太陽能自動(dòng)跟蹤裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于：包括傳感器模塊、微處理器模塊和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊；傳感器模塊和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊分別與微處理器模塊相通信，所述傳感器模塊包括光電傳感器和位置傳感器。本實(shí)用新型的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，可最大限度地提高太陽能的利用率，既適用于光伏也適用于光熱，能精確追蹤太陽。
【專利說明】太陽能自動(dòng)跟蹤裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型專利涉及太陽能【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種自動(dòng)跟蹤太陽方位的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著太陽能的應(yīng)用和發(fā)展，不論是光伏還是光熱，發(fā)電效率都備受關(guān)注。對于某一個(gè)既定的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，自動(dòng)跟蹤控制技術(shù)是提高其發(fā)電效率的首要手段。若不對太陽光進(jìn)行跟蹤，則大多數(shù)時(shí)間如早上七點(diǎn)到十點(diǎn)，下午三點(diǎn)到5點(diǎn)，太陽光均為斜射。這樣受光面積小，效率低下。對于光伏電池板而言，其發(fā)電能力與它所接受的光強(qiáng)成正比，當(dāng)光強(qiáng)一定時(shí)，太陽光垂直照射到電池板上則效率最高。對碟式聚光光熱發(fā)電系統(tǒng)而言，利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射太陽光聚焦在焦點(diǎn)上，從而使得放置在焦點(diǎn)處的太陽能接收器聚集更多的熱能，所加熱工質(zhì)產(chǎn)生的溫度越高，發(fā)電的效率也就越高。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，自動(dòng)跟蹤式太陽能發(fā)電設(shè)備要比固定朝向式太陽能發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，而成本下降25%。因此在太陽能的聚能利用中，對太陽的指向進(jìn)行跟蹤時(shí)很有必要的，而跟蹤裝置的精度將顯著地影響聚能器采集利用太陽能的效率。
[0003]目前常用的跟蹤方式為光電跟蹤和視日跟蹤。光電跟蹤是利用光信號強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號大小的變化，將這種變化作為輸入來控制跟蹤裝置從而達(dá)到跟蹤太陽的目的。光電跟蹤時(shí)通過光傳感元件，如光敏電阻、硅光電管等接受太陽光。由于太陽運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成太陽光入射角度的變化，這樣通過多個(gè)相同類型的光傳感器放置到不同的方位，就會(huì)使傳感器之間產(chǎn)生偏差信號，此信號經(jīng)過微處理器送入傳動(dòng)裝置，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺，就可以使得太陽光垂直照射，達(dá)到最大功率跟蹤。視日跟蹤，是由人們長期觀察太陽運(yùn)行規(guī)律，從而得到理論計(jì)算的太陽運(yùn)行軌跡，再通過編程來驅(qū)動(dòng)電機(jī)跟蹤計(jì)算得到的太陽坐標(biāo)位置。兩種跟蹤方案各有優(yōu)缺點(diǎn):光電跟蹤，為被動(dòng)式，實(shí)時(shí)效應(yīng)較好，但受天氣影響較大，尤其在多云或陰天時(shí)，不能較好得達(dá)到跟蹤目標(biāo)；視日跟蹤，為主動(dòng)式，此跟蹤方式會(huì)因?yàn)樘栕鴺?biāo)模型不夠精確，而產(chǎn)生積累誤差，跟蹤的精度也會(huì)隨時(shí)間的增加而降低?，F(xiàn)常采用光電跟蹤與程序跟蹤相結(jié)合的方式來進(jìn)行跟蹤。當(dāng)光照強(qiáng)度較好時(shí)，光電傳感器對光比較敏感，選用光電跟蹤模式；當(dāng)天氣不好或光照強(qiáng)度較弱時(shí)，選用視日跟蹤模式。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是:克服目前光電傳感器在天氣狀況不好的情況下無法進(jìn)行跟蹤的缺點(diǎn)以及視日跟蹤中所建立模型有偏差容易造成積累誤差的現(xiàn)狀。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:包括傳感器模塊、微處理器模塊和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊；傳感器模塊和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊分別與微處理器模塊相通信，所述傳感器模塊包括光電傳感器(14)和位置傳感器。
[0006]前述的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:所述位置傳感器放置于一個(gè)不透明的頂部正中心開有小孔的長方體盒子內(nèi)，并且位置傳感器的中心放置于盒子內(nèi)的小孔的正下方。
[0007]前述的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:4個(gè)光電傳感器分別設(shè)置于盒子外部四個(gè)底邊的中心位置。
[0008]前述的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:所述盒子及四個(gè)光電傳感器固定安裝在一個(gè)透光的玻璃罩內(nèi)。
[0009]一種碟式聚光光熱系統(tǒng)，包括太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:所述太陽能自動(dòng)跟蹤裝置包括傳感器模塊、微處理器模塊和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊；傳感器模塊和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊分別與微處理器模塊相通信，所述傳感器模塊包括光電傳感器和位置傳感器，所述位置傳感器安裝在碟面所在平面的頂部。
[0010]一種光伏系統(tǒng)，包括太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:所述太陽能自動(dòng)跟蹤裝置包括傳感器模塊、微處理器模塊和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊；傳感器模塊和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊分別與微處理器模塊相通信，所述傳感器模塊包括光電傳感器和位置傳感器，所述位置傳感器安裝在光伏板的最上方。
[0011]本實(shí)用新型的原理:本實(shí)用新型的裝置，在晴天時(shí)采用普通的硅光電池作粗略跟蹤，位置傳感器(PSD, position sensor detector)作為精確跟蹤,天氣情況不好時(shí)則采用晴天時(shí)追蹤記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤的方案。PSD是一種連續(xù)位置的光學(xué)探測器，可以感受被測物的位置并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。
[0012]采用本實(shí)用新型的跟蹤裝置的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，包括三大塊——太陽定位模塊、系統(tǒng)控制模塊、轉(zhuǎn)臺跟蹤模塊。太陽定位模塊包括太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，太陽能自動(dòng)跟蹤裝置包括位置傳感器， 用于測定二維平面里的位置坐標(biāo)。二維PSD在方形機(jī)構(gòu)上有兩對相互垂直的輸出電極，一對用來確定X方向的位置坐標(biāo)，另一對用于確定Y方向的位置坐標(biāo)。一般PSD為正方形，鑲嵌在一個(gè)長方體不透光的小盒子底部，盒子的底面為邊長精確測量的正方形，高度也是經(jīng)過精確測量的已知量。盒子頂部中心開一個(gè)圓孔?？紤]到PSD測量的太陽視角較小，為了能夠較大范圍地跟蹤太陽，在盒子底部的四個(gè)邊的中點(diǎn)處分別放置四個(gè)相同的光電二極管，用于對太陽進(jìn)行粗略跟蹤，使得PSD在跟蹤時(shí)間范圍內(nèi)都可以測量到太陽的位置。當(dāng)太陽光照通過原圓孔照射到PSD上的時(shí)候，可以得到PSD的四個(gè)輸出電極值X1，X2，Y1，Y2。這些電流信號首先經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡妷盒盘?，然后?jīng)過模擬加減運(yùn)算電路和二象限模擬除法器就可以得到太陽的位置坐標(biāo)(X，Y)。得到的電壓位置信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送到系統(tǒng)的微控制器模塊并保存到與處理器連接的存儲器模塊中，由微控制器計(jì)算后輸出對應(yīng)的脈沖給步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，再由步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使得轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使得碟面或者光伏板正對太陽。若在一定的時(shí)間內(nèi)PSD傳感器所得到的位置信息不變，則認(rèn)為為陰雨天氣，則從存儲器模塊中調(diào)用歷史數(shù)據(jù)，再進(jìn)行跟蹤。為了保護(hù)裝置，加入一個(gè)風(fēng)速檢測儀，當(dāng)檢測的風(fēng)速過高時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)模式，從而實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)以及省電功能。
[0013]本實(shí)用新型的裝置首先用硅光電池進(jìn)行跟蹤，再用PSD傳感器采集太陽的方位信息而獲得的坐標(biāo)(Χ，y)進(jìn)行精確跟蹤。然后由此計(jì)算出兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)各需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和方向。最后通過STC89C52單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的CP(脈沖)端和DIR(方向)端來實(shí)現(xiàn)對太陽光的跟蹤控制。若在一定的時(shí)間內(nèi)PSD傳感器所得到的位置信息不變，則認(rèn)為為陰雨天氣，應(yīng)通過以往的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤或停止跟蹤。在實(shí)際跟蹤中，因可能遇到暴風(fēng)雨的天氣，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，若遇到風(fēng)速較大，則停止跟蹤，從而保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。
[0014]本實(shí)用新型的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，可最大限度地提高太陽能的利用率，既適用于光伏也適用于光熱，能精確追蹤太陽。對此太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)還可以加無線收發(fā)模塊，將控制器的輸出信號發(fā)送到電腦終端進(jìn)行顯示，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)。本實(shí)用新型專利可以用于大多數(shù)的追蹤系統(tǒng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是雙軸太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖2是二維PSD器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖3是PSD及光電二極管的應(yīng)用模型示意圖；
[0018]圖4是碟式聚光光熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖5是碟式聚光光熱系統(tǒng)中傳感器的安裝示意圖；
[0020]圖6是光伏系統(tǒng)及安裝結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖7為光電傳感器工作原理圖；
[0022]圖8是跟蹤控制過程的流程圖。
[0023]圖中:1為傳感器模塊，2為微處理器模塊，3為步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，4為時(shí)鐘電路，5為存儲器模塊，6、7為PSD的X方向的電流輸出電極一和電極二，8、9為PSD的Y方向的電流輸出電極三和電極四，10為參考電壓，11為PSD，12為長方體盒子，13為圓孔，14為光電二極管，15為玻璃罩，16為碟式的聚焦鏡面，17為水平方位驅(qū)動(dòng)裝置，18為垂直方位驅(qū)動(dòng)裝置，19為碟式聚能器，20為控制器，21為軸承支架，22為粗略和精確跟蹤用的傳感器，23為光伏電池板，24為光伏固定底座,25為光伏板支架。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本實(shí)用新型中，雙軸太陽自動(dòng)跟蹤裝置既可以用于碟式聚光光熱系統(tǒng)也可以用于光伏系統(tǒng)。
[0025]圖1中，太陽自動(dòng)跟蹤裝置包括5個(gè)部分:傳感器模塊1、微處理器模塊2、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊3、時(shí)鐘模塊4、存儲器模塊5。傳感器模塊I用于檢測太陽光，確定太陽光是否為垂直照射。微處理器模塊2用于接收和處理傳感器檢測到的太陽位置信號，用來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊3是將微處理器模塊2輸出給步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，較常用的是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
[0026]圖2所示，是一個(gè)位置傳感器PSDll的示意圖，是傳感器模塊I的一部分。X16、X27、Y18、Y29分別是PSD的四個(gè)電極，VreflO為參考電壓端，通過此四個(gè)電極的輸出值可以得到太陽在PSD上的位置坐標(biāo)，該坐標(biāo)以PSDll的中心作為原點(diǎn)。
[0027]圖3所示，將圖2中的PSDll置于一個(gè)不透明的長方體盒子12中，盒子12頂部開有一個(gè)小孔13，小孔13的正下方放置PSD11，使得PSDll的中心位置對準(zhǔn)小孔13的中心位置。當(dāng)陽光從小孔13照入時(shí)，若能恰好落到PSDll上，則能直接得到太陽的位置坐標(biāo)?？紤]到太陽光照的可能偏差角度較大以至于落不到PSDll上，因此在盒子12的周邊安裝有四個(gè)跟蹤的光電二極管14，當(dāng)PSDll上沒有信號時(shí)，先用光電二極管14進(jìn)行粗略跟蹤，當(dāng)光照在PSDll的范圍內(nèi)時(shí)，再用PSDll進(jìn)行精確跟蹤。為了保護(hù)傳感器，可以將其置于一個(gè)封閉的玻璃內(nèi)罩15中。
[0028]圖4所示，為碟式聚光光熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，在水平面上，固定安裝有水平環(huán)形軌道，作為水平驅(qū)動(dòng)裝置17的運(yùn)動(dòng)軌道，軌道的旁邊安裝有驅(qū)動(dòng)器20，水平驅(qū)動(dòng)軌道上面是軸承支架21，將軸承支架21的上端與碟面16的徑向的兩端固定起來，垂直方位驅(qū)動(dòng)裝置18在接收到驅(qū)動(dòng)信號后，帶動(dòng)碟面16在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，達(dá)到太陽光垂直照射的目的。
[0029]圖5所示，為碟式聚光光熱系統(tǒng)中的傳感器的安裝方式。將粗略跟蹤和精確跟蹤所用的傳感器22固定安裝在碟面16所在的平面上的最高點(diǎn)。這樣安裝既可以使得太陽光垂直照射于傳感器22時(shí)必同時(shí)垂直照射于碟面16，還可以使得傳感器22免受碟面18聚熱后的高溫影響。
[0030]圖6所示，為光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在底座24旁邊安裝有控制器控制器20，底座24中心安裝有一個(gè)可以在水平方向上旋轉(zhuǎn)的支架25，支架25上的水平驅(qū)動(dòng)裝置17用來控制光伏板23在水平方向的朝向。支架25的頂端安裝有垂直方位驅(qū)動(dòng)裝置18，用于控制光伏板23在垂直方向上的朝向。傳感器11安裝在光伏板23的上端。
[0031]如圖7所示，太陽光照射到位置傳感器PSD上，PSD測得太陽位置(X1，Y1)，其中α為太陽高度角，決定垂直方向的步進(jìn)電機(jī)跟蹤角度，β為太陽方位角，決定水平方向的跟蹤角度；
[0032]四個(gè)型號相同的光電傳感器放置在PSD所置盒子外的底部中心。具體的，X軸和Y軸為經(jīng)過位置傳感器中心的相互垂直的兩軸，光電傳感器一和光電傳感器二設(shè)置于X軸上，當(dāng)有太陽光照射時(shí)，光電傳感器一和光電傳感器二分別輸出電流信號Il和電流信號12，將電流信號11和電流信號12轉(zhuǎn)換成電壓信號Al和電壓信號Α2，將電壓信號Al和電壓信號Α2送入比較器內(nèi)進(jìn)行比較，當(dāng)電壓信號Α2的電流值 > 電壓信號Al的電流值時(shí)，表示太陽光的入射方向偏向光電傳感器二一側(cè)，則此時(shí)驅(qū)動(dòng)垂直方向的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行跟蹤，從而減小太陽高度角α ；
[0033]同理，光電傳感器一和光電傳感器二設(shè)置于Y軸上，當(dāng)有太陽光照射時(shí)，光電傳感器三和光電傳感器四分別輸出電流信號13和電流信號14，將轉(zhuǎn)換成電壓信號BI和電壓信號Β2，將電壓信號BI和電壓信號Β2送入比較器內(nèi)進(jìn)行比較，當(dāng)電壓信號BI的電流值 > 電壓信號Β2的電流值時(shí),表不太陽光的入射方向偏向光電傳感器三一側(cè)，則此時(shí)驅(qū)動(dòng)水平方向的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行跟蹤，太陽光入射方向，如圖7所示，則硅光電池的輸出電流為:Α2>Α1，Β1>Β2。
[0034]以上已以較佳實(shí)施例公開了本實(shí)用新型，然其并非用以限制本實(shí)用新型，凡采用等同替換或者等效變換方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:包括傳感器模塊(I)、微處理器模塊(2)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊(3);傳感器模塊(I)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊(3)分別與微處理器模塊(2)相通信，所述傳感器模塊(I)包括光電傳感器(14 )和位置傳感器(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:位置傳感器(11)放置于一個(gè)不透明的頂部正中心開有小孔(13)的長方體盒子(12)內(nèi)，并且位置傳感器(11)的中心放置于盒子(12)內(nèi)的小孔(13)的正下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:4個(gè)光電傳感器(14)分別設(shè)置于盒子外部四個(gè)底邊的中心位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:所述盒子(12)及四個(gè)光電傳感器(14)固定安裝在一個(gè)透光的玻璃罩(15)內(nèi)。
5.一種碟式聚光光熱系統(tǒng)，包括太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:所述太陽能自動(dòng)跟蹤裝置包括傳感器模塊(I)、微處理器模塊(2 )和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊(3 );傳感器模塊(I)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊(3)分別與微處理器模塊(2)相通信，所述傳感器模塊(I)包括光電傳感器(14)和位置傳感器(11)，所述位置傳感器(11)安裝在碟面(16 )所在平面的頂部。
6.一種光伏系統(tǒng)，包括太陽能自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于:所述太陽能自動(dòng)跟蹤裝置包括傳感器模塊(I)、微處理器模塊(2 )和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊(3 );傳感器模塊(I)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊(3)分別與微處理器模塊(2)相通信，所述傳感器模塊(I)包括光電傳感器(14)和位置傳感器(11)，所述位置傳感器(11)安裝在光伏板(23 )的最上方。
【文檔編號】G05D3/12GK203689162SQ201420005985
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】王紅艷, 萬盟, 楚成彪 申請人:南京工程學(xué)院