CN105302167A - 三点定位太阳能自动跟踪装置及其控制系统、控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三点定位太阳能自动跟踪装置及其控制系统、控制方法，所述装置包括支撑底座、位于支撑底座上的太阳能电池板、以及与太阳能电池板共面或平行设置的测光装置，所述支撑底座上垂直安装有一个固定高度的光杆和两个高度可调的丝杆，所述光杆和丝杆在支撑底座上的固定点为三角形结构，所述太阳能电池板通过光杆和丝杆与所述支撑底座固定安装，所述装置根据测光装置确定太阳的方位角，并通过调整丝杆的高度调整太阳能电池板至太阳的方位角。本发明采用三点定位原理支撑太阳能自动跟踪装置，结构简单；可以调节太阳能电池板的角度，实时校准方向，可以实现半球面上旋转，提高了太阳能电池板的发电效率。

Description

三点定位太阳能自动跟踪装置及其控制系统、控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池板追踪自动定位技术领域，尤其涉及一种三点定位太阳能自动跟踪装置及其控制系统、控制方法，由太阳光线定位并通过三点进行自动追踪太阳。

背景技术

太阳能是一种干净的可再生的新能源，越来越受到人们的亲睐，在人们生活、工作中有广泛的作用，其中之一就是利用将太阳能转换为电能，太阳能发电装置就是利用太阳能进行工作的，太阳能发电已被认为是最理想的新能源。

现有技术中大部分太阳能发电装置中的太阳能电池板都无法移动或者只能单方向运动，调节范围小，可采集的太阳能较少，发电效率较低。

有鉴于此，有必要提出一种三点定位太阳能自动跟踪装置及其控制系统、控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三点定位太阳能自动跟踪装置及其控制系统、控制方法。其采用的是三点定位原理支撑太阳能自动跟踪装置，采用三杆定位支撑装置，结构简单，利用控制主板(单片机)对数据进行分析并自动控制整个系统。该装置可以调节太阳能电池板的角度，实时校准方向，可以实现半球面上旋转，发电效率要比传统发电较高。

本装置检测部分与控制部分可分离使用，也就是说，在大型光伏电站，由于其地理位置相近则可只配备一套检测装置，同时将太阳方位信号传至各个太阳能接收装置，接收装置进行相应的调整。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三点定位太阳能自动跟踪装置，所述装置包括支撑底座、位于支撑底座上的太阳能电池板、以及与太阳能电池板共面或平行设置的测光装置，所述支撑底座上垂直安装有一个固定高度的光杆和两个高度可调的丝杆，所述光杆和丝杆在支撑底座上的固定点为三角形结构，所述太阳能电池板通过光杆和丝杆与所述支撑底座固定安装，所述装置根据测光装置确定太阳的方位角，并通过调整丝杆的高度调整太阳能电池板至太阳的方位角。

作为本发明的进一步改进，所述光杆和两个丝杆之间的距离相等，所述光杆通过万向节与太阳能电池板固定安装。

作为本发明的进一步改进，所述太阳能电池板上还设有用于供丝杆滑动且平行设置的滑槽导轨，丝杆高度变化时其顶端在所述滑槽导轨运动。

作为本发明的进一步改进，所述支撑底座上还设有用于收容丝杆的套筒、用于控制丝杆上下运动的步进电机、以及用于控制丝杆运动行程的行程开关。

作为本发明的进一步改进，所述测光装置包括测光板、位于测光板上的遮光杆、及位于测光板上且围绕遮光杆呈圆周均匀分布的若干光敏电阻。

作为本发明的进一步改进，所述遮光杆的高度L为L＝R/tanθ，其中，R为光敏电阻与遮光杆的距离，θ为太阳光和遮光杆的夹角。

作为本发明的进一步改进，所述装置还包括设于支撑底座上的蓄电池、电源开关及显示屏。

作为本发明的进一步改进，所述方位角包括沿光杆到两个丝杆中点方向的第一方位角α、以及沿两个丝杆方向的第二方位角β，其中，

所述第一方位角α＝arctan(m/n)，两个丝杆同方向同步运动，m为丝杆伸长量，n为光杆到两个丝杆中点的距离；

所述第二方位角β＝arctan(p/q)，两个丝杆反方向同步运动，p为两个丝杆伸缩量的绝对值之和，q为两个丝杆之间的距离。

相应地，一种三点定位太阳能自动跟踪装置的控制系统，所述控制系统包括：与太阳能电池板相连的稳压器、用于对电压进行转换的变压器、与变压器和太阳能自动跟踪装置相连的控制主板、以及无线控制模块，所述控制主板用于接收测光装置的测试数据调整丝杆的高度以调整太阳能电池板的方位角。

相应地，一种三点定位太阳能自动跟踪装置的控制方法，所述方法包括：

S1、测光装置检测光照方向；

S2、控制主板根据光照方向控制丝杆高度；

S3、判断太阳能电池板是否和光线垂直，若是，在预定时间后返回执行步骤S1，若否，则立即返回执行步骤S1。

本发明的有益效果是：

采用三点定位原理支撑太阳能自动跟踪装置，结构简单；

利用各种机械构件结合步进电机，可以通过步进电机的转动带动整个装置运行；

可以调节太阳能电池板的角度，实时校准方向，可以实现半球面上旋转，提高了太阳能电池板的发电效率。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式中三点定位太阳能自动跟踪装置的立体结构示意图。

图2为本发明一具体实施方式中三点定位太阳能自动跟踪装置的控制系统模块示意图。

图3为本发明一具体实施方式中测光装置的结构示意图。

图4为本发明一具体实施方式中测光装置的测光原理图。

图5为本发明一具体实施方式中丝杆—滑槽导轨沿南北方向的示意图。

图6为本发明一具体实施方式中丝杆—滑槽导轨沿东西方向的示意图。

图7为本发明一具体实施方式中三点定位太阳能自动跟踪装置的控制方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明中三点定位太阳能自动跟踪装置主要由以下三个部分构成：光电转换部分、电路部分、机械部分。其中光电转换部分可实现将太阳能转换为电能，本装置中采用太阳能电池板；机械部分接受控制命令实现装置的定位，本装置中包括万向节、光杆、滑槽导轨、丝杆、行程开关、套筒、支撑底座等；电路部分是整个装置的控制中心，收集并处理信号从而发出命令控制机械部分，实现装置的自动跟踪太阳能运转。

参图1所示，在本发明的一具体实施方式中，三点定位太阳能自动跟踪装置包括支撑底座13、位于支撑底座13上的太阳能电池板12、以及与太阳能电池板12共面或平行设置的测光装置6，支撑底座上垂直安装有一个固定高度的光杆2和两个高度可调的丝杆8，光杆2和丝杆8在支撑底座上的固定点为三角形结构，太阳能电池板12通过光杆2和丝杆8与支撑底座13固定安装，该装置根据测光装置确定太阳的方位角，并通过调整丝杆的高度调整太阳能电池板至太阳的方位角。

优选地，本实施方式中光杆2和两个高度可调的丝杆8之间的距离相等，光杆2通过万向节1与太阳能电池板12固定安装。

在本实施方式中定义沿光杆到两个丝杆中点方向为南北方向，沿两个丝杆的方向为东西方向。

太阳能电池板12的背面还设有用于供两个丝杆2滑动且平行设置的滑槽导轨7，丝杆高度变化时其顶端在滑槽导轨7运动，两个滑槽导轨均为南北方向设置。

另外，支撑底座13上设有用于收容丝杆8的套筒11、用于控制两个丝杆8上下运动的两个步进电机3、以及用于控制丝杆2运动行程的行程开关9，支撑底座13上还设有蓄电池5、电源开关10及显示屏4。

参图2所示，本实施方式中三点定位太阳能自动跟踪装置的控制系统，包括：与太阳能电池板12相连的稳压器20、用于对电压进行转换的变压器21、与变压器21和太阳能自动跟踪装置相连的控制主板22、以及无线控制模块23，控制主板用于接收测光装置的测试数据调整丝杆的高度以调整太阳能电池板的方位角。

具体地，控制主板22分别与测光装置6、显示屏4、两个步进电机3、以及变压器21相连。

优选地，本实施方式中蓄电池储存的是12V的电瓶，变压器21用于将12V的电瓶转换为5V的电瓶供控制主板使用。

参图3所示，本实施方式中的测光装置6包括测光板61、位于测光板上的遮光杆62、及位于测光板上且围绕遮光杆呈圆周均匀分布的若干光敏电阻63，本实施方式中以8个均匀分布的光敏电阻为例进行说明。

当太阳光线与太阳能电池板不垂直时，遮光杆62在太阳的斜射下，会在8个沿圆周方向均匀分布的光敏电阻63上投射下不同的阴影，使得8个光敏电阻产生不同的电压信号，控制主板根据不同压差信号控制机械传动装置调整，从而达到太阳光线与测光板61垂直的效果，太阳能电池板与测光板共面或平行设置；反之，当太阳光线与测光板垂直时，遮光杆投下的阴影不遮挡任何光敏电阻，此时各个光敏电阻之间没有压差，控制主板就控制装置不运转。此时，太阳能电池板采集太阳能，将太阳能转换成电能，通过稳压器稳定电压后输送到蓄电池，对蓄电池进行充电，蓄电池将电能通过变压器输送至控制主板，并为其提供电能，控制主板采集信号对太阳能电池板方向进行控制，使太阳能电池板正对太阳以最大效率进行光电转换。

结合图4所示，在检测方向时，当太阳光和遮光杆的夹角为θ，光敏电阻检测区的半径(即光敏电阻与遮光杆的距离)为R，遮光杆的高度为L。当确定半径R时，遮光杆L的高度的计算公式为：

L＝R/tanθ。

其中，本发明中所指的方位角包括沿光杆到两个丝杆中点方向(南北方向)的第一方位角α、以及沿两个丝杆方向(东西方向)的第二方位角β。

参图5所示为丝杆—滑槽导轨沿南北方向的示意图，两个丝杆2同方向同步运动，当丝杆2从a位置上升到b位置时滑槽导轨收缩，光杆2高度不变，万向节扭动，滑槽导轨7从①位置运动到②位置，装置运转到预期角度。此时太阳能电池板转动的第一方位角为：

α＝arctan(m/n)，

其中，m为丝杆伸长量，n为光杆到两个丝杆中点的距离；

参图6所示为丝杆—滑槽导轨沿东西方向的示意图，两个丝杆2反方向同步运动，当丝杆A由b运动到a时，丝杆B从b′运动到a′，滑槽导轨7伸长，光杆2高度不变，万向节扭动，滑槽导轨从①位置运动到③位置，装置运转到预期角度。此时太阳能电池板转动的第二方位角为：

β＝arctan(p/q)，

其中，p为两个丝杆伸缩量的绝对值之和，q为两个丝杆之间的距离。

结合图2所示，本实施方式中光敏电阻所采集的信号传输到控制主板，控制主板对光敏电阻的压差进行分析并且发出信号，通过温度传感器测量温度以及光敏电阻测量光照强度，这些数据都由控制主板通过UCOS-II操作系统储存在flash储存器中，并且在显示屏上显示。

本发明中三点定位太阳能自动跟踪装置的控制方法，包括以下步骤：

S1、测光装置检测光照方向；

S2、控制主板根据光照方向控制丝杆高度；

S3、判断太阳能电池板是否和光线垂直，若是，在预定时间后返回执行步骤S1，若否，则立即返回执行步骤S1。

结合图7所示，本发明的一具体实施方式中，首先光敏电阻检测光照方向，接着单片机(控制主板)处理数据、储存数据、显示数据，该数据包括温度数据和光照强度数据，同时单片机控制步进电机、调节太阳能电池板方向，最后当太阳电池板正对太阳时串口发送信息、太阳能电池板发电，提供系统电能，进行循环。

优选地，本实施方式中的控制主板采用主控芯片STM32F103(ARM)，并嵌入实时操作系统uC/OS-II来控制整个系统，如：两个步进电机的脉冲控制，测光装置中光敏电阻的电压信号来确定太阳位置、检测温度和光照强度、LCD的显示，和Flash存储和与上位机的串口通信等。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

采用三点定位原理支撑太阳能自动跟踪装置，结构简单；

利用各种机械构件结合步进电机，可以通过步进电机的转动带动整个装置运行；

可以调节太阳能电池板的角度，实时校准方向，可以实现半球面上旋转，提高了太阳能电池板的发电效率。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三点定位太阳能自动跟踪装置，其特征在于，所述装置包括支撑底座、位于支撑底座上的太阳能电池板、以及与太阳能电池板共面或平行设置的测光装置，所述支撑底座上垂直安装有一个固定高度的光杆和两个高度可调的丝杆，所述光杆和丝杆在支撑底座上的固定点为三角形结构，所述太阳能电池板通过光杆和丝杆与所述支撑底座固定安装，所述装置根据测光装置确定太阳的方位角，并通过调整丝杆的高度调整太阳能电池板至太阳的方位角。

2.根据权利要求1所述的三点定位太阳能自动跟踪装置，其特征在于，所述光杆和两个丝杆之间的距离相等，所述光杆通过万向节与太阳能电池板固定安装。

3.根据权利要求1所述的三点定位太阳能自动跟踪装置，其特征在于，所述太阳能电池板上还设有用于供丝杆滑动且平行设置的滑槽导轨，丝杆高度变化时其顶端在所述滑槽导轨运动。

4.根据权利要求1所述的三点定位太阳能自动跟踪装置，其特征在于，所述支撑底座上还设有用于收容丝杆的套筒、用于控制丝杆上下运动的步进电机、以及用于控制丝杆运动行程的行程开关。

5.根据权利要求1所述的三点定位太阳能自动跟踪装置，其特征在于，所述测光装置包括测光板、位于测光板上的遮光杆、及位于测光板上且围绕遮光杆呈圆周均匀分布的若干光敏电阻。

6.根据权利要求5所述的三点定位太阳能自动跟踪装置，其特征在于，所述遮光杆的高度L为L＝R/tanθ，其中，R为光敏电阻与遮光杆的距离，θ为太阳光和遮光杆的夹角。

7.根据权利要求1所述的三点定位太阳能自动跟踪装置，其特征在于，所述装置还包括设于支撑底座上的蓄电池、电源开关及显示屏。

8.根据权利要求2所述的三点定位太阳能自动跟踪装置，其特征在于，所述方位角包括沿光杆到两个丝杆中点方向的第一方位角α、以及沿两个丝杆方向的第二方位角β，其中，

所述第一方位角α＝arctan(m/n)，两个丝杆同方向同步运动，m为丝杆伸长量，n为光杆到两个丝杆中点的距离；

所述第二方位角β＝arctan(p/q)，两个丝杆反方向同步运动，p为两个丝杆伸缩量的绝对值之和，q为两个丝杆之间的距离。

9.一种三点定位太阳能自动跟踪装置的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：与太阳能电池板相连的稳压器、用于对电压进行转换的变压器、与变压器和太阳能自动跟踪装置相连的控制主板、以及无线控制模块，所述控制主板用于接收测光装置的测试数据调整丝杆的高度以调整太阳能电池板的方位角。

10.一种三点定位太阳能自动跟踪装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、测光装置检测光照方向；

S2、控制主板根据光照方向控制丝杆高度；

S3、判断太阳能电池板是否和光线垂直，若是，在预定时间后返回执行步骤S1，若否，则立即返回执行步骤S1。