CN103472856A - 一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统 - Google Patents

一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，依次电连接的CPU控制电路、伺服驱动电路和测光系统，测光系统安装在太阳能光板上，测光系统输出X轴脉冲信号、Y轴脉冲信号和Z轴脉冲信号至CPU控制电路，CPU控制电路通过第一脉冲信号、第一工作状态控制信号和第一方向控制信号控制伺服驱动电路中的第一电机的运转；CPU控制电路通过第二脉冲信号、第二工作状态控制信号和第二方向控制信号控制伺服驱动电路中的第二电机的运转；第一电机和第二电机带动太阳能光板的旋转，CPU控制电路通过Z轴脉冲信号初始化第一脉冲信号、第一方向控制信号、第二脉冲信号和第二方向控制信号。该系统降低了使用成本，提高了工作效率。

Description

一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统
技术领域
本发明涉及太阳光自动跟踪系统领域，特别涉及一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统。
背景技术
太阳能跟踪系统是光热和光伏发电过程中，最优化太阳光使用，达到提高光电转换效率的机械及电控单元系统。
在太阳能光伏应用方面：保持太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，采用太阳能跟踪系统能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。
由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳能跟踪系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，都要靠计算该固定地点每一时刻的太阳位置以实现跟踪。
现有的太阳能跟踪系统都是依靠GPS定位实现的，通过GPS定位计算太阳每天的水平角和仰角，得到经纬度实现跟踪。但通过GPS定位需要较高的成本，且需要实时的进行跟踪，浪费了资源。
发明内容
本发明提供了一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，该太阳光自动跟踪系统降低了使用成本，提高了工作效率，详见下文描述：
一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，包括：依次电连接的CPU控制电路、伺服驱动电路和测光系统，其中，所述测光系统安装在太阳能光板上，还包括电源电路，所述电源电路输出5V电源给所述CPU控制电路和所述伺服驱动电路供电；所述电源电路输出所述9V电源给所述测光系统供电；
所述测光系统输出X轴脉冲信号、Y轴脉冲信号和Z轴脉冲信号至所述CPU控制电路，所述CPU控制电路接收X轴脉冲信号和Y轴脉冲信号后输出第一脉冲信号、第一工作状态控制信号、第一方向控制信号、第二脉冲信号、第二工作状态控制信号和第二方向控制信号，所述CPU控制电路通过所述第一脉冲信号、所述第一工作状态控制信号和所述第一方向控制信号控制所述伺服驱动电路中的第一电机的运转；所述CPU控制电路通过所述第二脉冲信号、所述第二工作状态控制信号和所述第二方向控制信号控制所述伺服驱动电路中的第二电机的运转；所述第一电机和所述第二电机带动所述太阳能光板的旋转；所述CPU控制电路通过所述Z轴脉冲信号初始化所述第一脉冲信号、所述第一方向控制信号、所述第二脉冲信号和所述第二方向控制信号。
所述测光系统包括：X轴测光电路、Y轴测光电路和Z轴测光电路，X轴和Y轴测光电路分别由电压产生电路和电压频率转换电路组成。
所述电压产生电路包括：阳极接地的9V稳压管，所述9V稳压管的阴极分别接光敏分压电阻、第一分压电阻和9V电源，所述光敏分压电阻接光敏器件；所述第一分压电阻接第一光度调节电阻，所述第一光度调节电阻连接第二分压电阻，所述第二分压电阻同时连接第二电阻和运算放大器的第一输入引脚的反相输入端；所述光敏分压电阻连接第一电阻，所述第一电阻分别连接运算放大器的第一输入引脚的同相输入端和第三电阻，所述第三电阻接地；运算放大器的第二输入引脚的同相输入端接第一电压反馈采样电阻，运算放大器的第二输入引脚的反相输入端接第四电阻和第五电阻，运算放大器的第一输出引脚接第二光度调节电阻，所述第二光度调节电阻接所述第四电阻，所述第五电阻接第二电压反馈采样电阻，所述第二电压反馈采样电阻接地；运算放大器的第二输出引脚输出二次放大的电压信号至所述电压频率转换电路。
所述电压频率转换电路包括：第六电阻，所述第六电阻接所述二次放大的电压信号，所述第六电阻分别接第一电容和转换器的阈值引脚，转换器的电流输出引脚接第一电容，转换器的输出基准电流引脚接第七电阻和可变电阻组成的支路；转换器的比较输入引脚接第七电阻，转换器的定时电路引脚分别接第八电阻和第二电容，所述第八电阻和转换器的电源端接9V电源；转换器的频率输出引脚接第九电阻、第十电阻和第十一电阻组成的偏置电路，第十一电阻接三级管的基极，三极管的集电极输出所述X轴脉冲信号。
所述Z轴测光电路包括：光敏器件，所述光敏器件接9V电源，所述光敏器件通过第十二电阻接地，所述光敏器件输出所述Z轴脉冲信号。
所述伺服驱动电路包括：X轴控制电路和Y轴控制电路，所述X轴控制电路包括：第一电机控制器，所述第一电机控制器的输入端分别接所述第一脉冲信号、所述5V电源、所述第一工作状态控制信号和所述第一方向控制信号，控制所述第一电机内线圈的运转。
所述Y轴控制电路包括：第二电机控制器，所述第二电机控制器的输入端分别接所述第二脉冲信号、所述5V电源、所述第二工作状态控制信号和所述第二方向控制信号，控制所述第二电机内线圈的运转。
本发明提供的技术方案的有益效果是：该三维太阳光自动跟踪系统实现了自动的跟踪，避免了GPS等成本较贵的器件，且本设计不需要实时的进行跟踪，在太阳下山后，还可以自动停止跟踪，电机将带动的太阳能板回归到初始位置。采用间歇式跟踪可以不让驱动部分一直工作，这样可以节省很多因驱动而带来的不必要的电能损耗，据测试这样可以提升光伏能电池板的总的发电量达到10%。并且设备成本仅为GPS的30%。
附图说明
图1为三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统的结构示意图；
图2为电源电路的电路原理图；
图3为电压产生电路的电路原理图；
图4为电压频率转换电路的电路原理图；
图5为Z轴测光电路的电路原理图；
图6为CPU控制电路的电路原理图；
图7为伺服驱动电路的电路原理图。
附图中，各部件的标号如下所示：
1：CPU控制电路；                  2：伺服驱动电路；
3：测光系统；                     4：电源电路；
CP：第一脉冲信号；                FREE：第一工作状态控制信号；
DIR：第一方向控制信号；           CP1：第二脉冲信号；
FREE1：第二工作状态控制信号；     DIR1：第二方向控制信号；
SUN：光伏电池板；                 R32：分压电阻；
C9：第一滤波电容；                Q3、D1：9V稳压管；
D3：反向截止二极管；              BATTERY：蓄电池；
Q4：5V稳压管；                    C12：第二滤波电容；
R1：光敏分压电阻；                R3：第一分压电阻；
L1、L3：光敏器件；                RW1：第一光度调节电阻；
R4：第二分压电阻；                R2：第一电阻；
LM358：运算放大器；               R5：第二电阻；
R7：第三电阻；                    R10：第一电压反馈采样电阻；
R8：第四电阻；                    R9：第五电阻；
R11：第二电压反馈采样电阻；       R12：第六电阻；
C1：第一电容；                    LM331：转换器；
THD：阈值引脚；                   C/OUT：电流输出引脚；
R/C：基准电流引脚；               R13：第七电阻；
RW3：可变电阻；                   C/IN：比较输入引脚；
R-C：定时电路引脚；               R14：第八电阻；
F/OUT：频率输出引脚；             R32：第九电阻；
R33：第十电阻；                   R34：第十一电阻；
Q1：三级管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了降低使用成本，提高工作效率，本发明实施例提供了一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，参见图1，详见下文描述：
该太阳光自动跟踪系统包括：依次电连接的CPU控制电路1、伺服驱动电路2和测光系统3，其中，测光系统3安装在太阳能光板（太阳能光板为本领域技术人员所公知，图中未示出，且测光系统3的安装方式为本领域技术人员所公知，本实施例对此不做限制）上，还包括电源电路4，电源电路4输出5V电源给CPU控制电路1和伺服驱动电路2供电；电源电路4输出9V电源给测光系统3供电；
测光系统3输出X轴脉冲信号、Y轴脉冲信号和Z轴脉冲信号至CPU控制电路1，CPU控制电路1接收X轴脉冲信号和Y轴脉冲信号后输出第一脉冲信号CP、第一工作状态控制信号FREE、第一方向控制信号DIR、第二脉冲信号CP1、第二工作状态控制信号FREE1和第二方向控制信号DIR1，CPU控制电路1通过第一脉冲信号CP、第一工作状态控制信号FREE和第一方向控制信号DIR控制伺服驱动电路2中的第一电机的运转；CPU控制电路1通过第二脉冲信号CP1、第二工作状态控制信号FREE1和第二方向控制信号DIR1控制伺服驱动电路2中的第二电机的运转；第一电机和第二电机带动太阳能光板的旋转，进而调整太阳光自动跟踪系统的移动，在无太阳光时，CPU通过Z轴脉冲信号初始化第一脉冲信号CP、第一方向控制信号DIR、第二脉冲信号CP1和第二方向控制信号DIR1。
CPU接收到X轴脉冲信号、Y轴脉冲信号后依据频率高者优先的原理，例如：采集的频率数据两次进行比对，如果后面采集的频率高于前者频率，在X轴先西（水平角）步进0.1度，在Y轴上向上（仰角）0.1度；当后采集的频率低于前者频率，在X轴上向东步进0.1度，在Y轴上向上（仰角）0.1度，每次调整30秒，每20分钟调整一次，以保证光伏电池板基本上与太阳光线垂直。
其中，参见图2，电源电路4包括：光伏电池板SUN，光伏电池板SUN的一端分别连接分压电阻R32和第一滤波电容C9的正极性端，光伏电池板SUN的另一端、第一滤波电容C9的负极性端接地GND；分压电阻R32接9V稳压管Q3的输入端，9V稳压管Q3的输出端输出9V电源VCC，9V稳压管Q3的接地端接地GND；9V电源VCC连接反向截止二极管D3的阳极，反向截止二极管D3的阴极分别接蓄电池BATTERY的正极和5V稳压管Q4的输入端，蓄电池BATTERY的负极接地；5V稳压管Q4的输出端输出5V电源VCC，5V稳压管Q4的接地端接地GND；5V电源VCC接第二滤波电容C12的正极性端，第二滤波电容C12的负极性端接地GND。
其中，参见图3、图4和图5，测光系统3包括：X轴测光电路、Y轴测光电路和Z轴测光电路，X轴和Y轴测光电路由电压产生电路和电压频率转换电路组成。
参见图3，电压产生电路包括：阳极接地的9V稳压管D1，9V稳压管D1的阴极分别接光敏分压电阻R1、第一分压电阻R3和9V电源VCC，光敏分压电阻R1接光敏器件L1；第一分压电阻R3接第一光度调节电阻RW1，第一光度调节电阻RW1连接第二分压电阻R4，第二分压电阻R4同时连接第二电阻R5和运算放大器LM358的第一输入引脚的反相输入端；光敏分压电阻R1连接第一电阻R2，第一电阻R2分别连接运算放大器LM358的第一输入引脚的同相输入端和第三电阻R7，第三电阻R7接地；运算放大器LM358的第二输入引脚的同相输入端接第一电压反馈采样电阻R10，运算放大器LM358的第二输入引脚的反相输入端接第四电阻R8和第五电阻R9，运算放大器LM358的第一输出引脚接第二光度调节电阻RW2，第二光度调节电阻RW2接第四电阻R8，第五电阻R9接第二电压反馈采样电阻R11，第二电压反馈采样电阻R11接地；运算放大器LM358的第二输出引脚输出二次放大的电压信号至电压频率转换电路。
具体实现时，光敏器件L1感应太阳光强，用于将光强度转变成电压值，可以为光敏三极管、光敏二极管或光敏电阻等器件，本实施例对此不做限制。
其中，LM358将光敏元件L1感应到的电压信号进行两次放大，其中第一电阻R2、第三电阻R7完成光电信号采集输入LM358的3脚，LM358的2脚是基准信号输入端，1脚为LM358第一次运放输出端，经过第一次放大的电压信号再经过第二光度调节电阻RW2、第四电阻R8输入到LM358第6脚进行二次放大，5脚为基准电压比较端，通过第一电压反馈采样电阻R10接地，通过R10、R11可以使输出的电压稳定性好，经过二次放大的电压信号经过7脚输出到电压频率转换电路。
参见图4，电压频率转换电路包括：第六电阻R12，第六电阻R12接二次放大的电压信号，第六电阻R12分别接第一电容C1和转换器LM331的阈值引脚THD，转换器LM331的电流输出引脚C/OUT接第一电容C1，转换器LM331的输出基准电流引脚R/C接第七电阻R13和可变电阻RW3组成的支路；转换器LM331的比较输入引脚C/IN接第七电阻R13，转换器LM331的定时电路引脚R-C分别接第八电阻R14和第二电容C2，第八电阻R14和转换器LM331的电源端接9C电源VCC；转换器LM331的频率输出引脚F/OUT接第九电阻R32、第十电阻R33和第十一电阻R34组成的偏置电路，第十一电阻R34接三级管Q1的基极，三极管Q1的集电极输出X轴脉冲信号。
其中，Y轴测光电路的整个电路和X轴的电路一致，最终从电压频率转换电路中的三极管Q1的集电极输出Y轴脉冲信号。
参见图5，Z轴测光电路包括：光敏器件L3，光敏器件L3接9V电源，光敏器件L3通过第十二电阻R30接地，光敏器件L3输出Z轴脉冲信号。
参见图6，CPU控制电路1包括：89C2051系列单片机U5，单片机U5的电源端接电源电路4输出的5V电源和电源滤波器C6，单片机U5的P1.6引脚接测光系统3输出的X轴脉冲信号，P1.5引脚接Y轴脉冲信号，P1.4引脚接Z轴脉冲信号；复位引脚RST接由第三滤波电容C5和电阻R31组成的复位电路，第一晶振引脚XTAL1和第二晶振引脚XTAL2接由晶振X1、第一电容C7和第二电容C8组成的晶振电路；P3.2引脚输出第一工作状态控制信号FREE，P3.3引脚输出第一方向控制信号DIR，P3.4引脚输出第一脉冲信号CP，该些信号输出至X轴控制电路的输入信号端；P1.0引脚输出第二工作状态控制信号FREE1、P3.7引脚输出第二方向控制信号DIR1，P3.5引脚输出第二脉冲信号CP1，该些信号输出至Y轴控制电路的输入信号端；接地引脚GNA接地，电源引脚VCC接5V电压源，其他引脚悬空。
参见图7，伺服驱动电路2包括X轴控制电路和Y轴控制电路，X轴控制电路包括：第一电机控制器21，第一电机控制器21的输入端分别接第一脉冲信号CP、5V电源、第一工作状态控制信号FREE和第一方向控制信号DIR，控制第一电机内线圈的运转。Y轴控制电路包括：第二电机控制器22，第二电机控制器22的输入端分别接第二脉冲信号CP1、5V电源、第二工作状态控制信号FREE1和第二方向控制信号DIR1，控制第二电机内线圈的运转。
本实施例中所有的器件除了特殊说明外，均可以采用功能相同的其他型号的器件，具体实现时，本实施例对此不做限制。
综上所述，通过上述的三维太阳光自动跟踪系统实现了自动的跟踪，避免了GPS等成本较贵的器件，且本设计不需要实时的进行跟踪，在太阳下山后，还可以自动停止跟踪，将电机带动的太阳能板回归到初始位置。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，其特征在于，包括：依次电连接的CPU控制电路、伺服驱动电路和测光系统，其中，所述测光系统安装在太阳能光板上，还包括电源电路，所述电源电路输出5V电源给所述CPU控制电路和所述伺服驱动电路供电；所述电源电路输出所述9V电源给所述测光系统供电；
所述测光系统输出X轴脉冲信号、Y轴脉冲信号和Z轴脉冲信号至所述CPU控制电路，所述CPU控制电路接收X轴脉冲信号和Y轴脉冲信号后输出第一脉冲信号、第一工作状态控制信号、第一方向控制信号、第二脉冲信号、第二工作状态控制信号和第二方向控制信号，所述CPU控制电路通过所述第一脉冲信号、所述第一工作状态控制信号和所述第一方向控制信号控制所述伺服驱动电路中的第一电机的运转；所述CPU控制电路通过所述第二脉冲信号、所述第二工作状态控制信号和所述第二方向控制信号控制所述伺服驱动电路中的第二电机的运转；所述第一电机和所述第二电机带动所述太阳能光板的旋转；所述CPU控制电路通过所述Z轴脉冲信号初始化所述第一脉冲信号、所述第一方向控制信号、所述第二脉冲信号和所述第二方向控制信号。
2.根据权利要求1所述的一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，其特征在于，所述测光系统包括：X轴测光电路、Y轴测光电路和Z轴测光电路，X轴和Y轴测光电路分别由电压产生电路和电压频率转换电路组成。
3.根据权利要求2所述的一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，其特征在于，所述电压产生电路包括：阳极接地的9V稳压管，所述9V稳压管的阴极分别接光敏分压电阻、第一分压电阻和9V电源，所述光敏分压电阻接光敏器件；所述第一分压电阻接第一光度调节电阻，所述第一光度调节电阻连接第二分压电阻，所述第二分压电阻同时连接第二电阻和运算放大器的第一输入引脚的反相输入端；所述光敏分压电阻连接第一电阻，所述第一电阻分别连接运算放大器的第一输入引脚的同相输入端和第三电阻，所述第三电阻接地；运算放大器的第二输入引脚的同相输入端接第一电压反馈采样电阻，运算放大器的第二输入引脚的反相输入端接第四电阻和第五电阻，运算放大器的第一输出引脚接第二光度调节电阻，所述第二光度调节电阻接所述第四电阻，所述第五电阻接第二电压反馈采样电阻，所述第二电压反馈采样电阻接地；运算放大器的第二输出引脚输出二次放大的电压信号至所述电压频率转换电路。
4.根据权利要求2所述的一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，其特征在于，所述电压频率转换电路包括：第六电阻，所述第六电阻接所述二次放大的电压信号，所述第六电阻分别接第一电容和转换器的阈值引脚，转换器的电流输出引脚接第一电容，转换器的输出基准电流引脚接第七电阻和可变电阻组成的支路；转换器的比较输入引脚接第七电阻，转换器的定时电路引脚分别接第八电阻和第二电容，所述第八电阻和转换器的电源端接9V电源；转换器的频率输出引脚接第九电阻、第十电阻和第十一电阻组成的偏置电路，第十一电阻接三级管的基极，三极管的集电极输出所述X轴脉冲信号。
5.根据权利要求2所述的一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，其特征在于，所述Z轴测光电路包括：光敏器件，所述光敏器件接9V电源，所述光敏器件通过第十二电阻接地，所述光敏器件输出所述Z轴脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的一种三维光伏能电池太阳光自动跟踪系统，其特征在于，所述伺服驱动电路包括：X轴控制电路和Y轴控制电路，
所述X轴控制电路包括：第一电机控制器，所述第一电机控制器的输入端分别接所述第一脉冲信号、所述5V电源、所述第一工作状态控制信号和所述第一方向控制信号，控制所述第一电机内线圈的运转。
所述Y轴控制电路包括：第二电机控制器，所述第二电机控制器的输入端分别接所述第二脉冲信号、所述5V电源、所述第二工作状态控制信号和所述第二方向控制信号，控制所述第二电机内线圈的运转。
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