CN102929294A

CN102929294A - 基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源

Info

Publication number: CN102929294A
Application number: CN2012104360539A
Authority: CN
Inventors: 陈兴文; 马博文; 马浩东; 刘燕
Original assignee: Dalian Nationalities University
Current assignee: Dalian Minzu University
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源，旨在提供一种可以自动追踪太阳的位置，提高了太阳能板的利用效率，与固定光伏系统比较,提高发电量40%左右，大大增加了总的发电量，而且将太阳能发电和风力发电相结合用于道路照明系统。其技术方案的要点包括支撑架12、转向机构、倾斜机构、太阳能板组件、位置采集模块和数据处理模块19、安装平台24、风力发电机组和风向标28。

Description

基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源

技术领域

本发明涉及一种基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源。

背景技术

现代社会，能源紧缺及环境污染是人类面临的最严峻的问题。而绿色能源的开发和利用，不仅可以缓解能源紧缺问题，而且可以保护环境。太阳能和风能储量丰富，易于采集，是非常好的绿色能源。太阳能总量相当于现在人类所利用能源的一万多倍，如果能合理地利用这些能量，其产生的经济价值是非常可观的。将太阳能发电和风力发电相结合应用于城市道路照明，产生的经济效益将十分巨大，对于保护环境也具有重大的意义。但是由于太阳能的能量密度低，而且它还因地而异、因时而变。实验证明当太阳光垂直照射太阳能板时，效率最高，产生的电能最多。但是现在用于采集太阳能的太阳能板都是固定不变的，随着每天从早到晚的时间推移，太阳在不断地偏转，而且其高度位置也在变化；按照四季的变化，太阳的高度位置也是不同的，所以现有的固定太阳能板采集光照的效率较低。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种基于太阳能板智能追光的风光互补路灯。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源，支撑架12、转向机构、倾斜机构、太阳能板组件、位置采集模块和数据处理模块19、安装平台24、风力发电机组和风向标28；

转向机构安装在支撑架12上，转向机构是由一体式带有减速器的驱动电机11、蜗轮3、蜗杆2、安装架1、推力轴承18和套筒4组成，安装架1安装固定在支撑架12上，一体式带有减速器的驱动电机11与蜗杆2同轴联接，蜗杆2通过两个轴承分别安装在两个管件14A和14B内，两个管件14A和14B安装固定在安装架1上，蜗轮3安装固定在套筒4上，套筒4通过轴承13安装在支撑架12的竖杆上，套筒4相对于支撑架12的竖杆可自由转动，蜗轮3和安装架之间安装有推力轴承18，蜗杆2与蜗轮3相啮合；

太阳能板组件包括支撑杆8、架体9和太阳能板10，太阳能板10安装固定在架体9上，架体9安装固定在支撑杆8上；

倾斜机构是由一体式带有减速器的驱动电机16、蜗轮7、蜗杆6和套筒5组成，一体式带有减速器的驱动电机16与蜗杆6同轴联接，蜗杆6通过两个轴承15分别安装在两个管件17A和17B内，两个管件17A和17B安装固定在套筒4上，套筒5安装固定在套筒4上，支撑杆8通过轴承安装在套筒5内且可相对套筒5自由转动，蜗轮7安装固定在支撑杆8上，蜗轮7与蜗杆6相啮合；

位置采集模块和数据处理模块19均安装在架体8上；

安装平台24通过一个推力轴承32和两个滚动轴承安装在支撑架12的顶端，风力发电机组和风向标28安装在安装平台上。

所述的风力发电机组包括：风叶20、叶片安装盘21、主轴22、轴承、大齿轮25、小齿轮26和发电机27，叶片安装盘21安装固定在主轴22前端，风叶20安装固定在叶片安装盘21上，主轴22通过两个轴承安装在安装平台24上，大齿轮25安装固定在主轴22的末端，发电机27安装在安装平台上，其轴端安装小齿轮26，大齿轮25和小齿轮26相啮合。

推力轴承32主要保证风力发电机组能够按照风向绕支撑架旋转，滚动轴承的作用也是使风力发电机组能够按照风向绕支撑架旋转。当风叶旋转时，带动主轴22转动，从而使末端安装大齿轮25一起转动，大齿轮25带动小齿轮26旋转使发电机工作。

位置采集模块用于检测太阳的方位角度以及相对地面的高度，并将检测到的数据传送到数据控制处理模块，数据控制处理模块进行数据处理，判断太阳能板位置是否与太阳光照射方向成90度角的相对位置关系，然后将动作指令数据分别传递到转向机构和倾斜机构，实现太阳能板的位置与光照方向始终成垂直关系。

由于太阳能发电在夜间不能工作，对于风力而言，一般情况是白天风力较小，晚上风力则较大，故在夜间风力发电效率较高，可以作为路灯电源的一个补充和加强。

由于采用上述技术方案，本发明提供的基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源，与现有技术相比，其有益效果是：不仅可自动追踪太阳旋转时的位置变化，也可根据白天不同时间段或四季时间不同，太阳相对地面高度不同，可以实时协调太阳高度，使太阳能板始终能够正对太阳，并与太阳光照射成相对90度。通过检测太阳照射位置是否与太阳能板垂直的数据信号，传递到中央控制处理器，中央控制处理器经过处理判断，发出调整太阳能板位置的信号，信号最终由电动机执行，电动机根据指令转动相应的角度，最终达到最优的角度位置。这样提高了太阳能板的利用效率，增加了总的发电量。与固定光伏系统比较,提高发电量大于40%，而且将太阳能发电和风力发电相结合用于道路照明系统。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图；

图2是转向机构和倾斜机构示意图;

图3 是转向机构和倾斜机构安装示意图；

图4 是转向机构和倾斜机构放大示意图

图5 是蜗轮蜗杆传动机构结构示意图；

图6 是太阳能板安装示意图；

图7是风力发电机组示意图；

图8是风力发电机组分解示意图；

图9是本发明实施例单片机控制电路图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，是基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源装置的系统结构图，包括支撑架、转向机构、倾斜机构、太阳能板组件、位置采集模块和数据处理模块；

如图1所示，一种基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源，支撑架12、转向机构、倾斜机构、太阳能板组件、位置采集模块和数据处理模块19、安装平台24、风力发电机组和风向标28；

转向机构和倾斜机构为电机、减速机和蜗轮蜗杆传动机构，其作用是为太阳能板旋转和调整角度时提供动力，完成空间内的两个旋转自由度。

为调整太阳能板跟随太阳自东向西偏转的蜗轮蜗杆。蜗轮绕着垂直于地面的竖直杆旋转。如图2所示，转向机构安装在支撑架上，转向机构是由一体式带有减速器的驱动电机、蜗轮、蜗杆、安装架、推力轴承18和套筒组成，安装架1安装固定在支撑架12上，一体式带有减速器的驱动电机11与蜗杆2同轴联接，蜗杆2通过两个滚动轴承分别安装在两个管件14A和14B内，两个管件14A和14B安装固定在安装架1上，蜗轮3安装固定在套筒4上，套筒4内安装有滚动轴承13，滚动轴承内圈安装固定在支撑架12的竖杆上，使套筒4相对于支撑架12的竖杆能够自由转动，蜗轮3和安装架之间安装有推力轴承18，蜗杆2与蜗轮3相啮合；因此，当蜗杆2转动时，带动焊接在套筒上的蜗轮3转动，使得整个太阳能板支架转动。

涡轮3的参数是：模数为2；内孔：40mm；外直径：68mm 厚度：20mm；

蜗杆2的参数是：模数为2，总长：240mm；齿的外径：28mm；轴的直径：21mm；齿的长度：30mm。

一体式带有减速器的驱动电机功率小，耗能低，当一体式带有减速器的驱动电机在接受中央控制处理器传递的命令时，一体式带有减速器的驱动电机动作，将动力传递到减速机，减速机将扭矩增大，然后通过蜗轮蜗杆传动机构驱动整个太阳能板支架作出相应的转动。

蜗轮蜗杆传动机构的特性之一是具有自锁性，当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，其反向自锁性可起安全保护作用。

如图6所示，太阳能板组件包括支撑杆、架体和太阳能板，太阳能板安装固定在架体上，架体安装固定在支撑杆上；

如图3—图5所示，倾斜机构是由一体式带有减速器的驱动电机16、蜗轮7、蜗杆6和套筒5组成，一体式带有减速器的驱动电机16与蜗杆6同轴联接，蜗杆6通过两个滚动轴承15分别安装在两个管件17A和17B内，两个管件17A和17B安装固定在套筒4上，套筒5安装固定在套筒4上，套筒5内安装有滚动轴承，滚动轴承内圈安装固定在支撑杆8上，使支撑杆6可相对套筒5自由转动，蜗轮7安装固定在支撑杆8上，蜗轮7与蜗杆6相啮合；当蜗杆旋转时，可带动焊接在太阳能板支架横杆上的蜗轮，最终使得太阳能板能够调整与地面的夹角。

涡轮7的参数是：模数为2；内孔：25mm；外直径：55mm 厚度：20mm；

蜗杆6的参数是：模数为2，总长：200mm；齿的外径：28mm；轴的直径：21mm；齿的长度：36mm。

如图1所示，位置采集模块和数据处理模块19均安装在架体8上。检测装置必须露在外边，可检测到光照。

位置采集模块是由四个光敏传感器和信号指示灯组成，光敏传感器按东、西、南、北四个方向分布排列。光敏传感器选用GL5616光敏电阻，这是因为它属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，功耗低，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，完全可以用来应用于监测太阳光辐射角度。太阳处于不同的方位和不同的位置高度时，由对应的光敏传感器接收太阳光。光敏传感器主要的作用是识别光源位置，将光信号转化为相应的电信号。

如图7所示，数据控制处理模块采用单片机控制电路，它主要对光敏传感器的检测数据进行处理和判断，是整个太阳能板智能跟踪系统的控制中心。当单片机控制电路接收到检测数据后，进行判断，当太阳的位置偏转时，它将发出控制命令，太阳能板自动跟踪太阳光照，调整太阳能板与地面之间的角度，使太阳能板始终正对着太阳，这样可以提高太阳能板接受太阳光照的效率，使得太阳能板产生更多的电能。

当太阳位置高度采集模块中的光敏传感器检测到太阳的方位角度以及相对地面的高度时，将数据传送到中央控制处理器，中央处理器进行数据处理，判断太阳能板位置是否与太阳光照射方向成90度垂直的相对位置关系，然后将判断后的数据传递到旋转机构和倾斜机构的驱动电机，以此控制两个驱动电机的动作，驱动电机输出的动力通过减速器将扭矩放大，然后再将扭矩传递给蜗轮蜗杆机械传动机构，蜗轮蜗杆转动相应的角度，最终实现太阳能板的位置与光照方向始终成相对垂直。

当位置采集模块中的光敏传感器检测到太阳的方位角度以及相对地面的高度时，将数据传送到中央控制处理器，中央处理器进行数据处理，判断太阳能板位置是否与太阳光照射方向成90度垂直的相对位置关系，然后将判断后的数据传递到电动机，以此控制电动机动作，电机输出的动力通过减速器将扭矩放大，然后再将扭矩传递给蜗轮蜗杆机械传动机构，蜗轮蜗杆转动相应的角度，最终实现太阳能板的位置与光照方向始终成相对垂直。

安装平台24通过一个推力轴承32和两个滚动轴承安装在支撑架12的顶端，风力发电机组和风向标28安装在安装平台上；

风力发电机采用50W直流发电机，为了实现风力发电机能够在微风等天气条件下也能较容易的起动，为此设计了增速齿轮组，以提高发电机的转速。大齿轮：100齿，孔径12.2MM；小齿轮：16齿，孔径6MM；厚度均为10MM。变速比为6倍。这样大大提高了风力发电机的效率，使得其能够发挥最大的作用。

Claims

1.一种基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源，支撑架（12）、转向机构、倾斜机构、太阳能板组件、位置采集模块和数据处理模块（19）、安装平台（24）、风力发电机组和风向标（28），其特征在于：

转向机构安装在支撑架（12）上，转向机构是由一体式带有减速器的驱动电机（11）、蜗轮（3）、蜗杆（2）、安装架（1）、推力轴承（18）和套筒（4）组成，安装架（1）安装固定在支撑架（12）上，一体式带有减速器的驱动电机（11）与蜗杆（2）同轴联接，蜗杆（2）通过两个轴承分别安装在两个管件（14A）和（14B）内，两个管件（14A）和（14B）安装固定在安装架（1）上，蜗轮（3）安装固定在套筒（4）上，套筒（4）通过轴承（13）安装在支撑架（12）的竖杆上，套筒（4）相对于支撑架（12）的竖杆可自由转动，蜗轮（3）和安装架之间安装有推力轴承（18），蜗杆（2）与蜗轮（3）相啮合；

太阳能板组件包括支撑杆（8）、架体（9）和太阳能板（10），太阳能板（10）安装固定在架体（9）上，架体（9）安装固定在支撑杆（8）上；

倾斜机构是由一体式带有减速器的驱动电机（16）、蜗轮（7）、蜗杆（6）和套筒（5）组成，一体式带有减速器的驱动电机（16）与蜗杆（6）同轴联接，蜗杆（6）通过两个轴承（15）分别安装在两个管件（17A）和（17B）内，两个管件（17A）和（17B）安装固定在套筒（4）上，套筒（5）安装固定在套筒（4）上，支撑杆（8）通过轴承安装在套筒（5）内且可相对套筒（5）自由转动，蜗轮（7）安装固定在支撑杆（8）上，蜗轮（7）与蜗杆（6）相啮合；

位置采集模块和数据处理模块（19）均安装在架体（8）上；

安装平台（24）通过一个推力轴承（32）和两个滚动轴承安装在支撑架（12）的顶端，风力发电机组和风向标（28）安装在安装平台上。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能板智能追光的风光互补路灯供电电源，其特征在于：所述的风力发电机组包括：风叶（20）、叶片安装盘（21）、主轴（22）、轴承、大齿轮（25）、小齿轮（26）和发电机（27），叶片安装盘（21）安装固定在主轴（22）前端，风叶（20）安装固定在叶片安装盘（21）上，主轴（22）通过两个轴承安装在安装平台（24）上，大齿轮（25）安装固定在主轴（22）的末端，发电机（27）安装在安装平台上，其轴端安装小齿轮（26），大齿轮（25）和小齿轮（26）相啮合。