專利名稱：太陽實時跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽實時跟蹤系統(tǒng)，尤其是一種用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的太陽實時
足艮S宗胃 充。
背景技術(shù)：
能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著我國經(jīng)濟的快速增長，能 源需求大幅增加，能源供需矛盾突出。國家在提倡節(jié)能的同時，也鼓勵開發(fā)和利用太陽能、 風(fēng)能和水力發(fā)電等新能源。太陽能是一種清潔、低污染的新能源，但目前太陽能的利用率卻 比較低。目前應(yīng)用比較廣泛的光伏發(fā)電裝置中的光電轉(zhuǎn)換效率最高僅為16%左右，過低的 光能轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致發(fā)電成本過高，這是制約太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主要原因之一。眾所周 知，當(dāng)太陽光線垂直照射于采光裝置時光能利用率最高。如果太陽光線能夠一直保持垂直 于太陽能發(fā)電裝置的采光裝置的狀態(tài)，那么就可使得太陽能發(fā)電裝置保持最佳的光能利用 狀態(tài)，可以提高太陽能的利用率。在現(xiàn)有技術(shù)中，太陽能跟蹤器目前主要采用以下幾種方法 實現(xiàn)恒定電壓判斷法、逐步降低初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)的距離的方法、導(dǎo)納微分法及通過二 維PSD為基礎(chǔ)的方法，以上這些方法普遍存在誤差比較大、采樣結(jié)果在最大功率點左右來 回振蕩和價格較高等缺點。目前的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)大都存在有系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性和穩(wěn) 定性較差、系統(tǒng)維護運行成本過高、環(huán)境適應(yīng)性差、自動化程度低等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述已有技術(shù)中存在的不足之處，提供一種太陽實時跟蹤系統(tǒng)， 以降低太陽跟蹤的誤差和系統(tǒng)的成本，簡化系統(tǒng)并提高系統(tǒng)的自動化程度和環(huán)境適應(yīng)能 力。本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案。太陽實時跟蹤系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點是，包括微控制器、避光盒、用于改變太陽能采集 板方向角的電機和用于控制電機工作狀態(tài)的驅(qū)動器；避光盒內(nèi)的頂面上開設(shè)有透光孔，避 光盒內(nèi)設(shè)有以平行于避光盒底面的方式設(shè)置的凸透鏡平面陣列，避光盒底部設(shè)置有光敏元 件陣列；每個光敏元件均與微控制器相連接；微控制器用于根據(jù)從光敏元件獲得的信號計 算太陽的方位角，并向驅(qū)動器發(fā)出指令；驅(qū)動器與微控制器之間通過數(shù)據(jù)線相連接；電機 與驅(qū)動器之間通過導(dǎo)線相連接。本發(fā)明的太陽實時跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點也在于所述避光盒為長方體形盒子，透光孔設(shè)于避光盒頂面的中心部。所述避光盒為圓柱形盒子，避光盒的頂面為圓錐面，透光孔設(shè)于圓錐面的錐頂部； 其中圓錐面母線與圓錐面軸線之間的夾角為Α，且80°彡Α<85°。所述透光孔處密封安裝有玻璃片。所述微控制器為megal6單片機。所述驅(qū)動器為uln2003達林頓陣列。
所述凸透鏡平面陣列所在的平面平行于避光盒的底面，且平面陣列所在的平面和 避光盒底面之間的距離為避光盒總高度的2/3。所述凸透鏡的水平斷面呈正六邊形。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明利用日晷的原理，通過在密閉的避光盒頂開設(shè)透光孔，將太陽光引入避光 盒并用凸透鏡聚光，由光敏元件接收匯聚光，可避免采用外界光線影響光敏元件，光敏元件 不易受外界散射光的影響，提高了太陽光線角度的檢測準(zhǔn)確度，可降低太陽跟蹤的誤差。采 用微控制器控制驅(qū)動器，并由驅(qū)動器驅(qū)動電機，提高了系統(tǒng)的自動化和智能化程度。太陽 方位角是根據(jù)三角函數(shù)和反三角函數(shù)計算獲得，計算精度可達0.01°。避光盒的頂面設(shè)置 為圓錐面，透光孔處密封安裝有玻璃片，可避免雨水進入避光盒，提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能 力。凸透鏡的水平斷面呈正六邊形，可使得每個凸透鏡和六個相鄰的凸透鏡相連接，提高光 斑位置的分辨能力，以提高太陽光線的角度的計算準(zhǔn)確度，降低系統(tǒng)誤差；并且可通過調(diào)整 凸透鏡的尺寸來調(diào)整系統(tǒng)的檢測分辨率，可調(diào)整性比較好。megaie單片機、uln2003達林 頓陣列相比同類產(chǎn)品價格較低，可降低系統(tǒng)的成本；uln2003達林頓陣列為高電壓大電流 達林頓陣列，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強等特點，可適應(yīng)于各 類要求大功率驅(qū)動的系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明通過在密閉的避光盒頂開設(shè)透光 孔，在避光盒內(nèi)設(shè)凸透鏡聚光，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易且制作成本較低，還具有檢測準(zhǔn)確度高、 自動化和智能化程度高、環(huán)境適應(yīng)能力好、系統(tǒng)可靠性高且成本低等優(yōu)點。本發(fā)明尤其適用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)，也可用于太陽能熱水器等利用太陽能的設(shè) 備。


圖1為本發(fā)明太陽實時跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為本發(fā)明太陽實時跟蹤系統(tǒng)的避光盒的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明的太陽光線角度計算示意圖。圖4為本發(fā)明的光敏元件和微控制器之間的連接示意圖。圖5為本發(fā)明的其中一個實施例的電機驅(qū)動原理圖。附圖1、附圖2、附圖3、附圖4和附圖5中標(biāo)號1避光盒，2透光孔，3凸透鏡，4光 敏元件，5太陽光線，6微控制器，7驅(qū)動器，8電機。以下通過具體實施方式
，并結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
具體實施例方式參見圖1、圖2、圖3、圖4和圖5，太陽實時跟蹤系統(tǒng)，包括微控制器6、避光盒1、用 于改變太陽能采集板方向角的電機8和用于控制電機8工作狀態(tài)的驅(qū)動器7 ；避光盒1內(nèi) 的頂面上開設(shè)有透光孔2，避光盒1內(nèi)設(shè)有以平行于避光盒底面的方式設(shè)置的凸透鏡3平面 陣列，避光盒1底部設(shè)置有光敏元件4陣列；每個光敏元件4均與微控制器6相連接；微控 制器6用于根據(jù)從光敏元件4獲得的信號計算太陽的方位角，并向驅(qū)動器7發(fā)出指令；驅(qū)動 器7與微控制器6之間通過數(shù)據(jù)線相連接；電機8與驅(qū)動器7之間通過導(dǎo)線相連接。避光 盒1為長方體形盒子，透光孔2設(shè)于避光盒1頂面的中心部。避光盒1為圓柱形盒子，避光盒1的頂面為圓錐面，透光孔2設(shè)于圓錐面的錐頂部；其中圓錐面母線與圓錐面軸線之間的 夾角為A，且80°。透光孔2處密封安裝有玻璃片，以防止雨水、灰塵等雜物進
入避光盒。微控制器6優(yōu)選為megal6單片機。驅(qū)動器7優(yōu)選為uln2003達林頓陣列。凸 透鏡3平面陣列所在的平面平行于避光盒1的底面，且平面陣列所在的平面和避光盒1底 面之間的距離為避光盒1總高度的2/3。凸透鏡3的水平斷面呈正六邊形。六邊形的凸透鏡之間采用無縫連接，形成嚴(yán)密的凸透鏡平面陣列。光敏元件設(shè)于 避光盒的底部，每個光敏元件的位置是確定的，光敏元件與底面中心點的距離也是固定的。 當(dāng)有太陽光線5通過透光孔射入避光盒中時，通過小孔形成光斑，光斑照射在凸透鏡上由 凸透鏡將太陽光線5匯聚，匯聚后的光斑照射在光敏元件上，被光斑照射的光敏元件產(chǎn)生 電信號并將電信號輸入至微控制器，由微控制器根據(jù)光敏元件在陣列中的位置，根據(jù)預(yù)設(shè) 的公式計算太陽的方位角。微控制器中設(shè)置有太陽能采集板的初始狀態(tài)，可將初始狀態(tài)設(shè) 置為太陽能采集板朝向正南或正東，太陽能采集板與水平面的夾角為45°。微控制器根據(jù) 初始狀態(tài)和實時計算的方位角，計算控制參數(shù)并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，并將控制信號發(fā)送 至驅(qū)動器，由驅(qū)動器驅(qū)動電機運行，改變太陽能采集板的方向角，使得太陽光線垂直照射在 太陽能采集板上，以達到最大程度地利用太陽能的目的。微控制器內(nèi)安裝有控制程序，可在程序中設(shè)定系統(tǒng)的工作時間，如7:00-19:00。在 設(shè)定的工作時間內(nèi)，系統(tǒng)先進行位置的初始化，確定調(diào)整基準(zhǔn)，比如以太陽能采集板朝向正 東、太陽能采集板與水平面的夾角為45°為初始的基準(zhǔn)狀態(tài)，根據(jù)計算的太陽方位角和基 準(zhǔn)狀態(tài)，由電機對太陽能采集板進行調(diào)整，調(diào)整后將系統(tǒng)的位置參數(shù)存入微控制器的存儲 器中。當(dāng)需要再次調(diào)整時，根據(jù)上一次獲得的位置參數(shù)和計算所得的太陽方位角，進行下一 次的調(diào)整。在夜晚來臨時，控制程序根據(jù)設(shè)定的時間將系統(tǒng)關(guān)閉。在陰暗天氣，由于光敏元 件上沒有光斑出現(xiàn)，系統(tǒng)會一直處于初始狀態(tài)。圖3中，α為太陽光線5與水平面之間的夾角。β為太陽光線5在水平面上的投 影與預(yù)設(shè)的正東或正南的方向之間的夾角。根據(jù)三角函數(shù)和反三角函數(shù)，通過計算得到α 和β，獲得控制參數(shù)并產(chǎn)生控制信號。圖4中，Rl R4為電阻，PBO ΡΒ3、PCO PC3均 為單片機megal6的輸入端口。圖5為電機驅(qū)動原理圖，單片機megal6通過線路接口與達 林頓陣列uln2003相連接，達林頓陣列uln2003的輸出端口與電機相連接；PDO PD3為單 片機megal6的輸出端口，IB 3B為達林頓陣列uln2003的輸入端口，IC 3C的為達林頓 陣列uln2003的輸出端口。本發(fā)明利用日晷的原理，通過在密閉的避光盒頂開設(shè)透光孔，將太陽光引入避光 盒并用凸透鏡聚光，由光敏元件接收匯聚光，可避免采用外界光線影響光敏元件，光敏元件 不易受外界散射光的影響，提高了太陽光線角度的檢測準(zhǔn)確度，可降低太陽跟蹤的誤差。采 用微控制器控制驅(qū)動器，并由驅(qū)動器驅(qū)動電機，提高了系統(tǒng)的自動化和智能化程度。太陽 方位角是根據(jù)三角函數(shù)和反三角函數(shù)計算獲得，計算精度可達0.01°。避光盒的頂面設(shè)置 為圓錐面，透光孔處密封安裝有玻璃片，可避免雨水進入避光盒，提高了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能 力。凸透鏡的水平斷面呈正六邊形，可使得每個凸透鏡和六個相鄰的凸透鏡相連接，提高光 斑位置的分辨能力，以提高太陽光線的角度的計算準(zhǔn)確度，降低系統(tǒng)誤差；并且可通過調(diào)整 凸透鏡的尺寸來調(diào)整系統(tǒng)的檢測分辨率，可調(diào)整性比較好。megaie單片機、uln2003達林 頓陣列相比同類產(chǎn)品價格較低，可降低系統(tǒng)的成本；uln2003達林頓陣列為高電壓大電流達林頓陣列，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強等特點，可適應(yīng)于各
類要求大功率驅(qū)動的系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性。本發(fā)明通過在密閉的避光盒頂開設(shè)透光
孔，在避光盒內(nèi)設(shè)凸透鏡聚光，結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易且制作成本較低，還具有檢測準(zhǔn)確度高、
自動化和智能化程度高、環(huán)境適應(yīng)能力好、系統(tǒng)可靠性高且成本低等優(yōu)點。 本發(fā)明尤其適用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)，也可用于太陽能熱水器等利用太陽能的設(shè)備。
權(quán)利要求
太陽實時跟蹤系統(tǒng)，其特征是，包括微控制器(6)、避光盒(1)、用于改變太陽能采集板方向角的電機(8)和用于控制電機(8)工作狀態(tài)的驅(qū)動器(7)；避光盒(1)內(nèi)的頂面上開設(shè)有透光孔(2)，避光盒(1)內(nèi)設(shè)有以平行于避光盒底面的方式設(shè)置的凸透鏡(3)平面陣列，避光盒(1)底部設(shè)置有光敏元件(4)陣列；每個光敏元件(4)均與微控制器(6)相連接；微控制器(6)用于根據(jù)從光敏元件(4)獲得的信號計算太陽的方位角，并向驅(qū)動器(7)發(fā)出指令；驅(qū)動器(7)與微控制器(6)之間通過數(shù)據(jù)線相連接；電機(8)與驅(qū)動器之間通過導(dǎo)線相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽實時跟蹤系統(tǒng)，其特征是所述避光盒(1)為長方體形盒 子，透光孔(2)設(shè)于避光盒(1)頂面的中心部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽實時跟蹤系統(tǒng)，其特征是所述避光盒(1)為圓柱形盒子， 避光盒(1)的頂面為圓錐面，透光孔(2)設(shè)于圓錐面的錐頂部；其中圓錐面母線與圓錐面軸 線之間的夾角為A，且80°彡A彡85°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的太陽實時跟蹤系統(tǒng)，其特征是所述透光孔(2)處密封 安裝有玻璃片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽實時跟蹤系統(tǒng)，其特征是所述微控制器(6)為megal6單 片機。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽實時跟蹤系統(tǒng)，其特征是所述驅(qū)動器(7)為uln2003達 林頓陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽實時跟蹤系統(tǒng)，其特征是所述凸透鏡(3)平面陣列所在 的平面平行于避光盒(1)的底面，且平面陣列所在的平面和避光盒(1)底面之間的距離為 避光盒⑴總高度的2/3。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽實時跟蹤系統(tǒng)，其特征是所述凸透鏡(3)的水平斷面呈 正六邊形。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽實時跟蹤系統(tǒng)，包括微控制器、避光盒、用于控制電機工作狀態(tài)的驅(qū)動器和用于改變太陽能采集板方向角的電機；避光盒內(nèi)的頂面上開設(shè)有透光孔，避光盒內(nèi)設(shè)有水平設(shè)置的凸透鏡平面陣列，避光盒底部設(shè)置有光敏元件陣列；每個光敏元件均與微控制器相連接；微控制器用于根據(jù)從光敏元件獲得的信號計算太陽的方位角，并向驅(qū)動器發(fā)出指令。本發(fā)明尤其適用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)，具有檢測準(zhǔn)確度高、自動化和智能化程度高、環(huán)境適應(yīng)能力好、系統(tǒng)可靠性高且成本低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。
文檔編號G05D3/00GK101995882SQ201010574290
公開日2011年3月30日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者嚴(yán)兵, 代曉磊, 李峰, 郟中輝 申請人:安徽風(fēng)日光電科技有限責(zé)任公司