专利名称：基于psd的全自动高精度太阳跟踪装置及其跟踪方法
技术领域：
本发明涉及太阳能源领域，更准确地说本发明涉及一种基于PSD的全自动高 精度太阳碍踪装置及其跟踪方法，可用于太阳能高效釆集和利用。
技术背景太阳能是取之不尽的，虽然它只有几十亿分之一的能量到达地球的表面， 也比地球能源储存的能量多。由于辐射到地面的阳光受到气候、炜度等自然条 件的影响，所以目前的太阳能利用效率还不高，要想在单位面积上得到较大功 率，就要使用跟踪对准太阳的技术。现在国内外也有好多的太阳跟踪器精度很 高，但是在价格上常常不能被普遍接受，特别是用于微小卫星上的太阳敏感器 尤其是如此，虽然这些产品在精度上可以满足要求，但是价格奇高，很难在市 场大范围推广。还有就是 一些四象限探测器件或者太阳能电池等用来探测位置 也能在一定程度上满足某些场合的要求，但是其精度不高。 发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本的基于PSD (光电位置探测 器)的全自动高精度太阳跟踪装置。本发明是采取以下的技术方案来实现的基于DSP的全自动高精度太阳跟踪装置，包括基于PSD的太阳位置传感器、 曰历芯片、信号釆集处理电路、控制系统、跟踪机构和跟踪校准立杆，其特征 是所述基于PSD的太阳位置传感器包括传感器底座、带有太阳光入射小孔的盖 子、遮光桶、PSD、 PSD底座、能够自动调节照射到PSD上光强的光强度自动调 节装置和半球形遮挡灰尘和雨水的光路保护罩；盖子通过四个螺钉安装在遮光 桶上，盖子上的四个螺钉安装孔直径比螺钉直径大，这样能够实现盖子的入射 小孔与PSD中心对准调节；PSD安装在PSD底座上，PSD底座通过遮光桶内螺紋与遮光桶联结，根据跟踪精度要求，能够通过这种螺紋联结实现遮光桶上的小 孔到PSD光电位置探测器表面距离的调节；遮光桶和盖子内壁覆盖了一层吸光 材料以防止入射光在里面反射造成误差；光强度自动调节装置安装在盖子上面； 半球形光路保护罩把整个太阳位置传感器罩起来；日历芯片釆自带电源的DS1302,系统断电后它能够继续工作，保证了日历和时间准确；跟踪校准立杆和太阳位置传感器都安装在一个高平面度的平板上，该平板再安装在跟踪机构上。前述的基于DSP的全自动高精度太阳跟踪装置，其特征在于光强度自动调节 装置中包括聚光透镜、带有一系列直径由小到大透光孔的光阑盘、光阑旋转驱 动电机，聚光透镜能够增加入射太阳光的光强，实现较低光强下跟踪太阳，带 有透光孔的光阑盘能够保护PSD光电位置探测器，使其在正常光强范围内工作。前述的基于DSP的全自动高精度太阳跟踪装置，其特征在于遮挡灰尘和雨水 的光路保护罩釆用透过光率较高的玻璃或者塑料材料制成的半球形结构，该形 状结构能够在雨和风的作用下自洁其表面的灰尘。前述的基于DSP的全自动高精度太阳跟踪装置，其特征在于跟踪校准立杆为 高垂直度、高直线度和极小变形的合金立杆，当跟踪器自动对准太阳时，通过 立杆太阳光阴影来校准跟踪装置的基于PSD的太阳位置传感器的阳光入射小孔 与PSD中心位置关系，直到立杆太阳阴影长度小于误差长度为止。前述的基于DSP的全自动高精度太阳跟踪装置的跟踪方法，其特征在于跟踪 太阳步骤如下(1 )开机后，控制系统通过日历芯片DS1302判断是否在正常的工作时间(设 正常的工作时间为6: 00~18: 00),如果不在正常的工作时间则不启动跟踪程 序；(2) 如果在正常工作时间，进行位置初始化，即控制跟踪机构到基准位置， 以太阳方位角-90° ，高度角0°时为基准；(3) 根据曰历计算当前时刻的太阳高度角和方位角，启动曰历查询控制跟 踪机构到当前的高度角和方位角(即日历跟踪)，通过A/D转换器检测PSD光电 位置探测器上的光强度大小，如果光强度满足PSD光电位置探测器正常工作范 围，则启动光电自动跟踪，即根据基于PSD的太阳位置传感器输出的太阳位置 信息，即电压信号，当光点正好在PSD中心时，电压为0，控制系统控制跟踪机 构向着电压趋向于0的位置转动，直到传感器输出的电压信号满足控制精度要 求；(4) 如果PSD光电位置探测器上的光强度超过位置探测其所能承受的光强 度时，控制光阑旋转驱动电机向小直径透光孔方向旋转，直到PSD光电位置探 测器的光强度在正常工作范围为止；(5 )如果PSD光电位置探测器上的光强度低于其所能正常工作的光强度时， 控制光阑旋转驱动电机向大直径透光孔方向旋转，直到PSD光电位置探测器的 光强度在正常工作范围为止，如果旋转一圈都没有达到其要求的正常工作光强，则使光阑盘停止在最大透光光强位置，同时控制系统把跟踪切换到日历跟踪；(6)当检测到的曰历时间超过正常工作时间，则停止跟踪，并且控制跟 踪机构回到初始位置。本发明的工作原理是把PSD这种高精度的光电位置探测器安装在上面一个 带有太阳光入射小孔的遮光桶中，这样在阳光照射下能够检测出太阳的位置角， 由于PSD的A区具有检测光点的精度可达6〃m，又由于入射小孔到PSD的距离 可调，这里设定为34mm，则由三角函数可知检测太阳方位的精度达到0.01。，再 结合太阳运动规律的日历跟踪，能够实现各种天气下的太阳跟踪，另外，成本 远远低于目前高精度的太阳跟踪器。本发明专利的有益效果是提高了太阳跟踪器的精度、降低了生产成本；同时解决了基于PSD的太阳跟踪器中太阳光过强对PSD的损毁和太阳光过弱 无法光电跟踪的问题；另外，本发明的盖子位置可以微调，以实现入射小孔与PSD中心对准，PSD 底座通过螺紋联结也能够实现小孔与PSD距离的调解，即提高了校准对准精度。
图1为基于PSD的太阳位置传感器结构示意图； 图2为基于PSD的全自动高精度太阳跟踪装置跟踪流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。如图1所示的基于PSD的太阳位置传感器，包括传感器底座l、半球形光 路保护罩2、 PSD底座3、 PSD4遮光桶5、盖子6光阑盘7、光阑旋转驱动电 机8、光阑盘上的透光孔9、盖子上的太阳入射小孔IO、聚光透镜ll。如图2所示的基于PSD的全自动高精度太阳跟踪装置跟踪流程图。太阳透过半球形光路保护罩2、光闹盘7、盖子上的太阳入射小孔10和聚光 透镜11成像在PSD 4上。开机后，单片机控制系统通过曰历芯片DS1302判断是否在正常的工作时间 (设正常的工作时间为6: 00~18: 00),如果不在正常的工作时间则不启动跟踪程序；如果在正常工作时间，进行位置初始化，即控制跟踪机构到基准位置，以太阳方位角-90° ，高度角0°时为基准；根据日历计算当前时刻的太阳高度角和方位角，启动曰历查询控制跟踪机构 到当前的高度角和方位角(即日历跟踪)，通过A/D转换器检测PSD光电位置探大小，如果光强度满足PSD光电位置探测器4正常工作范围， 则启动光电自动跟踪，即根据基于PSD 4的太阳位置传感器输出的太阳位置信 息，即电压信号，当光点正好在PSD 4中心时，电压为0,控制系统控制跟踪 机构向着电压趋向于0的位置转动，直到传感器输出的电压信号满足控制精度 要求；如果PSD光电位置探测器4上的光强度超过光电位置探测器所能承受的光 强度时，控制光阑旋转驱动电机向小直径透光孔方向旋转，直到PSD光电位置 探测器4的光强度在正常工作范围为止；如果PSD光电位置探测器4上的光强度低于其所能正常工作的光强度时，控 制光阑旋转驱动电机8向大直径透光孔9方向旋转，直到PSD光电位置探测器 4的光强度在正常工作范围为止，如果旋转一圈都没有达到其要求的正常工作光 强，则使光阑盘7停止在最大透光光强位置，同时控制系统把跟踪切换到曰历 跟踪；当检测到的日历时间超过正常工作时间，则停止跟踪，并且控制跟踪机构 回到初始位置。实验表明，基于PSD的全自动高精度太阳跟踪装置能够实现各种天气下对太阳的跟踪，通过跟踪校准立杆可知，跟踪精度能够达到o.or。除上述实施例外，凡釆用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案， 均落在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于DSP的全自动高精度太阳跟踪装置，包括基于PSD的太阳位置传感器、日历芯片DS1302、信号采集处理电路、单片机控制系统、跟踪机构和跟踪校准立杆，其特征在于所述基于PSD的太阳位置传感器包括传感器底座(1)、带有太阳光入射小孔的盖子(6)、遮光桶(5)、PSD(4)、PSD底座(3)、能够自动调节照射到PSD上光强的光强度自动调节装置和半球形遮挡灰尘和雨水的光路保护罩(2)；盖子(6)通过四个螺钉安装在遮光桶(5)上，盖子(6)上的四个螺钉安装孔直径比螺钉直径大，这样能够实现盖子的太阳入射小孔(10)与PSD(4)中心对准调节；PSD(4)安装在PSD底座(3)上，PSD底座(3)通过遮光桶内螺纹与遮光桶(3)联结，根据跟踪精度要求，能够通过这种螺纹联结实现遮光桶上的小孔到PSD光电位置探测器表面距离的调节；光强度自动调节装置安装在盖子上面；光路保护罩(2)把整个太阳位置传感器罩起来；跟踪校准立杆和太阳位置传感器都安装在一个高平面度的平板上，该平板再安装在跟踪机构上。
2. 根据权利要求1所述的基于PSD的全自动高精度太阳跟踪装置，其特征在于: 所述光强度自动调节装置中包括聚光透镜(11)、带有一系列直径由小到大透 光孔(9)的光阑盘(7)和光阑旋转驱动电机(8),聚光透镜(11)能够增 加入射太阳光的光强，实现较低光强下跟踪太阳，带有透光孔(9)的光阑盘(7)能够保护PSD，使其在正常光强范围内工作。
3. 根据权利要求l所述的基于DSP的全自动高精度太阳跟踪装置,其特征在于: 所述遮挡灰尘和雨水的光路保护罩(2)釆用透过光率较高的玻璃或者塑料材 料制成的半球形结构。
4. 根据权利要求1所述的基于DSP的全自动高精度太阳跟踪装置,其特征在于: 所述跟踪校准立杆为高垂直度、高直线度和极小变形的合金立杆，当跟踪器 自动对准太阳时，通过立杆太阳光阴影来校准跟踪装置的基于PSD的太阳位 置传感器的阳光入射小孔与PSD中心位置关系，直到立杆太阳阴影长度小于 误差长度为止。
5. 根据权利要求1所述的基于DSP的全自动高精度太阳跟踪装置的跟踪方法， 其特征在于其跟踪太阳步骤为(l)开机后，首先通过日历芯片DS1302判断是否在正常的工作时间，可以 设定正常的工作时间为6: 00~18: 00,如果不在正常的工作时间则不启动跟踪程序；(2) 如果在正常工作时间，进行位置初始化，即控制跟踪机构到基准位置，以太阳方位角-90° ，高度角0°时为基准；(3) 根据日历计算当前时刻的太阳高度角和方位角，启动日历查询控制跟 踪机构到当前的高度角和方位角，即日历跟踪，通过A/D转换器检测PSD光 电位置探测器上的光强度大小，如果光强度满足PSD光电位置探测器正常工 作范围，则启动光电自动跟踪，即根据基于PSD的太阳位置传感器输出的太 阳位置信息，即电压信号，当光点正好在PSD中心时，电压为0，控制系统控 制跟踪机构向着电压趋向于0的位置转动，直到传感器输出的电压信号满足 控制精度要求；(4) 如果PSD光电位置探测器上的光强度超过位置探测其所能承受的光强 度时，控制光阑旋转驱动电机(8)向小直径透光孔(9)方向旋转，直到PSD 光电位置探测器的光强度在正常工作范围为止；(5 )如果PSD光电位置探测器上的光强度低于其所能正常工作的光强度时，控制光阑旋转驱动电机向大直径透光孔方向旋转，直到PSD光电位置探测器 的光强度在正常工作范围为止，如果旋转一圏都没有达到其要求的正常工作 光强，则使光阑盘停止在最大透光光强位置，同时控制系统把跟踪切换到曰 历跟踪；(6)当检测到的日历时间超过正常工作时间，则停止跟踪，并且控制跟 踪机构回到初始位置。
全文摘要
本发明公开了一种基于PSD的全自动高精度太阳跟踪装置，包括基于PSD的太阳位置传感器、日历芯片DS1302、信号采集处理电路、单片机控制系统、跟踪机构和跟踪校准立杆，所述基于PSD的太阳位置传感器包括传感器底座(1)、带有太阳光入射小孔的盖子(6)、遮光桶(5)、PSD(4)、PSD底座(3)、能够自动调节照射到PSD上光强的光强度自动调节装置和半球形遮挡灰尘和雨水的光路保护罩(2)；盖子(6)通过四个螺钉安装在遮光桶(5)上，盖子(6)上的四个螺钉安装孔直径比螺钉直径大，PSD(4)安装在PSD底座(3)上，PSD底座(3)通过遮光桶内螺纹与遮光桶(3)联结。通过以上结构设计提高了太阳跟踪装置的精度，同时成本较低。
文档编号G05D3/20GK101329583SQ20081012308
公开日2008年12月24日 申请日期2008年7月16日 优先权日2008年7月16日
发明者杰 姚, 宋大鹏, 徐贵力, 王志超, 程月华, 非 谢, 东 韩 申请人:南京航空航天大学