CN101995882A - 太阳实时跟踪系统 - Google Patents

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代晓磊
李峰
郏中辉
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Abstract

本发明公开了一种太阳实时跟踪系统，包括微控制器、避光盒、用于控制电机工作状态的驱动器和用于改变太阳能采集板方向角的电机；避光盒内的顶面上开设有透光孔，避光盒内设有水平设置的凸透镜平面阵列，避光盒底部设置有光敏元件阵列；每个光敏元件均与微控制器相连接；微控制器用于根据从光敏元件获得的信号计算太阳的方位角，并向驱动器发出指令。本发明尤其适用于太阳能发电系统，具有检测准确度高、自动化和智能化程度高、环境适应能力好、系统可靠性高且成本低、结构简单等优点。

Description

太阳实时跟踪系统
技术领域
本发明涉及一种太阳实时跟踪系统，尤其是一种用于太阳能发电系统的太阳实时跟踪系统。
背景技术
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。随着我国经济的快速增长，能源需求大幅增加，能源供需矛盾突出。国家在提倡节能的同时，也鼓励开发和利用太阳能、风能和水力发电等新能源。太阳能是一种清洁、低污染的新能源，但目前太阳能的利用率却比较低。目前应用比较广泛的光伏发电装置中的光电转换效率最高仅为16％左右，过低的光能转换效率导致发电成本过高，这是制约太阳能发电技术发展的主要原因之一。众所周知，当太阳光线垂直照射于采光装置时光能利用率最高。如果太阳光线能够一直保持垂直于太阳能发电装置的采光装置的状态，那么就可使得太阳能发电装置保持最佳的光能利用状态，可以提高太阳能的利用率。在现有技术中，太阳能跟踪器目前主要采用以下几种方法实现：恒定电压判断法、逐步降低初始状态和目标状态的距离的方法、导纳微分法及通过二维PSD为基础的方法，以上这些方法普遍存在误差比较大、采样结果在最大功率点左右来回振荡和价格较高等缺点。目前的太阳能自动跟踪系统大都存在有系统复杂、可靠性和稳定性较差、系统维护运行成本过高、环境适应性差、自动化程度低等问题。
发明内容
本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种太阳实时跟踪系统，以降低太阳跟踪的误差和系统的成本，简化系统并提高系统的自动化程度和环境适应能力。
本发明为解决技术问题采用以下技术方案。
太阳实时跟踪系统，其结构特点是，包括微控制器、避光盒、用于改变太阳能采集板方向角的电机和用于控制电机工作状态的驱动器；避光盒内的顶面上开设有透光孔，避光盒内设有以平行于避光盒底面的方式设置的凸透镜平面阵列，避光盒底部设置有光敏元件阵列；每个光敏元件均与微控制器相连接；微控制器用于根据从光敏元件获得的信号计算太阳的方位角，并向驱动器发出指令；驱动器与微控制器之间通过数据线相连接；电机与驱动器之间通过导线相连接。
本发明的太阳实时跟踪系统的结构特点也在于：
所述避光盒为长方体形盒子，透光孔设于避光盒顶面的中心部。
所述避光盒为圆柱形盒子，避光盒的顶面为圆锥面，透光孔设于圆锥面的锥顶部；其中圆锥面母线与圆锥面轴线之间的夹角为A，且80°≤A≤85°。
所述透光孔处密封安装有玻璃片。
所述微控制器为mega16单片机。
所述驱动器为uln2003达林顿阵列。
所述凸透镜平面阵列所在的平面平行于避光盒的底面，且平面阵列所在的平面和避光盒底面之间的距离为避光盒总高度的2/3。
所述凸透镜的水平断面呈正六边形。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
本发明利用日晷的原理，通过在密闭的避光盒顶开设透光孔，将太阳光引入避光盒并用凸透镜聚光，由光敏元件接收汇聚光，可避免采用外界光线影响光敏元件，光敏元件不易受外界散射光的影响，提高了太阳光线角度的检测准确度，可降低太阳跟踪的误差。采用微控制器控制驱动器，并由驱动器驱动电机，提高了系统的自动化和智能化程度。太阳方位角是根据三角函数和反三角函数计算获得，计算精度可达0.01°。避光盒的顶面设置为圆锥面，透光孔处密封安装有玻璃片，可避免雨水进入避光盒，提高了系统的环境适应能力。凸透镜的水平断面呈正六边形，可使得每个凸透镜和六个相邻的凸透镜相连接，提高光斑位置的分辨能力，以提高太阳光线的角度的计算准确度，降低系统误差；并且可通过调整凸透镜的尺寸来调整系统的检测分辨率，可调整性比较好。mega16单片机、uln2003达林顿阵列相比同类产品价格较低，可降低系统的成本；uln2003达林顿阵列为高电压大电流达林顿阵列，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，可适应于各类要求大功率驱动的系统，提高了系统的可靠性。本发明通过在密闭的避光盒顶开设透光孔，在避光盒内设凸透镜聚光，结构简单，实现容易且制作成本较低，还具有检测准确度高、自动化和智能化程度高、环境适应能力好、系统可靠性高且成本低等优点。
本发明尤其适用于太阳能发电系统，也可用于太阳能热水器等利用太阳能的设备。
附图说明
图1为本发明太阳实时跟踪系统的结构框图。
图2为本发明太阳实时跟踪系统的避光盒的结构示意图。
图3为本发明的太阳光线角度计算示意图。
图4为本发明的光敏元件和微控制器之间的连接示意图。
图5为本发明的其中一个实施例的电机驱动原理图。
附图1、附图2、附图3、附图4和附图5中标号：1避光盒，2透光孔，3凸透镜，4光敏元件，5太阳光线，6微控制器，7驱动器，8电机。
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
参见图1、图2、图3、图4和图5，太阳实时跟踪系统，包括微控制器6、避光盒1、用于改变太阳能采集板方向角的电机8和用于控制电机8工作状态的驱动器7；避光盒1内的顶面上开设有透光孔2，避光盒1内设有以平行于避光盒底面的方式设置的凸透镜3平面阵列，避光盒1底部设置有光敏元件4阵列；每个光敏元件4均与微控制器6相连接；微控制器6用于根据从光敏元件4获得的信号计算太阳的方位角，并向驱动器7发出指令；驱动器7与微控制器6之间通过数据线相连接；电机8与驱动器7之间通过导线相连接。避光盒1为长方体形盒子，透光孔2设于避光盒1顶面的中心部。避光盒1为圆柱形盒子，避光盒1的顶面为圆锥面，透光孔2设于圆锥面的锥顶部；其中圆锥面母线与圆锥面轴线之间的夹角为A，且80°≤A≤85°。透光孔2处密封安装有玻璃片，以防止雨水、灰尘等杂物进入避光盒。微控制器6优选为mega16单片机。驱动器7优选为uln2003达林顿阵列。凸透镜3平面阵列所在的平面平行于避光盒1的底面，且平面阵列所在的平面和避光盒1底面之间的距离为避光盒1总高度的2/3。凸透镜3的水平断面呈正六边形。
六边形的凸透镜之间采用无缝连接，形成严密的凸透镜平面阵列。光敏元件设于避光盒的底部，每个光敏元件的位置是确定的，光敏元件与底面中心点的距离也是固定的。当有太阳光线5通过透光孔射入避光盒中时，通过小孔形成光斑，光斑照射在凸透镜上由凸透镜将太阳光线5汇聚，汇聚后的光斑照射在光敏元件上，被光斑照射的光敏元件产生电信号并将电信号输入至微控制器，由微控制器根据光敏元件在阵列中的位置，根据预设的公式计算太阳的方位角。微控制器中设置有太阳能采集板的初始状态，可将初始状态设置为太阳能采集板朝向正南或正东，太阳能采集板与水平面的夹角为45°。微控制器根据初始状态和实时计算的方位角，计算控制参数并产生相应的控制信号，并将控制信号发送至驱动器，由驱动器驱动电机运行，改变太阳能采集板的方向角，使得太阳光线垂直照射在太阳能采集板上，以达到最大程度地利用太阳能的目的。
微控制器内安装有控制程序，可在程序中设定系统的工作时间，如7:00-19:00。在设定的工作时间内，系统先进行位置的初始化，确定调整基准，比如以太阳能采集板朝向正东、太阳能采集板与水平面的夹角为45°为初始的基准状态，根据计算的太阳方位角和基准状态，由电机对太阳能采集板进行调整，调整后将系统的位置参数存入微控制器的存储器中。当需要再次调整时，根据上一次获得的位置参数和计算所得的太阳方位角，进行下一次的调整。在夜晚来临时，控制程序根据设定的时间将系统关闭。在阴暗天气，由于光敏元件上没有光斑出现，系统会一直处于初始状态。
图3中，α为太阳光线5与水平面之间的夹角。β为太阳光线5在水平面上的投影与预设的正东或正南的方向之间的夹角。根据三角函数和反三角函数，通过计算得到α和β，获得控制参数并产生控制信号。图4中，R1～R4为电阻，PB0～PB3、PC0～PC3均为单片机mega16的输入端口。图5为电机驱动原理图，单片机mega16通过线路接口与达林顿阵列uln2003相连接，达林顿阵列uln2003的输出端口与电机相连接；PD0～PD3为单片机mega16的输出端口，1B～3B为达林顿阵列uln2003的输入端口，1C～3C的为达林顿阵列uln2003的输出端口。
本发明利用日晷的原理，通过在密闭的避光盒顶开设透光孔，将太阳光引入避光盒并用凸透镜聚光，由光敏元件接收汇聚光，可避免采用外界光线影响光敏元件，光敏元件不易受外界散射光的影响，提高了太阳光线角度的检测准确度，可降低太阳跟踪的误差。采用微控制器控制驱动器，并由驱动器驱动电机，提高了系统的自动化和智能化程度。太阳方位角是根据三角函数和反三角函数计算获得，计算精度可达0.01°。避光盒的顶面设置为圆锥面，透光孔处密封安装有玻璃片，可避免雨水进入避光盒，提高了系统的环境适应能力。凸透镜的水平断面呈正六边形，可使得每个凸透镜和六个相邻的凸透镜相连接，提高光斑位置的分辨能力，以提高太阳光线的角度的计算准确度，降低系统误差；并且可通过调整凸透镜的尺寸来调整系统的检测分辨率，可调整性比较好。mega16单片机、uln2003达林顿阵列相比同类产品价格较低，可降低系统的成本；uln2003达林顿阵列为高电压大电流达林顿阵列，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，可适应于各类要求大功率驱动的系统，提高了系统的可靠性。本发明通过在密闭的避光盒顶开设透光孔，在避光盒内设凸透镜聚光，结构简单，实现容易且制作成本较低，还具有检测准确度高、自动化和智能化程度高、环境适应能力好、系统可靠性高且成本低等优点。
本发明尤其适用于太阳能发电系统，也可用于太阳能热水器等利用太阳能的设备。

Claims (8)

1.太阳实时跟踪系统，其特征是，包括微控制器(6)、避光盒(1)、用于改变太阳能采集板方向角的电机(8)和用于控制电机(8)工作状态的驱动器(7)；避光盒(1)内的顶面上开设有透光孔(2)，避光盒(1)内设有以平行于避光盒底面的方式设置的凸透镜(3)平面阵列，避光盒(1)底部设置有光敏元件(4)阵列；每个光敏元件(4)均与微控制器(6)相连接；微控制器(6)用于根据从光敏元件(4)获得的信号计算太阳的方位角，并向驱动器(7)发出指令；驱动器(7)与微控制器(6)之间通过数据线相连接；电机(8)与驱动器之间通过导线相连接。
2.根据权利要求1所述的太阳实时跟踪系统，其特征是所述避光盒(1)为长方体形盒子，透光孔(2)设于避光盒(1)顶面的中心部。
3.根据权利要求1所述的太阳实时跟踪系统，其特征是所述避光盒(1)为圆柱形盒子，避光盒(1)的顶面为圆锥面，透光孔(2)设于圆锥面的锥顶部；其中圆锥面母线与圆锥面轴线之间的夹角为A，且80°≤A≤85°。
4.根据权利要求1、2或3所述的太阳实时跟踪系统，其特征是所述透光孔(2)处密封安装有玻璃片。
5.根据权利要求1所述的太阳实时跟踪系统，其特征是所述微控制器(6)为mega16单片机。
6.根据权利要求1所述的太阳实时跟踪系统，其特征是所述驱动器(7)为uln2003达林顿阵列。
7.根据权利要求1所述的太阳实时跟踪系统，其特征是所述凸透镜(3)平面阵列所在的平面平行于避光盒(1)的底面，且平面阵列所在的平面和避光盒(1)底面之间的距离为避光盒(1)总高度的2/3。
8.根据权利要求1所述的太阳实时跟踪系统，其特征是所述凸透镜(3)的水平断面呈正六边形。
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