CN102968129A - 太阳能采光板的太阳角度跟踪方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能采光板的太阳角度跟踪方法及其系统，按以下步骤进行：（1）将多块采光板构成阵列；（2）在阵列中任意选定一块采光板作为主板，其余的作为从板，将太阳角度检测器安装在主板上；（3）利用液压泵驱动液压油缸顶杆来控制主板的仰角和方位角；（4）利用主板角度传感器把主板的仰角和方位角转化为两个不同频率的电压信号，并分时送到每个从板的控制电路；（5）每块从板的控制电路根据分时送到的两个不同频率的电压信号进行整流，通过液压泵驱动液压油缸顶杆来调整从板的姿态以保持与主板有相同的仰角和方位角。本发明结构简单、成本低、耗能低且跟踪效果好，有利于大大提高太阳能的利用率，节能环保。

Description

太阳能采光板的太阳角度跟踪方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能采光板的太阳角度跟踪方法及其系统。

背景技术

随着煤炭、石油、天然气、铀等常规能源供给的即将枯竭和环保压力的增加，能源供给转向利用太阳能电池，它是一种能把光能直接转化为电能的清洁能源。尽管太阳照射到地球的能量非常巨大，但是具体到某一时刻某一小面积内，太阳能量不高并且不稳定，这就限制了太阳能电池这种清洁能源的应用。因此，进一步提高太阳能电池效率，达到广泛应用的目的就显得非常有意义。很直观简便的方法就是设计一种高效的太阳能电池跟踪系统以便跟踪太阳变化角度，并且它的运行及维护成本都较低，但是现有的太阳能电池跟踪系统存在不够实用和结构复杂等不足。

太阳能电池采光面自动跟踪可以有效提高太阳能电池输出功率，但目前的自动跟踪技术不是太成熟，特别是后期维护成本比较大。因此，有一些为了降低安装成本而直接水平安装或安装在房顶上、外墙上，大部分太阳能电池阵列采光面采用固定仰角方式，不多的一部分会采用单轴自动跟踪方式，只有很小一部分太阳能电池阵列采光面才采取双轴自动跟踪方式。对于双轴自动跟踪系统，目前市面上主要采用3种自动跟踪技术：立轴转动式跟踪器、齿圈转动式跟踪器和陀螺仪式跟踪器，它们都是采用双电机驱动，当采光面的姿态固定时，电机需要保持力矩，电机同样还处于耗能状态。另外，由于电机及机械部分需要维护和防沙防尘以及电机磨损等问题，因此很多太阳能电池采光面板都采用固定架方式安装，没有进行太阳角度跟踪。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题作出改进，即本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、成本低、耗能低且跟踪效果理想的太阳能采光板的太阳角度跟踪方法及其系统。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案一是：一种太阳能采光板的太阳角度跟踪系统，包括多块阵列布置的采光板，所述采光板的仰角和方位角分别由各自的液压泵驱动液压油缸顶杆控制，所述采光板中的任意一块选定为主板，其余采光板为从板，所述主板上安装有一个太阳角度检测器；还包括控制液压泵工作的单片机和将主板的仰角、方位角转化为两个不同频率电压信号的主板角度传感器，所述主板角度传感器通过单片机将两个不同频率电压信号分时送到每块从板的控制模块上，每块从板的控制模块利用相应的从板角度传感器得到的信号与主板传过来的电压信号进行比较，并通过相应的液压泵驱动液压油缸顶杆来调整其姿态以保持与主板有相同的仰角和方位角。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案二是：一种太阳能采光面板的太阳角度跟踪方法，按以下步骤进行：（1）将多块采光板构成阵列，在第一次安装时调整好每块采光板的姿态；（2）在阵列中任意选定一块采光板作为主板，其余的作为从板，将太阳角度检测器安装在主板上；（3）利用液压泵驱动液压油缸顶杆来控制主板的仰角和方位角；（4）利用主板角度传感器通过单片机电路把主板的仰角和方位角转化为两个不同频率的电压信号，并分时送到每个从板的控制电路；（5）每块从板的控制电路根据分时送到的两个不同频率的仰角电压信号和方位角电压信号进行整流，并利用各个从板角度传感器得到的信号与主板传来的电压信号相比较，通过液压泵驱动液压油缸顶杆来调整从板的姿态以保持与主板有相同的仰角和方位角。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该太阳能采光板的太阳角度跟踪系统结构简单，制作、安装、运行和维护等成本均较低，耗能少；该太阳能采光板的太阳角度跟踪方法可以有效地跟踪太阳角度的变化，大大提高太阳能的利用率，有利于太阳能这种清洁能源的推广应用，节能环保。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例的连接示意图。

图2为采光板三点支撑的位置示意图。

图3为太阳角度检测器的立体图一。

图4为太阳角度检测器的立体图二。

图5为太阳角度检测器的半剖视图。

图6为太阳角度检测器的安装示意图。

图7为本发明实施例的电路框图。

图8为本发明实施例的软件流程图。

图中：1-采光板，1-1-主板，1-2-从板，2-太阳角度检测器，3-单片机，4-角度传感器，5-液压泵，6-液压油缸，7-储油罐，8-配重，9-防护套，10-风速传感器，11-支杆，12-控制模块，13-底座，13-1-球面缺口，14-球缺形凹槽，15-盖板，15-1-透光小孔，16-透光片，17-光电检测传感器，A-第一支撑点，B-第二支撑点，C-第三支撑点。

具体实施方式

如图1~2所示，一种太阳能采光板的太阳角度跟踪系统，包括多块阵列布置的采光板1，所述采光板1的仰角和方位角分别由各自的液压泵5驱动液压油缸6顶杆控制，所述采光板1中的任意一块选定为主板1-1，其余采光板1为从板1-2，所述主板1-1上安装有一个用于检测太阳光线照射的太阳角度检测器2，所述太阳角度检测器2可以是四象限传感器、五象限传感器或通光筒等，所述太阳角度检测器2也可以是只检测有没有光线照射的光电检测传感器，所述太阳角度检测器2的感光元件可以用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或硅光电池等；还包括控制液压泵5工作的单片机3和将主板1-1的仰角、方位角转化为两个不同频率电压信号的主板角度传感器4，所述主板角度传感器4通过单片机3将两个不同频率电压信号分时送到每块从板1-2的控制模块12上，每块从板1-2的控制模块12利用相应的从板角度传感器4得到的信号与主板1-1传来的电压信号比较，并通过相应的液压泵5驱动液压油缸6顶杆来调整其姿态以保持与主板1-1有相同的仰角和方位角。

如图1~2所示，一种太阳能采光面板的太阳角度跟踪方法，按以下步骤进行：（1）将多块采光板构成阵列，在第一次安装时调整好每块采光板的姿态；（2）在阵列中任意选定一块采光板作为主板，其余的作为从板，将太阳角度检测器安装在主板上；（3）利用液压泵驱动液压油缸顶杆来控制主板的仰角和方位角；（4）利用主板角度传感器通过单片机电路把主板的仰角和方位角转化为两个不同频率的电压信号，并分时送到每个从板的控制电路；（5）每块从板的控制电路根据分时送到的两个不同频率的仰角电压信号和方位角电压信号进行整流，并利用各个从板角度传感器得到的信号与主板传来的电压信号相比较，通过液压泵驱动液压油缸顶杆来调整从板的姿态以保持与主板有相同的仰角和方位角。

在本实施例中，在单片机3电路设计时，可以设计有延时及窗口比较功能，防止采光板1受到外界干扰时产生颤抖。当太阳偏移至太阳角度检测器2感应不到光线照射时，单片机3控制主板1-1的液压泵5驱动液压油缸6顶杆，通过调整主板1-1的仰角和方位角跟随太阳角度变化来保持主板1-1上的太阳角度检测器2能够接收到光线照射，主板角度传感器4将主板1-1的仰角、方位角转化为两个不同频率电压信号并分时送到每块从板1-2的控制模块12上，每块从板1-2的控制模块12根据分时送到的仰角电压信号和方位角电压信号进行整流，进而控制液压泵5驱动液压油缸6顶杆以调整从板1-2的姿态，使得从板1-2保持与主板1-1有相同的仰角和方位角。

在本实施例中，所述采光板1的底边与地面相平行，所述采光板1采取三点支撑，其中第一支撑点A位于采光板1的中心位置，第二支撑点B和第一支撑点A之间的连线与采光板1的底边平行，第三支撑点C和第一支撑点A之间的连线与采光板1的底边相垂直，三个支撑点构成直角等腰三角形，所述第一支撑点A由支杆11支撑，所述第二支撑点B和第三支撑点C分别由相应的液压油缸6顶杆支撑，各支撑点的支撑连接结构均为万向节结构。所述第一支撑点A的高度固定，但是第二支撑点B和第三支撑点C可以通过液压泵5调整液压油缸6顶杆高度；当第三支撑点C高度不变，改变第二支撑点B高度可以调整采光板1的方位角；同样当第二支撑点B高度不变，改变第三支撑点C的高度可以调整采光板1的仰角。

在本实施例中，所述采光板1在第二支撑点B和第三支撑点C的附近均设置有使得油液自动压回储油罐7内的配重8，使得每天晚上打开位于液压油缸6到储油罐7的油路上的电磁阀后，采光板1上的配重8就可以把泵油自动压回到储油罐7，这个回流的储油罐7可以是很多块采光板1共用，采光板1自动回复到早晨太阳升起正对的位置。

当然，泵油的回流方式并不局限于此，还可以是单片机3配置有定时打开回流电磁阀以将泵油自动压回到储油罐7的时钟芯片，例如在夜里12点左右打开回流电磁阀，将所有泵油自动压回到储油罐7，全部自动回复到早晨太阳升起正对的位置。简单估算一下，单片机3每天有不大于2秒的误差，对于单片机3来说这是很容易达到的，这样30年它的累积误差也只是6小时，也就是说最早是在晚上18点，最晚是在早上6点，太阳能电池采光板1自动复位。因此，该太阳角度跟踪系统的太阳能电池采光板1阵列可以30年不用人工进行调整。

如图3~5所示，所述太阳角度检测器包括两个对称间隔设置的底座13，两个底座13相接近的一端均具有一个球面缺口13-1，两个球面缺口13-1之间形成一个近球面的球缺形凹槽14，所述球缺形凹槽14的表面镀有反射光线的反射层（图中未绘示），两个底座13的上方设置有盖板15，所示盖板15表面、球缺形凹槽14周边以及两个底座13之间的间隔内均黏贴有吸收光线的吸光材料层（图中未绘示），所述盖板15中间开设有一个直径小于两个底座13之间间隔的透光小孔15-1，所述透光小孔15-1的下沿中心为近球面的球心，所述透光小孔15-1内安装有能使光线透过且防止杂物进入的透光片16，所述盖板15的下侧面在透光小孔15-1的两侧对称设置有光电检测传感器17，每个光电检测传感器17与透光小孔15-1中心之间的距离为两个底座13之间的间隔间距的两倍，两个光电检测传感器17的连线投影与两个底座13之间的间隔相垂直。

在本实施例中，所述两个光电检测传感器17为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管以及硅光电池中的任意一种的两个或任意两种的组合。所述底座13可以是由金属、塑料等材料制成，所述金属可以是纯金属或合金，例如不锈钢，所述塑料可以是ABS、PC或PET等，当然底座13的材质还可以是陶瓷或木质等。所述透光片16为透明的玻璃片，但不局限于此，还可以是由其它透明材质制作的片材，例如透明的树脂片或塑料片。

在本实施例中，如果将两个底座13之间的间隔去掉，那么两个球面缺口13-1就构成完整的球缺形凹槽14，所述球缺形凹槽14的球心为盖板15中间的透光小孔15-1下沿；因为两个底座13之间有一个很小的间隔，并且这个间隔的尺寸与球缺形凹槽14的球心半径相比小很多，因此可以把球缺形凹槽14看成近球面。

在本实施例中，将垂直于两个底座13之间间隔的方向定为X方向，将平行于两个底座13之间间隔的方向定为Y方向，将盖板15到两个底座13之间间隔的方向定为Z正方向，将坐标原点定在透光小孔15-1的中心。

当YZ平面照过来的光线透过透光小孔15-1后将照射在两个底座13之间的间隔内，光线被吸光材料吸收不产生反射。而从X正方向斜照过来的光线透过小孔3-1后将入射到X负方向，经过球缺形凹槽14表面反射层的反射到达盖板15上靠近X负方向一侧的光电检测传感器17上。因为球缺形凹槽14表面反射层的反射，只要入射的光线是X正方向斜照过来，它反射后都会射在盖板15上靠近X负方向一侧的光电检测传感器17上，与Y的数值无关。同样，从X负方向斜照过来的光线透过小孔3-1后将入射到X正方向，经过球缺形凹槽14表面反射层的反射到达盖板15上靠近X正方向一侧的光电检测传感器17上。也就是说，用这种近球面的太阳角度检测器能容易检测出太阳是否垂直入射或是偏向哪一侧，只要不是YZ平面照过来的光线，经过反射后都会照在面积很小的两个光电检测传感器17中的一个上面。因此，它只检测有没有光线照在光电检测传感器17上面，不必进行相对值比较，它是数字量而不是模拟量的运算，因此控制电路非常简单，抗干扰能力也非常高，并且结构尺寸也可以做的很小。

实际上，采用被动式检测对于太阳角度偏差大小并不要求，只要知道太阳与采光面的角度偏差和方向，就可以逐步跟踪调整太阳能电池采光板的姿态，因此在采光装置的采光面上安装近球面的太阳角度检测器就可以达到较好的效果。如图6所示，所述采光板1的采光面上安装有一对相互垂直的上述的太阳角度检测器，其中一个太阳角度检测器位于另一个太阳角度检测器的边上。该采光装置可以进行采光面双轴控制，根据太阳角度检测器检测到太阳光线偏差就可以控制太阳能电池采光板的姿态。

在本实施例中，所述液压油缸6顶杆外安装有可伸缩的防护套9，所述防护套9随着液压油缸6顶杆的伸缩而伸缩，可以防止液压油缸6顶杆受到风沙雨水的侵蚀。所述主板1-1上还安装有一个风速传感器10，所述风速传感器10将风速信号送到单片机3，所述单片机3通过电磁阀控制采光板1的复位定位销。当风速足够大时（例如风速超过蒲氏风级8级，也就是说每秒风速超过19米），这时单片机3控制电磁阀抽起采光板1的复位定位销，送出采光板1水平位置信号，同时打开液压泵5让使得全部阵列采光板1快速调整到水平位置，不被风给刮坏。

在本实施例中，所述液压泵5为微型液压泵，由于微型液压泵采用单向供油结构，油路内有滚珠顶球，当微型液压泵压油时，在锥形漏斗内的滚珠顶球升起，油液压进液压油缸6，顶杆升起，当微型液压泵在回程或不工作时，滚珠顶球靠自身的重力落回锥形漏斗底部，加上油缸油压，滚珠顶球就堵住锥形漏斗底部的孔，因此当采光板1的姿态固定时，微型液压泵的油不会回流，也就不耗能。由于微型液压泵活塞的面积比液压油缸6活塞的面积小了很多，因此只要用很小的电机就可以带动微型液压泵工作，就能产生很大的力量来调整面积很大、重量很重的太阳能电池采光板1的姿态。

在本实施例中，该太阳能采光面板的太阳角度跟踪系统需要用到单片机进行每天的回位以及在风速太大时能自动放平，其电路框图如图7所示，其软件流程图如图8所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种太阳能采光板的太阳角度跟踪系统，包括多块阵列布置的采光板，其特征在于：所述采光板的仰角和方位角分别由各自的液压泵驱动液压油缸顶杆控制，所述采光板中的任意一块选定为主板，其余采光板为从板，所述主板上安装有一个太阳角度检测器；还包括控制液压泵工作的单片机和将主板的仰角、方位角转化为两个不同频率的电压信号的主板角度传感器，所述主板角度传感器通过单片机将两个不同频率的电压信号分时送到每块从板的控制模块上，每块从板的控制模块利用相应的从板角度传感器得到的信号与主板传过来的电压信号进行比较，并通过相应的液压泵驱动液压油缸顶杆来调整其姿态以保持与主板有相同的仰角和方位角。

2.根据权利要求1所述的太阳能采光板的太阳角度跟踪系统，其特征在于：所述采光板的底边与地面相平行，所述采光板采取三点支撑，其中第一支撑点位于采光板的中心位置，第二支撑点和第一支撑点之间的连线与采光板的底边平行，第三支撑点和第一支撑点之间的连线与采光板的底边相垂直，三个支撑点构成直角等腰三角形，所述第一支撑点由支杆支撑，所述第二支撑点和第三支撑点分别由相应的液压油缸顶杆支撑，各支撑点的支撑连接结构均为万向节结构。

3.根据权利要求2所述的太阳能采光板的太阳角度跟踪系统，其特征在于：所述采光板在第二支撑点和第三支撑点的附近均设置有使得泵油自动压回储油罐内的配重；所述单片机配置有定时打开回流电磁阀以将泵油自动压回到储油罐的时钟芯片。

4.根据权利要求1或2所述的太阳能采光板的太阳角度跟踪系统，其特征在于：所述太阳角度检测器包括两个对称间隔设置的底座，两个底座相接近的一端均具有一个球面缺口，两个球面缺口之间形成一个近球面的球缺形凹槽，所述球缺形凹槽的表面设置有反射层，两个底座的上方设置有盖板，所示盖板表面、球缺形凹槽周边以及两个底座之间的间隔内均设置有吸光材料层，所述盖板中间开设有一个直径小于两个底座之间间隔的透光小孔，所述透光小孔的下沿中心为近球面的球心，所述透光小孔内安装有能使光线透过且防止杂物进入的透光片，所述盖板的下侧面在透光小孔的两侧对称设置有光电检测传感器，每个光电检测传感器与透光小孔中心之间的距离为两个底座之间的间隔间距的两倍，两个光电检测传感器的连线投影与两个底座之间的间隔相垂直。

5.根据权利要求1所述的太阳能采光板的太阳角度跟踪系统，其特征在于：所述主板上还安装有一个风速传感器，所述风速传感器将风速信号送到单片机，所述单片机通过电磁阀控制采光板的复位定位销。

6.一种太阳能采光面板的太阳角度跟踪方法，其特征在于，按以下步骤进行：

（1）将多块采光板构成阵列，在第一次安装时调整好每块采光板的姿态；

（2）在阵列中任意选定一块采光板作为主板，其余的作为从板，将太阳角度检测器安装在主板上；

（3）利用液压泵驱动液压油缸顶杆来控制主板的仰角和方位角；

（4）利用主板角度传感器通过单片机电路把主板的仰角和方位角转化为两个不同频率的电压信号，并分时送到每个从板的控制电路；

（5）每块从板的控制电路根据分时送到的两个不同频率的仰角电压信号和方位角电压信号进行整流，并利用各个从板角度传感器得到的信号与主板传来的电压信号相比较，通过液压泵驱动液压油缸顶杆来调整从板的姿态以保持与主板有相同的仰角和方位角。

7.根据权利要求6所述的太阳能采光板的太阳角度跟踪方法，其特征在于：步骤（1）的采光板底边与地面相平行，所述采光板采取三点支撑，其中第一支撑点位于采光板的中心位置，第二支撑点和第一支撑点之间的连线与采光板的底边平行，第三支撑点和第一支撑点之间的连线与采光板的底边相垂直，三个支撑点构成直角等腰三角形，所述第一支撑点由支杆支撑，所述第二支撑点和第三支撑点分别由相应的液压油缸顶杆支撑，各支撑点的支撑连接结构均为万向节结构。

8.根据权利要求7所述的太阳能采光板的太阳角度跟踪方法，其特征在于：所述采光板在第二支撑点和第三支撑点的附近均设置有使得泵油自动压回储油罐内的配重；所述单片机配置有定时打开回流电磁阀以将泵油自动压回到储油罐的时钟芯片。

9.根据权利要求6或7所述的太阳能采光板的太阳角度跟踪方法，其特征在于：所述太阳角度检测器包括两个对称间隔设置的底座，两个底座相接近的一端均具有一个球面缺口，两个球面缺口之间形成一个近球面的球缺形凹槽，所述球缺形凹槽的表面设置有反射层，两个底座的上方设置有盖板，所示盖板表面、球缺形凹槽周边以及两个底座之间的间隔内均设置有吸光材料层，所述盖板中间开设有一个直径小于两个底座之间间隔的透光小孔，所述透光小孔的下沿中心为近球面的球心，所述透光小孔内安装有能使光线透过且防止杂物进入的透光片，所述盖板的下侧面在透光小孔的两侧对称设置有光电检测传感器，每个光电检测传感器与透光小孔中心之间的距离为两个底座之间的间隔间距的两倍，两个光电检测传感器的连线投影与两个底座之间的间隔相垂直。

10.根据权利要求6所述的太阳能采光板的太阳角度跟踪方法，其特征在于：所述主板上还安装有一个风速传感器，所述风速传感器将风速信号送到单片机，所述单片机通过电磁阀控制采光板的复位定位销。

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