(10)授权公告号 (45)授权公告日 2014.07.09
C N 203705958
U (21)申请号 201320881650.2
(22)申请日 2013.12.30
G05D 3/10(2006.01)
(73)专利权人北京工业大学
地址100124 北京市朝阳区平乐园100号
(72)发明人杜春旭 吴玉庭 马重芳 郭航
张业强
(74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理
有限公司 11203
代理人
纪佳
(54)实用新型名称
跟踪控制器
(57)摘要
大器和用于输入当地时间、日期、经度和纬度信
息、集热器相对高度、镜面距集热器垂直中心距离
信息的键盘。时钟日历芯片与单片机相连，将时钟
信号传送给单片机。单片机通过键盘显示芯片与
键盘和LED 显示板建立通信，单片机根据键盘的
键入信息和时钟信息计算太阳角及镜面转角并送
至LED 显示板显示。单片机与反向放大器相连接
控制步进电机的旋转。外接步进电机模块，实现系
统对太阳的线性跟踪。本实用新型结构简单，精度
高，体积小，不受时间，空间的限制而方便的进行
与线性菲涅耳太阳能聚光发电系统相关的研究。
(51)Int.Cl.
(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利
权利要求书1页 说明书4页 附图4页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书4页 附图4页(10)授权公告号CN 203705958 U
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1.一种用于线性菲涅耳太阳能聚光发电系统的跟踪控制器，其特征在于：其包括有单片机、时钟日历芯片、键盘显示芯片、LED 显示板、反向放大器和用于输入当地时间、日期、经度和纬度，集热器相对高度，镜面距集热器垂直中心距离信息的键盘以及步进电机驱动系统；其中：
时钟日历芯片与单片机通过I 2C 相连，将实时时钟信号传送给单片机；
单片机通过键盘显示芯片与键盘和LED 显示板相连，单片机根据键盘的键入信息和时钟信息计算出太阳高度角及相应镜面转角并送至LED 显示板显示；
单片机与反向放大器相连接，单片机根据计算的相应镜面转角通过反向放大器来控制步进电机的旋转。权 利 要 求 书CN 203705958 U
一种用于线性菲涅耳太阳能聚光发电系统的跟踪控制器
技术领域
[0001] 本实用新型是一种用于线性菲涅耳太阳能聚光热发电系统的跟踪控制器，所实现的跟踪精度能够满足太阳能工程应用的精确性要求，适合于线性菲涅耳太阳能聚光热发电领域的工程应用。该控制器通过精确实时计算太阳位置，结合线性菲涅耳聚光镜场的特有太阳跟踪方式，给出镜场中任意镜元的实时跟踪倾角并利用步进电机将其旋转至相应位置。
背景技术
[0002] 由于能源危机及大气污染，世界各国加大了对太阳能研究开发的投入，太阳能热水、太阳能建筑、太阳能光伏发电、太阳能热发电等项目发展迅速，规模逐渐扩大。太阳能的利用技术正在日益成熟。太阳能热发电系统主要有4种类型：槽式、塔式、碟式、线性菲涅耳型。目前，常规槽式系统是利用抛物柱面反射镜将太阳光反射聚焦至管状集热器上，并将管内工质加热产生动力来推动发电设备发电。由于太阳光入射方向是随时间、空间不断变化的，所以常规槽式系统必需不断进行太阳跟踪才能利
用，同时，与聚光器连接的管状集热器也必需同步运动。当集热管内流动工质（如油）时，管内产生高温、高压，在运动过程中还需与固定发电设备保持密封连接，这就造成了工程应用中的巨大困难。而线性菲涅耳型太阳能发电系统一改这种抛物柱面反射镜聚焦方式，而是将曲面镜分割成小的平面镜面，与水平面平行放置，根据不同时刻的太阳角，使小平面镜绕轴旋转，使太阳入射光反射至集热器，达到线聚光的效果。这种聚光装置由于没有抛物柱面的焦距的限制，故管状集热器可以固定在一定高度的水平面内，以此解决集热器活动连接密封难题。目前，这种聚光装置还处在试验阶段，相应的跟踪控制器还没有成熟的产品，本实用新型结合线性菲涅耳聚光镜场的特有太阳跟踪方式，利用单片机、步进电机等元件，开发了廉价的、适用于该类聚光系统控制器。
发明内容
[0003] 本实用新型目的在于通过提供一种太阳跟踪控制器，解决当前线性菲涅耳太阳能聚光镜场的实时太阳跟踪问题。
[0004] 该控制器可以方便的获得任意地点、任意时间的太阳高度角，任意线性菲涅耳太阳能聚光发电系统聚光镜元的转角，并可进行实时显示。通过外接步进电机及相应的电机驱动模块，可精确调整聚光镜元的转角，使太阳入射光反射至线性固定的集热器，从而尽可能多的收集太阳能。
[0005] 本实用新型是一种控制器，该控制器可精确计算太阳角度及任意角度布置的线性菲涅耳太阳能聚
光镜元的转角并将其实时显示，外接步进电机模块可驱动聚光镜实现太阳入射光反射至集热器的目的。
[0006] 为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案:
[0007] 本实用新型包括单片机、时钟日历芯片、键盘显示芯片、LED显示板、反向放大器和
用于输入当地时间、日期、经度和纬度，集热器相对高度，镜面距集热器垂直中心距离信息的键盘以及步进电机驱动系统；其中：
[0008] 时钟日历芯片与单片机相连，将实时时钟信号传送给单片机；
[0009] 单片机通过键盘显示芯片与键盘和LED显示板相连，单片机根据键盘的键入信息和时钟信息计算出太阳高度角及相应镜面转角并送至LED显示板显示；
[0010] 单片机与反向放大器相连接，单片机根据计算的相应镜面转角通过反向放大器来控制步进电机的旋转。
[0011] 本实用新型的核心部件单片机接收键盘信号，可以通过键盘调整求解太阳角度及镜面转角的初始条件（包括当地时间、日期、当地经度、当地纬度、集热器相对高度、镜面距集热器垂直中心距离），单片机在数据初始化后做出相应的反应，经过内部数据处理，通过I2C总线与时钟日历芯片和键盘显示
芯片进行数据传输，得到实时显示的太阳角度及镜面转角。本发明设置有步进电机模块外接口，可以与步进电机驱动模块建立联系，能够控制步进电机按要求旋转。
[0012] 本实用新型在地平坐标系下能够实现线性菲涅耳太阳能聚光镜元的反射跟踪，不仅提高了跟踪精度，而且可以根据太阳角及镜面转角来控制步进电机驱动模块；同时还具有结构简单、体积小、廉价等优点。
附图说明
[0013] 图1本实用新型的原理示意图
[0014] 图2本实用新型的主程序框图
[0015] 图3本实用新型的步进电机模块流程图
[0016] 图4本实用新型的电路原理图
[0017] 图5独立镜元转角计算示意图
具体实施方式
[0018] 下面结合图1～4对本发明作进一步说明：
[0019] 如图1所示，本实施例包括有单片机、反向放大器、时钟日历芯片、键盘显示芯片，键盘和LED显示板。本实例通过键盘设定初始条件(当地经度、当地纬度、当地时间、日期、集热器相对高度、镜面距集热器垂直中心距离)，设定完成后单片机开始进行数据处理，计算太阳角度及镜面转角，并通过LED显示板将镜元旋转角显示出来，便于数据的读取和监控，同时通过反向放大器将转角信号实时发送至步进电机，控制镜面转至相应的位置。[0020] 如图4所示，本实施例采用单片机为主控制器，辅以低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片和键盘接口芯片，通过键盘及LED来实现初始输入和实时显示，本实施例采用的是I2C总线的串行通信方法，可以方便通过I2C总线进行快速地读写操作而只占用单片机的两个I/O端口。I2C总线包括一条串行数据线（SDA）和一条串行时钟线(SCL)。将SDA数据线和SCL串行时钟线通过上拉电阻连接到电源VCC上，再将其它I2C主从器件的SDA和SCL 针脚连接在SDA数据线和SCL串行时钟线上。主控制器AT89C51RC利用通用I/O口，软件实现I2C总线串行接口操作。本实施例中将AT89C51RC的引脚P1.1与SCL时钟线相连，引脚P1.0与SDA数据线相连用以模拟I2C总线。AT89C51RC为本发明I2C总线上的主器件，
ZLG7290和PCF8563T为从器件，通过程序实现I2C的通信协议从而进行主从器件之间的数据交换。
[0021] 本实施例的主程序框图如图2所示，在初始化过程后，经过按键处理调整后，得到了计算太阳角
所需数据，再经过读取PCF8563T的时钟数据以及计算太阳角这两个过程后，根据线性菲涅耳太阳能聚光系统的特点，计算镜元倾角，最后将镜元倾角在LED显示板上显示出来；该程序主要包括以下几个步骤：
[0022] 第一步按键中断处理。当有按键被按下时，跳转至按键处理模块，并根据按键功能进行数据调整，直至确认键被按下后跳出按键处理模块。AT89C51RC将调整后的初始条件写入PCF8563T中；
[0023] 第二步建立AT89C51RC与PCF8563之间的I2C通信，以AT89C51RC为主器件，以PCF8563为从器件将初始数据写入PCF8563中，经时钟芯片处理后得到一个实时的时钟数据，并将实时时钟数据返回到单片机内；
[0024] 第三步在AT89C51RC内部进行数据处理，按太阳轨道的相关公式计算，得到的太阳角度及聚光系统镜元倾角的具体数值；
[0025] 具体计算公式：
[0026] 太阳赤纬角δ可由Cooper方程近似地计算：
[0027]
[0028] 式中n是所求日期在一年中的日序数；
[0029] 根据上式得到太阳赤纬角后，就可得到任一太阳时下的太阳高度角。太阳光线与地面的夹角称为太阳高度角，用α
表示，可由下式确定：
s
[0030]
[0031] 式中——当地纬度；
[0032] δ——太阳赤纬角；
[0033] ω——时角。
[0034] 镜面转角计算（计算示意图如图5）
[0035]
[0036] 式中或
[0037] arfa——太阳高度角
[0038] h——集热器距镜面相对高度m
[0039] x——镜面中心距集热器垂直中心相对位置m
[0040] 第四步建立AT89C51RC与ZLG7290之间的I2C通信，单片机将转换得到的太阳角度（包括高度角和方位角）数据传递到ZLG7290缓冲区并由ZLG7290驱动LED显示板。[0041] 该系统通过反向放大器外接步进电机模块，可以按照计算得到的镜元转角控制步进电机的旋转，实现跟踪。
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