CN104850142A - 一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置 - Google Patents

Abstract

一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，包括太阳能电池板收缩运动机构，太阳能电池板俯仰角度转动机构，长杆转动机构和圆盘圆周转动机构，由此四个机构的合成运动来实现太阳能电池板的收缩运动、俯仰角度转动、由长杆带动在YOZ平面内的转动、由圆盘圆周旋转带动在XOY平面内的转动这四个运动叠加形成的复合运动，以保证装置内太阳能电池板不仅能够在运动上追随太阳的运动轨迹，而且能够时刻调节太阳能电池板的俯仰角度，使其与太阳光线保持近似垂直角度，提高光能利用率。该装置是一种节省空间，省时省力，具有推广价值，能实现对太阳轨迹较精确的追踪，可抵抗恶劣环境、适应不同路况的一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置。

Description

一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置

技术领域

本发明涉及一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，该装置可以通过太阳能电池板收缩运动机构，太阳能电池板俯仰角度转动机构，长杆转动机构和圆盘圆周转动机构实现太阳能电池板整体的多方位复合运动。

背景技术

清洁能源的使用已成为公众所关注的热点话题，尤其是在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。而现阶段已有的利用太阳能电池板发电的装置，只是将电池板以单一固定的方位放置，而太阳能具有最佳转化效率的时刻是太阳光线与太阳能电池板保持垂直角度，因此，现有的太阳能电池板利用太阳能并不具有高效性。不仅浪费材料也浪费了土地资源。为了解决这一主要问题，我们便设计了一种多方位运动可追踪太阳轨迹的太阳能转化装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，此装置可以实现太阳能电池板的收缩运动、俯仰角度转动、由长杆带动在YOZ平面内的转动、由圆盘圆周旋转带动在XOY平面内的转动这四个运动叠加形成的复合运动，以保证我们的太阳能电池板不仅能够在运动上追随太阳的运动轨迹，而且能够时刻调节太阳能电池板的俯仰角度，使其与太阳光线保持近似垂直角度，提高光能利用率。

本发明的目的是这样实现的：一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，它包括太阳能电池板收缩运动机构、太阳能电池板俯仰角度转动机构、长杆转动机构、圆盘圆周转动机构和控制机构，控制机构检测光照强度并将值传给单片机，通过单片机比较控制步进电机实现太阳能电池板收缩运动机构、太阳能电池板俯仰角度转动机构、长杆转动机构和圆盘圆周转动机构，从而实现太阳光的追踪。

上述的太阳能电池板收缩运动机构包括四块圆心角为90°的扇形太阳能电池板，一号光敏元件、二号光敏元件、三号光敏元件、四号光敏元件，第一上凸台、第二上凸台、第三上凸台、第四上凸台、第一下凸台、第二下凸台，支撑杆、第一长杆、涡轮涡杆、梯形套筒、一号电动机、方形支撑板和第六通孔，四个光敏元件分别位于四块电池板外边界中心点处，第一下凸台位于2号电池板下底面右边界最外端，第二上凸台、第一上凸台分别位于3号电池板上表面左右边界最外端，第二下凸台位于3号电池板下底面与第一上凸台上下对称，第四上凸台、第三上凸台分别位于4号电池板上表面左右边界最外端，电池板叠放在第一长杆上段部分，第一长杆下底面固定在方形支撑板上，梯形套筒套在第一长杆上，且其大径底面接触方形支撑板，涡轮涡杆啮合，涡轮中心孔径大小与梯形套筒小径大小相同，且套在梯形套筒小径圆柱面上，涡轮端面有第六通孔，支撑杆的底面直径与通孔直径大小相同，其下端固定在第六通孔内，支撑杆下底面与涡轮端面平齐，上底面胶接在4号电池板下底面上，一号电动机带动涡轮涡杆运动。

上述的太阳能电池板俯仰角度转动机构包括一号凸台、一号销钉、第二长杆、短杆、一号小齿轮、二号小齿轮、二号电动机、圆柱体、一号圆孔、矩形支撑板、连接杆、圆饼、第一通孔和圆形支撑板，方形支撑板下底面中心点固定有一号凸台，第二长杆两端为扁平状并分别有一通孔，一号凸台中间有凹槽，第二长杆上端插入凹槽内，通过一号销钉的连接与一号凸台固定在一起，矩形支撑板中间有矩形支撑板中心孔，孔径大小与第二长杆截面直径大小相同，矩形支撑板通过矩形支撑板中心孔与第二长杆之间的配合，固定在第二长杆上段部分处，矩形支撑板两端对称设有一号圆孔，圆柱体穿过一号圆孔将上表面粘连在方形支撑板下底面上，圆柱体下底面中心处设有U型件，且此U型件的截面为圆形，连接杆上下端分别有第四通孔、第五通孔，第四通孔穿过U型件与其活动连接，短杆穿过第二长杆上第一通孔对称放置，圆饼中间有圆饼中心孔，上表面设有销钉孔，通过圆饼中心孔与短杆的配合使圆饼固定在短杆上，且其外表面与短杆端面对齐，两圆饼中心对称，销钉孔与第五通孔通过四号销钉连接，一号小齿轮通过其齿轮中心孔与短杆配合固定在短杆上，一号小齿轮与二号小齿轮啮合，二号电动机为二号小齿轮传动，圆形支撑板通过圆形支撑板中心孔与第二长杆的配合，固定在第二长杆上，二号电动机底面贴合在圆形支撑板上表面。

上述的长杆转动机构包括7个齿轮、U型架、星型架、套筒、三号电动机、第一齿条、第二齿条、一号连接轴、二号连接轴、第一长形套筒、支撑板、圆盘、刻度盘和二号凸台，二号凸台与一号凸台结构大小一样，与第二长杆下通孔通过三号销钉连接在一起，星型架上分支顶面固定有U型架，U型架两侧面都有第二通孔，第二长杆下端部分有第三通孔，第二通孔、第三通孔与二号销钉配合将U型架与第二长杆连接在一起，星型架下端两个分支底端固定有套筒，套筒套在二号连接轴上，二号连接轴两端连接有1号、3号齿轮，1号、3号齿轮分别与第一齿条、第二齿条啮合，第一齿条与第二齿条相互平行且贴合固定在圆盘上，三号电动机固定在支撑板中心位置，支撑板左右两边分别连接有第一长形套筒，第一长形套筒分别套在二号连接轴和一号连接轴上，6号齿轮固定在三号电动机传动轴上，5号和7号齿轮分别固定在二号连接轴和一号连接轴上，且5号、6号、7号齿轮相互啮合并端面对齐。

上述的圆盘圆周转动机构包括滚珠、半圆凹槽、刻度盘、粗支撑圆柱、二号圆孔、细支撑圆柱、三号小齿轮、螺杆、中间齿轮、小圆盘、圆柱桶、圆柱环、小圆孔、滚动轴承、第二长形套筒、第一半圆滑块、第二半圆滑块、斜杆、五号电动机、四号小齿轮、第三齿条、竖直轨道、水平轨道、螺栓、支撑台和方形底座，方形底座中心点处有圆柱环，圆柱环圆柱面上有四条竖直轨道，且每条轨道相隔90°弧长，第一半圆滑块放置在竖直轨道内，圆柱桶无上下底面，且可套在圆柱环上，由四个半圆滑块支撑，圆柱桶上面放置有小圆盘，小圆盘中心处有小圆孔且下底面连接有第二长形套筒，小圆孔大小略大于粗支撑圆柱底面大小，第二长形套筒下端固定有滚动轴承，粗支撑圆柱穿过小圆孔，下端与滚动轴承配合连接，中间齿轮放置在小圆盘上表面上，且粗支撑圆柱穿过中间齿轮中心孔与其固定在一起，粗支撑圆柱穿过刻度盘上的二号圆孔，其上底面与圆盘下表面中心处贴合固定，四号电动机带动螺杆运动，从而带动三号小齿轮旋转，三号小齿轮与中间齿轮啮合，由此可带动中间齿轮和粗支撑圆柱的转动，细支撑圆柱上底面与刻度盘贴合固定，刻度盘四个方位上分别有四个半圆凹槽，半圆凹槽里放置有滚珠，滚珠与圆盘点接触，方形底座的四个角上都设有螺栓孔，与其配合的有螺栓，螺栓下底面连接有支撑台。

上述第一长杆为梯形圆柱杆，且上段部分杆直径较小，四块圆心角为90°的扇形太阳能电池板中心位置为圆柱套筒状，套筒中心孔径等于第一长杆上段杆直径，套筒外径等于第一长杆下段杆直径。

上述的长杆转动机构的7个齿轮中1号、2号、3号、4号齿轮为相同类型，5号、6号、7号齿轮为相同类型，且5号、6号、7号齿轮直径大于1号、2号、3号、4号齿轮。

上述在所述的圆盘圆周转动机构中有4个三号小齿轮分别位于小圆盘的四个方位上，且都与中间齿轮啮合，每个三号小齿轮中心孔套有小套筒，4个小套筒分别套在固定在小圆盘四个方位的细支撑圆柱上，四号小齿轮与第三齿条啮合运动，第三齿条位于水平轨道中且顶端与第二半圆滑块左表面贴合，第二半圆滑块与第一半圆滑块为相同结构，第二半圆滑块放置在水平轨道中，第一半圆滑块放置在竖直轨道中，斜杆两端通过销钉分别与第二半圆滑块、第一半圆滑块连接在一起，五号电动机带动四号小齿轮运动。

上述的控制机构包括信号采集模块，信号采集模块采集到光信号后，产生为微弱电流，使整个电路导通，电阻R1分压，再通过运算放大器输入的电压信号放大10倍，放大十倍后送至单片机，利用内部多通道多次采样A/D转换后处理数据。

上述的控制机构包括电路电机驱动电路，该电路采用恒压桥式驱动芯片L298N，L298N芯片可以驱动一个步进四相电机，使电机转动一定的角度，且改变软件延时时间可以改变步进电机每次转动的角度。

上述的电路电机驱动电路包括光耦，光耦起隔离的作用，使之与前端负载完全隔离，从而增加电路的安全性，防止高电压烧坏单片机。

上述的机构的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置的操作方法，它包括如下步骤：初始位置，第一长杆和第二长杆中心线重合，且与XOY平面的夹角近似为15°左右，四块太阳能电池板叠放，方向朝着东方，当太阳从东方缓慢升起时，电源打开，四块太阳能电池板逐渐展开为近似圆，初始化ADC，初始化单片机，多次采样求平均值，比较光敏元件2、4，控制圆盘转至两光敏元件光强差为0，第二长杆以匀角速度逐渐加大与XOY平面的夹角，同时，太阳能电池板进行俯仰角度的往复运动，在进行俯仰角度往复运动时，光敏元件1、3所检测的光强不断在变化，当两光敏检测的光差为0时，此时的太阳板俯仰角度转动和第二长杆在YOZ平面的转动同时停止，当光差不为0时，则两个运动又同时进行，以此反复的运动、停止，是为了让太阳能电池板时刻与光线角度保持垂直状态；当太阳有向南或向北方向的斜射时，2、4号光敏元件检测的光差不为0，由此勒令停止第二长杆的转动，但是太阳板的俯仰角度转动还是在进行，此时，若2号光敏元件检测的光强信号较大，则圆盘顺时针匀速转动，否则，逆时针匀速转动，这时，整个机构有两个方位的复合运动，分别是圆盘圆周转动和太阳能电池板俯仰角度转动，圆盘圆周转动由2号和4号光敏元件控制，太阳能电池板俯仰角度转动依旧由1号和3号控制，若2号和4号光敏元件检测的光差为0时，圆盘停止转动；1号和3号光敏元件检测的光差为0时，俯仰角度转动停止。当太阳落山也就是圆盘旋转180°时，太阳能电池板俯仰角度转动到初始位置，然后立即停止运动，四块电池板收缩叠放，第一长杆复位，与第二长杆中心线重合，且长杆整体与XOY平面的夹角恢复15°，圆盘再反向旋转180°归位，此为该装置一个周期内的运动。

本发明取得了以下的技术效果：

1、太阳能电池板的展开与收缩。圆心角为90°的四块扇形太阳能电池板中心位置为圆柱套筒状，且电池板依次按照4、3、2、1号将套筒叠放至第一长杆上段部分，初始位置是4、3、2号电池板都叠放至1号电池板下方。4号电池板下底面连接有固定在涡轮外端面第六通孔内的支撑杆，当涡轮旋转时带动4号电池板以第一长杆为中心转动，当涡轮匀速旋转90°时，4号电池板第四上凸台4-2与3号电池板第二下凸台3-2接触，4号电池板带动3号电池板一起旋转；当涡轮匀速旋转180°时，3号电池板第二上凸台3-3与2号电池板第一下凸台2-1接触，3号电池板带动2号电池板一起旋转；当涡轮匀速旋转270°时，四块电池板便展开近似为一个整体圆。四块电池板的收缩，便是使涡轮反方向旋转270°，四块电池板叠放在一起，收缩为四分之一圆的最小面积。

2、太阳能电池板俯仰角度的转动。圆饼上通过销钉连接有连接杆，连接杆固定在圆柱体下端，圆柱体上底面胶接在方形支撑板下底面，二号电动机带动两一号、二号小齿轮啮合运动，从而使短杆旋转，短杆的旋转带动两端圆饼的同向转动，由于两连接杆固定在圆饼上是称中心对称，则一个杆向下运动，另一个杆向上运动，同时带动圆柱体穿过一号圆孔分别向下和向上运动，使方形支撑板两对角形成高度差，由于高度差的反复形成，使得太阳能电池板俯仰角度可任意调节。

3、由长杆带动太阳能电池板在YOZ平面内的转动。通过5、6、7号齿轮的啮合带动两个连接轴的同向旋转，从而带动两轴两端的1、2、3、4号齿轮同向且同步旋转，使他们可在两齿条上向左或向右移动。星型架上端U型架通过二号销钉连接在长杆上，下端通过套筒套在二号连接轴上，连接轴的移动带动星型架下端的移动，由于第一长杆上端有太阳能电池板，从而此运动可以带动长杆整体在YOZ平面上的转动。

4、由圆盘圆周旋转带动太阳能电池板在XOY平面内的转动。螺杆带动三号小齿轮的旋转，三号小齿轮与中间齿轮啮合，中间齿轮中心孔套有粗支撑圆柱，粗支撑圆柱上表面与圆盘下表面连接在一起，所以三号小齿轮带动中间齿轮与粗支撑圆柱的转动，从而带动圆盘上整体机构的圆周旋转。此外，方形底座上四号小齿轮与第三齿条啮合，四号小齿轮的旋转带动第三齿条在水平轨道内移动，进而推动同在水平轨道内第二半圆滑块的移动，由于水平轨道内的第二半圆滑块与竖直轨道内的第一半圆滑块通过斜杆连接，形成三角框架，当水平轨道内的第二半圆滑块向里运动时，位于竖直轨道的第一半圆滑块变向上运动，从而带动圆柱桶上整体机构的向上运动，反之，则向下运动。以此，来调节小圆盘上整体的高度。

5、太阳能电池板能实现收缩运动、俯仰角度转动、由第一长杆带动在YOZ平面内的转动、由圆盘圆周旋转带动在XOY平面内的圆周运动这四个运动叠加形成的复合运动，以保证太阳能电池板不仅能够在运动上追随太阳的运动轨迹，而且能够时刻调节太阳能电池板的俯仰角度，使其与太阳光线保持近似垂直角度，提高光能利用率。

6、整体机构都是通过机械元件的配合连接来实现的，结构简单，零件便于拆卸，且制造方便。且装置内使用了较多的齿轮元件，使传动比固定，运动稳定。

7、太阳能电池板采用分块式而不是整体式，便于实现电池板的收缩与展开，使电池板能够有较好的性能抵抗恶劣环境比如：大风、雨雪。增加电池板的使用寿命，减少其损坏的可能性。

8、增加了刻度盘的使用，使装置使用者能够在任何情况下做好数据的处理与分析，并且便于机构的调试与维修。

9、使用轨道、半圆滑块和斜杆组成的三角支撑架来调节圆盘的高度，使装置适应不同地点的高度需求。

10、采用位于方形底座四个角上的螺栓和螺栓孔的连接，使每个支撑台到方形底座的距离可调，由此可以分别旋转调节每个螺栓，进而改变方形底座到支撑台的距离，使装置整体可以放置在不同路况下，增加装置平稳性和使用的任意性。

11、本发明针对性较强，需求量较大，使用效果较好。另外，此产品整体设计比较巧妙，可在室外场地任意使用，使用比较方便。而目前市场上同类产品出现较少，因此此款产品的应用前景比较广阔。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置的整体结构示意图。

图2为支撑杆连接示意图。

图3为太阳能电池板俯仰角度转动机构示意图。

图4为控制机构示意图。

图5为本发明操作流程示意图。

图6为信号采集模块示意图。

图7为光耦电路图。

图8为电机驱动电路图。

具体实施方式

如图1-3，一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，包括太阳能电池板收缩运动机构，太阳能电池板俯仰角度转动机构，长杆转动机构和圆盘圆周转动机构。所述的太阳能电池板收缩运动机构包括四块圆心角为90°的扇形太阳能电池板，一号光敏元件1、二号光敏元件2、三号光敏元件3、四号光敏元件4，第一上凸台3-1、第二上凸台3-3、第三上凸台4-1、第四上凸台4-2，第一下凸台2-1、第二下凸台3-2），支撑板5、第一长杆6、涡轮涡杆7、梯形套筒8、一号电动机9、方形支撑板10和第六通孔66，四个光敏元件分别位于四块电池板外边界中心点处，第一下凸台2-1位于2号电池板下底面右边界最外端，第二上凸台3-3、第一上凸台3-1分别位于3号电池板上表面左右边界最外端，第二下凸台3-2位于3号电池板下底面与第一上凸台3-1上下对称，第四上凸台4-2、第三上凸台4-1分别位于4号电池板上表面左右边界最外端，电池板叠放在第一长杆6上段部分，第一长杆6下底面固定在方形支撑板10上，梯形套筒8套在长杆6上，且其大径底面接触方形支撑板10，涡轮涡杆7啮合，涡轮7-2中心孔径大小与梯形套筒8小径大小相同，且套在梯形套筒8小径圆柱面上，涡轮7-2端面有第六通孔66，支撑杆5的底面直径与通孔直径大小相同，其下端固定在第六通孔66内，支撑杆5下底面与涡轮7-2端面平齐，上底面胶接在4号电池板下底面上，一号电动机9带动涡轮涡杆7运动。第一长杆6为梯形圆柱杆，且上段部分杆直径较小。四块圆心角为90°的扇形太阳能电池板中心位置为圆柱套筒状，套筒中心孔径为第一长杆6上段杆直径，套筒外径为第一长杆6下段杆直径，且电池板依次按照4、3、2、1号将套筒叠放至第一长杆6上段部分。

所述的太阳能电池板俯仰角度转动机构包括一号凸台11、一号销钉12、第二长杆13、短杆14、一号小齿轮15、二号小齿轮16、二号电动机17、圆柱体18、一号圆孔19、矩形支撑板20、连接杆21、圆饼22、第一通孔25和圆形支撑板26，方形支撑板10下底面中心点固定有一号凸台11，第二长杆13两端为扁平状并分别有一通孔，一号凸台11中间有凹槽，第二长杆13上端插入凹槽内，通过一号销钉12的连接与一号凸台11固定在一起，矩形支撑板20中间有矩形支撑板中心孔70，孔径大小与第二长杆13截面直径大小相同，矩形支撑板20通过矩形支撑板中心孔70与第二长杆13之间的配合，固定在第二长杆13上段部分处，矩形支撑板20两端对称设有一号圆孔19，圆柱体18穿过一号圆孔19将上表面粘连在方形支撑板10下底面上，圆柱体18下底面中心处设有U型件68，且此U型件的截面为圆形，连接杆21上下端分别有第四通孔69、第五通孔71，第四通孔69穿过U型件68与其活动连接，短杆14穿过第二长杆13上第一通孔25对称放置，圆饼22中间有圆饼中心孔67，上表面设有销钉孔24，通过圆饼中心孔67与短杆14的配合使圆饼22固定在短杆14上，且其外表面与短杆端面对齐，两圆饼22中心对称，销钉孔24与第五通孔71通过四号销钉23连接，一号小齿轮15通过其齿轮中心孔73与短杆14配合固定在短杆14上，一号小齿轮15与二号小齿轮16啮合，二号电动机17为二号小齿轮16传动，圆形支撑板26通过圆形支撑板中心孔72与第二长杆13的配合，固定在第二长杆13上，二号电动机17底面贴合在圆形支撑板26上表面。

所述的长杆转动机构包括7个齿轮，U型架27、星型架28、套筒29、三号电动机30、第一齿条31、第二齿条32、一号连接轴33、二号连接轴36、第一长形套筒34、支撑板35、圆盘37、刻度盘40和二号凸台41，二号凸台41与一号凸台11结构大小一样，与第二长杆13下通孔通过三号销钉42连接在一起，星型架28上分支顶面固定有U型架27，U型架27两侧面都有第二通孔74，第二长杆13下端部分有第三通孔75，第二通孔74、第三通孔75与二号销钉73配合将U型架27与第二长杆13连接在一起，星型架28下端两个分支底端固定有套筒29，套筒29套在二号连接轴36上，二号连接轴36两端连接有1号、3号齿轮，1号、3号齿轮分别与第一齿条31、第二齿条32啮合，第一齿条31与第二齿条32相互平行且贴合固定在圆盘37上，三号电动机30固定在支撑板35中心位置，支撑板35左右两边分别连接有第一长形套筒34，第一长形套筒34分别套在二号连接轴36和一号连接轴33上，6号齿轮固定在三号电动机30传动轴上，5号和7号齿轮分别固定在二号连接轴36和一号连接轴33上，且5号、6号、7号齿轮相互啮合并端面对齐。1号、2号、3号、4号齿轮为相同类型，5号、6号、7号齿轮为相同类型，且5号、6号、7号齿轮直径大于1号、2号、3号、4号齿轮。

所述的圆盘圆周转动机构包括滚珠38、半圆凹槽39、刻度盘40、粗支撑圆柱43、二号圆孔44、细支撑圆柱45、三号小齿轮46、螺杆47、中间齿轮48、小圆盘49、圆柱桶50、圆柱环51、小圆孔53、滚动轴承55、第二长形套筒54、第一半圆滑块56、第二半圆滑块58、斜杆57、五号电动机59、四号小齿轮60、第三齿条78、竖直轨道61、水平轨道62、螺栓63、支撑台64和方形底座65，方形底座65中心点处有圆柱环51，圆柱环51圆柱面上有四条竖直轨道61，且每条轨道相隔90°弧长，第一半圆滑块56放置在竖直轨道61内，圆柱桶50无上下底面，且可套在圆柱环51上，由四个半圆滑块56支撑，圆柱桶50上面放置有小圆盘49，小圆盘49中心处有小圆孔53且下底面连接有第二长形套筒54，小圆孔53大小略大于粗支撑圆柱43底面大小，第二长形套筒54下端固定有滚动轴承55，粗支撑圆柱43穿过小圆孔53，下端与滚动轴承55配合连接，中间齿轮48放置在小圆盘49上表面上，且粗支撑圆柱43穿过中间齿轮48中心孔与其固定在一起，粗支撑圆柱43穿过刻度盘40上的二号圆孔44，其上底面与圆盘37下表面中心处贴合固定，四号电动机76带动螺杆47运动，从而带动三号小齿轮46旋转，三号小齿轮46与中间齿轮48啮合，由此可带动中间齿轮48和粗支撑圆柱43的转动，细支撑圆柱45上底面与刻度盘40贴合固定，刻度盘40四个方位上分别有四个半圆凹槽39，半圆凹槽39里放置有滚珠38，滚珠38与圆盘37点接触，方形底座65的四个角上都设有螺栓孔77，与其配合的有螺栓63，螺栓63下底面连接有支撑台64。有4个三号小齿轮46分别位于小圆盘49的四个方位上，且都与中间齿轮48啮合，每个三号小齿轮46中心孔套有小套筒52，4个小套筒52分别套在固定在小圆盘49四个方位的细支撑圆柱45上。

四号小齿轮60与第三齿条78啮合运动，第三齿条78位于水平轨道62中且顶端与第二半圆滑块58左表面贴合，第二半圆滑块58与第一半圆滑块56为相同结构，第二半圆滑块58放置在水平轨道62中，第一半圆滑块56放置在竖直轨道61中，斜杆57两端通过销钉分别与第二半圆滑块58、第一半圆滑块56连接在一起，五号电动机59带动四号小齿轮60运动。此整体结构有4个，分别以逆时针方向相隔90°分配在方形底座65四条边中心线上。

如图4，一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置的操作方法，它包括如下步骤：初始位置，第一长杆和第二长杆中心线重合，且与XOY平面的夹角近似为15°左右，四块太阳能电池板叠放，方向朝着东方，当太阳从东方缓慢升起时，电源打开，四块太阳能电池板逐渐展开为近似圆，初始化ADC，初始化单片机，多次采样求平均值，比较光敏元件2、4，控制圆盘转至两光敏元件光强差为0，第二长杆以匀角速度逐渐加大与XOY平面的夹角，同时，太阳能电池板进行俯仰角度的往复运动，在进行俯仰角度往复运动时，光敏元件1、3所检测的光强不断在变化，当两光敏检测的光差为0时，此时的太阳板俯仰角度转动和第二长杆在YOZ平面的转动同时停止，当光差不为0时，则两个运动又同时进行，以此反复的运动、停止，是为了让太阳能电池板时刻与光线角度保持垂直状态；当太阳有向南或向北方向的斜射时，2、4号光敏元件检测的光差不为0，由此勒令停止第二长杆的转动，但是太阳板的俯仰角度转动还是在进行，此时，若2号光敏元件检测的光强信号较大，则圆盘顺时针匀速转动，否则，逆时针匀速转动，这时，整个机构有两个方位的复合运动，分别是圆盘圆周转动和太阳能电池板俯仰角度转动，圆盘圆周转动由2号和4号光敏元件控制，太阳能电池板俯仰角度转动依旧由1号和3号控制，若2号和4号光敏元件检测的光差为0时，圆盘停止转动；1号和3号光敏元件检测的光差为0时，俯仰角度转动停止。当太阳落山也就是圆盘旋转180°时，太阳能电池板俯仰角度转动到初始位置，然后立即停止运动，四块电池板收缩叠放，第一长杆复位，与第二长杆中心线重合，且长杆整体与XOY平面的夹角恢复15°，圆盘再反向旋转180°归位，此为该装置一个周期内的运动。

如图5，控制机构选用MSP430G2553作为微控制器，通过四个3DU51检测光照强度并将值传给单片机，通过单片机比较控制两个步进电机实现转台旋转，长杆上升以及俯仰角度的运动，从而实现太阳光的追踪。

如图6，信号采集模块选用3DU33，采集到光信号后，产生为微弱电流，使整个电路导通，电阻R1分压。再通过运算放大器LM324输入的电压信号放大10倍，从而使单片机MSP430能更好的处理。3DU33,在正常室内关照下，电流为微安级，选择10k的偏置电阻，放大十倍后送至单片机，利用内部多通道多次采样A/D转换后处理数据。

如图7，光耦,选用TLP521。光耦主要起隔离的作用，使之与前端负载完全隔离。目的增加电路的安全性，防止高电压烧坏单片机。

如图8，其为电机部分的电路图，该电路采用恒压桥式驱动芯片L298N。L298N芯片可以驱动一个步进四相电机，通过给12,10,7,5依次通电可使电机转动一定的角度，反过来依次通电可时电机反转。且改变软件延时时间可以改变步进电机每次转动的角度，经多次试验采取了比较合理的延时方法。第三电动机30和第四电动机76分别为两个L298N芯片控制的两个步进四相电机。

主要元件清单：LM324：四个；LM324：二个；DU51：四个；L298N：两个。

主要元器件的介绍

(1).LM324：四路运算放大器。(2).TLP521：它是东芝公司生产的可控制光耦合器件，电路之间的信号输出，使之前端与负载完全隔离，目的在于增强电路的安全性，减小电压的干扰，简化电路的设计。(3)3DU51：常用光敏三极管，它的集电极电流不仅受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。又称光电三极管，是一种光电转换器件，其基本原理是光照到PN结上时，吸收光能并转变为电能。当光电三极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种工作状态。（4）L298:是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，用来驱动直流电机和步进电机、继电器线圈等感性负载。

Claims (10)

1.一种多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，其特征在于：它包括太阳能电池板收缩运动机构、太阳能电池板俯仰角度转动机构、长杆转动机构、圆盘圆周转动机构和控制机构，控制机构检测光照强度并将值传给单片机，通过单片机比较控制步进电机实现太阳能电池板收缩运动机构、太阳能电池板俯仰角度转动机构、长杆转动机构和圆盘圆周转动机构，从而实现太阳光的追踪。

2.根据权利要求1所述的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，其特征在于：所述的太阳能电池板收缩运动机构包括四块圆心角为90°的扇形太阳能电池板，一号光敏元件（1）、二号光敏元件（2）、三号光敏元件（3）、四号光敏元件（4）、第一上凸台（3-1）、第二上凸台（3-3）、第三上凸台（4-1）、第四上凸台（4-2），第一下凸台（2-1）、第二下凸台（3-2），支撑杆（5）、第一长杆（6）、涡轮涡杆（7）、梯形套筒（8）、一号电动机（9）、方形支撑板（10）和第六通孔（66），四个光敏元件分别位于四块电池板外边界中心点处，第一下凸台（2-1）位于2号电池板下底面右边界最外端，第二上凸台（3-3）、第一上凸台（3-1）分别位于3号电池板上表面左右边界最外端，第二下凸台（3-2）位于3号电池板下底面与第一上凸台（3-1）上下对称，第四上凸台（4-2）、第三上凸台（4-1）分别位于4号电池板上表面左右边界最外端，电池板叠放在第一长杆（6）上段部分，第一长杆（6）下底面固定在方形支撑板（10）上，梯形套筒（8）套在第一长杆（6）上，且其大径底面接触方形支撑板（10），涡轮涡杆（7）啮合，涡轮（7-2）中心孔径大小与梯形套筒（8）小径大小相同，且套在梯形套筒（8）小径圆柱面上，涡轮（7-2）端面有第六通孔（66），支撑杆（5）的底面直径与通孔直径大小相同，其下端固定在第六通孔（66）内，支撑杆（5）下底面与涡轮（7-2）端面平齐，上底面胶接在4号电池板下底面上，一号电动机（9）带动涡轮涡杆（7）运动。

3.根据权利要求2所述的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，其特征在于：所述的太阳能电池板俯仰角度转动机构包括一号凸台（11）、一号销钉（12）、第二长杆（13）、短杆（14）、一号小齿轮（15）、二号小齿轮（16）、二号电动机（17）、圆柱体（18）、一号圆孔（19）、矩形支撑板（20）、连接杆（21）、圆饼（22）、第一通孔（25）和圆形支撑板（26），方形支撑板（10）下底面中心点固定有一号凸台（11），第二长杆（13）两端为扁平状并分别有一通孔，一号凸台（11）中间有凹槽，第二长杆（13）上端插入凹槽内，通过一号销钉（12）的连接与一号凸台（11）固定在一起，矩形支撑板（20）中间有矩形支撑板中心孔（70），孔径大小与第二长杆（13）截面直径大小相同，矩形支撑板（20）通过矩形支撑板中心孔（70）与第二长杆（13）之间的配合，固定在第二长杆（13）上段部分处，矩形支撑板（20）两端对称设有一号圆孔（19），圆柱体（18）穿过一号圆孔（19）将上表面粘连在方形支撑板（10）下底面上，圆柱体（18）下底面中心处设有U型件（68），且此U型件的截面为圆形，连接杆（21）上下端分别有第四通孔（69）、第五通孔（71），第四通孔（69）穿过U型件（68）与其活动连接，短杆（14）穿过第二长杆（13）上第一通孔（25）对称放置，圆饼（22）中间有圆饼中心孔（67），上表面设有销钉孔（24），通过圆饼中心孔（67）与短杆（14）的配合使圆饼（22）固定在短杆（14）上，且其外表面与短杆端面对齐，两圆饼（22）中心对称，销钉孔（24）与第五通孔（71）通过四号销钉（23）连接，一号小齿轮（15）通过其齿轮中心孔（73）与短杆（14）配合固定在短杆（14）上，一号小齿轮（15）与二号小齿轮（16）啮合，二号电动机（17）为二号小齿轮（16）传动，圆形支撑板（26）通过圆形支撑板中心孔（72）与第二长杆（13）的配合，固定在第二长杆（13）上，二号电动机（17）底面贴合在圆形支撑板（26）上表面。

4.根据权利要求3所述的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，其特征在于：所述的长杆转动机构包括7个齿轮、U型架（27）、星型架（28）、套筒（29）、三号电动机（30）、第一齿条（31）、第二齿条（32）、一号连接轴（33）、二号连接轴（36）、第一长形套筒（34）、支撑板（35）、圆盘（37）、刻度盘（40）和二号凸台（41），二号凸台（41）与一号凸台（11）结构大小一样，与第二长杆（13）下通孔通过三号销钉（42）连接在一起，星型架（28）上分支顶面固定有U型架（27），U型架（27）两侧面都有第二通孔（74），第二长杆（13）下端部分有第三通孔（75），第二通孔（74）、第三通孔（75）与二号销钉（73）配合将U型架（27）与第二长杆（13）连接在一起，星型架（28）下端两个分支底端固定有套筒（29），套筒（29）套在二号连接轴（36）上，二号连接轴（36）两端连接有1号、3号齿轮，1号、3号齿轮分别与第一齿条（31）、第二齿条（32）啮合，第一齿条（31）与第二齿条（32）相互平行且贴合固定在圆盘（37）上，三号电动机（30）固定在支撑板（35）中心位置，支撑板（35）左右两边分别连接有第一长形套筒（34），第一长形套筒（34）分别套在二号连接轴（36）和一号连接轴（33）上，6号齿轮固定在三号电动机（30）传动轴上，5号和7号齿轮分别固定在二号连接轴（36）和一号连接轴（33）上，且5号、6号、7号齿轮相互啮合并端面对齐。

5.根据权利要求4所述的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，其特征在于：所述的圆盘圆周转动机构包括滚珠（38）、半圆凹槽（39）、刻度盘（40）、粗支撑圆柱（43）、二号圆孔（44）、细支撑圆柱（45）、三号小齿轮（46）、螺杆（47）、中间齿轮（48）、小圆盘（49）、圆柱桶（50）、圆柱环（51）、小圆孔（53）、滚动轴承（55）、第二长形套筒（54）、第一半圆滑块（56）、第二半圆滑块（58）、斜杆（57）、五号电动机（59）、四号小齿轮（60）、第三齿条（78）、竖直轨道（61）、水平轨道（62）、螺栓（63）、支撑台（64）和方形底座（65），方形底座（65）中心点处有圆柱环（51），圆柱环（51）圆柱面上有四条竖直轨道（61），且每条轨道相隔90°弧长，第一半圆滑块（56）放置在竖直轨道（61）内，圆柱桶（50）无上下底面，且可套在圆柱环（51）上，由四个半圆滑块（56）支撑，圆柱桶（50）上面放置有小圆盘（49），小圆盘（49）中心处有小圆孔（53）且下底面连接有第二长形套筒（54），小圆孔（53）大小略大于粗支撑圆柱（43）底面大小，第二长形套筒（54）下端固定有滚动轴承（55），粗支撑圆柱（43）穿过小圆孔（53），下端与滚动轴承（55）配合连接，中间齿轮（48）放置在小圆盘（49）上表面上，且粗支撑圆柱（43）穿过中间齿轮（48）中心孔与其固定在一起，粗支撑圆柱（43）穿过刻度盘（40）上的二号圆孔（44），其上底面与圆盘（37）下表面中心处贴合固定，四号电动机（76）带动螺杆（47）运动，从而带动三号小齿轮（46）旋转，三号小齿轮（46）与中间齿轮（48）啮合，由此可带动中间齿轮（48）和粗支撑圆柱（43）的转动，细支撑圆柱（45）上底面与刻度盘（40）贴合固定，刻度盘（40）四个方位上分别有四个半圆凹槽（39），半圆凹槽（39）里放置有滚珠（38），滚珠（38）与圆盘（37）点接触，方形底座（65）的四个角上都设有螺栓孔（77），与其配合的有螺栓（63），螺栓（63）下底面连接有支撑台（64）。

6.根据权利要求5所述的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，其特征在于：第一长杆（6）为梯形圆柱杆，且上段部分杆直径较小，四块圆心角为90°的扇形太阳能电池板中心位置为圆柱套筒状，套筒中心孔径等于第一长杆（6）上段杆直径，套筒外径等于第一长杆（6）下段杆直径。

7.根据权利要求4所述的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，其特征在于：所述的长杆转动机构的7个齿轮中1号、2号、3号、4号齿轮为相同类型，5号、6号、7号齿轮为相同类型，且5号、6号、7号齿轮直径大于1号、2号、3号、4号齿轮。

8.根据权利要求4所述的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，其特征在于：在所述的圆盘圆周转动机构中有4个三号小齿轮（46）分别位于小圆盘（49）的四个方位上，且都与中间齿轮（48）啮合，每个三号小齿轮（46）中心孔套有小套筒（52），4个小套筒（52）分别套在固定在小圆盘（49）四个方位的细支撑圆柱（45）上，四号小齿轮（60）与第三齿条（78）啮合运动，第三齿条（78）位于水平轨道（62）中且顶端与第二半圆滑块（58）左表面贴合，第二半圆滑块（58）与第一半圆滑块（56）为相同结构，第二半圆滑块（58）放置在水平轨道（62）中，第一半圆滑块（56）放置在竖直轨道（61）中，斜杆（57）两端通过销钉分别与第二半圆滑块（58）、第一半圆滑块（56）连接在一起，五号电动机（59）带动四号小齿轮（60）运动。

9.根据权利要求8所述的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置，其特征在于：所述的控制机构包括信号采集模块，信号采集模块采集到光信号后，产生为微弱电流，使整个电路导通，电阻R1分压，再通过运算放大器输入的电压信号放大10倍，放大十倍后送至单片机，利用内部多通道多次采样A/D转换后处理数据；

所述的控制机构包括电路电机驱动电路，该电路采用恒压桥式驱动芯片L298N，L298N芯片可以驱动一个步进四相电机，使电机转动一定的角度，且改变软件延时时间可以改变步进电机每次转动的角度；所述的电路电机驱动电路包括光耦，光耦起隔离的作用，使之与前端负载完全隔离，从而增加电路的安全性，防止高电压烧坏单片机。

10.根据权利要求4-9所述的机构的多方位运动可追踪太阳轨迹式光转化装置的操作方法，其特征在于它包括如下步骤：初始位置，第一长杆和第二长杆中心线重合，且与XOY平面的夹角近似为15°左右，四块太阳能电池板叠放，方向朝着东方，当太阳从东方缓慢升起时，电源打开，四块太阳能电池板逐渐展开为近似圆，初始化ADC，初始化单片机，多次采样求平均值，比较光敏元件2、4，控制圆盘转至两光敏元件光强差为0，第二长杆以匀角速度逐渐加大与XOY平面的夹角，同时，太阳能电池板进行俯仰角度的往复运动，在进行俯仰角度往复运动时，光敏元件1、3所检测的光强不断在变化，当两光敏检测的光差为0时，此时的太阳板俯仰角度转动和第二长杆在YOZ平面的转动同时停止，当光差不为0时，则两个运动又同时进行，以此反复的运动、停止，是为了让太阳能电池板时刻与光线角度保持垂直状态；当太阳有向南或向北方向的斜射时，2、4号光敏元件检测的光差不为0，由此勒令停止第二长杆的转动，但是太阳板的俯仰角度转动还是在进行，此时，若2号光敏元件检测的光强信号较大，则圆盘顺时针匀速转动，否则，逆时针匀速转动，这时，整个机构有两个方位的复合运动，分别是圆盘圆周转动和太阳能电池板俯仰角度转动，圆盘圆周转动由2号和4号光敏元件控制，太阳能电池板俯仰角度转动依旧由1号和3号控制，若2号和4号光敏元件检测的光差为0时，圆盘停止转动；1号和3号光敏元件检测的光差为0时，俯仰角度转动停止；当太阳落山也就是圆盘旋转180°时，太阳能电池板俯仰角度转动到初始位置，然后立即停止运动，四块电池板收缩叠放，第一长杆复位，与第二长杆中心线重合，且长杆整体与XOY平面的夹角恢复15°，圆盘再反向旋转180°归位，此为该装置一个周期内的运动。