CN103676977A - 太阳能采集***及日光跟随器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能采集***及日光跟随器。所述日光跟随器的可视角至少为180度，所述日光跟随器用于在其可视角范围内跟踪太阳的运动轨迹，根据太阳运动轨迹变化调整所述太阳能电板面向太阳的方向，使太阳光按照直射的角度入射到所述太阳能电板上。根据太阳的运动轨迹来实时调整太阳能电板的位置，使阳光尽量按照直射的角度，照射到太阳能电板上。因此，在安装时，不必考虑安装地的经/纬度信息，简化了技术应用过程，降低了成本。

Description

太阳能采集***及日光跟随器

技术领域

本发明属于太阳能应用技术领域，具体地说，涉及一种太阳能采集***及日光跟随器。

背景技术

能源问题关系着人类的发展与未来，是世界范围内的重大问题。长期以来，无论是工业领域还是民用领域，不可再生的化石能源如煤炭和石油一直是能源的主要原材料，尤其是目前的电能来源方面，主要是利用煤炭来进行发电产生电能。然而，由于过度的开采和使用，据不完全统计，化石能源将在50年内的近未来面临着完全的枯竭。

为此，可代替上述化石能源的可再生能源，日益被重视起来。例如风能发电、潮汐发电，尤其是太阳能发电成为了人类可持续发展蓝图中一项不可获取的关键技术。

相比较化石能源，可再生能源具有可以持续利用、有利环境保护等优点。但是，由于其主要依赖于自然环境，比如风能完全依赖于风速和风向，太能依赖于阳光的强度和入射角度等。再加上掣肘于目前开发可再生能源的技术手段，开发可再生的能源往往存在效率低下、开发成本高等不足之处。因此，如何利用现有的科学技术进步，回馈能源事业，使得可再生能源的利用效率大幅提高，是具有重大意义的一项工程。

以下以开发太阳能为例，比如目前常用太阳能来发电。在利用太阳能发电的过程中，太阳能电板是核心部件，其用于收集太阳光线并转换为相应的电能。

现有技术中，太阳能电板具有通常具有固定式和活动式两种类型，其主要区别在于是否使用日光跟随器使其在使用过程中改变位置。固定式太阳能面板根据其所在的经纬度位置，在安装时就确定其面向天空的朝向，在使用过程中，其位置不发生任何改变；而活动式太阳能电板使用日光跟随器，在使用过程中不断改变其朝向，使太阳光直射。由于可不断改变朝向，调整自身位置，效率较高，活动式抬眼能电板日益受青睐。

活动式太阳能电板中的日光跟随器可以分为两大类，定日镜Heliostat与太阳能***Solar Tracker。前者的负载通常为平面镜面，光路径指向太阳能面板或太阳能发热器；后者的负载为太阳能电板，光路径指向电板的法线方向。

太阳能***Solar Tracker又可分为两大类，单轴型（Single-Axis）和双轴型（Dual-Axis）的。单轴型Solar Tracker只具有一个旋转轴的自由度，而双轴型Solar Tracker具有两个旋转轴的自由度。前者的实现技术和安装成本相对较低，较为普遍；后者的实现技术和成本较高，应用较少。一般认为，高纬度地区的太阳能面板不易使用太阳能***Solar Tracker，而低纬度地区的太阳能面板可以使用太阳能***Solar Tracker。

但是，无论是上述哪一类太阳***，其在安装的时候，必须考虑安装地的经/纬度信息，调整太阳能***Solar Tracker，实现对日光直射方向的跟随，尽可能延长其负载的太阳能面板进行光电转换的时间，使得技术的应用过程繁琐，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能采集***及日光跟随器，用以部分或全部克服、部分或全部解决现有技术存在的上述技术问题。

为了部分或全部克服、部分或全部解决上述技术问题，本发明提供了一种太阳能采集***，其包括：太阳能电板、日光跟随器，所述日光跟随器的可视角至少为180度，所述日光跟随器用于在其可视角范围内跟踪太阳的运动轨迹，根据太阳运动轨迹变化调整所述太阳能电板面向太阳的方向，使太阳光按照直射的角度入射到所述太阳能电板上。

优选地，在本发明的一实施例中，所述日光跟随器具有广角镜头或者超广角镜头，以通过桶形畸变，使其具有至少180度的可视角。

优选地，在本发明的一实施例中，所述日光跟随器为只有一个旋转轴的单轴型，或者具有两个旋转轴的双轴型。

优选地，在本发明的一实施例中，所述日光跟随器具有一个地球的经线平行的转动轴，和/或所述日光跟随器具有一个地球的纬线平行的转动轴。

优选地，在本发明的一实施例中，根据所述转动轴的转动，调整所述太阳能电板面向太阳的方向，使太阳光按照直射的角度入射到所述太阳能电板上。

优选地，在本发明的一实施例中，所述日光跟随器按照垂直指向天空的方向设置，以使所述日光跟随器跟踪可视角范围内太阳的运动轨迹。

优选地，在本发明的一实施例中，所述日光跟随器与所述太阳能电板为一对一或者一对多的关系。

为了部分或全部克服、部分或全部解决上述技术问题，本发明提供了一种日光跟随器，所述日光跟随器的可视角至少为180度，所述日光跟随器用于在其可视角范围内跟踪太阳的运动轨迹，根据太阳运动轨迹变化调整太阳能电板面向太阳的方向，使太阳光按照直射的角度入射到所述太阳能电板上。

与现有的方案相比，本发明中，所述日光跟随器的可视角至少为180度，所述日光跟随器在其可视角范围内跟踪太阳的运动轨迹，根据太阳运动轨迹变化调整所述太阳能电板面向太阳的方向，使太阳光按照直射的角度入射到所述太阳能电板上。根据太阳的运动轨迹来实时调整太阳能电板的位置，使阳光尽量按照直射的角度，照射到太阳能电板上。因此，在安装时，不必考虑安装地的经/纬度信息，简化了技术应用过程，降低了成本。

附图说明

图1为太阳直射与地球南北回归线之间的关系示意图之一；

图2为太阳直射与地球南北回归线之间的关系示意图之二；

图3为现有技术中普通镜头的影像投射示意图；

图4为本发明中鱼眼镜头的影像投射示意图；

图5为本发明鱼眼镜头与太阳的可视关系示意图；

图6为本发明鱼眼镜头与太阳跟踪关系的影像示意图；

图7为现有技术中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的结构示意图；

图8为现有技术中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图；

图9为本发明实施例中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的结构示意图；

图10为本发明实施例中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的平面示意图；

图11为本发明实施例中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图；

图12为现有技术中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的结构示意图；

图13为现有技术中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图之一；

图14为现有技术中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图之二；

图15为本发明实施例中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的结构示意图；

图16为本发明实施例中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图之一；

图17为本发明实施例中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图之二。

具体实施方式

以下将配合图式及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明下述实施例的主要思想：

本发明下述实施例提供了一种太阳能采集***，其包括：太阳能电板、日光跟随器，所述日光跟随器的可视角至少为180度，所述日光跟随器在其可视角范围内跟踪太阳的运动轨迹，根据太阳运动轨迹变化调整所述太阳能电板面向太阳的方向，使太阳光按照直射的角度入射到所述太阳能电板上。

本发明主要思想带来的技术效果：

太阳直射在北半球表面直射的最高纬度为北纬23°26’,太阳直射在南半球表面直射的最高纬度为南纬23°26’。太阳直射在东半球表面直射的最高经度为东经160°,太阳直射在西半球表面直射的最高经度为东经20°。由此可看出，太阳的运动轨迹经纬度变化范围在160°至23°26’之间，因此，采用本发明下述实施例中具有可视角至少为180度的日光跟随器，完全可以跟踪到太阳的运动轨迹。根据太阳的运动轨迹来调整太阳能电板的位置，使阳光尽量按照直射的角度，照射到太阳能电板上。

本发明下述实施例中，为了使日光跟随器具有广角镜头或者超广角镜头，以通过桶形畸变，使其具有至少180度的可视角。具体地，比如给日光跟随器配备一鱼眼镜头，鱼眼镜头的可视角最小可达180度，而最大可以达到220°或230°，或者更大，因此其可以称之为广角镜头或者超广角镜头。鱼眼镜头具有相当长的景深，有利于表现视频的长景深效果。鱼眼镜头的成像有两种，一种像普通镜头一样，成像充满画面；另一种成像为圆形。

因此，在本发明的启发下，本领域普通技术人员，无需创造性劳动可以灵活选择不同可视角的鱼眼镜头，以完成日光跟随器的实体配置。

本发明的下述实施例中，为了尽可能准确地跟踪到太阳的运动轨迹，所述日光跟随器须尽可能地按照垂直指向天空的方向设置，以使所述日光跟随器跟踪可视角范围内太阳的运动轨迹。

图1为太阳直射与地球南北回归线之间的关系示意图之一；图2为太阳直射与地球南北回归线之间的关系示意图之二。地球表面某一给定位置和太阳之间的相对运动可以看作是地球自转和公转两种运动的合成。此给定位置的太阳运动轨迹在一天内的路径主要有地球自转形成，此给定位置的太阳运动轨迹在一年内的相对变化主要由于地球公转形成。因此，如图1所示，太阳直射在北半球表面直射的最高纬度为北纬23°26’,如图2所示，太阳直射在南半球表面直射的最高纬度为南纬23°26’。

图3为现有技术中普通镜头的影像投射示意图；如图3所示，记录了光线经过透镜lens入射靶面的侧视图，空间中一点P经过lens301射向靶面302比如感光芯片CMOS，形成映射点P’,直线PP’与光轴（Optical Axis的夹角为theta），P’点到靶面302中心的距离为r。对于一个普通摄影镜头，假设镜头的焦距f，则P点到P’点的影像投射函数为r=f*tan（theta），theta应小于90度。

图4为本发明中鱼眼镜头的影像投射示意图；如图4所示，从垂直靶面的视角描述了具体的影像投射，假设其焦距为f，P’点到靶面302中心的距离为r，则P点到P’的影像投射函数为r=f*theta，theta范围可以等于或大于90度，垂直靶面的视角中，映射点P’在靶面水平轴线的角度为sigma。

本发明下述实施例中，由于跟踪的太阳的运动轨迹，因此，theta至少为180度。

图5为本发明鱼眼镜头与太阳的可视关系示意图；如图5所示，假如在地球501表面某一给定位置处放置一鱼眼镜头502，使其对象天空方向，该鱼眼镜头502的可视角为180度，跟踪太阳504在一天中的运动轨迹。

图6为本发明鱼眼镜头与太阳跟踪关系的影像示意图；如图6所示，由于地球自转具有倾斜角，鱼眼镜头中观测到的太阳运动轨迹为一条弧线L。其中A点和C点分别为日出和日落，其对应时刻的theta角最大，而B点为正午时分，其对应的theta较最小。A、B、C三点对应sigma角度可以通过焦平面的平面几何获得。假设在鱼眼镜头靶面中太阳位置点的直角坐标为P’（x，y），则sigma=atan2(y,x)，而atan2（y,x）为：

$a\tan 2(y,x)=\left\{\begin{array}{cc}\arctan \left(\frac{y}{x}\right)& \mathrm{ifx}>0\\ \arctan \left(\frac{y}{x}\right)+\mathrm{\&pi;}& \mathrm{ifx}<0\mathrm{andy}\&GreaterEqual;0\\ \arctan \left(\frac{y}{x}\right)-\mathrm{\&pi;}& \mathrm{ifx}<0\mathrm{andy}<0\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}& \mathrm{ifx}=0\mathrm{andy}>0\\ -\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}& \mathrm{ifx}=0\mathrm{andy}<0\\ \mathrm{undefined}& \mathrm{ifx}=0\mathrm{andy}=0\end{array}\right.$ 其中a为P’到鱼眼镜头靶面中心的距离。由于地球公转会造成的太阳运动轨迹变化，因此在一年中的某些某天，太阳运动的轨迹可能从弧线L变为L’或者是L’’。

以上对本发明实施例中应用的鱼眼镜头原理进行了示意性说明，以下将具体结合太阳能电板，对比现有技术，示意性的说明在具体应用中如何安装太阳能电板和具有上述鱼眼镜头的日光跟随器。

图7为现有技术中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的结构示意图；如图7所示，在柱形的支撑臂701的顶端同时装配有太阳能电板702和支撑臂日光跟随器（图中未示出），通过转动轴703与太阳能电板702的负载平面相连接，在装配时转动轴703的轴心线必须与地球的经线平行。

图8为现有技术中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图，随转动轴704的旋转角a改变太阳能电板702的法线方向。

图9为本发明实施例中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的结构示意图；如图9所示，在支撑臂901的顶端配装有一配有鱼眼镜头的日光跟随器902，在支撑臂901顶端稍靠下的某一位置处设置有负载面（图中未示出），该负载面上装载有太阳能电板903，通过转动轴904的旋转改变太阳能电板903的位置，转动轴904的轴心线与地球的经线平行。与现有技术不同的是，日光跟随器902和太阳能电板903没有装载在同一负载面上，尽可能地可实现在负载平面上装载表面积更大的太阳能电板903，提高了光电转换的效率。

图10为本发明实施例中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的平面示意图，对负载平面中心位置的两侧进行了宽度为d的镂空，便于在旋转轴904两侧都设置太阳能电板903。由于日光跟随器的大小会影响宽度的大小，如前所述，也影像了负载平面上可装载的太阳能电板的表面积。因此，在实际应用的过程中，使用具有极小尺度感光元件的鱼眼相机作为其视觉传感器，从而提高其经济效益，从而尽可能的保持宽度d最小，提高光电转换效率。

图11为本发明实施例中配置单轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图，随转动轴904的旋转角a改变太阳能电板903的法线方向。

图12为现有技术中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的结构示意图；如图12所示，在柱形的支撑臂1201的顶端同时装配有太阳能电板1202和日光跟随器（图中未示出），通过两个转动轴1203与太阳能电板1202的负载平面相连接，在装配时一个转动轴1203的轴心线与地球的经线平行，另外一个转动轴1203的轴心线与地球的纬线平行。

图13为现有技术中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图之一；图14为现有技术中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图之二；负载平面的法线方向即太阳能电板1202的由旋转角a和b共同决定。

图15为本发明实施例中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的结构示意图；如图15所示，在柱形的第一支撑臂1501的顶端装配有双轴型日光跟随器1504，在双轴型日光跟随器1504的底座1506左右两侧分别装配有第二支撑臂1505，以保证日光跟随器中的鱼眼镜头垂直指向天空在。每个第二支撑臂1505的顶端负载平面上装配有太阳能电板1502，可以实现一个日光跟随器1504同时对应两个太阳能电板1502。设置在所述第二支撑臂1505上的两个转动轴1503与太阳能电板1502的负载平面相连接。

本实施例中，第二支撑臂1505低于第一支撑臂1501。

需要说明的是，日光跟随器1504与太阳能电板1502的数量对应关系可以根据实际的安装要求，灵活配置，可以是一对一，也可以是一对多，详细不再赘述。

图16为本发明实施例中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图之一；图17为本发明实施例中配置双轴型日光跟随器的太阳能采集***的动作示意图之二；每个负载平面的法线方向即太阳能电板1502由旋转角a和b共同决定。

上述支撑臂的设置信号传输的线路，鱼眼镜头捕捉到的太阳轨迹在多个日光跟随器之间共享，降低了装配的成本，提高了效率。

本实施例中，此种跟随器由于具有两个转动轴，通日光跟随器返回的太阳轨迹数据，调节旋转角a的大小自动跟随上述theta角的变化，通过调节旋转角b的大小自动跟随sigma角的变化，因此在安装时无需考虑地球经纬线信息。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种太阳能采集***，其特征在于，包括：太阳能电板、日光跟随器，所述日光跟随器的可视角至少为180度，所述日光跟随器用于在其可视角范围内跟踪太阳的运动轨迹，根据太阳运动轨迹变化调整所述太阳能电板面向太阳的方向，使太阳光按照直射的角度入射到所述太阳能电板上。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述日光跟随器具有广角镜头或者超广角镜头，以通过桶形畸变，使其具有至少180度的可视角。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述日光跟随器为只有一个旋转轴的单轴型，或者具有两个旋转轴的双轴型。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述日光跟随器具有一个地球的经线平行的转动轴，和/或所述日光跟随器具有一个地球的纬线平行的转动轴。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，根据所述转动轴的转动，调整所述太阳能电板面向太阳的方向，使太阳光按照直射的角度入射到所述太阳能电板上。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述日光跟随器按照垂直指向天空的方向设置，以使所述日光跟随器跟踪可视角范围内太阳的运动轨迹。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述日光跟随器与所述太阳能电板为一对一或者一对多的关系。

8.一种日光跟随器，其特征在于，所述日光跟随器的可视角至少为180度，所述日光跟随器用于在其可视角范围内跟踪太阳的运动轨迹，根据太阳运动轨迹变化调整太阳能电板面向太阳的方向，使太阳光按照直射的角度入射到所述太阳能电板上。

9.根据权利要求1所述的日光跟随器，其特征在于，所述日光跟随器按照垂直指向天空的方向设置。

10.根据权利要求1所述的日光跟随器，其特征在于，所述日光跟随器具有一个地球的经线平行的转动轴，和/或所述日光跟随器具有一个地球的纬线平行的转动轴。

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