基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置以及控制方法制造方法及图纸

基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置，属于光、机、电一体化自动控制领域。本发明专利技术地设计了太阳位置检测装置和双轴机械跟踪定位装置，由控制电路将传感器检测的太阳位置信号进行运算放大、Ａ／Ｄ处理后，传给单片机。通过单片机发出脉冲指令及方向指令来控制电动机的运转速度和方向，实时地跟踪太阳。同时根据光敏传感器的反馈信号来及时的调整跟踪器运转的速度和方向以及通过该反馈信号控制部件决定何时对该跟踪装置实行制动。整个装置采用了逐步跟踪和顺序跟踪相结合的方法。此方法下，整个装置的跟踪误差在±５°范围内，比起连续跟踪、不断检测，节约了能源。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种太阳自动跟踪装置系统，属于光、机、电一体化自动控制领域。
技术介绍
近年来，随着太阳能发电产业的迅速发展，光伏应用的领域正在逐渐扩大，各种光 伏新产品不断涌现。但太阳能电池板由于固定安装，其转换率只有大约10%左右，效率较 低。为了更好地利用太阳能，提高其转换效率，有必要使太阳能电池板表面始终对着太阳照 射的方向，因此需要设计追日型自动跟踪系统对太阳实行全日制监控，有效利用太阳能进 行发电。通过对太阳能的有效利用，可减少资源的浪费，为自然资源合理利用起着重要的促 进作用，满足低炭经济的要求。目前国内外已经研制出的太阳光线自动跟踪装置或多或少都存在着一些不足之 处，像光电跟踪虽然灵敏度高，结构设计较为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，太阳光线往往不能照到硅光电管上，导致跟踪装置无法 对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作[薛建国.基于单片机的太阳能电池自动跟踪 系统的设计.长春师范学院学报(自然科学版)，2005，24 (3) :26 30]；又如单轴跟踪 尽管结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想 [Chang TP. Performancestudy on the east-west oriented single-axis tracked panel. Energy, 2009, 34 (10) :1530 1538]；极轴式全跟踪为双轴跟踪方式，并不复杂，但在结构 上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。一般太阳能自动跟踪系 统的跟踪信号多由时序控制器所产生，但这种方式提供的自动跟踪信号在实际应用中都有 不如人意的地方。虽然由时序控制器所提供的跟踪信号是稳定的，但是严格说来一年四季 每天早上太阳升起的时间都不同，所以在使用中最简单的方法是每隔几天就需要人专门调 整一下启动时间的设定参数，以尽量保证在太阳 起的同时给出工作信号，从而使得系统 在应用中的操作很不方便[李子莹.太阳能路灯自动跟踪系统的研制.机电产品开发与 创新，2008，21(5) :154 155]。一些学者运用PLC对所设计的装置进行控制，达到了一定 的效果，但电路设计复杂[Salah Abdallah, SalemNi jmeh. Two axes sun tracking system with PLC control. Energy Conversion and Management,2004, (45) 1931 1939]。
技术实现思路
本专利技术地设计了太阳位置检测装置和双轴机械跟踪定位装置，由控制电路将传感 器检测的太阳位置信号进行运算放大、A/D处理后，传给单片机。通过单片机发出脉冲指令 及方向指令来控制电动机的运转速度和方向，实时地跟踪太阳。同时根据光敏传感器的反 馈信号来及时的调整跟踪器运转的速度和方向以及通过该反馈信号控制部件决定何时对 该跟踪装置实行制动。基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置，包括太阳能电池板、太阳位置检测部分、 太阳能双轴机械跟踪定位装置和单片机控制系统，其特征在于所述太阳位置检测部分由8个光电二极管组成，其中7个光电光电二极管位于上方开孔的半球体内，在半球体的中心 安置1个光电二极管，并且东西径向轴线上对称分布4个光电二极管，在半球体的南北径 向轴线上对称分布2个光电二极管，半球体安装在太阳能电池板上，其底面与太阳能电池 板平行，在整个太阳位置的部分以外增设一个独立的光电二极管D8 ；太阳能双轴机械跟踪 定位装置包括底座、蜗轮蜗杆、方位轴、旋转台、支架、大齿轮、俯仰轴、电机1、小齿轮和电机 2，蜗轮蜗杆安置在底座中，旋转台置于底座上方，蜗轮蜗杆通过方位轴与旋转台相连，旋转 台上设有支架，俯仰轴安装在支架之间，大齿轮键连俯仰轴上，大齿轮与小齿轮之间啮合传 动，电机1安装在支架上，小齿轮与电极1相连，通过电极1驱动，电极2安装在底座上，与蜗 轮蜗杆相连，电极2通过驱动蜗杆带动蜗轮转动，太阳能电池板直接安装在大齿轮上；单片 机控制系统安装在底座上，8个光电二极管分别与单片机控制系统相连，将光信号转变为电 信号送入单片机控制系统。单片机控制系统的内部产生两个参考电压Uco和Ua，其中Uco是 光电二极管检测傍晚或阴雨天气或乌云遮住太阳的情况时产生的电压；Ua是光电二极管 检测太阳电池板的偏移量过大时产生的电压。D8作为照度传感器来检测太阳的辐射照度， 当Dl和D2、D3和D4、D5和D6之间均无差值电信号输出时，可根据D8产生的输出电压与设 定阈值Uco的比较结果由单片机输出关机或开机信号，当D8产生的输出电压等于Uco时，单 片机输出关机信号，停止跟踪装置的运转，当D8产生的输出电压大于Uco时，单片机输出开 机信号，跟踪装置开始运转。本装置的工作过程如下当太阳光垂直照射到电池板上时，Dl和D2、D3和D4、D5 和D6、D7和D8对应的感光量各自相等，输出电压也各自对应相同，电机不转动。当太阳光 线发生偏移时，对于高度角，一侧的光电二极管落在孔壁的阴影内，另一侧的光电二极管可 以接收到太阳光线，从而两侧光电二极管的感光量不相等，输出电压也就不相等，通过比较 两侧信号的大小来确定电机1的转向；对于方位角，通过Uci与D7产生的电信号U7进行比 较来判断太阳能电池板的偏转角度是否过大，如果偏转角度过大，则通过检测、比较最边缘 的光电二极管D5和D6产生的电信号的大小来驱动方位角电机2转动，使偏移角度减小，再 由光电二极管D3和D4进行精确检测，控制电机2进行微调。通过检测四个象限产生的电 信号，并对电信号的大小进行比较，再作出判断，从而控制转动机构旋转。本设计的优点(1)根据太阳在空间的实际位置，合理地安排光电二极管在球面的阵列分布。(2)对原有的双轴跟踪机构进行了优化设计，考虑到大齿轮转动的范围问题，创新 性地将太阳电池板通过螺纹连接安装到大齿轮上，整个结构更加紧凑。(3)整个装置在阴雨天气停止转动，避免了无意义的跟踪。而阴雨天气的跟踪一般 通过时序控制的，需设计时钟电路，增加了电路的复杂程度。 (4)虽然是采用的单片机控制，但控制理念发生了变化，整个装置采用了逐步跟踪 和顺序跟踪相结合的方法。所谓逐步跟踪，就是每当太阳电池板达到与太阳光线垂直时，检 测部分暂停20min后再进行检测。所谓顺序跟踪，就是先控制方位轴转动，当方位角方向上 的轴线与太阳光线平行后，控制俯仰轴转动。此方法下，整个装置的跟踪误差在士5°范围 内，比起连续跟踪、不断检测，节约了能源。 (5)整个装置在完成一天的跟踪之后，能自动回到原点，避免了累积误差。其中原 点位置设置为太阳电池板与水平成32°，东南方向朝南布置。附图说明图1给出的是光电二极管的分布的俯视2给出的是太阳位置检测部分结构图(a)太阳高度角检测的剖面图，(b)太阳方位角检测的剖面3给出的是双轴跟踪部分基本结构其中1、底座；2、蜗轮蜗杆；3、方位轴；4、旋转台；5、支架；6、太阳能电池板；7、太 阳位置检测部分；8、大齿轮；9、俯仰轴；10、电机1 ；11、小齿轮；12、单片机控制系统；13、电 机2图4电信号的比较放大5基于单片机的控制电路图具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置以及控制方法，包括太阳能电池板（６）、太阳位置检测部分（７）、太阳能双轴机械跟踪定位装置和单片机控制系统（１２），其特征在于：所述太阳位置检测部分（７）由８个光电二极管组成，其中７个光电光电二极管位于上方开孔的半球体内，孔径的大小以能放入光电二极管为准，在半球体的中心安置１个光电二极管，并且东西径向轴线上对称分布４个光电二极管，在半球体的南北径向轴线上对称分布２个光电二极管，半球体安装在太阳能电池板（６）上，其底面与太阳能电池板（６）平行，在太阳位置检测部分（７）以外增设一个独立的光电二极管Ｄ８作为照度传感器来检测太阳的辐射照度；太阳能双轴机械跟踪定位装置包括底座（１）、蜗轮蜗杆（２）、方位轴（３）、旋转台（４）、支架（５）、大齿轮（８）、俯仰轴（９）、电机１（１０）、小齿轮（１１）和电机２（１３），蜗轮蜗杆（２）安置在底座（１）中，旋转台（４）置于底座（１）上方，蜗轮蜗杆（２）通过方位轴（３）与旋转台（４）相连，旋转台（４）上设有支架（５），俯仰轴（９）安装在支架（５）之间，大齿轮（８）键连俯仰轴（９）上，大齿轮（８）与小齿轮（１１）之间啮合传动，电机１（１０）安装在支架上，小齿轮（１１）与电极１相连，通过电极１（１０）驱动，电极２（１３）安装在底座（１）上，与蜗轮蜗杆（２）相连，电极２（１３）通过驱动蜗杆带动蜗轮转动，太阳能电池板（６）直接安装在大齿轮（８）上；单片机控制系统（１２）安装在底座（１）上，８个光电二极管分别与单片机控制系统（１２）相连，将光信号转变为电信号送入单片机控制系统（１２）。...

【技术特征摘要】
基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置以及控制方法，包括太阳能电池板(6)、太阳位置检测部分(7)、太阳能双轴机械跟踪定位装置和单片机控制系统(12)，其特征在于所述太阳位置检测部分(7)由8个光电二极管组成，其中7个光电光电二极管位于上方开孔的半球体内，孔径的大小以能放入光电二极管为准，在半球体的中心安置1个光电二极管，并且东西径向轴线上对称分布4个光电二极管，在半球体的南北径向轴线上对称分布2个光电二极管，半球体安装在太阳能电池板(6)上，其底面与太阳能电池板(6)平行，在太阳位置检测部分(7)以外增设一个独立的光电二极管D8作为照度传感器来检测太阳的辐射照度；太阳能双轴机械跟踪定位装置包括底座(1)、蜗轮蜗杆(2)、方位轴(3)、旋转台(4)、支架(5)、大齿轮(8)、俯仰轴(9)、电机1(10)、小齿轮(11)和电机2(13)，蜗轮蜗杆(2)安置在底座(1)中，旋转台(4)置于底座(1)上方，蜗轮蜗杆(2)通过方位轴(3)与旋转台(4)相连，旋转台(4)上设有支架(5)，俯仰轴(9)安装在支架(5)之间，大齿轮(8)键连俯仰轴(9)上，大齿轮(8)与小齿轮(11)之间啮合传动，电机1(10)安装在支架上，小齿轮(11)与电极1相连，通过电极1(10)驱动，电极2(13)安装在底座(1)上，与蜗轮蜗杆(2)相连，电极2(13)通过驱动蜗杆带动蜗轮转动，太阳能电池板(6)直接安装在大齿轮(8)上；单片机控制系统(12)安装在底座(1)上，8个光电二极管分别与单片机控制系统(12)相连，将光信号转变为电信号送入单片机控制系统(12)。2.基于单片机的太阳能电池自动跟踪装置以及控制方法，其特征在于；单片机控制系 统(12)的内部产生两个参考电压Ua^n Ua，其中Ura是光电二极管检测傍晚或阴雨天气或 乌云遮住太阳的情况时产生的电压；Ua是光电二极管检测太阳电池板的偏移量过大时产 生的电压，D8作为照度传感器来检测太阳的辐射照度，当Dl和D2、D3和D4、D5和D6之间 均无差值电信号输出时，根据D8产生的输出电压与设定阈值Ura的比较结果由单片机控制 系统(12)输出关机或开机信号，当D8产生的输出电压等于Uai时，单片机控制系统(12)输 出关机信号，停止跟踪装置的运转，当D8产生的输出电压大于Uco时，单片机控制系统(12) 输出开机信号，跟踪装置开始运转；当太阳光垂直照射到电池板上时，Dl和D2、D3和D4、D5 和D6、D7和D8对应的感光量各自相等，输出电压也各自对应相同，电机不转动；当太阳光 线发生偏移时，对于高度角，一侧的光电二极管落在孔壁的阴影内，另一侧的光电二极管可 以接收到太阳光线，从而两侧光电二极管的感光量不相等，输出电压也就不相等，通过比较 两侧信号的大小来确定电机1的转向；对于方位角，通过Uci与D7产生的电信号U7进行比 较来判断太阳能电池板的偏转角度是否过大，如果偏转角度过大，则通过检测、比较最边缘 的光电二极管D5和D6产生的电信号的大小来驱动方位角电机2转动，使偏移角度减小，再 由光电二极管D...

【专利技术属性】
技术研发人员：王权，张进，胡然，杨平，邵盈，董斌，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]