CN103455048B - 一种太阳跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明的一种太阳跟踪装置主要包括主跟踪装置和节点跟踪装置，其中，主跟踪装置包括单片机、太阳方位传感模块、Zigbee模块、传动模块和云台；所述单片机用于对Zigbee模块收发的信号和太阳方位传感模块信号做运算处理并输出；所述太阳方位传感模块、Zigbee模块和传动模块分别与单片机相连接。实现了阵列式应用场景各节点之间无线数据传输，达到了一个太阳方位探测传感模块控制众多节点单元跟踪太阳的目的。简化了设备的复杂程度，便于监控和维护。由于Zigbee的低功耗可以节约电力消耗，非常适合于太阳能行业。装置具有明显的成本及组装优势，并且降低了系统复杂度，便于后期维修检测。

Description

一种太阳跟踪装置

技术领域

本发明涉及新能源及节能减排技术领域，具体涉及一种太阳跟踪装置。

背景技术

当今社会化石燃料的日益枯竭，仅存的化石能源在生产和使用过程中也正对环境造成严重的污染，使得新能源技术越来越被各国重视。太阳能作为一种取之不竭，用之不尽的清洁能源成为全球新能源研究领域的研究热点。

但是太阳光光功率在单位面积上分布低，并且太阳光有随时间变化位置的特点，给目前较为成熟的太阳能利用技术比如光伏发电以及光纤太阳光照明等装置对太阳能的高效利用提出了挑战。为了解决此类问题，各种太阳光跟踪技术被不断提出，这种技术可以有效的提高太阳光利用率。据相关统计，采用太阳光跟踪装置的光伏发电设备产生的电能比没有用太阳光跟踪装置的设备可以多30%以上。现有的跟踪装置有的是通过传感器实时感应太阳位置，然后通过复杂的反馈系统对装置进行调整；有的通过GPS模块计算出装置经纬度然后根据不同时间计算出太阳位置。但是，在需要应用太阳跟踪装置的场合一般具有阵列式分布的特点，比如说微型太阳能电站的太阳能电池板阵列。如果采用上述的任一跟踪装置，都会导致大量跟踪系统的使用，不仅成本很高和跟踪系统能源消耗大等问题，复杂的系统也更容易出现故障。

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。Zigbee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。Zigbee网络中设备的可分为协调器、汇聚节点、传感器节点等三种角色。众多的Zigbee节点可以互相连成网络，相互收发数据，众多的节点可以增加信号覆盖的范围，单个Zigbee可以传播几百米，但是众多的Zigbee网络则可以将数据传递到几公里外。基于以上优点Zigbee非常适合于工业用途。

发明内容

本发明为了解决现有的太阳跟踪系统的不足，提出了一种主要应用于大量阵列式太阳跟踪系统的太阳跟踪装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种太阳跟踪装置，其特征在于，包括主跟踪装置和节点跟踪装置，其中，

主跟踪装置包括单片机、太阳方位传感模块、Zigbee模块、传动模块和云台；所述单片机用于对Zigbee模块收发的信号和太阳方位传感模块信号做运算处理并输出；所述太阳方位传感模块、Zigbee模块和传动模块分别与单片机相连接；太阳方位传感模块用于获取太阳方位信息，Zigbee模块用于与节点跟踪装置通信，传动模块根据单片机的控制对云台方位进行调整；

节点跟踪装置包括单片机、Zigbee模块、传动模块和云台；所述单片机用于对Zigbee模块收发的信号做运算处理并输出；所述Zigbee模块和传动模块分别与单片机相连接；Zigbee模块用于与主跟踪装置通信，获取主跟踪装置中太阳方位传感模块获取的太阳方位信息，传动模块根据单片机的控制对云台方位进行调整。

优选的，传动模块为蜗轮蜗杆电机。所述蜗轮蜗杆电机具有自锁结构。

进一步的，所述太阳跟踪装置包括1个主跟踪装置。

进一步的，所述太阳跟踪装置包括至少2个节点跟踪装置。

本发明的有益效果：本发明的太阳跟踪装置通过引入Zigbee模块，实现阵列式应用场景各节点之间无线数据传输，达到了一个太阳方位探测传感模块控制众多节点单元跟踪太阳的目的。而且由于Zigbee组网的方便快捷，随时可以加入其它终端进行跟踪。简化了设备的复杂程度，便于监控和维护。由于Zigbee的低功耗可以节约电力消耗，非常适合于太阳能行业。装置具有明显的成本及组装优势，并且降低了系统复杂度，便于后期维修检测。

附图说明

图1为本发明的主跟踪装置系统结构框图；

图2为本发明的节点跟踪装置系统结构框图；

图3为一种太阳方位传感模块原理图；

图4为图3所示传感模块仰视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

为了便于理解，以下结合与本发明方案原理相同的一种太阳跟踪装置对本发明的原理作详细描述。

如图1所示，本实施例的一种太阳跟踪装置包括主跟踪装置和节点跟踪装置，其中主跟踪装置包括单片机、太阳方位传感模块、Zigbee模块、传动模块和云台。这里的单片机主要用于对Zigbee模块收发的信号和太阳方位传感模块信号做运算处理并输出。该运算处理过程为属于本领域的普通技术人员的公知常识，属于现有技术，非本发明及其实施例的创新点所在。这里采用单片机编程控制也是处于成本考虑，比如太阳方位传感模块的信号处理就可以通过一些现有的模块或硬件电路实现，但是采用单片机即可节约使用硬件电路的成本。太阳方位传感模块、Zigbee模块和传动模块分别与单片机相连接；太阳方位传感模块用于获取太阳方位信息，Zigbee模块用于与节点跟踪装置通信，传动模块根据单片机的控制对云台方位进行调整。具体的，太阳方位传感模块获得太阳方位信息发送到单片机，单片机一方面向传动模块发送控制信息，控制传动模块转动（机械运转模块）调整云台方位，同时通过串口向Zigbee模块发送控制信息，发送的控制信息与向机械运转模块发送的控制信号相同。Zigbee收发模块将接收到的太阳方位信息通过电磁波向四周传输，接受范围内的Zigbee节点可以接受到信号。

如图3及图4所示，太阳方位传感模块包括长方体箱体3和至少4个方位探测光敏传感器1，该长方体箱体3包括2个正方形底面和4个长方形侧面，所述4个长方形侧面与正方形底面之一的4条公共边中部分别设置有方位探测光敏传感器1，所述方位探测光敏传感器1的光敏面露出长方体箱体侧面一定距离D，D的值根据预设探测精度确定，长方体箱体靠近方位探测光敏传感器的正方形底面固定于云台上。需要注意，在本段描述的太阳方位传感模块的具体结构中，长方体箱体的作用在于当箱体的正方形地面没有正对太阳时（在装置精度范围内正对），其中一个或两个侧面上的方位探测光敏传感器将会被遮挡，其探测到的太阳光强降低。通过比较各个侧面上的方位探测光敏传感器，可以得到太阳方位与长方体箱体的相对方位，进而可输出控制信号做出方位调整。上述D值的确定方法是：tanθ=2D/L，其中θ为跟踪精度，L为长方体箱体两个正方形底面之间的距离。不难看出，可以通过调节D和L的大小来控制跟踪精度，如果要跟踪精度高则可以把正方形盒子的4个面设计的长一些，即通过增大L来解决，也可以将光敏管露出的距离缩小，即通过缩小D来降低θ。

为了减小太阳光反射以及对方位探测光敏传感器探测太阳光强度的精度的影响，所述长方体箱体表面为黑色。太阳方位传感模块还包括与方位探测光敏传感器数量相同的采样电阻，所述采用电阻分别与方位探测光敏传感器串联，用于将方位探测光敏传感器探测光强对应的电流信号转换为电压信号输送至单片机。

由于上述的太阳方位传感模块的控制条件只是对方位探测传感器的探测强度进行比较，通过二者差值判断方向，所以还无法识别阴天或者夜间等设备无需工作的情况，如果在阴天或者夜间工作，将导致能量额外损耗。为了解决光线不足的情况下系统额外耗费电能的缺陷，所述跟踪装置还包括光强探测组件，所述光强探测组件包括光强探测光敏传感器2、电压比较器和开关单元，所述光强探测光敏传感器安装于长方体箱体远离方位探测光敏传感器的正方形底面中央，所述光强探测光敏传感器与电压比较器的输入端相连接，电压比较器的另一输入端输入阈值电压，所述开关单元包括控制端和开关端，所述开关端串联于太阳方位传感模块的电源输入回路中，所述电压比较器的输出端与开关单元的控制端相连接，用于控制太阳方位传感模块的电源通断。所述光强探测光敏传感器与一采样电阻串联，所述采样电阻的输出端连接于电压比较器的输入端。优选方案为光强探测组件包括可调电压组件，所述可调电压组件输出端电压可调，并作为阈值电压输出至电压比较器。

节点跟踪装置包括单片机、Zigbee模块、传动模块和云台。其中单片机用于对Zigbee模块收发的信号做运算处理并输出；该运算处理过程也属于本领域的普通技术人员的公知常识，是现有技术，非本发明及其实施例的创新点所在。所述Zigbee模块和传动模块分别与单片机相连接；Zigbee模块用于与主跟踪装置通信，获取主跟踪装置中太阳方位传感模块获取的太阳方位信息，传动模块根据单片机的控制对云台方位进行调整。

Zigbee节点（节点跟踪装置的Zigbee模块）接受到主跟踪装置的Zigbee模块发出的控制信息，并传递给单片机控制模块，单片机模块控制机械运转模块转动。这样就可以实现节点跟踪装置的运转同主跟踪装置的同步运转，且节点跟踪装置之间互不影响，一个节点装置的出现故障不会影响到主跟踪装置和其他节点跟踪装置。主Zigbee模块和节点Zigbee模块的连接方式可以采用星形拓扑，树状拓扑或者网状拓扑。采用星形拓扑主Zigbee模块采用广播模式向四周广播信息，各个节点Zigbee模块接受信息，但是节点模块之间不能互相通信；当采用树状拓扑或者网状拓扑时，主Zigbee模块可以和节点Zigbee模块通信，节点Zigbee模块和节点Zigbee模块也可以通信。当需要加入新的节点跟踪模块时，只需给节点跟踪模块上电，Zigbee收发模块就会自动加入网络，与主Zigbee模块或者其他节点Zigbee收发模块通信。

作为上述实施例的优选方案，传动模块为蜗轮蜗杆电机，蜗轮蜗杆电机具有自锁结构。所述太阳跟踪装置优选为1个主跟踪装置和/或至少2个节点跟踪装置。单片机还实现了以下功能：当进入夜晚无太阳方位信息产生时，主Zigbee模块会自动进入睡眠模式，关闭无线信号的发送，其他节点Zigbee模块也进入睡眠模式，节约电力。

目前太阳能的利用需要采用大量的跟踪设备，但是每个跟踪设备功能相同，造成了成本的升高和电力的浪费。通过采用本发明及其实施例的任意方案均可实现阵列式应用场景各节点之间无线数据传输，达到一个太阳方位探测传感模块控制众多节点单元跟踪太阳的目的。而且由于Zigbee组网的方便快捷，随时可以加入其它终端进行跟踪。简化了设备的复杂程度，便于监控和维护。由于Zigbee的低功耗可以节约电力消耗，非常适合于太阳能行业。装置具有明显的成本及组装优势，并且降低了系统复杂度，便于后期维修检测。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权力要求书的保护范围来限定。

Claims (8)

1.一种太阳跟踪装置，其特征在于，包括主跟踪装置和节点跟踪装置，其中，

主跟踪装置包括单片机、太阳方位传感模块、Zigbee模块、传动模块和云台；所述单片机用于对Zigbee模块收发的信号和太阳方位传感模块信号做运算处理并输出；所述太阳方位传感模块、Zigbee模块和传动模块分别与单片机相连接；太阳方位传感模块用于获取太阳方位信息，Zigbee模块用于与节点跟踪装置通信，传动模块根据单片机的控制对云台方位进行调整；

节点跟踪装置包括单片机、Zigbee模块、传动模块和云台；所述单片机用于对Zigbee模块收发的信号做运算处理并输出；所述Zigbee模块和传动模块分别与单片机相连接；Zigbee模块用于与主跟踪装置通信，获取主跟踪装置中太阳方位传感模块获取的太阳方位信息，传动模块根据单片机的控制对云台方位进行调整；

所述太阳方位传感模块包括长方体箱体和至少4个方位探测光敏传感器，该长方体箱体包括2个正方形底面和4个长方形侧面，所述4个长方形侧面与正方形底面之一的4条公共边中部分别设置有方位探测光敏传感器，所述方位探测光敏传感器的光敏面露出长方体箱体侧面一定距离D，D的值根据预设探测精度确定，长方体箱体靠近方位探测光敏传感器的正方形底面固定于云台上。

2.根据权利要求1所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于，所述传动模块为蜗轮蜗杆电机，所述蜗轮蜗杆电机具有自锁结构。

3.根据权利要求1所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于，所述太阳跟踪装置包括1个主跟踪装置。

4.根据权利要求1-3之任一权利要求所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于，所述太阳跟踪装置包括至少2个节点跟踪装置。

5.根据权利要求1所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于，所述D值的确定方法是：tanθ＝2D/L，其中θ为跟踪精度，L为长方体箱体两个正方形底面之间的距离。

6.根据权利要求1或5所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于，所述长方体箱体表面为黑色。

7.根据权利要求1或5所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于，所述太阳跟踪装置还包括光强探测组件，所述光强探测组件包括光强探测光敏传感器、电压比较器和开关单元，所述光强探测光敏传感器安装于长方体箱体远离方位探测光敏传感器的正方形底面中央，所述光强探测光敏传感器与电压比较器的一个输入端相连接，电压比较器的另一输入端输入阈值电压，所述开关单元包括控制端和开关端，所述开关端串联于太阳方位传感模块的电源输入回路中，所述电压比较器的输出端与开关单元的控制端相连接，用于控制太阳方位传感模块的电源通断。

8.根据权利要求6所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于，所述太阳跟踪装置还包括光强探测组件，所述光强探测组件包括光强探测光敏传感器、电压比较器和开关单元，所述光强探测光敏传感器安装于长方体箱体远离方位探测光敏传感器的正方形底面中央，所述光强探测光敏传感器与电压比较器的一个输入端相连接，电压比较器的另一输入端输入阈值电压，所述开关单元包括控制端和开关端，所述开关端串联于太阳方位传感模块的电源输入回路中，所述电压比较器的输出端与开关单元的控制端相连接，用于控制太阳方位传感模块的电源通断。