本發(fā)明屬于太陽跟蹤技術(shù)研究領(lǐng)域，具體涉及一種用于太陽跟蹤的機(jī)械裝置、控制系統(tǒng)及其方法。

背景技術(shù)：

開發(fā)新能源是目前各國(guó)政府作為國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，尤其是對(duì)太陽能的開發(fā)與利用，太陽能是一種新興的可再生能源，取之不盡、用之不竭的理想能源。但是目前，太陽能的利用還不是很普及，利用太陽能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低等諸多問題。

太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可以大大提高對(duì)太陽能的利用率，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)一般有單軸式、雙軸式還有三軸式。單軸跟蹤雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)角度的追蹤，由于入射光線蹤的一維驅(qū)動(dòng)二維輸出，公開號(hào)：CN102541088A，雖然輸出二維凸輪彌補(bǔ)了一部分的角度差，但第二維輸出軌跡是固定的，始終無法持續(xù)與光軸平行，且單臂支撐，抗風(fēng)性能差。還有文獻(xiàn)提出三軸式跟蹤，就是以并聯(lián)球面機(jī)械作為跟蹤機(jī)構(gòu)，原理簡(jiǎn)單，但這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)控制模塊比較復(fù)雜，后期維護(hù)困難。雙軸式跟蹤原理簡(jiǎn)單，從方位和高度兩個(gè)角度來跟蹤，精度高，可以達(dá)到理想的跟蹤效果，尤其可以用于光纖導(dǎo)光照明系統(tǒng)。由美日英德聯(lián)合主攻的低成本清潔的太陽光安全導(dǎo)入應(yīng)用技術(shù)早在十年前已經(jīng)成功地將產(chǎn)品推向民用消費(fèi)市場(chǎng)，去除光譜中的有害成分，導(dǎo)入室內(nèi)已在各個(gè)領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。但是在國(guó)內(nèi)由于性能不穩(wěn)定、成本極高而未能普及投產(chǎn)，如專利“太陽跟蹤裝置，公開號(hào)：CN103676968A，雙軸跟蹤精度高，但同樣是單臂支撐，抗風(fēng)性能差，構(gòu)件過度承受容易產(chǎn)生金屬損傷。

光纖導(dǎo)光系統(tǒng)多以雙軸跟蹤的機(jī)械平臺(tái)為主，而目前的雙軸跟蹤機(jī)械平臺(tái)都有頭重腳輕的問題，方位軸與高度軸分離較明顯，容易產(chǎn)生與風(fēng)力抗衡的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，這就需要加大底軸的驅(qū)動(dòng)力，易造成功率匹配不合理，構(gòu)件承受過度等，對(duì)裝置材料的性能以及安裝要求都比較高，后期維護(hù)不易成本又高，使用壽命短。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問題提供一種用于太陽跟蹤的機(jī)械裝置、控制系統(tǒng)及其方法，能夠?qū)⑸习氩糠指叨冉歉櫟闹匦募杏谥行谋P并與底盤重心合二為一，支撐原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊。高度角方位由兩個(gè)型號(hào)相同、相對(duì)功率小的電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，使加有負(fù)載的平行軸運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，雙電機(jī)可由控制模塊引出，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。自主散熱，制造成本低，延長(zhǎng)了機(jī)械機(jī)構(gòu)的使用壽命，便于維護(hù)。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種用于太陽跟蹤的機(jī)械平臺(tái)裝置，包括兩個(gè)高度方位電機(jī)、輸出旋轉(zhuǎn)軸、底盤電機(jī)、連接軸、底盤、U型上端蓋和控制模塊；

所述底盤為圓柱形，所述底盤電機(jī)安裝在底盤內(nèi)，所述底盤電機(jī)通過底盤電機(jī)聯(lián)軸器與所述連接軸的一端連接，所述U型上端蓋底部為圓柱形，圓柱形底部設(shè)有中心盲孔，所述中心盲孔與連接軸的另一端通過鍵固定連接；

所述高度方位電機(jī)分別安裝在所述U型上端蓋的兩臂并固定于臂面上；所述輸出旋轉(zhuǎn)軸位于U型上端蓋相互對(duì)稱的兩臂之間、且兩端分別通過高度方位電機(jī)聯(lián)軸器與高度方位電機(jī)相連接；所述輸出旋轉(zhuǎn)軸與所述底盤相平行；

所述控制模塊放置在底盤內(nèi)，所述高度方位電機(jī)和底盤電機(jī)分別與控制模塊電連接；所述控制模塊控制底盤電機(jī)帶動(dòng)U型上端蓋旋轉(zhuǎn)，控制模塊控制高度方位電機(jī)帶動(dòng)輸出旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。

上述方案中，所述底盤由隔板分為上下兩層，上層中心位置設(shè)置電機(jī)固定槽，所述底盤電機(jī)安裝在電機(jī)固定槽內(nèi)；所述控制模塊放置在底盤的下層里。

進(jìn)一步的，所述底盤隔板上設(shè)置兩道圓弧狀的控制線通孔；

所述U型上端蓋的兩臂為中空，高度方位電機(jī)的控制線沿著兩臂的導(dǎo)出孔穿過U型上端蓋的圓柱形底部從控制線通孔進(jìn)入與控制模塊連接；

所述底盤電機(jī)的控制線均沿著控制線通孔與控制模塊連接。

上述方案中，所述U型上端蓋還設(shè)有圓柱形凸臺(tái)；所述凸臺(tái)位于U型上端蓋的底部反面中心位置，所述中心盲孔位于凸臺(tái)的中心。

上述方案中，所述輸出旋轉(zhuǎn)軸的形狀為中空矩形或者中空?qǐng)A形。

上述方案中，所述底盤上邊緣與U型上端蓋的下邊緣留有1～5cm的距離。

上述方案中，所述控制模塊為單片機(jī)。

一種用于太陽跟蹤的機(jī)械平臺(tái)裝置的控制系統(tǒng)，包括用于太陽跟蹤的機(jī)械平臺(tái)裝置和傳感器控制單元；

所述傳感器控制單元包括四個(gè)光電池，四個(gè)光電池兩兩垂直分布在安裝于輸出旋轉(zhuǎn)軸(2)上的太陽采光面中心；所述光電池分別與單片機(jī)的輸入端電連接；單片機(jī)輸出端通過功率放大電路后分別與高度方位電機(jī)和底盤電機(jī)電連接；

所述光電池用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，再將電壓信號(hào)傳送到單片機(jī)，所述單片機(jī)，將電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行方位角方向和高度角方向的電壓差計(jì)算，將電壓差跟預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)方位角方向的電壓差大于閾值時(shí)按照差值的正負(fù)進(jìn)行東西方向調(diào)整，直到差值小于閾值后進(jìn)行高度角方向的調(diào)整，當(dāng)行高度角方向的電壓差大于閾值時(shí)按照差值的正負(fù)進(jìn)行南北方向調(diào)整，直到方位角方向和高度角方向的電壓差值均小于閾值之后，跟蹤完畢。

一種根據(jù)所述控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

S1、所述光電池將接受到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并傳送到單片機(jī)；

S2、所述單片機(jī)將接收到的電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)之后進(jìn)行方位角方向和高度角方向的電壓差計(jì)算，再將電壓差跟預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行對(duì)比；

S3、當(dāng)方位角方向的電壓差大于閾值，且差值為正時(shí)控制底盤電機(jī)右轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)U型上端蓋往東方向調(diào)整，差值為負(fù)時(shí)控制底盤電機(jī)左轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)U型上端蓋往西方向調(diào)整；

S4、直到差值小于閾值后進(jìn)行高度角方向的調(diào)整，當(dāng)行高度角方向的電壓差大于閾值時(shí)，且差值為正時(shí)控制高度方位電機(jī)左轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)輸出旋轉(zhuǎn)軸往南調(diào)整，差值為負(fù)時(shí)控制高度方位電機(jī)右轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)U型上端蓋往北方向調(diào)整；

S5、直到方位角方向和高度角方向的電壓差值均小于閾值之后，跟蹤完畢。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，可以有效的解決太陽跟蹤支撐架頭重腳輕的問題，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械間隙小跟蹤范圍大，機(jī)械聯(lián)動(dòng)便于維護(hù)，成本低易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；裝置運(yùn)行時(shí)電機(jī)以及控制模塊產(chǎn)生的熱量可以通過本身通孔和間隙自行散熱，無需外加散熱設(shè)備；高度方位電機(jī)可以選用相對(duì)功率比底盤電機(jī)小的電機(jī)，由控制模塊引出并聯(lián)驅(qū)動(dòng)采光部分的跟蹤，除了降低成本之外，可以更加平穩(wěn)得驅(qū)動(dòng)有負(fù)載的平行軸。由四個(gè)光電池與單片機(jī)組成的傳感器控制單元為閉環(huán)系統(tǒng)，兩個(gè)方向分別追蹤定位，工作原理簡(jiǎn)單易懂，由于傳感器是安裝在采光面上的，可以隨著采光面的跟蹤定位實(shí)時(shí)反饋到控制中心，可以有效避免累積誤差，跟蹤穩(wěn)定，易于調(diào)整；且不論是光電池還是單片機(jī)都是物美價(jià)廉，成本較低。

本發(fā)明不僅可用于普通的太陽儲(chǔ)能設(shè)備還可以用于高精度要求的光纖導(dǎo)光系統(tǒng)以及其他需要光跟蹤的場(chǎng)合。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施方式的用于太陽跟蹤的機(jī)械裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施方式的用于太陽跟蹤的機(jī)械裝置的二維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施方式的用于太陽跟蹤的機(jī)械裝置的底盤結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一實(shí)施方式的用于太陽跟蹤的機(jī)械裝置連接軸與中心盲孔的鍵連接局部示意圖；

圖5是本發(fā)明一實(shí)施方式的用于太陽跟蹤的機(jī)械裝置的連接軸與中心盲孔的鍵連接正視示意圖；

圖6是本發(fā)明一實(shí)施方式的控制系統(tǒng)運(yùn)行示意圖；

圖7是本發(fā)明一實(shí)施方式的控制系統(tǒng)工作原理圖。

圖中：1、高度方位電機(jī)；2、輸出旋轉(zhuǎn)軸；3、底盤電機(jī)；4、連接軸；5、底盤；6、U型上端蓋；7、中心盲孔；11、高度方位電機(jī)聯(lián)軸器；31、底盤電機(jī)聯(lián)軸器；41、鍵；100、導(dǎo)出孔；101、凸臺(tái)；102、電機(jī)固定槽；103、控制線通孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

圖1和圖2所示為本發(fā)明所述用于太陽跟蹤的機(jī)械裝置的一種實(shí)施方式，所述用于太陽跟蹤的機(jī)械平臺(tái)裝置，包括兩個(gè)高度方位電機(jī)1、輸出旋轉(zhuǎn)軸2、底盤電機(jī)3、連接軸4、底盤5、U型上端蓋6和控制模塊。

如圖3所示，所述底盤5為圓柱形，所述底盤5由隔板分為上下兩層，上層中心位置設(shè)置電機(jī)固定槽102，所述底盤電機(jī)3安裝在電機(jī)固定槽102內(nèi)；所述控制模塊放置在底盤5的下層里。所述底盤電機(jī)3通過底盤電機(jī)聯(lián)軸器31與所述連接軸4的一端連接，所述U型上端蓋6底部為圓柱形，所述底盤電機(jī)3就可以帶動(dòng)U型上端蓋6轉(zhuǎn)動(dòng)。所述底盤5隔板上設(shè)置兩道圓弧狀的控制線通孔103；所述U型上端蓋6的兩臂為中空，一直到端蓋的圓柱形底部，既能減輕上端蓋的重量，為底盤電機(jī)3減輕壓力，還能讓所述的兩個(gè)高度方位電機(jī)1的控制線由中空臂的導(dǎo)出孔100導(dǎo)下來，再由所述的U型上端蓋6的圓柱形底部?jī)蓚?cè)的電機(jī)控制線導(dǎo)出孔導(dǎo)出，從控制線通孔103進(jìn)入與控制模塊連接；所述底盤電機(jī)5的控制線均沿著控制線通孔103與控制模塊連接。

如圖4和圖5所示，圓柱形底部設(shè)有中心盲孔7，所述中心盲孔7與連接軸4的另一端通過鍵41固定連接。優(yōu)選的，所述U型上端蓋6還設(shè)有圓柱形凸臺(tái)101；所述凸臺(tái)101位于U型上端蓋6的底部反面中心位置且和U型上端蓋6為一體，所述中心盲孔7位于凸臺(tái)101的中心。加圓柱形凸臺(tái)101的目的是為了增加連接軸4和U型上端蓋6的接觸面。

所述高度方位電機(jī)1分別安裝在所述U型上端蓋6的兩臂并固定于臂面上；所述輸出旋轉(zhuǎn)軸2位于U型上端蓋6相互對(duì)稱的兩臂之間、且兩端分別通過高度方位電機(jī)聯(lián)軸器11與高度方位電機(jī)1相連接；所述輸出旋轉(zhuǎn)軸2與所述底盤5相平行；所述輸出旋轉(zhuǎn)軸可以依據(jù)本裝置需要實(shí)現(xiàn)的功能來更換不同形狀、不同功能的連接軸，以便于太陽采光面的安裝。比如要實(shí)現(xiàn)太陽能板采光時(shí)，連接軸4可以制成中空矩形狀；要實(shí)現(xiàn)圓形透鏡聚焦導(dǎo)光時(shí)，連接軸4可以制成中空?qǐng)A形狀等。

所述控制模塊為單片機(jī)；所述控制模塊放置在底盤5內(nèi)，所述高度方位電機(jī)1和底盤電機(jī)3分別與控制模塊電連接；所述控制模塊控制底盤電機(jī)3帶動(dòng)U型上端蓋6旋轉(zhuǎn)，控制模塊控制高度方位電機(jī)1帶動(dòng)輸出旋轉(zhuǎn)軸2旋轉(zhuǎn)，即可以實(shí)現(xiàn)由所述輸出旋轉(zhuǎn)軸2直接控制的太陽采光面朝著控制中心單片機(jī)設(shè)定的角度空間三維式轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到跟蹤太陽的目的。

所述底盤5通過所述底盤電機(jī)3、底盤電機(jī)聯(lián)軸器31以及所述連接軸4和U型上端蓋6相聯(lián)接后，確保所述底盤5上邊緣與U型上端蓋6的下邊緣留有微小距離，可以依據(jù)裝置大小來定距離為1～5cm的距離。讓U型上端蓋6的整體重心集中于所述底盤5上，使整體結(jié)構(gòu)更緊湊，機(jī)械聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定。同時(shí)由電機(jī)及電路控制中心產(chǎn)生的熱量可以通過所述的控制線通孔103以及上下盤之間的間隙來散熱，無需外加散熱設(shè)備。

所述連接軸4通過所述底盤電機(jī)3、底盤電機(jī)聯(lián)軸器31驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)所述U型上端蓋6作方位角360度大范圍旋轉(zhuǎn)，同時(shí)所述U型上端蓋6上兩側(cè)的兩個(gè)高度方位電機(jī)1作同步異向?qū)ΨQ旋轉(zhuǎn)，使所述旋轉(zhuǎn)輸出軸2作高度角360°旋轉(zhuǎn)，安裝在輸出旋轉(zhuǎn)軸2上的太陽采光面可以在三維空間里大范圍追隨太陽光運(yùn)轉(zhuǎn)。高度方位電機(jī)1可以選用相對(duì)功率比底盤電機(jī)3小的電機(jī)，由控制模塊引出并聯(lián)驅(qū)動(dòng)采光部分的跟蹤，除了降低成本之外，可以更加平穩(wěn)得驅(qū)動(dòng)有負(fù)載的平行軸。

如圖6所示，本發(fā)明還提供一種用于太陽跟蹤的機(jī)械平臺(tái)裝置的控制系統(tǒng)，包括用于太陽跟蹤的機(jī)械平臺(tái)裝置和傳感器控制單元。

所述傳感器控制單元包括四個(gè)光電池，四個(gè)光電池兩兩垂直分布在安裝于輸出旋轉(zhuǎn)軸2上的太陽采光面中心，隨著太陽采光面一起運(yùn)行。所述光電池分別與單片機(jī)的輸入端電連接；單片機(jī)輸出端分別與高度方位電機(jī)1和底盤電機(jī)3電連接。以單片機(jī)為控制中心，由光電池接受到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過電路模塊的模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換以及單片機(jī)的編程控制變成電信號(hào)來控制所述U型上端蓋6兩側(cè)高度方位電機(jī)1，由控制中心單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步異向運(yùn)轉(zhuǎn)，以及底盤電機(jī)3的運(yùn)轉(zhuǎn)。

所述光電池用于采集光信號(hào)并轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，，并將電壓信號(hào)傳送到單片機(jī)，所述單片機(jī)電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行方位角方向和高度角方向的電壓差計(jì)算，將電壓差跟預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)方位角方向的電壓差大于閾值時(shí)按照差值的正負(fù)進(jìn)行東西方向調(diào)整，直到差值小于閾值后進(jìn)行高度角方向的調(diào)整，當(dāng)行高度角方向的電壓差大于閾值時(shí)按照差值的正負(fù)進(jìn)行南北方向調(diào)整，直到方位角方向和高度角方向的電壓差值均小于閾值之后，跟蹤完畢。

所述太陽采光面為太陽能面板、透鏡聚焦或光纖導(dǎo)光等。

如圖7所示，本發(fā)明還提供一種根據(jù)所述控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

S1、所述光電池將接受到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)傳送到單片機(jī)；具體的，四個(gè)光電池負(fù)極②、④、⑥、⑧分別接地，另外四個(gè)正極①、③、⑤、⑦接入單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

S2、所述單片機(jī)將接收到的電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行方位角方向和高度角方向的電壓差計(jì)算，并將電壓差跟預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行對(duì)比；

S3、當(dāng)方位角方向的電壓差大于閾值，且差值為正時(shí)控制底盤電機(jī)3右轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)U型上端蓋6往東方向調(diào)整，差值為負(fù)時(shí)控制底盤電機(jī)3左轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)U型上端蓋6往西方向調(diào)整；

S4、直到差值小于閾值后進(jìn)行高度角方向的調(diào)整，當(dāng)行高度角方向的電壓差大于閾值時(shí)，且差值為正時(shí)控制高度方位電機(jī)1左轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)輸出旋轉(zhuǎn)軸2往南調(diào)整，差值為負(fù)時(shí)控制高度方位電機(jī)1右轉(zhuǎn)同時(shí)帶動(dòng)U型上端蓋6往北方向調(diào)整；

S5、直到方位角方向和高度角方向的電壓差值均小于閾值之后，跟蹤完畢。

本發(fā)明一方面底盤電機(jī)3通過底盤電機(jī)聯(lián)軸器31、連接軸4與U型上端蓋6的中心孔7通過鍵41連接固定來驅(qū)動(dòng)U型上端蓋6旋轉(zhuǎn)，另一方面U型上端蓋6兩側(cè)的高度方位電機(jī)1通過高度方位聯(lián)軸器11與輸出旋轉(zhuǎn)軸2相連驅(qū)動(dòng)輸出旋轉(zhuǎn)軸2在高度角方位旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的機(jī)械平臺(tái)以雙軸運(yùn)轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)從太陽初升到太陽落山全程高精度追蹤，并有控制中心單片機(jī)設(shè)定當(dāng)太陽落山后能快速返回到初始位置，采光元件以及光電池均安裝在輸出旋轉(zhuǎn)軸2上，輸出旋轉(zhuǎn)軸2可以按不同功能的采光元件制造成不同的形狀，可以通過控制中心的不同設(shè)置來調(diào)節(jié)機(jī)械平臺(tái)的不同精度。本發(fā)明機(jī)械平臺(tái)既可以用于普通低精度要求的太陽能儲(chǔ)能設(shè)備，也能用于精度要求較高的光纖照明系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的雙軸跟蹤裝置相比，本發(fā)明裝置原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，解決了傳統(tǒng)機(jī)械平臺(tái)頭重腳輕的問題，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，并可以通過內(nèi)部通孔及表面間隙進(jìn)行自發(fā)散熱，延長(zhǎng)使用壽命，大大降低了成本。本發(fā)明中從光電池到單片機(jī)，再到電機(jī)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，且成本非常低。

應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書是按照各個(gè)實(shí)施例描述的，但并非每個(gè)實(shí)施例僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。

上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對(duì)本發(fā)明的可行性實(shí)施例的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施例或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。