的计算精度，可以采用查表内插或函数拟合手段，下面是一种典型的函数拟合算法：

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

$>>x>=>>>2>\pi >>(>D>->1>)>>>365>>>s>$

则当天的时差δ，太阳赤纬σ分别为

$>>\delta >=>>>229.18>\times >[>75>+>186.8>cos>>(>x>)>>->32077>sin>>(>x>)>>->14615>cos>>(>2>x>)>>->40890>sin>>(>2>x>)>>]>>1000000>>>s>$

$>>\sigma >=>>>180>[>>(>6918>->399912>cos>>(>x>)>>+>70257>sin>>(>x>)>>)>>->6758>cos>>(>2>x>)>>+>907>sin>>(>2>x>)>>->2697>cos>>(>3>x>)>>+>1480>sin>>(>3>x>)>>]>>>10000000>\pi >>>>s>$

本发明利用时差、经度及当前时刻计算太阳时角Ω(太阳光直射跟踪装置所在经度后转过的角度称太阳时角)，其大小为

Ω＝(CT+CL+δ-12)×15°，其中CT为当前时刻，CL为经度订正，1度/4分钟，δ为当日时差。

本发明通过太阳时角Ω、太阳赤纬σ及纬度(北纬为正，南纬为负)计算太阳高度角α(太阳光线与地平面夹角)和太阳方位角β(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

本发明通过高度角的值判断昼夜。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[(CT+CL+δ-12)×15°]＝-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。

本发明的技术方案是：一种基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，包括受光面板、与控制器电连接的传感器、电机，其特征在于：

所说受光面板经铰链与支撑杆、高度角调节杆连接，所说支撑杆的另一端与立柱连接，所说高度角调节杆的另一端置于所说立柱的内腔中；

所说传感器为高度角传感器和方位角传感器，所说高度角传感器为差动电容式传感器，所说差动电容式传感器的电容动极板和定极板分别置于高度角调节杆的另一端和立柱内腔壁上，所说方位角传感器为三瓣式电容角度传感器，所说三瓣式电容角度传感器的电容动极板和定极板分别置于立柱一端的外壁和外壳上；

所说电机为高度角驱动电机和方位角转动电机，所说高度角驱动电机固定在支架上，支架固定在立柱上，所说高度角驱动电机输出轴经减速器减速后通过蜗杆与蜗轮啮合，蜗轮共轴带动齿轮，齿轮与置于立柱内腔中的高度角调节杆另一端上的齿条相连接，所说方位角驱动电机固定在底座上，方位角驱动电机的输出轴经减速器减速后通过小齿轮与固定在立柱上的大齿轮同轴连接；

所说控制器为单片机的模/数端口分别与高度角传感器和方位角传感器电连接、数/模端口分别与高度角转动电机控制端口和方位角动驱电机控制端口电连接。

所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是单片机为AT90S4434型单片机。

所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是AT90S4434型单片机的PC0～PC7端口与键盘电连接。

所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是AT90S4434型单片机的PD2～PD4端口分别与时钟芯片的RST、SCLK、I/O脚电连接。

所述的基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置，其特征是AT90S4434型单片机的PD5～PD7端口分别与HT1612控制器的CS、WR、DATA脚电连接。

基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置的跟踪方法，包括将接收的传感器的模拟量信号转换成数字信号，对其处理后再变换为模拟量去推动电机，其特征在于：

系统初始化后，时钟芯片开始不间断计时；

根据时钟芯片提供的日期，计算当日太阳赤纬和时差；

根据地理经度、纬度、时差、太阳赤纬，计算实时太阳方位角和高度角；

高度角大于零则判断为白昼，否则判断为黑夜，夜间不跟踪；

对跟踪装置的高度角和方位角进行闭环控制，消除跟踪误差。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

其一，本发明中的太阳跟踪装置主要由单片机、电容传感器和直流电机组成，相对于现有技术微功耗定时太阳跟踪装置”没有使用光电传感器和步进电机，说明本发明跟踪装置结构简单、成本低廉，维护量小。

其二，本发明中的太阳跟踪装置属于双轴跟踪，可跟踪太阳方位角和高度角，相对于现有技术“微功耗定时太阳跟踪装置”，进行太阳方位角的单轴跟踪则精度高。

其三，“本发明的太阳跟踪装置有方位角度传感器和高度角传感器，采用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，因为有反馈环节，无误差积累，所以电机选择范围大。

其四，本发明的跟踪方法是由于单片机对太阳期望位置和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，能够在闭环控制下把误差减小到零，实现双轴跟踪。

其五，本发明的跟踪方法是全面的地平坐标系跟综方法，由于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，则本发明考虑了时差、太阳赤纬全年变化的不均匀性，避免了现有技术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；由于本发明的跟踪算法考虑了经度、纬度因素，通过设定经度、纬度值，相对于现有技术可适用于广大地区；

本发明的跟踪方法还可以判断每日日出、日落时刻，实现日出即开始跟踪，日落即停止跟踪，具有昼夜判别能力，能够长时间全自动化运行，避免了现有技术被动式跟踪，从9点至18点进行单轴跟踪控制，跟踪误差大，太阳能利用率低的缺点，另外方法中利用差动电容比值，可抗天气变化引起的干扰。

附图说明

图1为本发明装置具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明装置具体实施方式电路图；

图3为本发明装置具体实施方式高度角调节杆升降机构结构图；

图4为本发明方法具体实施方式时差变化曲线；

图5为本发明方法具体实施方式太阳赤纬变化曲线；

图6为本发明装置具体实施方式圆筒式电容传感器工作原理图；

图7为本发明具体实施方式差动圆筒电容传感器结构图；

图8为本发明装置具体实施方式三瓣式电容角度传感器结构图；

图9为本发明装置具体实施方式三瓣式电容角度传感器电路示意图；

图10为本发明装置在具体实施方式中跟踪方法流程图。