CN204576280U - 一种船用太阳跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种船用太阳跟踪系统，包括光电跟踪传感器、信号处理电路、控制电路、航向控制和驱动电路，所述光电跟踪传感器、信号处理电路、控制电路和驱动电路依次相连；所述光电跟踪传感器用于检测太阳光的方位信号、航向信号、高度信号和强度信号；所述信号处理电路用于对检测到的太阳光的方位信号、航向信号、高度信号和强度信号进行比较处理；所述控制电路根据所述信号处理电路的处理结果发出控制信号控制驱动电路驱动高度电机和方位电机。本实用新型能够适应船舶航行的特点，实现太阳跟踪。

Description

一种船用太阳跟踪系统

技术领域

本实用新型涉及一种太阳跟踪系统，特别是涉及一种船用太阳跟踪系统。

背景技术

随着太阳能的广泛运用，特别是发展绿色航运、节能减排迫切要求，太阳能在船舶上的运用也日益普及，尤其在沿海船舶、内河船舶太阳能光伏发电的运用已给船舶运输企业带来可观的经济效益。但由于船舶航向机动大的特点，目前太阳能电池板的安装只能水平固定在甲板上，这样在一天的任何时刻，太阳光线都不能垂直于光伏电池平板组件，使光电转换效率大大降低，影响了太阳能的利用率。

目前国内外陆上太阳伺服跟踪系统中，按其信号控制方式不同可分为：光电跟踪、视日运动轨迹跟踪、光电与视日运动轨迹相结合的跟踪；按其机械控制方式可分为：单轴跟踪和双轴跟踪系统。光电跟踪系统是采用光电传感器，检测太阳的高度和方位变化，经过数据处理后控制太阳能电池板实时地跟踪太阳，保证太阳能电池板与太阳光线垂直。视日运动轨迹跟踪系统是以太阳视日运动规律数据为基础，而太阳日运动变化引起的太阳高度与方位不仅与时间有关，还与地理位置有关，因而控制器数据处理量大，计算复杂。然而由于船舶航向机动性大的特点，在船舶上直接使用陆上太阳伺服跟踪系统是不合适的。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种船用太阳跟踪系统，能够适应船舶航行的特点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种船用太阳跟踪系统，包括光电跟踪传感器、信号处理电路、控制电路和驱动电路，所述光电跟踪传感器、信号处理电路、控制电路和驱动电路依次相连；所述光电跟踪传感器用于检测太阳光的方位信号、航向信号、高度信号和强度信号；所述信号处理电路用于对检测到的太阳光的方位信号、航向信号、高度信号和强度信号进行比较处理；所述控制电路根据所述信号处理电路的处理结果发出控制信号控制驱动电路驱动高度电机和方位电机。

所述光电跟踪传感器包括传感器底板，所述传感器底板上设置有遮光体；所述遮光体上设有用于检测光照强度信号的光敏元件；所述传感器底板上还设有用于检测高度信号的光敏元件和用于检测方位信号的光敏元件；所述用于检测高度信号的光敏元件有两个，分别设置在所述遮光体的左右两侧；所述用于检测方位信号的光敏元件有两个，分别设置在所述遮光体的上下两侧。

所述光电跟踪传感器包括传感器底板，所述传感器底板上设置有遮光体；所述遮光体上设有用于检测光照强度信号的光敏元件；所述传感器底板上还设有用于检测高度信号的光敏元件和用于检测方位信号的光敏元件；所述用于检测高度信号的光敏元件有两个，分别设置在所述遮光体的左右两侧；所述用于检测方位信号的光敏元件有两个，分别设置在所述遮光体的前后两侧；两个用于检测高度信号的光敏元件的连线与两个用于检测方位信号的光敏元件的连线相互垂直，且两条线的交点为遮光体的中心。

所述遮光体为正方体结构。

所述传感器底板上还设有与所述传感器底板相互垂直的检测针。

所述信号处理电路包括方位信号处理电路、高度信号处理电路和强度信号处理电路；所述方位信号处理电路、高度信号处理电路和强度信号处理电路均为由运算放大器构成的电压比较器，所述方位信号处理电路的两个输入端分别与两个用于检测方位信号的光敏元件相连；所述高度信号处理电路的两个输入端分别与两个用于检测高度信号的光敏元件相连；所述强度信号处理电路的一个输入端与用于检测光照强度信号的光敏元件相连，另一个输入端与参考电压相连。

所述控制电路还与光电编码器相连，实现航向信号跟踪与处理。

所述驱动电路采用MC33186驱动芯片构成。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型在方位跟踪上采用以航向跟踪为初步调节，以光电跟踪为精细调节，在太阳高度上采用光电跟踪调节机构，使太阳能电池板保持与太阳光线垂直或基本垂直，从而构成了适用于船舶航行特点的双轴太阳跟踪系统。

附图说明

图1是本实用新型的系统框图；

图2是本实用新型中光电跟踪传感器的结构示意图，其中图2A是俯视图，图2B是立体图；

图3是本实用新型中高度信号处理电路的电路图；

图4是本实用新型中强度信号处理电路的电路图；

图5是本实用新型的控制电路的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种船用太阳跟踪系统，如图1所示，包括光电跟踪传感器、信号处理电路、控制电路和驱动电路，所述光电跟踪传感器、信号处理电路、控制电路和驱动电路依次相连；所述光电跟踪传感器用于检测太阳光的方位信号、高度信号和强度信号；所述信号处理电路用于对检测到的太阳光的方位信号、高度信号和强度信号进行比较处理；所述控制电路根据所述信号处理电路的处理结果发出控制信号控制驱动电路驱动高度电机和方位电机。

如图2所示，V1～V5为光敏电阻，其中光敏电阻V1和光敏电阻V3为高度检测元件，当太阳高度变化时，遮光体影响使光敏电阻V1和光敏电阻V3的阻值发生差异；光敏电阻V2和光敏电阻V4为方位检测元件，当太阳方位变化时，光敏电阻V2和光敏电阻V4由于遮光体遮挡，其电阻阻值产生差异；光敏电阻V5是光照强度检测元件，用于检测阴天或夜晚的光照度。在此光电跟踪传感器中遮光体采用了正方体，因为船舶航行中具有一定摇摆，通过实验证明正方体比圆柱体遮光效果更好。检测针垂直安装上传感器底板上，长度为10厘米，是用来检验跟踪系统稳定后跟踪效果，如果跟踪性能良好时则检测针在底板上应没有或只有很短小的太阳影，就是说太阳能光电平板与太阳光线垂直或几乎垂直。

在光电跟踪传感器上的5个光敏电阻V1～V5，分别承担着高度、方位和光照度信号的检测任务。信号的处理由运算放大器LM358构成的电压比较器来完成，图3为高度信号处理电路。通过图2可看出，当太阳升高时由于遮光体遮挡，光敏电阻V1接收的光照强度小于光敏电阻V3时，这时运放LM358的U1A中2号脚获得的参考电压高于3号脚的输入电压，U1A的1号脚输出OUT1为低电平；而在U1B中因6号脚的输入电压高于5号脚上参考电压，7号脚输出OUT2为高电平。OUT1为低、OUT2为高两信号驱动跟踪器俯仰轴旋转使电池板向上翻转，直到光敏电阻V1和光敏电阻V3光照度相同为止。方位角信号的处理电路相同，此处不再赘述。图4为光照强度信号处理电路，阴天时因光敏电阻V5光照度不足，使运放U3的2号脚电位高于3号脚，比较器U3A的输出为低电平，而U3B的输出为高电平。这时控制系统将跟踪器俯仰轴旋转使电池板至水平，跟踪系统停止工作。

本实用新型的高度电机和方位电机均采用永磁直流电动机，由蓄电池供电，驱动电路采用Motorola公司为汽车产生的H桥MC33186驱动芯片构成。MC33186的主要技术参数有：工作电源电压为5V～28V、连续输出电流5A，最大输出电流6.5A，输出电流大于8A时短路保护动作等。该芯片最常用的使用方式是将COD和DI1接地，DI2接高电平时，利用IN1和IN2的电平控制使OUT1和OUT2输出不同极性的电压，从而使永磁直流电动机实现正反转。MC33186典型应用，IN1输入高电平，IN2输入低电平时，OUT1通过晶体管接到电源正极，OUT2通过晶体管接到电源负极，电动机正向运转；相反，若N1输入低电平，IN2输入高电平时，OUT1通过晶体管接到电源负极，OUT2通过晶体管接到电源正极，电动机反向运转。

控制电路以单片机为核心，主电路如图5所示。GPS输出数据以NMEA0183协议通过RS485接口(主电路中J02)为跟踪控制系统提供时间、日期和经纬度信息；电罗经(或磁罗经传感器)输出数据以NMEA0183协议通过另一个RS485接口(主电路J03)为系统提供船舶航向信号；两个MX485接口芯片分别由P2口的P2.4和P2.5置高电位而实现GPS和电罗经数据信号的分时接收；太阳能电池板相对船艏的位置信号由十位光电旋转编码器通过主电路J04提供；方位角、高度角、光强度、风速信号经过主电路中的J01从P0口提供相关信号。风速信号经过J06送P3口的P3.4、P3.5。所有输入信号经过单片机处理后，由P2口的P2.0～P2.3经J05控制H桥MC33186驱动模块，从而控制方位角电机和高度角电机驱动方位轴、俯仰轴的转动。

由于太阳日视运动是由高度和方位来决定，因此对太阳跟踪的伺服机构就必须在高度和方位两个自由度上进行调整。但由于跟踪伺服机构安装在船舶甲板上，船舶航行机动时使方位跟踪更为复杂。本实用新型中两个自由方向均设有极限位置限位开关，防止在系统出现故障时，损坏机械或烧坏电动。双轴跟踪器支柱固定陆地上时有固定的地球作参考点，从而保证电池板的方位大方向是向南的(北半球)，其余通过方位轴旋转来跟踪太阳。而当双轴跟踪器装船后方位上失去了参考点，电池板的方位大方向无法确定，为了获得参考点，在方位轴上增加了绝对光电旋转编码器，绝对光电旋转编码器与方位轴的转速比为1：1。由于绝对式光电旋转编码器是把码盘角度直接进行数字化编码，并且具有零点位置固定，圆形码盘的旋转角度与输出编码一一对应等特点。在安装时将绝对式编码器零位调到与电池板平面垂直，即如果零位指向北时电池板应该对着南。另外，将方位轴的旋转调整范围改造为0°～360°，实现全回转，以适应船舶航行特点。

根据船舶航行状态的特征，要使太阳跟踪系统具有良好的跟踪性能，主要解决的是方位角跟踪，在太阳方位和航向两个方位角变化因素中因船舶航向变化的随机性大、变化率大的特点决定了其主导性。分析太阳日运动规律可知，太阳方位在视时上午10时前和下午14时后一般每小时在15°以下变化，而在视时上午10时后和下午14时前太阳方位变化较快一般每小时有30°甚至达40°的变化，但太阳的方位变化相对航向的变化总是连续的、缓慢的、有规律的。因此方位角跟踪以航向为初步跟踪，以光电跟踪为精确跟踪。双轴跟踪机构底座与船舶甲板一旦固定后，太阳能电池板平面与光电旋转编码器零线垂直，而光电旋转编码器零线平行船舶艏艉线并指向船艏，这样太阳能电池板平面和船艏即航向就建立了方位上关联。根据船舶航向旋转方位电机就可以使光电旋转编码器零线指向真北，这时太阳能电池板平面就指向南，在地球的北半球就能保证太阳光线直射的基本方向。但是，利用光电跟踪传感器对太阳方位的跟踪动态范围小，以北半球为例，如果总以光电旋转编码器零线指北为基准确定电池板的一个基本方向，那么，每次船舶改向后，光电跟踪的调整方位范围就很大，这样光电跟踪的效率就会降低，跟踪稳定性变差。为了解决船舶改向后，光电旋转编码器零线指向基准，在指北(北半球时)的基础上可以利用模糊控制算法根据时间、日期计算出当时太阳方位的修正量，确定一个新的光电旋转编码器零线指向基准，确保船舶改向后光电跟踪方位角调节范围很小或为零，提高跟踪效率和可靠性。

太阳方位还与船舶的地理位置有关，太阳跟踪系统通过RS485接口以4800速率从GPS的输出语句序列信号中提取出船位，分别得到时区修正量、纬度修正量，对光电旋转编码器的零线基准再作出修正。跟踪系统从电罗经串行数据输出接口或磁罗经传感器的信号序列中提取出船舶的真航向，方位角跟踪电机以真航向相反的方向旋转使光电编码器的零线转至航向值上。这样船舶航向改变后，太阳跟踪系统将光电旋转编码器的零线调整指向真北，此时电池板平面应与太阳光线垂直或基本垂直，船舶航向稳定后再通过光电传感器进行方位角精确跟踪。

船舶在夜间航行时航行灯或探照灯的干扰，会使跟踪系统误动作，通过从GPS输出序列信号中获取UTC时间信号，再转换为区时(或船时)来确定跟踪系统的工作时间段，保证系统白天才可能起动，在夜晚、光照强度传感器检测到为阴天或检测到风力大于12m/s时，跟踪系统将停止工作，并使太阳能电池板旋转呈水平态。

不难发现，本实用新型在方位跟踪上采用以航向跟踪为初步调节，以光电跟踪为精细调节，在太阳高度上采用光电跟踪调节机构，使太阳能电池板保持与太阳光线垂直或基本垂直，从而构成了适用于船舶航行特点的双轴太阳跟踪系统。

Claims (7)

1.一种船用太阳跟踪系统，包括光电跟踪传感器、信号处理电路、控制电路和驱动电路，其特征在于，所述光电跟踪传感器、信号处理电路、控制电路和驱动电路依次相连；所述光电跟踪传感器用于检测太阳光的方位信号、航向信号、高度信号和强度信号；所述信号处理电路用于对检测到的太阳光的方位信号、航向信号、高度信号和强度信号进行比较处理；所述控制电路根据所述信号处理电路的处理结果发出控制信号控制驱动电路驱动高度电机和方位电机。

2.根据权利要求1所述的船用太阳跟踪系统，其特征在于，所述光电跟踪传感器包括传感器底板，所述传感器底板上设置有遮光体；所述遮光体上设有用于检测光照强度信号的光敏元件；所述传感器底板上还设有用于检测高度信号的光敏元件和用于检测方位信号的光敏元件；所述用于检测高度信号的光敏元件有两个，分别设置在所述遮光体的左右两侧；所述用于检测方位信号的光敏元件有两个，分别设置在所述遮光体的前后两侧；两个用于检测高度信号的光敏元件的连线与两个用于检测方位信号的光敏元件的连线相互垂直，且两条线的交点为遮光体的中心。

3.根据权利要求2所述的船用太阳跟踪系统，其特征在于，所述遮光体为正方体结构。

4.根据权利要求2所述的船用太阳跟踪系统，其特征在于，所述传感器底板上还设有与所述传感器底板相互垂直的检测针。

5.根据权利要求2所述的船用太阳跟踪系统，其特征在于，所述信号处理电路包括方位信号处理电路、高度信号处理电路和强度信号处理电路；所述方位信号处理电路、高度信号处理电路和强度信号处理电路均为由运算放大器构成的电压比较器，所述方位信号处理电路的两个输入端分别与两个用于检测方位信号的光敏元件相连；所述高度信号处理电路的两个输入端分别与两个用于检测高度信号的光敏元件相连；所述强度信号处理电路的一个输入端与用于检测光照强度信号的光敏元件相连，另一个输入端与参考电压相连。

6.根据权利要求1所述的船用太阳跟踪系统，其特征在于，所述控制电路还与光电编码器相连。

7.根据权利要求1所述的船用太阳跟踪系统，其特征在于，所述驱动电路采用MC33186驱动芯片构成。