CN102004496B - 太阳光能全自动搜寻跟踪器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，包括机架、太阳能电池板、电池板支架、摆动机构、跟踪控制单元和专门作清扫电池板受光表面的灰尘和杂物的清扫装置，太阳能电池板设置在电池板支架上，电池板支架通过一套摆动机构在机架上摆动，跟踪控制单元包括两个太阳光线强弱判别器、自动定位判定器和控制单元，当其中一个方向的太阳光线强弱判别器感应到大于设定强度的太阳光线时，控制单元控制摆动机构向该方向摆动；当自动定位判定器感应到大于设定强度的太阳光线时，控制单元迫使摆动机构停止摆动。该装置只有太阳光强度达到设定的强度，本装置才动作，这样就有效地避免了传统的“有光就动，无光就停”的盲目无为工作和无效的能源浪费。

Description

太阳光能全自动搜寻跟踪器装置

技术领域

本发明涉及一种太阳光能全自动搜寻跟踪器装置。

背景技术

太阳能的热能利用和光能利用是其两个最重要的应用领域，之所以特别引人注目，是由于太阳能的特殊性所决定的。太阳能具有以下优点：(1)存储量巨大；(2)不会被枯竭；(3)清洁的能源；(4)不受地域限制。

太阳能的缺点是能量密度低、容易受气象条件的影响，不具备蓄电功能等。如果太阳能电池板若固定不动，则只有夏季晴天上午9时到下午4时约7小时，日照最充分。但到了冬季，同样的地点充分日照时间将降至3小时。由于蓄电池必要的全充电时间需10-15小时，故需要调节太阳能电池板的倾角，使之得到最大的日照量。此外，由于云层，自然环境等因素，太阳能电池板均需适时微调。当然，可以定时用人工进行调节，或者通过太阳能自动跟踪器进行自动跟踪。但是现有的太阳能自动跟踪器有光就动，无光就停，在太阳光能不足，无法产生足够电能的情况下进行无谓的跟踪动作将极大的浪费能源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提高太阳光电池板光电转换效率和延长采光时间，即充分发挥太阳能电池板的效能，避免了传统的“有光就动，无光就停”的盲目无为工作和无效的能源浪费。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，包括机架、太阳能电池板、电池板支架、摆动机构和跟踪控制单元，太阳能电池板设置在电池板支架上，电池板支架通过一套摆动机构在机架上摆动，跟踪控制单元控制摆动机构摆动来跟踪太阳光；跟踪控制单元包括两个从东西两个不同方向对太阳光能量等级强弱进行判别的太阳光线强弱判别器、自动定位判定器和控制单元，太阳光线强弱判别器和自动定位判定器的信号输出端分别与控制单元连接，控制单元与摆动机构连接；当其中一个方向的太阳光线强弱判别器感应到大于设定强度的太阳光线时，太阳光线强弱判别器向控制单元输出信号，控制单元控制摆动机构向该方向摆动；当自动定位判定器感应到大于设定强度的太阳光线时，自动定位判定器向控制单元输出信号，控制单元迫使摆动机构停止摆动。该装置可根据太阳能电池板进行光电转换时所需的光源强调等级和当时的环境条件对其预先进行人工设置，只有太阳光强度达到设定的强度，本装置才动作，这样就有效地避免了传统的“有光就动，无光就停”的盲目无为工作和无效的能源浪费。

为最佳利用光源能量，在两个方向的太阳光线强弱判别器的信号输出端与控制单元之间设置能量比较电路，当其中两个方向的太阳光线强弱判别器感应到大于设定强度的太阳光线时能量等级高的一路导通，控制摆动机构向太阳光线更强的方向摆动。

为了充分提高本装置的工作效率和减少自身能量消耗，摆动机构采用行星齿轮减速驱动方式。

具体地，摆动机构包括左右两个短轴、驱动底板、底罩、驱动电机、主动齿轮、弧形大齿轮，短轴设置在机架上，为摆动轴心，驱动底板设置在两个短轴之间，驱动电机安装在驱动底板上，主动齿轮安装在驱动电机上，弧形大齿轮安装在底罩上，底罩与电池板支架固定，底罩可摆动地安装在短轴上，主动齿轮与弧形大齿轮啮合构成行星齿轮减速器，驱动电机通过主动齿轮、弧形大齿轮驱动底罩摆动。

具体地，电池板支架包括底盘和和托盘，托盘和底盘活动连接，在托盘和底盘之间具有调节托盘仰角的支持杆。

具体地，太阳光线强弱判别器包括光电传感器，基准信号设定单元和比较单元，太阳光线强弱判别器的比较单元的输入端与太阳光线强弱判别器的光电传感器连接，太阳光线强弱判别器的比较单元的基准信号输入端与太阳光线强弱判别器的基准信号设定单元连接；自动定位判定器包括光电传感器、基准信号设定单元和比较单元，自动定位判定器的比较单元的输入端与自动定位判定器的光电传感器连接，自动定位判定器的比较单元的基准信号输入端与自动定位判定器的基准信号设定单元连接；太阳光线强弱判别器的比较单元的输出端与控制单元连接，控制单元与驱动电机连接，控制电机的运转和转向，自动定位判定器的比较单元的输出端与控制单元连接，控制电机停止运转。

工作自动定位判定光电传感器对当时直照射到太阳能电池板上的光源强度等级进行判定，为提高光电传感器的精度和分辨率，防止周围干扰光线，在自动定位判定器的光电传感器上安装圆柱筒形遮光罩，为提高太阳光线强弱判别器的灵敏度，在太阳光线强弱判别器的光电传感器后安装抛物面反光物件。

由于光线是一种能量，能量的收集需要一定的时间，故设计摆动机构为步进间断运转方式。

进一步地，两只太阳光线强弱判别器的光电传感器在同一垂直平面内，相互间呈120度的夹角，各与水平面间呈30度的夹角；自动定位判定器的光电传感器的中心线与两只太阳光线强弱判别器的光电传感器的中心线各呈60度的夹角。太阳光线强弱判别器的比较单元为运算放大器，控制单元采用逻辑PLC控制器。

由于太阳能电池板是处于室外的工作环境，各种灰尘和物理杂物极有可能吸附或沾染在电池板的受光表面，影响其对光能的吸收效率。因此在本产品上设有一专门作清扫灰尘和杂物的清扫装置。由一专门的清扫驱动电机负责动作，并受控制单元的主控电路中的定时器控制，实现定时清扫。为保持运行平稳，采用两条同步皮带设施传动。

本发明的有益效果是：该装置可根据太阳能电池板进行光电转换时所需的光源强调等级和当时的环境条件通过相应的控制电路对其预先进行人工设置，这样就有效地避免了传统的“有光就动，无光就停”的盲目无为工作和无效的能源浪费。为了充分提高本装置的实用性，设计中采用了全新的理念和符合太阳能电池板工作条件的设施工况，在控制电路中采用了较为灵活多变的软控制电路，以适应各种不同的工作要求。具有新颖性和实用性。为了充分提高本装置的可靠性，设计中采用了成熟的控制电路和控制器件，核心控制器件用逻辑PLC控制器。用较少的器件就可达到传统上较为复杂控制电路上的功能。为了充分提高本装置的工作效率和减少自身能量消耗，设计中采用了高效率、大速比的行星齿轮减速器和用各种轻型材料制成各个构件。该装置由于采用了控制功能强大，控制方式灵活的逻辑PLC控制器，就可以根据PLC控制器的I/O点数和定时器的个数对可控的同类型太阳光能全自动搜寻跟踪器装置的数量进行适当的扩展，即用一个主控制电路同时控制数个太阳光能全自动搜寻跟踪器装置。现有的太阳能电池板若采用类似像本案所叙的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，则太阳能光电转换效率和在现有的基础上提高20-30％左右。

附图说明

图1是本发明的装置的主视图；

图2是本发明的装置的左视图；

图3是本发明的摆动机构的结构示意图；

图4是本发明的主视图；

图5是本发明的太阳光线强弱判别器的工作电路图；

图6是本发明的自动定位判定器的工作电路图；

图7是控制单元中逻辑PLC控制器的内部控制电路图；

图8是控制单元中驱动电机的驱动电路图；

图9是控制单元中清扫驱动电机的控制电路图；

图10是能量比较电路的电路图；

图中：1.机架，2.太阳能电池板，3.电池板支架，31.底盘，32.托盘，33.支持杆，4.摆动机构，41.短轴，42.驱动底板，43.底罩，44.驱动电机，45.主动齿轮，5.太阳光线强弱判别器，6.自动定位判定器，7.自动清扫装置。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，本太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，包括机架1、太阳能电池板2、电池板支架3、摆动机构4和跟踪控制单元，太阳能电池板2设置在电池板支架3上，电池板支架3通过一套摆动机构4在机架1上摆动，跟踪控制单元控制摆动机构4摆动来跟踪太阳光。电池板支架3包括底盘31和和托盘32，托盘32和底盘31活动连接，在托盘32和底盘31之间具有可根据季节的不同调节托盘仰角的支持杆33。

跟踪控制单元包括两个从东西两个不同方向对太阳光能量等级强弱进行判别的太阳光线强弱判别器5、自动定位判定器6和控制单元，太阳光线强弱判别器5和自动定位判定器6的信号输出端分别与控制单元连接，控制单元与摆动机构4连接；当其中一个方向的太阳光线强弱判别器5感应到大于设定强度的太阳光线时，太阳光线强弱判别器5向控制单元输出信号，控制单元控制摆动机构4向该方向摆动；为最佳利用光源能量，在两个方向的太阳光线强弱判别器5的信号输出端与控制单元之间设置能量比较电路，当其中两个方向的太阳光线强弱判别器5均感应到大于设定强度的太阳光线时能量等级高的一路导通，控制摆动机构4向太阳光线更强的方向摆动。在图5中并未采用能量比较电路，这主要是因为如果两只太阳光线强弱判别器5同时搜寻到启动的强光源时，那么位于两只太阳光线强弱判别器5的光电传感器之间的自动定位判定器6也一定处于强光之下。当自动定位判定器6感应到大于设定强度的太阳光线时，自动定位判定器6向控制单元输出信号，控制单元迫使摆动机构4停止摆动。由于采用了新型的设计理念和结构，该装置具有光源收集可靠有效，不作无效的工作运行，采光定位准确，运行平稳高效，结构简单合理，控制简单可靠，外形美观，安装调试维护方便，实用性强的特点。

太阳光线强弱判别器5包括光电传感器，基准信号设定单元和比较单元，太阳光线强弱判别器5的比较单元的输入端与太阳光线强弱判别器5的光电传感器连接，太阳光线强弱判别器5的比较单元的基准信号输入端与太阳光线强弱判别器5的基准信号设定单元连接；自动定位判定器6包括光电传感器、基准信号设定单元和比较单元，自动定位判定器6的比较单元的输入端与自动定位判定器6的光电传感器连接，自动定位判定器6的比较单元的基准信号输入端与自动定位判定器6的基准信号设定单元连接；太阳光线强弱判别器5的比较单元的输出端与控制单元连接，控制单元与驱动电机44连接，控制驱动电机44的运转和转向，自动定位判定器6的比较单元的输出端与控制单元连接，控制驱动电机44停止运转。太阳光线强弱判别器5的比较单元为运算放大器，控制单元采用逻辑PLC控制器。

正常工作时，首先由安装在托盘32上的两只各东西方向的太阳光线强弱判别器5从各自的方向进行采光，两只太阳光线强弱判别器5的光电传感器在同一垂直平面内，相互间呈120°夹角，各与水平面间呈30°夹角，为提高其灵敏度，在每个器件后安装抛物面反光物件。由于光电传感器的灵敏度与太阳能电池板2在光电转换时的所需能量不匹配，所以需要对光电传感器的固有灵敏度从新进行匹配设置，使得光电传感器搜寻到对太阳能电池板2进行光电转换有效的能量等级光源。该光电传感器将搜寻到的光能信号与基准信号设定单元中预先设置好的基准信号同时送入运算放大器进行比较后将结果输出，其结果经后续电路控制相应的输出继电器触点作相应的通断响应，输出继电器的触点作为逻辑PLC控制器(或其他相应的控制电路)的输入端，经内部控制电路的控制程序使得相应的内部继电器动作(或相应的控制电路的输出)并输出以控制驱动电机44运转和转向。

自动定位判定器6通过光电传感器对当时直照射到太阳能电池板上的光源强度等级进行判定，为提高光电传感器的精度和分辨率，防止周围干扰光线，在光电传感器上安装圆柱筒形遮光罩。光电传感器搜寻的光源能量等级也可根据需要通过基准信号设定单元进行人工设置。由于光线是一种能量，能量的收集需要一定的时间，所以搜寻是采用步进间断方式，其步进间断运转方式由电路中的逻辑PLC控制器中的定时器(或循环延时继电器和相应的中间继电器)承担，驱动电机44的步进间断运转模式可根据需要通过PLC的定时器(或循环延时继电器和相应的中间继电器)进行人工预先设置。

在正常工作时，装置的转速和转动平稳性显得十分重要。该装置采用的是直流微控电机，属高转速、小功率执行机构，而装置相对来说是需要低转速大转矩。本装置的摆动机构采用了高效率，大速比的行星齿轮减速器，其速比可达几百，特点是启动电流小，运行平稳，耗能低。结构简单自重轻，转动惯量小，无冲击等。

为实现结构简单自重轻，转动惯量小，无冲击等特点。装置结构的合理布局和巧妙构思起到了很关键的作用。本装置的所有运动部件的合成中心基本与回转中心在同一垂直平面内。驱动电机44固定安装在驱动底板42，驱动底板42安装在与回转中心呈同中心线的且与机架1相对固定的短轴41上。短轴41通过尾部的圆台型外表面与机架1相应的圆台型内表面配合，短轴41未端设有调整螺钉可进行中心对准和紧固作用。与所有运动部件相连的底罩43通过自身两端面上安装的滚动轴承与短轴41相连，且与运动部件之一的底盘31固定连接，并将驱动底板42、驱动电机44罩于其内部，即相对固定的驱动底板42、驱动电机44安装在呈运动性质的底罩43、底盘31共同围成的空间内部。驱动电机44上的主动齿轮45通过固定安装在底罩43端面上的半圆弧大齿轮带动底罩43运转。由于装置在整个工作中不需360°旋转，只需东西方向摇摆转动，所以只需半圆弧大齿轮就可以了。为减轻自重和润滑要求，半圆弧大齿轮采用非金属材料制成。

在本产品上设有一专门作清扫灰尘和杂物的清扫装置7。由一专门的清扫驱动电机负责动作，并受控制单元的主控电路中的定时器控制，实现定时清扫。为保持运行平稳，清扫装置7的清扫板的两端分别设置在左右两条同步皮带上，同步皮带安装在上下两个旋转轴总成的旋转轴上，下旋转轴通过清扫驱动电机驱动旋转，在清扫装置中设置上限位器xw1和下限位器xw2，当清扫板移动到电池片上端的，触动上限位器xw1，清扫驱动电机停止运行，在设定的时间，清扫驱动电机开始反向运动，带动清扫板向下运动，触动下限位器xw2后停止。

该装置的核心控制部件采用了技术成熟，功能强大的逻辑PLC控制器。由于该器件内部控软制电路具有非常强大灵活的各种控制功能，使得整个装置的硬件控制电路显得非常简单可靠。整个装置仅采用三个光电传感器、一个驱动电机，使得与其配套的电路也显得十分简单明了可靠。

为实现外形美观，安装调试维护方便，实用性强的目的，所有具有外形属性的构件均采用规则对称的外形，简洁大方，安装拆卸方便。为有效避免自然环境对其的腐蚀影响，大多数的构件均采用重量轻的非金属材料制成。

通过图5、6、7、8、9显示的相关电路图描述本装置的工作过程：

在图5、7、8中，东西两个方向的太阳光线强弱判别器5是由两套完全相同的独立系统组成。各自完成对不同的方向进行采光，并将采得的光线能源等级与本系统的基准信号等级同送入本系统的运算放大器进行比较，然后将比较结果送后续电路。比较结果的不同就意味着运算放大器输出不同的电压信号等级，经后续电路产生相应的开关信号(高电位或低电位)，进而控制各自相应的输出继电器线圈sj1、sj2产生相应的触点动作(通或断)。这两套独立系统的基准信号采用相同的等级，即用一个同轴双联可变电位器R来作为本系统的基准信号设定单元。输出继电器sj1和sj2的触电作为逻辑PLC控制器的出入端。

在图6、7、8中，自动定位判定器6也是由另一套采集系统独立完成。其基准电位可由系统内的可变电位器按需要进行人工调节设置。由太阳光线的强弱产生不同的电位，使得系统内的GB3产生相应的截止或导通状态，进而控制输出继电器线圈fj产生相应的触点动作(通或断)。输出继电器fj的触点同样作为逻辑PLC控制器的出入端。

图中其它电子元器件均为限位电阻或限流电阻和定向单向二极管、蓄电池、太阳能电池板等器件。

在图7中，驱动电，44的控制由逻辑PLC控制器的输出继电器直接输出控制，若触点电流容量不够的话，可另外加继电器放大后输出。On和off开关也可以用相应的光电管实施控制，即有光接通，无光关闭。

图7、9显示的是清扫装置的控制电路，xw1为上限位器，XW2为下限位器。

图10显示的是能量比较电路的参考电路

最后说明的是：以上设施案例仅用以说明本发明的产品及技术方案，尽管参照较佳设施案例对本发明进行了详细的说明，本专业内的相关人员应当很容易理解和掌握和仿照，可以对本发明的技术方案进行某些修改或同等对换，而不脱离本发明的基本概念和框架，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：包括机架(1)、太阳能电池板(2)、电池板支架(3)、摆动机构(4)和跟踪控制单元，太阳能电池板(2)设置在电池板支架(3)上，所述的电池板支架(3)通过一套摆动机构(4)在机架(1)上摆动，跟踪控制单元控制摆动机构(4)摆动来跟踪太阳光；

所述的跟踪控制单元包括两个从东西两个不同方向对太阳光能量等级强弱进行判别的太阳光线强弱判别器(5)、自动定位判定器(6)和控制单元，太阳光线强弱判别器(5)和自动定位判定器(6)的信号输出端分别与控制单元连接，控制单元与摆动机构(4)连接；

当其中一个方向的太阳光线强弱判别器(5)感应到大于设定强度的太阳光线时，太阳光线强弱判别器(5)向控制单元输出信号，控制单元控制摆动机构(4)向该方向摆动；

当自动定位判定器(6)感应到大于设定强度的太阳光线时，自动定位判定器(6)向控制单元输出信号，控制单元迫使摆动机构(4)停止摆动。

2.根据权利要求1所述的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：在两个方向的太阳光线强弱判别器(5)的信号输出端与控制单元之间设置能量比较电路，当其中两个方向的太阳光线强弱判别器(5)均感应到大于设定强度的太阳光线时能量等级高的一路导通，控制摆动机构(4)向太阳光线更强的方向摆动。

3.根据权利要求1或2所述的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：所述的摆动机构(4)采用行星齿轮减速驱动方式。

4.根据权利要求3所述的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：所述的摆动机构(4)包括左右两个短轴(41)、驱动底板(42)、底罩(43)、驱动电机(44)、主动齿轮(45)和弧形大齿轮，短轴(41)设置在机架(1)上，为摆动轴心，驱动底板(42)设置在两个短轴(41)之间，驱动电机(44)安装在驱动底板(42)上，主动齿轮(45)安装在驱动电机(44)上，弧形大齿轮安装在底罩(43)上，底罩(43)与电池板支架(3)固定，底罩(43)可摆动地安装在短轴(41)上，主动齿轮(45)与弧形大齿轮啮合构成行星齿轮减速器，驱动电机(44)通过主动齿轮(45)和弧形大齿轮驱动底罩(43)摆动。

5.根据权利要求1或2所述的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：所述的电池板支架(3)包括底盘(31)和托盘(32)，托盘(32)和底盘(31)活动连接，在托盘(32)和底盘(31)之间具有调节托盘仰角的支持杆(33)。

6.根据权利要求1或2所述的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：所述的太阳光线强弱判别器(5)包括光电传感器，基准信号设定单元和比较单元，太阳光线强弱判别器(5)的比较单元的输入端与太阳光线强弱判别器(5)的光电传感器连接，太阳光线强弱判别器(5)的比较单元的基准信号输入端与太阳光线强弱判别器(5)的基准信号设定单元连接；

所述的自动定位判定器(6)包括光电传感器、基准信号设定单元和比较单元，自动定位判定器(6)的比较单元的输入端与自动定位判定器(6)的光电传感器连接，自动定位判定器(6)的比较单元的基准信号输入端与自动定位判定器(6)的基准信号设定单元连接；

太阳光线强弱判别器(5)的比较单元的输出端与控制单元连接，自动定位判定器(6)的比较单元的输出端与控制单元连接。

7.根据权利要求6所述的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：所述的两只太阳光线强弱判别器(5)的光电传感器在同一垂直平面内，相互间呈120度的夹角，各与水平面间呈30度的夹角；自动定位判定器(6)的光电传感器的中心线与两只太阳光线强弱判别器(5)的光电传感器的中心线各呈60度的夹角。

8.根据权利要求6所述的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：所述的摆动机构(4)为步进间断运转方式。

9.根据权利要求6所述的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：在自动定位判定器(6)的光电传感器上安装圆柱筒形遮光罩，在太阳光线强弱判别器(5)的光电传感器后安装抛物面反光物件，所述的太阳光线强弱判别器(5)的比较单元为运算放大器，控制单元采用逻辑PLC控制器。

10.根据权利要求1或2或4或7或8或9所述的太阳光能全自动搜寻跟踪器装置，其特征是：在所述的电池板支架(3)上设置保持电池板表面清洁的自动清扫装置(10)。

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