一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的制作方法

本实用新型涉及光伏发电，尤其涉及一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统。

背景技术：

光伏发电太阳能电池（pv）可以将太阳能直接转换为电能，其性能可靠易于商用，目前有发电低成本和规模化推广的趋势，所以发展较快。尽管目前pv发电量占全球发电量的0.1%，但国际能源署（iea）预测在2030年pv发电量将达5%，并在2050年持续增长到11%。但是pv电池受制于材料的性能，虽然已经发展了几代不同的技术，其工作效率仍然处于较低的水平。虽然通过增加pv电池的数量可以增大接收到太阳光的面积并提高总输出电量，但是该种方式会大大提高发电的经济成本。为了在不增加pv电池数量的情况下增大电池单位面积内接收到的太阳辐射，聚光光伏电池（cpv）技术受到了越来越多的重视。该技术包括三个部分：三结光伏电池、光学组件、追踪机构。光学组件基于反射原理（如抛物线形反射镜）或折射原理（如菲涅尔透镜），可以将太阳光聚焦1000倍投射在三结光伏电池上，因此大大提高了cpv电池的工作效率。

然而由于cpv技术将太阳光进行了高倍聚焦，导致其对于接收光线的聚焦点位置要求非常苛刻，如果太阳光线与光学组件的法线偏离时，会引起电池接收光强剧烈变小甚至接收不到光强，严重时会将电池烧坏。因此需要配合跟踪装置实现全天候高精度跟踪，以保证cpv系统正常工作。

现有的太阳跟踪系统在机械结构、光电传感器等方面有所不同。机械结构上多采用单轴或双轴结构，单轴结构通常采用东西方向跟踪，双轴结构通常采用方位—俯仰方向跟踪。光电传感器多采用光敏器件，其结构简单，成本较低。公布号cn108490983a的专利提出一种机械式全季太阳跟踪器，提出了摆动驱动机构，解决现有的太阳光电跟踪装置易受太阳光线影响而引起误操作的问题，但该结构复杂，累积误差较大，只适用于光伏发电技术，不适用于聚光太阳电池技术。公布号cn109379028a的专利提出一种结构简单、低成本的小型太阳单轴跟踪支架，同样只适用于光伏发电技术，不适用于聚光太阳电池技术。公布号cn108444503a的专利提出一种大范围太阳位置跟踪传感器，采用几何光学原理，用ccd相机对阴影进行处理，精度较传统传感器有提高，但其日晷棒长度较短，限制了传感器精度的提高。公布号cn110138326a的专利提出一种新型双轴光伏跟踪器，其跟踪策略采用光敏电阻闭环跟踪，其控制精度受限于传感器且不适用于全天候跟踪。

因此，如何提供一种低成本高精度的跟踪系统，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本实用新型提供了一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统与方法。

本实用新型提供了一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统，包括聚光光学组件、俯仰轴组件、方位轴组件和基座，其中，所述方位轴组件安装在所述基座上，所述俯仰轴组件安装在方位轴组件的输出端，所述聚光光学组件安装在所述俯仰轴组件的输出端，所述方位轴组件包括方位轴箱体以及安装在所述方位轴箱体内的方位轴电机、方位轴蜗轮蜗杆机构，所述方位轴箱体安装在所述基座上，所述方位轴蜗轮蜗杆机构包括相啮合的方位轴蜗杆和方位轴蜗轮，所述方位轴电机与所述方位轴蜗杆连接，所述方位轴蜗轮与所述俯仰轴组件连接，所述方位轴蜗轮的轴线垂直于水平面，所述俯仰轴组件包括俯仰轴箱体以及安装在所述俯仰轴箱体内的俯仰轴电机、俯仰轴蜗轮蜗杆机构和俯仰轴偏置架，所述俯仰轴箱体安装在所述方位轴蜗轮上，所述俯仰轴蜗轮蜗杆机构包括啮合的俯仰轴蜗杆和俯仰轴蜗轮，所述俯仰轴电机与所述俯仰轴蜗杆连接，所述俯仰轴蜗轮与所述俯仰轴偏置架连接，所述聚光光学组件安装在所述俯仰轴偏置架上，所述俯仰轴蜗轮的轴线平行于水平面。

作为本实用新型的进一步改进，所述聚光光学组件包括聚光光学支架组件以及安装在所述聚光光学支架组件上的菲涅尔透镜、凹透镜、四象限硅光电池传感器，所述聚光光学支架组件安装在所述俯仰轴偏置架上，入射光线经所述菲涅尔透镜后聚焦在所述凹透镜上，最终形成一束准直光线照射在所述四象限硅光电池传感器上。

作为本实用新型的进一步改进，所述高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统还包括微控制器、供电模块、rtc模块、获取当前跟踪系统所在经纬度的gps模块、获取当前基座的姿态欧拉角的imu模块，所述gps模块的输出端与所述imu模块连接，所述imu模块的输出端与所述微控制器连接，所述四象限硅光电池传感器的输出端与所述微控制器连接，所述供电模块分别与所述rtc模块、微控制器、方位轴电机、俯仰轴电机连接，所述rtc模块的输出端与所述微控制器连接，所述微控制器通过方位轴电机驱动单元与所述方位轴电机连接，所述方位轴电机通过方位轴编码器与所述微控制器连接，所述微控制器通过俯仰轴电机驱动单元与所述俯仰轴电机连接，所述俯仰轴电机通过俯仰轴编码器与所述微控制器连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述方位轴组件还包括对方位轴进行位置限定和零位标定的方位轴光电槽型传感器，所述方位轴光电槽型传感器的输出端与所述微控制器连接，所述俯仰轴箱体的底部设有与所述方位轴光电槽型传感器配合使用的棒体。

作为本实用新型的进一步改进，所述俯仰轴组件还包括对俯仰轴进行位置限定和零位标定的第一俯仰轴光电槽型传感器和第二俯仰轴光电槽型传感器，所述第一俯仰轴光电槽型传感器、第二俯仰轴光电槽型传感器分别安装在所述俯仰轴箱体的两侧，所述俯仰轴偏置架上设有与所述第一俯仰轴光电槽型传感器或者第二俯仰轴光电槽型传感器配合使用的接收装置，所述第一俯仰轴光电槽型传感器、第二俯仰轴光电槽型传感器的输出端分别与所述微控制器连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一俯仰轴光电槽型传感器的安装位置与水平面成135°夹角，所述第二俯仰轴光电槽型传感器的安装位置与水平面成-10°夹角。

作为本实用新型的进一步改进，所述imu模块安装在所述基座上。

作为本实用新型的进一步改进，所述方位轴箱体包括方位轴减速箱体、方位轴减速箱端盖ⅰ、方位轴减速箱端盖ⅱ，所述方位轴蜗轮的两端分别通过轴承与所述方位轴减速箱端盖ⅰ、方位轴减速箱端盖ⅱ连接，所述方位轴减速箱端盖ⅰ、方位轴减速箱端盖ⅱ分别通过螺栓固定在所述方位轴减速箱体上，所述方位轴减速箱端盖ⅰ、方位轴减速箱端盖ⅱ为偏心端盖，通过调整所述方位轴减速箱端盖ⅰ、方位轴减速箱端盖ⅱ与所述位轴减速箱体对应的螺栓孔位来调节方位轴蜗杆与方位轴蜗轮的中心距，从而达到消除蜗轮蜗杆啮合间隙的目的；所述俯仰轴箱体包括俯仰轴减速箱体、俯仰轴减速箱端盖ⅰ、俯仰轴减速箱端盖ⅱ，所述俯仰轴蜗轮的两端分别通过轴承与所述俯仰轴减速箱端盖ⅰ、俯仰轴减速箱端盖ⅱ连接，所述俯仰轴减速箱端盖ⅰ、俯仰轴减速箱端盖ⅱ分别通过螺栓与所述俯仰轴减速箱体连接，所述俯仰轴减速箱端盖ⅰ、俯仰轴减速箱端盖ⅱ为偏心端盖，通过调整所述俯仰轴减速箱端盖ⅰ、俯仰轴减速箱端盖ⅱ与俯仰轴减速箱体对应的螺栓孔位来调节俯仰轴蜗杆与俯仰轴蜗轮的中心距，从而达到消除蜗轮蜗杆啮合间隙的目的。

作为本实用新型的进一步改进，所述高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统还包括误差标定装置，所述误差标定装置包括相机支座、高清相机、光筒支撑柱、阴影接收盘支座、阴影接收盘、光筒套、光筒和超细高硬钨棒，所述高清相机和光筒支撑柱分别安装在所述相机支座上，所述阴影接收盘支座安装在所述光筒支撑柱上，所述阴影接收盘安装在所述阴影接收盘支座上，所述光筒套安装在所述阴影接收盘上，所述光筒安装在所述光筒套上，所述超细高硬钨棒安装在所述阴影接收盘上，所述超细高硬钨棒位于所述光筒之内，所述光筒的轴线、光筒套的轴线、阴影接收盘的正中心、超细高硬钨棒、高清相机共线设置。

作为本实用新型的进一步改进，所述误差标定装置或者所述聚光光学组件安装在所述俯仰轴组件的俯仰轴偏置架上。

本实用新型的有益效果是：通过上述方案，提高了系统精度和稳定性，保证了系统全天候高精度跟踪，降低了成本。

附图说明

图1是本实用新型一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的轴测图。

图2是本实用新型一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的方位轴爆炸图。

图3是本实用新型一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的俯仰轴爆炸图。

图4是本实用新型一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的聚光光学组件轴测图。

图5是本实用新型一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的聚光光学组件工作原理图。

图6是本实用新型一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的误差标定装置轴测图。

图7是本实用新型一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的硬件系统框图。

图8是本实用新型一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的实验误差结果图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统，主要由四部分组成：聚光光学组件1、俯仰轴组件2、方位轴组件3、基座4。其中基座4起到双轴太阳跟踪系统的支撑作用，同时基座腔内用于布置走线以及放置控制器。方位轴组件3通过图2中方位轴减速箱端盖ⅱ13上的6个螺栓孔位与基座4螺栓连接。图3中俯仰轴支撑座30与图2中方位轴蜗轮19输出端的台阶面配合后与俯仰轴组件2螺栓连接。聚光光学组件1与图3中俯仰轴偏置架ⅰ25和俯仰轴偏置架ⅱ38上的螺栓孔位进行螺栓连接。

图2为一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的方位轴组件的爆炸图。方位轴蜗杆轴承ⅰ14一侧与方位轴减速箱体11对应的轴承孔位配合，另一侧安装在方位轴蜗杆15输入端的轴肩处，方位轴蜗杆轴承ⅱ16一侧安装在方位轴蜗杆15输出端的轴肩处，另一侧安装在方位轴蜗杆端盖17对应的轴承孔位处，方位轴蜗杆端盖17通过螺栓连接安装在方位轴减速箱体11上，手轮ⅰ18与方位轴蜗杆15输出端的台阶面螺栓连接，联轴器ⅰ10放置在方位轴减速箱体11对应腔内，一端与方位轴步进电机9配合连接，一端与方位轴蜗杆15输入端紧配合连接，方位轴步进电机9与方位轴减速箱体11螺栓连接，方位轴蜗轮19放置在方位轴减速箱体11对应腔内，方位轴蜗轮轴承ⅰ12一侧安装在方位轴蜗轮19输出端的轴肩处，另一侧安装在方位轴减速箱端盖ⅱ13的轴承孔位处，方位轴蜗轮轴承ⅱ20一侧安装在方位轴蜗轮19输出端的轴肩处，另一侧安装在方位轴减速箱端盖ⅰ5的轴承孔位处。方位轴减速箱端盖ⅰ5和方位轴减速箱端盖ⅱ13为偏心端盖，通过调整端盖与方位轴减速箱体11对应的螺栓孔位来调节方位轴蜗杆15与方位轴蜗轮19的中心距，从而达到消除蜗轮蜗杆啮合间隙的目的。方位轴保护盖7与方位轴减速箱体11配合，其作用在于防尘和给方位轴蜗杆15添加润滑脂。光电槽型传感器ⅰ6安装在方位轴减速箱体11对应孔位处，用于图1中方位轴组件3的位置限定和零位标定。桥型压线板ⅰ8安装在方位轴减速箱体11对应孔位处，用于布置走线。

图3为一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的俯仰轴组件的爆炸图。俯仰轴蜗杆轴承ⅱ37一侧与俯仰轴减速箱体45对应的轴承孔位配合，另一侧安装在俯仰轴蜗杆35输入端的轴肩处，俯仰轴蜗杆轴承ⅰ32一侧安装在俯仰轴蜗杆35输出端的轴肩处，另一侧安装在俯仰轴蜗杆端盖33对应的轴承孔位处，俯仰轴蜗杆端盖33通过螺栓连接安装在俯仰轴减速箱体45上，手轮ⅱ34与俯仰轴蜗杆35输出端的台阶面螺栓连接，联轴器ⅱ23放置在俯仰轴减速箱体45对应腔内，一端与俯仰轴步进电机24紧配合连接，一端与俯仰轴蜗杆35输入端紧配合连接，俯仰轴步进电机24与俯仰轴减速箱体45螺栓连接，俯仰轴蜗轮42放置在俯仰轴减速箱体45对应腔内，俯仰轴蜗轮轴承ⅰ41一侧安装在俯仰轴蜗轮42输出端的轴肩处，另一侧安装在俯仰轴减速箱端盖ⅱ39的轴承孔位处，俯仰轴蜗轮轴承ⅱ43一侧安装在俯仰轴蜗轮42输出端的轴肩处，另一侧安装在俯仰轴减速箱端盖ⅰ26的轴承孔位处。俯仰轴减速箱端盖ⅰ26和俯仰轴减速箱端盖ⅱ39为偏心端盖，通过调整端盖与俯仰轴减速箱体45对应的螺栓孔位来调节俯仰轴蜗杆35与俯仰轴蜗轮42的中心距，从而达到消除蜗轮蜗杆啮合间隙的目的。俯仰轴偏置架ⅰ25和俯仰轴偏置架ⅱ38分别与俯仰轴蜗轮42输出端的台阶面配合后通过螺栓连接。俯仰轴保护盖40与俯仰轴减速箱体45配合，其作用在于防尘和给俯仰轴蜗杆35添加润滑脂。光电槽型传感器ⅱ21和光电槽型传感器ⅲ36分别安装在俯仰轴减速箱体45对应孔位处，其中光电槽型传感器ⅱ21安装位置与水平面成135°夹角，光电槽型传感器ⅲ36安装位置与水平面成-10°夹角，光电槽型传感器ⅱ21和光电槽型传感器ⅲ36与俯仰轴偏置架上的接收装置配合使用，目的用于图1中俯仰轴组件2的位置限定和零位标定。桥型压线板ⅱ22、桥型压线板ⅲ27、桥型压线板ⅳ28、桥型压线板ⅴ31、桥型压线板ⅵ44分别安装在俯仰轴减速箱体45对应孔位处，用于布置走线。俯仰轴支撑座30一端与俯仰轴减速箱体45对应螺栓孔位通过螺栓连接，另一端与图2中方位轴蜗轮19输出端的台阶面配合后通过螺栓连接。钢棒29安装在俯仰轴减速箱体45对应孔位处，和图2中的光电槽型传感器ⅰ6配合使用。

图4为一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的聚光光学组件轴测图。四象限硅光电池传感器47安装在四象限硅光电池传感器支座46的正中心，短支撑柱ⅰ45、短支撑柱ⅱ48、短支撑柱ⅲ49、短支撑柱ⅳ分别安装在四象限硅光电池传感器支座46对应螺栓孔位处，凹透镜支座44安装在短支撑柱ⅰ45、短支撑柱ⅱ48、短支撑柱ⅲ49、短支撑柱ⅳ顶端，凹透镜51安装在凹透镜支座44的正中心，长支撑柱ⅰ43、长支撑柱ⅱ50、长支撑柱ⅲ52、长支撑柱ⅳ53分别安装在凹透镜支座44对应螺栓孔位处，菲涅尔透镜支座42安装在长支撑柱ⅰ43、长支撑柱ⅱ50、长支撑柱ⅲ52、长支撑柱ⅳ53顶端，菲涅尔透镜54安装在菲涅尔透镜支座42的正中心。

图5为一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的聚光光学组件工作原理图。由图5可以看出，入射光线经菲涅尔透镜54后聚焦在凹透镜51上，最终形成一束准直光线照射在四象限硅光电池传感器47上。其中菲涅尔透镜54与凹透镜51的距离取决于它们的焦距，凹透镜51与四象限硅光电池传感器47的距离取决于四象限硅光电池传感器47的接收性能指标。

图6为一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的误差标定装置轴测图。高清相机66安装在相机支座64的正中心，光筒支撑柱ⅰ63、光筒支撑柱ⅱ65、光筒支撑柱ⅲ67、光筒支撑柱ⅳ68分别安装在相机支座64对应螺栓孔位处，阴影接收盘支座69与光筒支撑柱ⅰ63、光筒支撑柱ⅱ65、光筒支撑柱ⅲ67、光筒支撑柱ⅳ68螺栓连接，阴影接收盘70安装在阴影接收盘支座69上，光筒套62一端与阴影接收盘70通过螺栓连接，一端与光筒61紧配合连接，超细高硬钨棒60位于光筒61内，安装在阴影接收盘70的正中心。

图7为一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的硬件系统框图。其中，gps模块用于获取当前跟踪系统所在经纬度，imu模块用于获取当前基座4的姿态欧拉角，四象限硅光电池传感器47用作感光器件，方位轴编码器和俯仰轴编码器用于实现电机的闭环控制，所述gps模块的输出端与所述imu模块连接，所述imu模块的输出端与所述微控制器连接，所述四象限硅光电池传感器47的输出端与所述微控制器连接，所述供电模块分别与所述rtc模块、微控制器、方位轴步进电机9、俯仰轴步进电机24连接，所述rtc模块的输出端与所述微控制器连接，所述微控制器通过方位轴电机驱动单元与所述方位轴步进电机9连接，所述方位轴步进电机9通过方位轴编码器与所述微控制器连接，所述微控制器通过俯仰轴电机驱动单元与所述俯仰轴步进电机24连接，所述俯仰轴步进电机24通过俯仰轴编码器与所述微控制器连接。

图8为一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统的实验误差结果图。采用本实用新型的系统，于2019年7月在深圳市（经纬度：22°35′10″n113°58′2″e，海拔：50m）进行了室外跟踪实验测试，验证在系统误差补偿参数（方位轴的倾斜方位角、方位轴的倾角、俯仰轴与垂直方位轴的直线的偏角、太阳能电池板参考平面相对于俯仰轴的倾斜角度）分别为0.62°、-0.57°、0.42°、1.25°的情况下，跟踪精度在0.188°范围内。

此外，整个系统主体部分如图1所示，如图6所示的误差标定装置用作测试标定系统误差，使用时将图1所示的聚光光学组件1替换。图6的工作原理为：跟踪系统实时跟踪太阳，此时误差标定装置对准太阳，由于几何光学原理，光筒中的超细高硬钨棒在阴影接收盘上形成阴影直线，高清相机捕捉阴影直线图像后利用图像处理的方法标定出阴影直线的长度，接着利用三角函数公式求出超细高硬钨棒与太阳光线的夹角，进而标定出系统跟踪误差。

本实用新型提供的一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统，在现有双轴跟踪技术的基础上，结构部分设计了偏心端盖、聚光光学组件和误差标定装置，硬件部分加入了gps模块、imu模块和四象限硅光电池传感器，提出一种低成本高精度的双轴太阳跟踪系统。该太阳跟踪系统的偏心端盖消除了蜗轮蜗杆的啮合间隙，保证了系统机械传动精度；聚光光学组件改善了传感器接收光线的质量，提高了传感器精度；误差标定装置提高了系统测量精度；四象限硅光电池传感器提高了传感器精度。

本实用新型提供的一种高精度聚光太阳电池双轴太阳跟踪系统与方法，通过采用高精度蜗轮蜗杆配合偏心端盖的方式消除了蜗轮蜗杆的啮合间隙，保证了系统机械传动精度。通过采用四象限硅光电池传感器代替传统光敏传感器的方式，改善了光敏传感器光电转换易饱和的问题，同时四象限硅光电池传感器搭载聚光光学组件，改善了传感器接收光线的质量，提高了传感器精度。通过采用基座上加入imu模块的方式，消除了基座摆放问题带来的误差。通过设计误差标定装置，给出了一种基于图像处理的系统误差标定方法，该方法有助于系统精度的提升。

相较于其他现有技术，本实用新型的优点如下：

（1）设计的传动结构消除了蜗轮蜗杆的啮合间隙，保证了系统机械传动精度；

（2）设计的四象限硅光电池和聚光光学组件改善了传感器接收光线的质量，提高了传感器精度；

（3）采用的imu模块消除了基座摆放问题带来的误差；

（4）设计的误差标定装置有助于系统精度的提升。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。