一种用于跟踪光源的反射装置及其使用方法与流程

本发明属于太阳能装置技术领域，尤其是涉及一种用于跟踪光源的反射装置及其使用方法。

背景技术：

太阳能作为一种可再生清洁能源，越来越受到社会各界的普遍关注，其应用范围也更加广泛，例如太阳能热水、太阳能空调、太阳能光伏发电及太阳能光热发电等。针对这些应用，太阳能自动追日技术得到了长足的发展，这也为太阳能利用效率的提高做出了很大的贡献。然而，太阳能的应用已逐渐不再局限于阳光直射的范畴，太阳能定向反射技术也开始被关注，这对太阳能效率的突破性提高有着至关重要的作用。太阳能定向反射技术更多地应用在塔式光热发电系统中，其传感和动作机制基本沿用于自动追日技术，近来，也涌现出了较多的新思想。

白天的室内照明，可以直接使用太阳能光进行室内照明。如大型厂房的侧面窗户有限、顶部没有透光，白天室外很明亮但室内昏暗，依然需要开启照明才能生活生产，如果可以引导室外光线进入室内，则节省照明电力，节能减排。用反光镜反射太阳能光就能引导光线通过侧面门窗进入室内。但太阳照射角度时刻在变化，反射光的角度也同时随太阳位置时刻变化，必须是根据太阳光入射角度的时刻改变来不停的调整反射镜姿态，以达到反射的光线进入侧面门窗。

只要有控制光源的反射光线到达指定位置的应用，涉及到光源位置变化，通过调整反射镜来调整反射光角度不变的问题就可以应用该跟踪反射装置。

已有发明的自动化跟踪光源反射光的设备，通过检测光源位置，复杂的计算调整反射镜姿态，使反射光线到达指定位置。因为需要太阳的位置以及设备和反射点三者的位置，本身反射控制方案及电路会复杂，反射镜姿态调整的执行机械结构也受到光线跟踪控制器控制方案的限制，安装位置的选择需要根据设备控制方案及机械结构选择，更是一种限制。这些复杂方案的光源反射光的跟踪，使设备推广到实际应用产生了困难，所需要的零件精度要求高，使成本会居高不下。

专利申请号为201110247994.3所公布的“基于光斑识别的控制日光反射装置自动跟踪太阳的方法”，公开了如何利用光斑成像技术计算反射装置的调整角度，实现反射装置将日光反射到指定位置。专利申请号为200810007862.1所公布的“定日镜装置”、专利申请号为200980158900.6所公布的“用传感器控制反射方向的定日镜装置”，均公开了如何通过探测定位反射光方向来调整反射装置的运动，最终实现将日光反射到指定位置。虽然这些专利都从控制思想上提供了反射镜的动作调整依据，但并未对其机械调整结构进行相关创新研究。专利申请号为201210205805.0所公布的“塔式太阳能集热发电系统定日镜自动调整转换控制装置”，专利申请号为201210205821.X所公布的“新型塔式太阳能集热系统定日镜的被动自动跟踪系统”，具体公开了一种与反射镜、传感器、运动轴位置有关的系统结构，相比于之前的相关研究而言思想上具有一定的创新性，但其实现思想中描述的以邻边等边平行四边形为核心的反射装置结构冗余，且定日镜安装于两运动轴交点的结构容易导致系统的重心不稳、支撑不牢。

针对上述技术问题，故需要进行改进。

技术实现要素：

本发明是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种结构简单、使用方便、取材广泛，使得反射光方向的控制变得简单的用于跟踪光源的反射装置及其使用方法。

为了达到以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种用于跟踪光源的自动反射装置，包括反光镜面，反光镜面的正面方向对太阳 ；角度调整机构，围绕水平与垂直轴转动并被控制以调整反光镜面的角度；跟踪传感器，传感器感测方向面对反光镜面，传感器背面面对需要反射光的指向方向，通过跟踪传感器追踪反光镜面中的太阳；安装架，固定地竖立于地面上并在反光镜面的背面整体支撑反光镜面和角度调整机构（云台）；支撑杆，支撑杆一端固定到安装架上，另一端安装有跟踪传感器；跟踪传感器与反光镜面的正面中点相对应。

作为本发明的一种优选方案，所述角度调整机构包括第一回转机构、第一转动机构、经度跟踪电机和纬度跟踪电机；所述第一回转机构与第一转动机构转动连接；经度跟踪电机和纬度跟踪电机连接于第一回转机构上，第一转动机构设置于安装架和反光镜面之间，用于实现反光镜面在经度和纬度方向的转动，所述反光镜面的重心落在安装架上。

作为本发明的一种优选方案，所述第一转动机构包括第一连接轴和第一连接槽；连接轴和连接槽固定连接，一体成型；连接轴套接于第一回转机构内，使得第一回转机构围绕连接轴转动，连接槽与安装架顶端转动连接。

作为本发明的一种优选方案，所述第一回转机构上固设有反光镜面，反光镜面与经度跟踪电机分别位于第一回转机构的前后端；所述经度跟踪电机和纬度跟踪电机分别连接于第一云台的顶端和侧边，经度跟踪电机和纬度跟踪电机相互垂直。

作为本发明的一种优选方案，所述角度调整机构包括第二回转机构、第二转动机构、水平控制电机和垂直控制电机；第二回转机构下端套接于安装架上，并围绕安装架的转动，第二回转机构上端转动连接有第二转动机构，第二转动机构包括第二连接轴和第二连接槽；第二连接轴和第二连接槽固定连接，一体成型；水平控制电机和垂直控制电机分别连接于第二回转机构与第二连接槽的侧边，第二连接槽内转动连接有旋转块，旋转块与反光镜面的反面固定连接。

作为本发明的一种优选方案，所述支撑杆为圆弧形。

作为本发明的一种优选方案，所述角度调整机构包括第一步进电机、第二步进电机和导向架；所述导向架转动连接于第一步进电机上；反光镜面转动连接于导向架上，导向架外侧连接有第二步进电机，用于驱动反光镜面上下旋转。

一种用于跟踪光源的反射装置的使用方法，它包括以下步骤：

步骤1：将跟踪传感器布设于弧形支撑杆上，调整跟踪传感器在弧形支撑杆上的位置，并使跟踪传感器正面与反光镜面的正面位置相对应，踪传感器背面与需要反射光方向的位置相对应，反光镜面的正面方向对光源，传感器与光源都在反光镜的正面方向，反光镜面中点与跟踪传感器具有确定的几何关系；

步骤2：光源照射在反光镜面上的中心位置；光源具有不确定的运行轨迹，根据几何原理可以等效为围绕中心位置的圆周运动；

步骤3：反光镜正面方向对运动的光源，在反光镜面内形成有对应运行轨迹的光源虚像；

步骤4：用跟踪传感器追踪光源虚像，控制第一云台或第二云台或者第一第二步进电机在安装架上转动，使得移动光源的反射光线始终保持在特定位置。

本发明的有益效果是：本发明通过巧妙的感测控制和结构设计，提供了一种控制方便，取材广泛，通过设置跟踪传感器检测对象的改变，使得移动光源的反射光方向的控制变得简单，没有复杂的角度位置计算，达到节省成本、方便生产、便于推广的目的。

附图说明

图1是本发明实施例一结构示意图；

图2是本发明实施例二结构示意图；

图3是本发明实施例A向放大爆炸图；

图4是本发明实施例B向放大爆炸图；

图5是普通太阳能追光系统的太阳光与跟踪传感器垂直时状态图；

图6是普通太阳能追光系统的太阳光偏离跟踪传感器的状态图；

图7是本发明实施例跟踪传感器控制反光镜面转动的状态图（一）；

图8是本发明实施例跟踪传感器控制反光镜面转动的状态图（二）；

图9是本发明实施例跟踪传感器垂直跟踪反光镜面内的光源状态图（一）；

图10是本发明实施例跟踪传感器垂直跟踪反光镜面内的光源状态图（二）；

图11是本发明实施例跟踪传感器水平跟踪反光镜面内的光源状态图（一）；

图12是本发明实施例跟踪传感器水平跟踪反光镜面内的光源状态图（二）；

图13是本发明实施例跟踪传感器水平跟踪反光镜面内的光源状态图（三）；

图14是本发明实施例光源、反光镜面与跟踪传感器几何关系分解图；

图15是本发明实施例三结构示意图。

图中附图标记：反光镜面1，支撑杆2，跟踪传感器3，安装架4，第一回转机构5，经度跟踪电机6，纬度跟踪电机7，第二回转机构8，垂直控制电机9，水平控制电机10，连接轴11，连接槽12，第二连接轴13，第二连接槽14，旋转块15，第一步进电机16，导向架17，第二步进电机18，支撑架19，第三步进电机20，第四步进电机21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

实施例一：如图1或图3所示，一种用于跟踪光源的反射装置及其使用方法，包括反光镜面1，反光镜面1的正面方向对太阳；角度调整机构，围绕水平与垂直轴转动并被控制以调整反光镜面1的角度；跟踪传感器3，传感器感测方向面对反光镜面1，传感器背面面对需要反射光的指向方向，通过跟踪传感器3追踪反光镜面1中的太阳；并与角度调整机构相配合以控制信号控制反光镜面1的反射光方向；安装架4，固定地竖立于地面上并在反光镜面1的背面整体支撑反光镜面1和角度调整机构；支撑杆2，支撑杆2一端固定到安装架4上，另一端安装有跟踪传感器3；支撑杆2为圆弧形，跟踪传感器3与反光镜面1的正面中点相对应；使跟踪传感器3突伸到反光镜面1中心的前方，从而控制反射镜，并保持在太阳转动的过程中通过跟踪传感器3，使得太阳的反射光能都落在反光镜面1的中心位置和传感器3位置的两点直线上面；用跟踪传感器3跟踪反光镜面1里面的太阳（光源），控制角度调整机构进行相应运动，使反光镜1内的太阳虚像一直垂直照射传感器3，即反射光线一直保持在反光镜面1的中心位置和传感器3位置的两点直线上面；反光镜面1的中心位置和传感器3位置的两点射线方向即为反射光的指向方向，使得反射光方向的控制和安装变得简单，没有复杂的角度位置计算，达到节省成本、方便生产、便于推广的目的。

本实施例的角度调整机构主要用于太阳能方面比较好，该角度调整机构包括第一回转机构5、第一转动机构、经度跟踪电机6和纬度跟踪电机7；所述第一回转机构5与第一转动机构转动连接；经度跟踪电机6和纬度跟踪电机7连接于第一回转机构5上，第一转动机构设置于安装架4和反光镜面1之间，用于实现反光镜面1在经度和纬度方向的转动，反光镜面1的重心落在安装架4上。

第一转动机构包括第一连接轴11和第一连接槽12；连接轴11和连接槽12固定连接，一体成型；连接轴11套接于第一回转机构5内，使得第一回转机构5围绕连接轴11转动，连接槽12与安装架4顶端转动连接。

第一回转机构5上固设有反光镜面1，反光镜面1与经度跟踪电机6分别位于第一回转机构5的前后端；所述经度跟踪电机6和纬度跟踪电机7分别连接于第一回转机构5的顶端和侧边，经度跟踪电机6和纬度跟踪电机7相互垂直。

本装置的电路控制部分也是一种常规方案，通过控制系统将该信号转化为驱动单元的控制信号，经驱动单元控制连接线传递，通过经度跟踪电机6和纬度跟踪电机7驱动旋转轴带动反射镜装置的法线向太阳光照射和传感器的夹角中心线方向旋转，最终使跟踪传感器3与反光镜内的光源虚像的位置相一致，则最终实现了太阳光源的光线、通过反光镜面1反射与跟踪传感器3实现共线。

经过对普通太阳能电池跟踪发电系统的结构与方案的观察研究；太阳能电池板跟踪技术已经比较常见也比较成熟，当太阳光垂直于太阳能电池板的时候，单位面积所收集的太阳能为最大，经过双轴跟踪方案的解剖，以水平平面寻找光线垂直点为例，如图5、图6中；A为太阳（光源），太阳能电池板M’M（太阳能收集设备M’M）与传感器B以及O点的运动执行机构共同组成太阳能跟踪器，BO垂直于M’M；图6中为太阳能跟踪器偏离太阳（光源）A点的位置，传感器B检测A以后控制O点的执行机构带动传感器B和电池板M'M旋转，使太阳光垂直照射于传感器B即垂直照射于太阳能电池板M’M（太阳能收集设备M’M），即太阳能跟踪到达图5中的位置。

把图5、图6中的跟踪传感器B，跟踪检测方向180度转变，变成检测检测反光镜面1（把太阳能电池板M'M替换为反光镜1）内的太阳虚像位置，反光镜1（即M'M）可以随意左右（上下）围绕O点旋转运动，传感器B则和支架4固定于一体，位置不随反光镜1运动可自由运动一般为固定状态。该检测方向180度旋转的传感器B即为图1、图3、图15中传感器3。传感器检测反光镜M'M内太阳虚像A'的位置，控制O点执行机构调整反光镜面1（M'M）的姿态，来控制太阳光A通过反射镜M'M反射的光线在跟踪传感器B和运动轴点O所在位置的一条直线上。图5、图6中电池板M'M替换为反光镜M'M由O点云台控制自由运动，传感器B检测方向旋转180并和支架固定可独立运动，A在反光镜M'M内产生虚像A'，该太阳能跟踪器替换以后相当于本发明的反光跟踪控制设备，即为图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14的跟踪原理状态图。

图7是跟踪传感器围绕反光镜面转动的状态图，为俯视观察一个水平面内，M'M为反光镜面1，根据镜面反射原理，物体C会在反光镜面1里面产生一个虚像C'，虚像C'和实物C所在的两点连接起来的直线，和反光镜面M'M所在的直线垂直。光源C照射的光线经过反光镜面1反射在C'OC''直线上面； A为太阳（光源）初始位置。该状态已经是跟踪传感器B跟踪虚像A'，控制执行机构O转动反光镜面M'M，使A经M'M反射以后的光线到达A'OA''直线上面的跟踪稳定状态。C位置为太阳（光源）A运动以后的位置，C'即为C的虚像。跟踪传感器B固定在OBA''的直线上面，反光镜面M'M可以绕O点以OBA''为中心线左右90度旋转；射线OB的指向即为光源反射光的照射方向。

跟踪虚像控制反射光照射方向的具体过程为：如图7所示，初始位置即稳定状态时的A经过运动以后，会到达C的位置；这个时候根据图7初始跟踪稳定状态的M'M姿态进行成像的运动以后的A的虚像在C'位置，所以A运动到C以后产生的反射光线在COC''上面，光线反射后向左偏离了OBA''射线方向，传感器B需要寻找M'M新的稳定姿态。传感器B检测虚像的位置，虚像在A'位置时候是稳定状态，C'位置向右偏离了A'的位置，需要控制O的执行结构使M'M顺时针转动到图8中M'M的姿态，根据镜面反射的原理，虚像C'的位置向左移动到达了A'的位置；和A'重合则传感器B再次检测为设备稳定状态；A在C位置时候产生的光线经过M'M反射，仍然在OBA''射线方向，和OBA''射线重合。

本实施例的跟踪传感器B可选择的可以是多种方案，和太阳能电池板跟踪器的基本相同；可以是光敏电阻检测光强比较跟踪，可以是感光二极管检测光强比较进行跟踪，可以是CCD、COMS摄像头传感器进行图像跟踪，等等进行光强跟踪的方案传感器皆可用，安装在B位置。

如图9-10所示，为跟踪传感器垂直跟踪反光镜面内的光源状态图，太阳(光源)A从图9位置向下移动到图10位置，跟踪传感器B检测以后通过O点执行器使M'M顺时针旋转到合适角度，使虚像A'仍然在直线OB上面，直线A'A''和OB重合，使反射光线在OB指向上。跟踪传感器检测对象的改变，使得反射光方向的控制变得简单，使得控制M'M的姿态变成一个简单的过程。图11、图12、图13同理为水平方位跟踪虚像调整反光镜姿态的状态图。

一种用于跟踪光源的反射装置的使用方法，它包括以下步骤：

步骤1：将跟踪传感器3布设于弧形支撑杆2上，调整跟踪传感器3在弧形支撑杆2上的位置，并使跟踪传感器3的反面方向指向需要反射光照射的方向或位置，反光镜面1的正面方向位置调节到跟踪传感器3正面感测面相对应，同时反光镜面1的正面方向对光源，光源与传感器3都在反光镜的正面方向，反光镜面1中点与跟踪传感器3具有确定的几何关系；

步骤2：光源照射在反光镜面1上的中心位置；光源具有不确定的运行轨迹，根据几何原理可以等效为围绕中心位置O的圆周运动；

步骤3：运动的光源在反射镜1正面方向的任何方位，在反光镜面1内形成有对应运行轨迹的光源虚像；

步骤4：用跟踪传感器3追踪光源虚像，控制第一云台A或第二云台B在安装架4上转动，或者控制第一步进电机第二步进电机转动，使得移动光源的反射光线始终保持在特定位置。

具体几何关系我们可以对照图14进行说明，图中圆形轨迹为光源的运行轨迹，光源具有不确定的运行轨迹，但根据几何原理可以等效为围绕中心位置O的圆周运动。光源为太阳光源，在平面AOB内，A点为太阳光源的起始位置，A点沿着光源的运行轨迹在平面内运动，相对应的，A'点同时在平面内运动，OB点位置固定，OB点为反光镜面1的正面中点距跟踪传感器3的距离，M'M可以以圆形O以OBA''为中心线左右90度旋转，圆形O为反光镜面1的正面中点；

（1）.A点与A'点几何关系符合平面镜成像原理，直线M'M为反光镜面1；几何关系为直线A'A⊥直线M'M，相交于点Z，A'Z=AZ，A'O=AO；

（2）.AO为入射光线，反射光线在OB射线上；根据平面镜反射原理，N'N为反光镜面1的M'M的法线，N'N⊥M'M，∠i=∠r。

（3）.因为N'N⊥M'M，A'A⊥M'M，所以N'N∥A'A。根据直线的平行性质，∠ZAO=∠i。因为∠i=∠r，及等边三角形性质∠ZAO=∠ZA'O；所以∠i=∠r=∠ZAO=∠ZA'O；根据三角形内角和性质，∠ZAO+∠ZA'O+∠AOA'=∠i+∠r+∠AOA'=∠A'OB=180°，即A'O与OB在同一条直线上面。

综上可得，当BO与OA'共线时候，反光镜面1对AO光线的反射光就与OB射线重合。

当A改变了在平面AOB内的位置以后，调节M'M的角度∠MOB，可以调整A符合镜面成像原理的A'点的位置，对A'进行调整，使∠ZAO+∠ZA'O+∠AOA'=∠i+∠r+∠AOA'=∠A'OB=180°，使A经过平面镜M'M反射的光线与OB指向射线重合。

传感器B可以跟踪控制M'M反射镜角度，使光源A的虚像A'O与OB重合，完成跟踪，所以OB射线即为A经反射以后光线的方向；用跟踪传感器3跟踪反光镜面1里面的太阳（光源）的虚像，控制角度调整机构进行相应运动，使反射光线一直保持在某一位置。

实施例二：

如图2和图4所示，角度调整机构用于跟踪水平和垂直光源光线比较好，该角度调整机构包括第二回转机构8、第二转动机构、垂直控制电机9和水平控制电机10；第二回转机构8下端套接于安装架4上，并围绕安装架4的转动，第二回转机构8上端转动连接有第二转动机构，第二转动机构包括第二连接轴13和第二连接槽14；第二连接轴13和第二连接槽14固定连接，一体成型；垂直控制电机9和水平控制电机10分别连接于第二回转机构8与第二连接槽14的侧边，第二连接槽14内转动连接有旋转块15，旋转块15与反光镜面1的反面固定连接。

如图11-13所示，太阳（光源）A从图11的位置向西（右）经过图12的位置到达图13位置，跟踪传感器B控制执行机械O使M'M顺时针旋转寻找稳定位置，经过图12稳定姿态到达图13稳定姿态；使得反射光方向的控制变得简单，没有复杂的角度位置计算，达到节省成本、方便生产、便于推广的目的。

本实施例的其它内容可参考实施例一。

实施例三：

如图15所示，角度调整机构包括第一步进电机16、第二步进电机18和导向架17；所述导向架17转动连接于第一步进电机16上；第一步进电机16带动导向架17可以在垂直方向上进行360度旋转，而反光镜面1转动连接于导向架17上，导向架17外侧连接有第二步进电机18，用于驱动反光镜面1上下旋转；这样的设置使得反光镜面1的转动更加灵活，准确性更高，同时，与反光镜面1位置相对应的位置设置有支撑架19，支撑架19上端分别安装有第三步进电机20和支撑杆2，跟踪传感器3布设于支撑杆2上，跟踪传感器3上连接有第四步进电机21，第四步进电机21用于驱动跟踪传感器3沿着支撑杆2左右滑动，第三步进电机20驱动支撑杆2上下摆动；这样使得跟踪传感器3与反光镜面1中心的位置相对应，跟踪传感器3可以自由的运动的同时传感器3的正面可以时刻指向中心位置，使反射光线指向位置的调整变得方便。

本实施例的其它内容可参考实施例一或实施例二。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

尽管本文较多地使用了图中附图标记：反光镜面1，支撑杆2，跟踪传感器3，安装架4，第一回转机构5，经度跟踪电机6，纬度跟踪电机7，第二回转机构8，垂直控制电机9，水平控制电机10，连接轴11，连接槽12，第二连接轴13，第二连接槽14，旋转块15，第一步进电机16，导向架17，第二步进电机18，支撑架19，第三步进电机20，第四步进电机21等术语，但并不排除使用其它术语的可能性；使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。