CN102111091A - 太阳能发电树及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能发电树及控制方法,采用双轴跟踪来实现太阳的全方位跟踪,调整电机转动带动连杆上下移动,数块平行等距的电池片固定在两侧的固定槽和连杆上,连杆上下移动可带动电池片上下转动,检测器安装在太阳能电池片上,检测器信号送入控制机构,控制机构处理信号后输出驱动转动电机和调整电机。可极大地扩大太阳能电池板的接收太阳能,提高了太阳能的利用率,促进太阳能光伏发电的发展。

Description

太阳能发电树及控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种太阳能发电技术,特别涉及一种太阳能发电树及控制方法。 背景技术
[0002] 传统的太阳能电池板的安装大都采用将一块电池板朝向太阳的方向安装。一般是 将太阳能电池板安装的倾角是当地纬度加10度,且不可以调,也就是电池板的的上下左右 都是不可以转动的。由于太阳能电池板不能随着太阳的角度转动,所以太阳能的利用率不 高。本专利就是根据传统的安装方式做出了具有革新性的变革。可以使太阳能电池板的太 阳光的利用率得到很大的提高,使太阳能电池板的安装范围也同时得到很大的扩大。
发明内容
[0003] 本发明是针对现在太阳能电池板的安装导致太阳能的利用率不高的问题,提出了 一种太阳能发电树及控制方法,对传统的太阳能电池板安装方式做出了具有革新性的变 革。可以使太阳能电池板的太阳光的利用率得到很大的提高,使太阳能电池板的安装范围 也同时得到很大的扩大。
[0004] 本发明的技术方案为:一种太阳能发电树,包括电池板、电机、支架、控制机构,太 阳能发电树上部安装一块透明有机玻璃,树干为转动支架固定在底部的固定机构上,转动 电机(固定在转动支架底部,树枝为上支架和下支架垂直于转动支架,并且上支架和下支架 与转动支架固定在一起,并与两侧的固定槽组成固定的框架,转动电机驱动转动支架转动, 上支架为槽的形式,调整电机和控制机构安装在槽中,调整电机转动带动连杆上下移动,数 块平行等距的电池片固定在两侧的固定槽和连杆上,连杆上下移动可带动电池片上下转 动,检测器安装在太阳能电池片上,检测器信号送入控制机构,控制机构处理信号后输出驱 动转动电机和调整电机。
[0005] 所述检测器由8个型号相同的光敏电阻组成,光敏电阻分成两组置于电池板垂直 的两边上,两边上各有一个光敏电阻垂直于电池板表面,其他光敏电阻对称置于此光敏电 阻两边并与之成斜角。
[0006] 所述控制机构包括电源电路、控制电路和驱动电路,检测器输出数据通过选择器 ⑶4501输入控制器中MSP430单片机进行A/D转换和输出处理后输出到驱动电路,依次经过 驱动电路中的光电隔离电路、双全桥驱动电路、外部桥路电路到电机。
[0007] —种太阳能发电树控制方法,包括太阳能发电树,首先对太阳能发电树初始化,设 定每天的10点之前和16点之后,每20分钟检测一次,在10点到16点之间,控制调整电机 每1小时检测一次,开启时钟程序;到时间点进行A/D数据采集;根据采集数据进行方向角 的判断,判断结果输出控制调整电机2调整电池板的方向角度,同时输出控制转动电机调 整电池板高度;调整后再次进行A/D数据采集数据进行判断,比较数据是否还需要调整;如 不需要电机停止,进入中断程序,并存储当前数据;进入定时延时,等待下一次检测。
[0008] 本发明的有益效果在于:本发明太阳能发电树及控制方法,太阳能电池片可跟随太阳的照射角度而随之转动方向。可极大地扩大太阳能电池板的接收太阳能,提高了太阳 能的利用率,促进太阳能光伏发电的发展。
附图说明
[0009] 图1为本发明太阳能发电树结构示意图; 图2为本发明太阳能发电树检测器示意图; 图3为本发明上部传动机构示意图;
图4为本发明下部传动机构示意图; 图5为本发明光强检测电路原理图; 图6为本发明双电机驱动电路图; 图7为本发明主程序流程图; 图8为本发明A/D采集流程图; 图9为本发明电机控制子程序流程图。
具体实施方式
[0010] 如图1整个装置的结构示意图,整个装置上部安装一块有机玻璃1 (透明),目的是 为了遮风挡雨,并尽量减少太阳光的损失。转动支架5固定在底部的固定机构9上,转动支 架5设计成转轴的形式,可以随着转动电机8的工作而转动。上支架3和下支架7垂直于 转动支架5,并且上支架3和下支架7与转动支架5固定在一起,并与两侧的固定槽10组成 固定的框架,可以保证整个装置的牢靠性。上支架3设计成槽的形式,起安放调整电机2和 控制机构、导线的作用,并承载整个连杆的拉力,本装置设计为两个调整电机,两根连杆,即 每个电机带动一个连杆上下转动,数块平行等距的电池片4固定在两侧的固定槽10和两根 连杆上,连杆上下移动可带动电池片4上下转动,也可以一个电机带动两个或者多个连杆 移动,功率大小合适的情况下。
[0011] 转动支架5有两个重要的功能,一它可以起到支撑整个装置的作用,二可以通过 装置下面的电机的带动作用带动整个装置的转动,达到左右270度跟踪太阳光,每当太阳 落下以后,本装置规定为每天的九点(无论冬夏几乎都是可以满足情况的),装个装置的朝 向还原,即复位回复到朝东的方向。为节约电机转动所消耗的电能,如果在有阳光的情况 下,本装置在晴天的情况下每半小时调整一下左右角度;在没有阳光的情况下,本装置不转 动。
[0012] 两侧的侧槽10采用不锈钢的材料,这样可以保证稳固性并减小维修费用。侧槽和 上下两个支架3、7固定在一起,这样就使电池片4被固定在一个整体的框内,稳固性得以保 证。
[0013] 电池片4的两端的中间固定在装置的侧槽上(要求可以转动)。每片电池板的后边 连接在连杆上。这样的安装方式可以使电池片被电机牵弓丨着上下转动。
[0014] 电池片的转动要求:在晴天的情况下,电池片的上下转动在每天的早上十点之前 和下午四点之后每20分钟转动一次,十点到下午四点之间每一小时转动一次。在没有阳光 的情况下,本装置不转动。具体情况可根据地区的日照情况相应改变。
[0015] 控制机构:控制部分采用低功耗的MSP430单片机。此种单片机可以实现超低功耗,节约控制部分的耗电量,控制器放在装置的顶部槽内,上面有有机玻璃板的保护,可以 避免恶劣天气对其的破坏。
[0016] 控制要求:在晴天的情况下:控制转动支架5在每半小时转动一次,控制顶部槽内 的调整电机2在每天的10点之前和16点之后,每20分钟转动一次,在10点到16点之间, 控制调整电机2每1小时转动一次。具体的转动角度根据检测机构检测来的数据经过分析 处理后的来的结果决定;在阴天的情况下:电机不转。
[0017] 检测器6安装在太阳能电池片4上,如图1所示。图2中所示太阳能发电树检测 器示意图I到VDI编号是型号相同的光敏电阻,I到V光敏电阻主要用来检测太阳光与南北 方向的夹角,VI到VDI号光敏电阻主要用来检测太阳光与水平面的角度。I号和V号光敏电 阻对称,II号和IV号光敏电阻对称,III号光敏电阻与电池片垂直。VI号和VDI号光敏电阻对 称,ΥΠ号光敏电阻与电池片垂直。由于光敏电阻在有光的情况下和无光的情况下阻值不一 样(光照下,光敏电阻的阻值减小),所以可以利用光敏电阻的这个特性检测太阳光的角度: 当太阳光垂直照射光敏电阻时,光敏电阻的阻值比斜射时阻值小。根据I号到V号电阻的 阻值的大小可以判断太阳的东西方向的角度。根据V号到VDI号光敏电阻的大小可以判断太 阳光与水平面的角度。
[0018] 太阳光跟踪:采用光电检测、双轴跟踪。
[0019] 采用光敏电阻结合MSP430单片机控制器实现对太阳能电池片的角度采集与分 析。并最终由单片机发出控制信号,控制电机调节电池片的角度。
[0020] 具体的跟踪方式采用双轴跟踪来实现太阳的全方位跟踪。即跟踪太阳相对于本装 置的方位角和俯仰角。如图3、4所示上下传动机构示意图,光伏电池板4固定在俯仰轴(支 撑接点)12上,俯仰轴12靠装置上部传动机构11驱动,装置上部传动机构11与方向角调 整电机2连接,装置上部传动机构11依次通过方位轴5、齿轮传动机构14与方位角转动电 机8连接,方位角调整电机固定在支架9上。
[0021] 本专利选定了带有减速机构的直流电动机作为执行元件,并采用闭环控制方式。 由于设计需要电动机双方向工作,采用单极性驱动方式是不行的,需设计双极性H桥驱动 方式。本专利选用了带有双H桥的驱动集成电路L298。为保护控制可靠性,MSP430单片机 接口部分采用光电隔离。
[0022] 本专利所涉及装置正常工作时需要两种电压,分别是9V和5V。9V用于驱动电机, 5V机功能转换为3. 3V用于给MSP430单片机供电,本专利选用串联电压稳压器LM7809和 LM7805(其中LM7809的输入电压范围是10. 5〜27V,LM7805的输入电压范围是7〜20V)。 根据系统功耗和LM7809和LM7805工作特性,选用了 T0-220封装形式。
[0023] Φ3系列光敏电阻。检测电路采用三线制接法。由于单片机A/D采集通道有限,所 以选择了一个单8通道的数据输出选择器⑶4501,分析八路检测电路的其中一路,如R30、 R31、R39。R30、R31为固定的I电阻,R39为光敏电阻,检测点连接CD4501的通道0 (XO)。 R30起到分压作用,当太阳辐射能增强时,光敏电阻阻值变小,其端电压减小,检测点电压减 小,相应R30两端的电压增加,R31 保证了检测电压高于2. 5V。
[0024] 单8通道的数据输出选择器⑶4501BC,从其外部管脚看,有三个二进制控制输入, A, B和C,一个使能输入/EN。三个二进制控制输入用来选择输入通道0 (1号光敏电阻)到 通道7 (8号光敏电阻)。⑶4501真值表如下表:
Figure CN102111091AD00061
驱动电路如图6所示:此驱动电路有四部分组成,光电隔离、双全桥驱动、外部桥路、电 机。采用光电耦合器件对单片机的输出和L298输入经行隔离,可以防止干扰和噪声,性能 更稳定。系统在一定范围内可以实现对电机的调速。L298内部的双全桥可以完成对两个电 机的双向驱动,外部桥路是电感负载所必须的,可以提高过流能力。两个电机可以分别完成 对方向轴(方向角)和仰俯轴(俯仰角)的驱动,完成双向跟踪。
[0025] 软件设计主程序流程图如图7所示。首先系统初始化,设定每天的10点之前和16 点之后,每20分钟检测一次,在10点到16点之间,控制调整电机2每1小时检测一次,开 启时钟程序;到时间点进行A/D数据采集;根据采集数据进行方向角的判断,判断结果输出 控制调整电机2调整电池板的方向角度,同时输出控制转动电机8调整电池板高度;调整后 再次进行A/D数据采集数据进行判断,比较数据是否还需要调整;如不需要电机停止,进入 中断程序,并存储当前数据;进入定时延时,等待下一次检测。
[0026] 如图8所示A/D采集流程图,A/D采集完成对光强的实时检测,将采集的信号反馈 单片机,作为电机控制的依据。因为单片机内部只有一个A/D转换模块,对于检测点选择是 必要的。选择检测点通过控制单8通道的数据输出选择器⑶4501BC完成。一次A/D检测 是对八个光敏电阻检测。A/D采样延时是为了等待完成对A/D采用电容充电,是A/D采集的 必要过程。
[0027] 如图9所示电机控制子程序流程图,程序运行过程中,先进行方位角调整后,在进 行高度角调整,键判断的目的是为了手动调节和极限位置判断,当太阳处在东北方向时,如 果基座东西布置,哪么电池板将处于正东方向;如果光伏电池板转动到正西方向时,为了系 统天亮时电池板处在正东方向,则触到西边行程开关时,光伏电池板自动回到朝向东方停 止,完成一天的跟踪任务。

Claims (4)

1. 一种太阳能发电树,包括电池板、电机、支架、控制机构,其特征在于,太阳能发电树 上部安装一块透明有机玻璃(1),树干为转动支架(5)固定在底部的固定机构(9)上,转动 电机(8)固定在转动支架(5)底部,树枝为上支架(3)和下支架(7)垂直于转动支架(5),并 且上支架(3)和下支架(7)与转动支架(5)固定在一起,并与两侧的固定槽(10)组成固定 的框架,转动电机(8)驱动转动支架(5)转动,上支架(3)为槽的形式,调整电机(2)和控制 机构安装在槽中,调整电机(2)转动带动连杆上下移动,数块平行等距的电池片(4)固定在 两侧的固定槽(10 )和连杆上,连杆上下移动可带动电池片(4 )上下转动,检测器(6 )安装在 太阳能电池片(4)上,检测器(6)信号送入控制机构,控制机构处理信号后输出驱动转动电 机(8)和调整电机(2)。
2.根据权利要求1所述太阳能发电树,其特征在于,所述检测器(6)由8个型号相同的 光敏电阻组成,光敏电阻分成两组置于电池板(4)垂直的两边上,两边上各有一个光敏电阻 垂直于电池板(4)表面,其他光敏电阻对称置于此光敏电阻两边并与之成斜角。
3.根据权利要求1所述太阳能发电树,其特征在于,所述控制机构包括电源电路、控制 电路和驱动电路,检测器(6)输出数据通过选择器⑶4501输入控制器中MSP430单片机进行 A/D转换和输出处理后输出到驱动电路,依次经过驱动电路中的光电隔离电路、双全桥驱动 电路、外部桥路电路到电机。
4. 一种太阳能发电树控制方法,包括太阳能发电树,其特征在于,首先对太阳能发电树 初始化,设定每天的10点之前和16点之后,每20分钟检测一次,在10点到16点之间,控 制调整电机(2)每1小时检测一次,开启时钟程序;到时间点进行A/D数据采集;根据采集 数据进行方向角的判断,判断结果输出控制调整电机2调整电池板的方向角度,同时输出 控制转动电机(8)调整电池板高度;调整后再次进行A/D数据采集数据进行判断,比较数据 是否还需要调整;如不需要电机停止,进入中断程序,并存储当前数据;进入定时延时,等 待下一次检测。
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CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zuo Xiaowu

Inventor after: Jiang Jiguang

Inventor after: Wang Honglai

Inventor after: Wang Yexing

Inventor after: Huang Cheng

Inventor after: Sun Lingjie

Inventor after: Wang Chunlei

Inventor after: Xu Weiming

Inventor after: Zhang Zhanbo

Inventor after: Wang Qingwei

Inventor after: Zhang Wei

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Inventor before: Wang Honglai

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Inventor before: Sun Lingjie

Inventor before: Wang Chunlei

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