CN100395491C - 太阳能热水器自动跟踪控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明为了提高真空管太阳热水器的日吸热量，提供一种使用方便、跟踪准确、生产成本较低、光伏电源式的太阳热水器自动跟踪控制系统，该装置包括用于安装太阳能热水器的旋转底座、步进电机、减速机构、东停定位开关、系统主控制器、步进电机控制器、自动跟踪感应器、电源、触摸屏显示器及限位装置，所述旋转底座上套装有链条，链条经减速机构与步进电机相连，步进电机通过步进电机控制器控制旋转底座的步进角位移，自动跟踪感应器将接收的信号传送给系统主控制器，经系统主控制器处理输出控制步进电机进行调整，并将运行状态通过触摸屏显示器显示。该装置采用了实时跟踪与实地跟踪相结合，跟踪准确可靠，能使太阳能热水器四季全天候跟踪太阳光，而且调试十分简单，成本比较低。且运动稳定精确，定位误差小。

Description

太阳能热水器自动跟踪控制系统
技术领域
本发明涉及一种太阳热水器自动跟踪控制系统，适用于真空管太阳热水器。
背景技术
目前，公知的真空管太阳热水器是固定式的，一般为吸热面在中午正对太阳，其他时间为斜对着太阳，这样，热水器的日吸热量小。也有人研究的太阳热水器跟踪装置，但使用不方便、跟踪不准确或生产成本太高，难以形成大批量生产。
发明内容
为了提高真空管太阳热水器的日吸热量，本发明提供一种使用方便、跟踪准确、生产成本较低、光伏电源式的太阳热水器自动跟踪控制系统。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种太阳能热水器自动跟踪控制系统，包括用于安装太阳能热水器的旋转底座、步进电机，减速机构，东停定位开关，系统主控制器，步进电机控制器，自动跟踪感应器，电源，触摸屏显示装置及限位装置，所述旋转底座上套装有链条，链条经减速机构与步进电机相连，步进电机通过步进电机控制器控制旋转底座的步进角位移，自动跟踪感应器将接收的信号传送给系统主控制器，经系统主控制器处理输出控制步进电机进行调整，并将运行状态通过触摸屏显示器显示。
自动跟踪感应器包括双运放IC31(型号为LM358)、电阻R35、电阻R36、光敏电阻R31、光敏电阻R32、光敏电阻R33、光敏电阻R34、可变电阻RP31、可变电阻RP32，双运放IC31(型号：LM358)的输入端分别由两只光敏电阻和一可变电阻串联组合而成，每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻，一只检测太阳光照，另一只则检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差，初始差值由可变电阻调节。双运放IC31(型号：LM358)的两个输出端偏东和偏西分别与系统主控制器中的单片机微处理器IC102(型号：87C51)的36、35脚相连。
本发明的电源由光电池(型号：Bn-10D)，蓄电池(型号：BT-12M7.0AT)，充放电路和稳压电路组成。
本发明中系统主控制器采用单片机微处理器IC102控制，由日历电路、实地跟踪处理电路、温度水位控制电路、步进电机驱动电路、时钟芯片IC101(型号：SHT1302)、单片机微处理器IC102(型号：87C51)，及其他的辅助电路或元器件组成，时钟芯片IC101通过5、6、7脚分别与单片机微处理器IC102(型号87C51)的39、38、37脚连接实现通讯，单片机微处理器IC102(型号：87C51)的36、35脚分别连接自动跟踪感应器的偏东、偏西信号，34、33脚分别连接过稳压电路的过充、过放信号，1脚与东停定位开关相连，2、3脚分别与水温、水位信号相连，21、22脚分别连接步进电机控制器的锁定信号和正反转信号；，对步进电机的运动进行控制，23、24脚控制继电器J1、继电器J2；16、17脚通过信号转换器(MAX232)与触摸屏显示器LT-930连接。
过充过放电路运用双电压比较器IC21(型号：LM393)对蓄电池电压进行判断，将判断结果送到系统主控制器处理，若大于14.5V，断开充电电路，停充指示灯亮；若小于11.5V，过放指示灯亮；否则充电指示灯亮，为正常充电状态。
本发明中支撑太阳能热水器的旋转底座由固定圈、轴承滚轮、旋转圈、中央定心轴承和链条固定销组成；固定圈由外圈、中央轴，及外圈与中央轴之间的多根横杆连接而成；旋转圈11由外圈、中央轴壳，及它们之间的多根横杆连接而成；固定圈的中央轴上装设可调心轴承，可调心轴承上套装有旋转圈的中央轴壳，旋转圈通过链条经减速器与步进电机相连；旋转圈的外圈的下部装有6个轴承滚轮，旋转圈通过轴承滚轮支撑在固定圈的外圈上。支承热水器的重量，并可在固定圈的外圈上滚动。
固定圈的外圈与中央轴之间通过4根、6根或8根横杆焊接而成；旋转圈的外圈与中央轴壳之间通过4根、6根或8根横杆焊接而成。
固定圈和旋转圈在中心处装有一可调心轴承。
本发明的优点：
本太阳自动跟踪控制采用了实时跟踪与实地跟踪相结合，跟踪准确可靠，能使太阳能热水器四季全天候跟踪太阳光，而且调试十分简单，成本比较低。控制运转的电机采用步进电机，运动稳定精确，不受负荷大小的影响，定位误差小。
旋转底座采用中心定位、外圈受力的结构，减少了底座的受力范围，底座可以做得比较轻巧，节约了材料，降低了成本。
采用触摸屏界面，没有操作按键按钮，外观简洁，参数设定直观方便，运行状态即时显示，具有故障诊断功能。
本太阳自动跟踪控制系统，电源供应采用光电池将太阳能转化为电能，由蓄电池蓄能，不需要外部能源，整个装置达到了绿色环保。
附图说明
图1是电源电路图。
图2是过充过放电路。
图3是自动跟踪感应电路。
图4是系统主控制电路。
图5是热水器与太阳光方位图。
图6是热水器的正视图。
图7是热水器的侧视图。
图8是热水器的俯视图。
图9是旋转底座的断面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
电源电路见图1，太阳能硅电池与防反充二极管D11串联，为电路供电和为蓄电池充电，供电电压17.5V，通过两个三端稳压块IC11和IC12稳压得到12V和5V电压。
本发明中电源供应采用光电池(型号：Bn-10D)与蓄电池(型号：BT-12M7.0AT)组成的电源供电，稍作变动也可采用220V50Hz交流电供电。
过充过放电路见图2，运用双电压比较器IC21(型号LM393)对蓄电池电压进行判断，将判断结果送到系统主控制器处理，若大于14.5V，断开充电电路，停充指示灯亮，若小于11.5V，过放指示灯亮，否则充电指示灯亮，为正常充电状态。
自动跟踪感应器电路见图3，自动跟踪感应器8包括双运放IC31、电阻R35、电阻R36、光敏电阻R31、光敏电阻R32、光敏电阻R33、光敏电阻R34、可变电阻RP31、可变电阻RP32，双运放IC31的输入端分别由两只光敏电阻和一可变电阻串联组合而成，每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻。双运放IC31(型号：LM358)与两只电阻R35、R36(阻值相等)构成两个电压比较器，参考电压为供电电压5V的1/2(即2.5V)。该电路能根据环境光线的强弱进行自动补偿。该电路安装在一长方形的盒子内，R31和R33安装在盒子同一侧，R32和R34安装在对面的另一侧，四只光敏电阻都安装在表面凹进一点，盒子外表面为深颜色，且对阳光无反射，此感应器的两路信号传送给系统主控制器处理，如发现偏移超过5°则控制步进电机5运转进行调整。安装时保证光敏电阻安装面与热水器受光面垂直并与地面垂直。
太阳自动跟踪控制采用实时跟踪与实地跟踪相结合，实时跟踪是由时钟芯片SHT1302确定当前时间判定太阳位置，实地跟踪是根据太阳光线通过感应器来跟踪太阳。现有的太阳自动跟踪装置单独采用实地跟踪的方式，其感应器一般有两种，一种是使用一只光敏传感器与施密特触发器或单稳态触发器，构成光控施密特触发器或光控单稳态触发器来控制电机的停、转，第二种使用两只光敏传感器与两只比较器分别构成两个光控比较器控制电机的正反转。由于一年四季、每天早中晚阳光和环境光线的强弱变化非常大，所以上述的传感器很难使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。我们公开的自动跟踪感应器8，也包括两个电压比较器，但设在其输入端的光敏传感器则分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成，每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻，一只检测太阳光照，另一只则检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差，所以，本感应器能使太阳能热水器四季全天候跟踪太阳光，而且调试十分简单，成本比较低。
本发明中的东停定位开关7在电器连接上为与系统主控制器中的87C51的1脚相连，
东停定位开关7的位置为太阳下山后热水器要回到向东方向的定位点。
步进电机的运转由步进电机驱动器控制，U/D为正反向运转控制，CP为运转锁定控制。步进电机驱动能保证跟踪太阳的准确性，它带动热水器转动的最小步进角位移为0.14分，
系统主控制器电路见图4，时钟芯片IC101型号为SHT1302，它具有实时时钟和日历功能，可以容易地通过5、6、7脚与微处理器连接实现通讯，提供秒、分、小时、星期、日期、月份及年份的信息，时间有效期可到2100年。单片机微处理器IC102的型号为87C51，它是系统的核心，所有信号都经过它处理再由它输出控制各项功能的实现。
图5是本发明的热水器与太阳光方位图。冬至日太阳出升时的光线方向即为东停定位开关7所在位置。
如图6、7、8所示，太阳能热水器由真空集热器1、集热器支架2、旋转底座3、链条4、步进电机5、减速机构6、东停定位开关7、自动跟踪感应器8及其它元器件组成。
如图9所示，本发明的旋转底座3由固定圈9、轴承滚轮10、旋转圈11、可调心轴承12和链条固定销13组成。固定圈9由外圈、中央轴，及外圈和中央轴之间的6根(4根、或8根)横杆焊接而成；旋转圈11由外圈、中央轴壳，及它们之间的6根(4根或8根)横杆焊接而成。
固定圈9固定在建筑物或地面上，不可运动，固定圈9的中央轴上装设可调心轴承12，可调心轴承12上套装有旋转圈11的中央轴壳，旋转圈11的外圈的下面装有6个轴承滚轮10，轴承滚轮10可在固定圈9上滚动，旋转圈11上安装集热器支架2，支撑太阳能真空集热器1。旋转底座3上的旋转圈11通过链条4经减速机械6与步进电机5相连，旋转圈11的转动由步进电机5控制，步进电机5的正反转动带动旋转圈11的正反转动，从而控制热水器受光面的方向。
本发明太阳能热水器自动跟踪控制系统的运行过程如下：
早晨出太阳时，热水器受光面朝太阳不动，到达运转时间(设定每二十分钟运转一次)后，系统主控制器发信号给步进电机5开始运转，步进电机5通过链条带动旋转底座3的旋转圈11转动，当旋转圈11转过5°，系统主控制器发信号给步进电机5停止运转，等到下一个设定运转时间再运转，如此循环，如停止位置热水器受光方向与太阳光方向误差超过5°，自动跟踪感应器8，会发出信号给系统主控制器，系统主控制器控制步进电机5运转进行调整，这样循环至太阳下山，等到设定返回时间，系统主控制器控制步进电机5反向运转，热水器向东返回，当遇到东停定位开关7，东停定位开关7会给系统主控制器一个信号，从得到此信号开始，系统主控制器会根据程序设定控制步进电机继续运转使热水器再转一定角度(由于每天出太阳的方向不同，此角度也不一样)，保证热水器正对着第二天出太阳的方向，它一天的循环结束。
如在运行过程中热水器受光面朝向偏离太阳太多，超过了5°，实地跟踪系统发挥作用，自动跟踪感应器8将信号传给系统主控制器，由系统主控制器确定转角补偿，保证热水器受光面对着太阳。
东停定位开关7为热水器回到面向东时的定位点，为冬至日(约为12月23日)太阳升起的方向，即冬至日热水器停在此位置，此点的方向随地区纬度的变化而有小的变化，在冬至日，热水器向东回到此位置，其它时间还要向北转动一定的角度，此角度可通过公式求得，由控制程序处理，向北转动一定的角度是保证热水器正对着出升的太阳。
步进电机控制旋转底座步进旋转，使真空管集热器每天旋转180度左右(冬至日约旋转120度，夏至日约旋转220度)，并回转至东面等待下一天日出，通过东停定位开关7及定位装置定位，并保证运行过程中热水器受光面朝向不偏离太阳。，日落后并回转至东面由东停定位开关7定位，保证下一天日出时热水器正对着太阳。

Claims (7)

1.一种太阳能热水器自动跟踪控制系统，其特征在于包括用于安装太阳能热水器的旋转底座(3)、步进电机(5)、减速机构(6)、东停定位开关(7)、系统主控制器、步进电机控制器、自动跟踪感应器(8)、电源、触摸屏显示器及限位装置，所述旋转底座(3)上套装有链条(4)，链条(4)经减速机构(6)与步进电机(5)相连，步进电机(5)通过步进电机控制器控制旋转底座(3)的步进角位移，自动跟踪感应器(8)将接收的信号传送给系统主控制器，经系统主控制器处理输出控制步进电机(5)进行调整，并将运行状态通过触摸屏显示器显示。
2.按照权利要求1所述的自动跟踪控制系统，其特征在于所述自动跟踪感应器(8)包括双运放(IC31)、电阻R35、电阻R36、光敏电阻R31、光敏电阻R32、光敏电阻R33、光敏电阻R34、可变电阻RP31、可变电阻RP32，双运放(IC31)的输入端分别由两只光敏电阻和一可变电阻串联组合而成，每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻，双运放(IC31)的两个输出端偏东和偏西分别与系统主控制器中的单片机微处理器(IC102)的36、35脚相连。
3.按照权利要求1所述的自动跟踪控制系统，其特征在于所述电源由光电池、蓄电池、充放电路和稳压电路组成。
4.按照权利要求3所述的自动跟踪控制系统，其特征在于系统主控制器采用单片机微处理器(IC102)控制，由日历电路、实地跟踪处理电路、温度水位控制电路、步进电机驱动电路、时钟芯片(IC101)、单片机微处理器(IC102)，及其他的辅助电路或元器件组成；时钟芯片(IC101)通过5、6、7脚分别与单片机微处理器(IC102)的39、38、37脚连接实现通讯；单片机微处理器(IC102)的36、35脚分别连接自动跟踪感应器(8)的偏东、偏西信号，34、33脚分别连接稳压电路的过充、过放信号，1脚与东停定位开关(7)相连，2、3脚分别与水温、水位信号相连，21、22脚分别连接步进电机控制器的锁定信号和正反转信号，23、24脚控制继电器J1、继电器J2，16、17脚通过信号转换与触摸屏显示器连接。
5.按照权利要求1所述的太阳热水器全自动跟踪装置，其特征在于所述触摸屏显示器的型号为LT-930。
6.按照权利要求1、2、3、4或5所述的自动跟踪控制系统，其特征在于所述旋转底座(3)由固定圈(9)、轴承滚轮(10)、旋转圈(11)、可调心轴承(12)和链条固定销(13)组成；固定圈(9)由外圈、中央轴，及外圈与中央轴之间的多根横杆连接而成；旋转圈(11)由外圈、中央轴壳，及它们之间的多根横杆连接而成；固定圈(9)的中央轴上装设可调心轴承(12)，可调心轴承(12)上套装有旋转圈(11)的中央轴壳，旋转圈(11)通过链条(4)经减速器(6)与步进电机(5)相连；旋转圈(11)的外圈的下部装有6个轴承滚轮(10)，旋转圈(11)通过轴承滚轮(10)支撑在固定圈(9)的外圈上。
7.按照权利要求6所述的自动跟踪控制系统，其特征在于固定圈(9)的外圈与中央轴之间通过6根横杆焊接而成；旋转圈(11)的外圈与中央轴壳之间通过6根横杆焊接而成。
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