[发明专利]太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能开发自动化领域，特别涉及太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法。

背景技术

太阳光是取之不尽的绿色能源，将阳光有效收集并利用光纤传输到需要照明并且对安全要求严格的场所，例如弹药库、油库、矿井等易燃易爆场所和不能直接接收阳光的建筑内，进行照明，其意义重大。此类技术的核心思想是利用聚光透镜或者聚光反射镜，将阳光聚焦到光纤上，利用光纤将阳光传输到需要照明的场所。这种照明技术节能，且光电隔离，非常安全照明，其光谱也适合人类健康需求。这种技术的关键在于高精度、全自动地跟踪太阳，确保太阳光准确聚焦在细小的光纤受光端面上。目前的相关专利提出的太阳跟踪方法分为两大类：一类是根据地球绕日运行规律控制采光照明装置；另一类是利用光敏传感器跟踪太阳。太阳跟踪技术是本发明申请人长期研究的课题，此前已经有一项“基于跟踪姿态反馈的太阳跟踪装置及跟踪方法”发明专利授权(专利号：ZL200510094900.8)，即属于前者。申请人在研究中发现，单独采用上述两类方法中的一种，无法高精度全自动跟踪太阳，无法有效实现光纤传输阳光进行照明之目的。

利用光敏传感器跟踪太阳，不受当地经纬度限制，如专利“太阳光光纤照明装置”(申请号01113529.8)采用四象限光伏探测器跟踪太阳，但也存在缺点，在阳光焦斑偏离中心时，四象限光伏探测器仅能提供偏差的大致方向信息，而无法获得偏差的具体数值和准确方向，作为闭环控制的反馈信号不够理想，且受环境温度干扰，并且在日出时刻，如果四象限光伏探测器轴线与阳光偏差太大，阳光聚焦不理想或者焦斑没有投射在光伏探测器上，则装置无法探测到太阳方位，失去控制，自动化水平低，可靠性不够高。

发明内容

本发明的目的是针对国内外太阳光光纤照明装置的缺陷，提出一种新型的具备双重太阳跟踪方法的太阳跟踪装置即太阳光光纤照明装置及太阳跟踪方法，以提高太阳光光纤照明装置的太阳跟踪精度，提高自动化水平，满足民用太阳能领域的需求。

本发明的原理是：单片机读取GPS电路信号，获得当地经度、纬度和日期时刻，据此计算当时的太阳位置，对比角度传感器信号，计算出装置姿态与太阳方位之间的偏差，利用偏差信号驱动电机，控制装置指向太阳，完成初步跟踪；再利用太阳定位传感器实现进一步高精度跟踪控制，太阳光聚焦后的焦斑如果偏离光敏器件阵列中心，则信号处理电路计算出偏差，单片机根据偏差驱动电机带动装置转动，直至太阳光聚焦光斑位于光敏器件阵列中心，集光器的轴线与太阳定位传感器轴线平行，此时集光器中阳光聚焦后准确照射在光纤受光端面上，光纤将阳光传输到需要的场所实现照明。

本发明的技术方案是：

一种太阳光光纤照明装置，包括集光器阵列、与控制器电连接的太阳定位传感器、角度传感器，特别是：

集光器阵列包括多个单元，其中每个单元包括采光聚光透镜、光纤、夹持头和镜筒，采光聚光透镜经镜筒固定在俯仰板上，光纤经夹持头贯穿俯仰板并固定在俯仰板上，光纤受光端置于采光聚光透镜焦点处，集光器阵列的镜筒轴线与太阳定位传感器的遮光筒轴线平行；

太阳定位传感器包括定位聚光透镜和光敏器件阵列，光敏器件阵列置于定位聚光透镜焦平面附近，聚光透镜通过遮光筒相对固定在光敏器件阵列上，遮光筒固定在俯仰板上，俯仰板固定在左横轴和右横轴上，左横轴通过左轴承与U型支架相连接，右横轴通过右轴承与U型支架相连接；

角度传感器为横轴角度传感器和纵轴角度传感器，横轴角度传感器的输入轴与右横轴相连接且固定在U型支架的一侧，用于测量俯仰板的俯仰角，所述U型支架的另一侧固定有横轴电机，横轴电机的输出轴经横轴大齿轮与横轴小齿轮啮合，横轴小齿轮带动俯仰板转动；

纵轴角度传感器和纵轴电机固定在底座上，底座包括上盖板、下盖板、纵轴、固定柱，纵轴置于底座的中间，底座四周置有多个固定柱，固定柱上下两端分别固定在上盖板和下盖板上，纵轴的顶部穿过上盖板经上向心轴承和上轴承盖与上盖板连接，纵轴的顶部末端与U型支架固定连接，纵轴的上端置有纵轴小齿轮，纵轴下端依次同轴串联下向心轴承和推力轴承，下轴承盖将下向心轴承和推力轴承连接在固定环上，固定环固定在下盖板上，纵轴下部末端与纵轴角度传感器的输入轴连接，用于测量U型支架的方位角，纵轴电机输出轴经纵轴大齿轮啮合纵轴上的纵轴小齿轮，纵轴小齿轮带动纵轴转动；