基于光电池Y型布局的太阳方位传感器及太阳跟踪装置 【技术领域】
本发明涉及一种基于光电池Y型布局大视场和高精度太阳跟踪装置，特别是涉及太阳能利用中的低成本大视场高精度跟踪对准装置。
背景技术
开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护环境、促进经济发展都有极为重要的意义，太阳跟踪装置能有效的提高太阳能的利用率，具有广泛的应用前景。
太阳跟踪装置现阶段普遍采用的太阳方位传感器有四象限光电探测器、PSD和光敏电阻，四象限光电探测器和PSD成本很高，且视场小，光敏电阻虽然成本低视场大，但是跟踪复杂精度低。为了满足低成本、大视场和高精度的要求，本发明设计研制了基于三块光电池Y型布局的太阳方位传感器及以其为核心的太阳跟踪装置。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提出供一种低成本、无需日历即能够大视场高精度地跟踪太阳的太阳跟踪装置。
为解决上述技术问题，本发明是采取以下的技术方案来实现的：
一种基于光电池Y型布局的太阳方位传感器，其特征在于：包括底座，三块光电池呈Y型均匀布置于底座上，三块光电池在底座底面上的投影互成120°。
前述的太阳方位传感器，其特征在于：所述底座为三面金字塔型、三面锥台型或倒三面锥台型，三块光电池分别设置于底座的三个工作斜面上。
前述的太阳方位传感器，其特征在于：所述三块光电池均匀设置于底座的三个工作斜面上。
前述的太阳方位传感器，其特征在于：所述底座为圆锥形，三块光电池均匀设置于锥形斜面上。
一种基于光电池Y型布局的太阳跟踪装置，包括用于太阳方位探测的太阳方位传感器，所述太阳方位传感器与用于信号采集的采集系统相连，采集系统与计算机相连，其特征在于：所述太阳方位传感器包括底座，三块光电池呈Y型均匀布置于底座上，三块光电池在底座底面上的投影互成120°夹角，所述太阳方位传感器设置在云台上，所述云台与云台控制器相连，所述云台控制器与计算机相连。
所述光电池与云台工作面(即底座与云台连接面)的夹角θ可取60°。θ值越大，系统误差越小但视场角越小。
前述的基于光电池Y型布局的太阳跟踪装置，其特征在于：所述计算机内设置有对采集信号进行处理的数据处理模块和用于根据得到的数据控制云台转动的跟踪控制模块。
前述的基于光电池Y型布局的太阳跟踪装置，其特征在于：所述底座为正三面金字塔型或倒三面金字塔型，底座的三个工作斜面为三角形。
前述的基于光电池Y型布局的太阳跟踪装置，其特征在于：三块光电池分别设置于底座的三个斜面的形心。
前述的基于光电池Y型布局的太阳跟踪装置，其特征在于：所述底座为圆锥形，三块光电池互均匀设置于锥形斜面上，三块光电池在底座底面上的投影互成120°夹角。
前述的基于光电池Y型布局的太阳跟踪装置，其特征在于：所述采集系统包括至少三路采集通道，所述光电池的正极接入采集通道，负极接地。
一种基于光电池Y型布局的太阳跟踪装置的跟踪方法：其特征在于：包括以下步骤
(1)将太阳方位传感器固定在云台上，传感器的中垂线(即过三块光电池的中轴线交点与云台工作面的垂线)与云台中轴线重合；
(2)太阳方位传感器的三路输出信号由数据采集系统定时采集，三块光电池的正极分别接数据采集系统数据卡的三个模拟输入端，三块光电池的负极接地；
(3)计算机的数据处理模块根据传感器的Y型布局数学模型计算出太阳方位的偏差，当上下或左右偏差大于设定电压时由计算机的跟踪控制模块产生云台动作控制信号；
(4)计算机的跟踪控制模块的输出控制信号接云台控制器控制云台的转动并最终使太阳方位传感器中垂线与太阳精确对准。
本发明地工作原理为：
太阳的方位可以明确地由两个角度β和γ表示，β是太阳的横向角，γ是太阳的纵向角。太阳方位传感器的横向角和纵向角分别为β1和γ1，当太阳方位传感器对准太阳时，β1＝β、γ1＝γ；如果太阳方位传感器没有对准太阳时，太阳传感器就会产生一组偏差信号ΔX和ΔY，用于横向角β和纵向角γ的跟踪。根据图1设计的太阳方位传感器建立二维坐标系如图2(a)，三片光电池的输出电压分别为U1、U2、U3且成120°的夹角。将这组输出电压在二维坐标系上进行合成，所得到的矢量和U就是太阳传感器相对太阳的方位偏差信号，如图2(b)。将这组输出电压在二维坐标系中进行分解，如图2(c)，可以分别得到反映太阳偏转方向的一组正交的偏差信号ΔX和ΔY。其中，ΔX反映了纵向角的偏差，ΔY反映了横向角的偏差。将偏差信号在水平方向上的分解为
U2*cos30°-U1*cos30°＝0.707(U2-U1) (1)
在垂直方向上的分解为
U3-(U1+U2)*sin30°＝U3-0.5(U1+U2) (2)
所以可以选取下面一组偏差信号来反映太阳传感器与太阳横向角和纵向角的偏差
ΔX＝U1-U2 (3)
ΔY＝U1+U2-2U3 (4)
为了避免太阳光强度的变化和大气传输引起的衰减对跟踪精度影响，可附加一个除法，即ΔX1＝(U1-U2)/(U1+U2)和ΔY1＝(U1+U2-2U3)/(U1+U2+2U3)。。
本发明所达到的有益效果：
本发明的太阳跟踪装置，其传感器与现有的太阳跟踪装置传感器相比成本低，只需三块光电池和一个三面金字塔平台，视场大，无需日历即可实现跟踪，精度可达到0.1°以上。实现了对太阳大视场实时、精确的跟踪，大大提高了太阳能的转换效率，在太阳能发电站、船舶的通讯电源、人造卫星上的电池板定位上有广泛的应用前景。
【附图说明】
图1本发明中的太阳传感器结构示意图；
图2是本发明中的太阳传感器二维坐标图。
【具体实施方式】
本发明的一种基于光电池Y型布局的太阳跟踪装置，包括用于太阳方位探测的太阳方位传感器，所述太阳方位传感器包括三面金字塔型的底座1，底座1的三个工作斜面为等边三角形，三块光电池2均匀设置于底座1的三个斜面的中心，光电池与底座地面(即底座与云台连接面)的夹角θ取60°，且三块光电池在底座底面上的投影互成120°夹角；所述太阳方位传感器设置于在云台上，太阳方位传感器的中垂线与云台中轴线重合，所述云台与云台控制器相连，所述云台控制器与计算机相连。所述计算机内设置有对采集信号进行处理的数据处理模块和用于根据得到的数据控制云台转动的跟踪控制模块。所述采集系统包括至少三路采集通道以供采集三个光电池输出的电压信号，所述光电池的正极接输入采集通道，负极接地。所述数据处理模块按照Y型布局的数学模型计算跟踪方位的上下及左右偏差。所述跟踪控制模块根据方位偏差数据计算输出四个控制信号，控制云台的上下、左右转动，对准跟踪太阳。
本发明的基于光电池Y型布局的太阳跟踪装置的跟踪方法如下：
(1)将太阳方位传感器固定在云台上，传感器的中垂线与云台中轴线重合；
(2)太阳方位传感器的三路输出信号由数据采集系统定时采集，三块光电池的正极分别接数据采集系统数据卡的三个模拟输入端，三块光电池的负极接地；
(3)计算机的数据处理模块根据传感器的Y型布局数学模型计算出太阳方位的偏差，当上下或左右偏差大于1mv电压时由计算机的跟踪控制模块产生云台动作控制信号；
(4)计算机的跟踪控制模块的输出控制信号接云台控制器控制云台的转动并最终使太阳方位传感器中垂线与太阳精确对准。
前述的方法中，在所述步骤(3)及步骤(4)中，计算机每隔1秒计算一次偏差，计算机每1秒产生一个控制信号并且上下的控制信号和左右控制信号交替产生。
当太阳横向角的偏差大于1mv时计算机通过数据卡产生一个脉冲控制信号控制云台转动带动传感器向右移动一步，横向角的偏差小于-1mv时云台带动传感器向左移动一步，偏差在此之间云台不动；当太阳纵向角的偏差大于1mv时计算机通过数据卡产生一个脉冲控制信号控制云台转动带动传感器向上移动一步，太阳纵向角的偏差小于-1mv时云台带动传感器向下移动一步，偏差在此之间云台不动。最后当横向角的偏差和纵向角的偏差都在1mv以内时，传感器精确的跟踪到了的太阳方位，跟踪精度为0.1°。
在所述步骤(3)中，数据处理模块根据下式计算太阳方位的偏差
ΔX＝U1-U2
ΔY＝U1+U2-2U3。
在所述步骤3)中，为了避免太阳光强度的变化和大气传输引起的衰减对跟踪精度影响，可附加一个除法，数据处理模块根据下式计算太阳方位的偏差
ΔX1＝(U1-U2)/(U1+U2)
ΔY1＝(U1+U2-2U3)/(U1+U2+2U3)。
以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。