[發明專利]基于仿生偏振光檢測的太陽跟蹤裝置

有效

• 申請號: 201310697946.3
• 申請日: 2013-12-18
• 公開（公告）號: CN103676974A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 唐軍;王晨光;劉俊;石云波;李杰;任建斌;丁宇凱;王飛;郭浩;曹衛達
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 山西太原科衛專利事務所 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及太陽跟蹤裝置，具體為一種基于仿生偏振光檢測的太陽跟蹤裝置。

背景技術

長期以來，能源是人類賴以生存和發展的物質基礎。太陽能在能源發展中具有明顯的優勢：無污染性、經濟性、儲量豐富、普遍性。正是由于這些特點，太陽能源的合理開發利用成為當前世界各國廣泛關注的熱點技術。

然而，盡管太陽能存在以上的優勢，但是太陽能的利用方面還存在很多的問題。太陽能具有分散性、不穩定性、效率低和成本高的缺點，這些缺點對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。如何最大限度的提高太陽能的利用率，仍是國內外學者的研究熱點。太陽自動追蹤系統為解決這一問題提供了可能。不論哪種太陽能收集設備，只要它的集熱裝置能始終與太陽光的照射方向垂直，那么它就可以在有限的使用面積內收集更多的太陽能，使其保持最大的采熱效率。而太陽每時每刻都是在運動著，如果集熱裝置要收集更多的太陽能，那就必須要時刻追蹤太陽的位置。

目前，國內外太陽跟蹤技術的方法可以分為三種：①視日運動軌跡跟蹤；②光電跟蹤；③視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合。視日運動軌跡跟蹤是開環的程序控制跟蹤，其跟蹤算法計算過程非常復雜；而光電跟蹤靈敏度高，結構設計方便，但受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往照不到光電管上，導致跟蹤裝置無法對準太陽，甚至會引起執行機構的錯誤動作。通常情況下二者結合，可以獲得較滿意的跟蹤結果。這種組合跟蹤方案跟蹤精度高，工作過程穩定，但在應對陰雨天氣情況下精度將無法保證。如何降低天氣的影響，提高跟蹤精度，已成為當前太陽跟蹤技術領域的研究熱點。

生物學研究表明，沙蟻、蜜蜂、蟋蟀、蝗蟲等昆蟲通過利用其復眼結構以及子眼內部的偏振敏感單元對天空偏振光模式進行感知來實現精確的導航。而實現如此高性能導航的關鍵在于其生物體所具備的復眼結構，其敏感神經元（POL-神經元）具有高的偏振對比度，檢測魯棒性好，具有很高的容錯率，可實現高精度的大氣偏振信息提取，結合導航算法，可以得到方位信息。同時，太陽光散射形成的大氣偏振模式具有極強的規律性，這種規律中蘊含了太陽位置信息，本發明就是以此規律為科學依據，通過大氣偏振信息的檢測，結合算法來實現太陽的跟蹤。

大氣偏振模式的分布規律：太陽輻射出的光線經過大氣層的散射，到達地球表面的光線成了自然光和線偏振光的疊加，形成了具有穩定分布的偏振態。由于穩定分布的偏振態是針對整個太陽光的輻射光譜，其分布具有不易受電磁/人為干擾、全天候的特點，且分布沿著整個地球的表面，其大氣偏振態特征矢量信息與太陽間的相對位置具有極強的規律性，可為偏振光檢測提供一個全球范圍內可靠的信息載體。經過研究發現，任意觀測位置下的大氣存在一種相對穩定的偏振模式，其表現為兩條穩定分布的對稱線，一條是太陽子午線以及逆太陽子午線SM-ASM，大氣偏振模式的偏振度關于SM-ASM對稱分布，E-矢量關于SM-ASM逆對稱分布；另一條是與太陽角距為90°的最大偏振線，大氣偏振模式關于最大偏振線對稱，在偏振線所在的位置，偏振度最大，距離對稱線越遠，偏振度越小，如圖1、2所示，圖中短線表示E矢量，線的粗細程度表示偏振度大小，并且天空某觀測點的E-矢量總垂直于由太陽、觀測者和該點所組成的平面。在中國，隨著太陽不斷向西運動（大約每小時15°），太陽高度角和水平方位角不斷變化，對稱線和整個大氣偏振模式以太陽為中心旋轉，但大氣偏振模式始終關于SM-ASM以及最大偏振線對稱分布特性卻始終保持不變。

發明內容

本發明為了解決現有的太陽跟蹤裝置不適用于陰雨天氣、并且計算量大而復雜的問題，提供了一種新型的基于仿生偏振光檢測的太陽跟蹤裝置。

本發明是采用如下技術方案實現的：

一種基于仿生偏振光檢測的太陽跟蹤裝置，包括底座，所述底座上安裝有執行水平運動的伺服電機，所述執行水平運動的伺服電機的輸出軸連接有水平支架，所述水平支架上安裝有至少一個偏振光信息檢測傳感器，所述安裝在水平支架上的偏振光信息檢測傳感器的光入射面垂直向上（即指向天頂）；所述水平支架上安裝有執行垂直運動的伺服電機，所述執行垂直運動的伺服電機的輸出軸連接有垂直支架，所述垂直支架的前后兩端上分別安裝有關于垂直支架的軸線對稱的偏振光信息檢測傳感器，所述安裝在垂直支架上的兩個偏振光信息檢測傳感器的軸線處于同一平面、且分別與水平面形成的兩個銳角相同（即安裝在垂直支架上的兩個偏振光信息檢測傳感器的光入射面與水平面的銳角夾角相同），所述銳角為30～60°。