[发明专利]基于仿生偏振光检测的太阳跟踪装置

说明书

技术领域

本发明涉及太阳跟踪装置，具体为一种基于仿生偏振光检测的太阳跟踪装置。

背景技术

长期以来，能源是人类赖以生存和发展的物质基础。太阳能在能源发展中具有明显的优势：无污染性、经济性、储量丰富、普遍性。正是由于这些特点，太阳能源的合理开发利用成为当前世界各国广泛关注的热点技术。

然而，尽管太阳能存在以上的优势，但是太阳能的利用方面还存在很多的问题。太阳能具有分散性、不稳定性、效率低和成本高的缺点，这些缺点对太阳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阳能的利用率，仍是国内外学者的研究热点。太阳自动追踪系统为解决这一问题提供了可能。不论哪种太阳能收集设备，只要它的集热装置能始终与太阳光的照射方向垂直，那么它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能，使其保持最大的采热效率。而太阳每时每刻都是在运动着，如果集热装置要收集更多的太阳能，那就必须要时刻追踪太阳的位置。

目前，国内外太阳跟踪技术的方法可以分为三种：①视日运动轨迹跟踪；②光电跟踪；③视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。视日运动轨迹跟踪是开环的程序控制跟踪，其跟踪算法计算过程非常复杂；而光电跟踪灵敏度高，结构设计方便，但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往照不到光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的错误动作。通常情况下二者结合，可以获得较满意的跟踪结果。这种组合跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，但在应对阴雨天气情况下精度将无法保证。如何降低天气的影响，提高跟踪精度，已成为当前太阳跟踪技术领域的研究热点。

生物学研究表明，沙蚁、蜜蜂、蟋蟀、蝗虫等昆虫通过利用其复眼结构以及子眼内部的偏振敏感单元对天空偏振光模式进行感知来实现精确的导航。而实现如此高性能导航的关键在于其生物体所具备的复眼结构，其敏感神经元（POL-神经元）具有高的偏振对比度，检测鲁棒性好，具有很高的容错率，可实现高精度的大气偏振信息提取，结合导航算法，可以得到方位信息。同时，太阳光散射形成的大气偏振模式具有极强的规律性，这种规律中蕴含了太阳位置信息，本发明就是以此规律为科学依据，通过大气偏振信息的检测，结合算法来实现太阳的跟踪。

大气偏振模式的分布规律：太阳辐射出的光线经过大气层的散射，到达地球表面的光线成了自然光和线偏振光的叠加，形成了具有稳定分布的偏振态。由于稳定分布的偏振态是针对整个太阳光的辐射光谱，其分布具有不易受电磁/人为干扰、全天候的特点，且分布沿着整个地球的表面，其大气偏振态特征矢量信息与太阳间的相对位置具有极强的规律性，可为偏振光检测提供一个全球范围内可靠的信息载体。经过研究发现，任意观测位置下的大气存在一种相对稳定的偏振模式，其表现为两条稳定分布的对称线，一条是太阳子午线以及逆太阳子午线SM-ASM，大气偏振模式的偏振度关于SM-ASM对称分布，E-矢量关于SM-ASM逆对称分布；另一条是与太阳角距为90°的最大偏振线，大气偏振模式关于最大偏振线对称，在偏振线所在的位置，偏振度最大，距离对称线越远，偏振度越小，如图1、2所示，图中短线表示E矢量，线的粗细程度表示偏振度大小，并且天空某观测点的E-矢量总垂直于由太阳、观测者和该点所组成的平面。在中国，随着太阳不断向西运动（大约每小时15°），太阳高度角和水平方位角不断变化，对称线和整个大气偏振模式以太阳为中心旋转，但大气偏振模式始终关于SM-ASM以及最大偏振线对称分布特性却始终保持不变。

发明内容

本发明为了解决现有的太阳跟踪装置不适用于阴雨天气、并且计算量大而复杂的问题，提供了一种新型的基于仿生偏振光检测的太阳跟踪装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于仿生偏振光检测的太阳跟踪装置，包括底座，所述底座上安装有执行水平运动的伺服电机，所述执行水平运动的伺服电机的输出轴连接有水平支架，所述水平支架上安装有至少一个偏振光信息检测传感器，所述安装在水平支架上的偏振光信息检测传感器的光入射面垂直向上（即指向天顶）；所述水平支架上安装有执行垂直运动的伺服电机，所述执行垂直运动的伺服电机的输出轴连接有垂直支架，所述垂直支架的前后两端上分别安装有关于垂直支架的轴线对称的偏振光信息检测传感器，所述安装在垂直支架上的两个偏振光信息检测传感器的轴线处于同一平面、且分别与水平面形成的两个锐角相同（即安装在垂直支架上的两个偏振光信息检测传感器的光入射面与水平面的锐角夹角相同），所述锐角为30～60°。