CN105553392B - 一种自动追踪式的太阳能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种自动追踪式的太阳能发电装置，该装置包括太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块、控制模块、蓄电模块；控制模块分别与太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块相连；蓄电模块分别与太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块、控制模块供电相连；所述太阳能电池板转向模块包括转向底座、横向转向圆盘、转轴支柱、太阳能电池板架、纵向转向步进电机、纵向转向轴、滚珠轴承、光照传感器、固定螺栓、筋、太阳能电池板；转向底座固定螺栓固定在地面上；横向转向圆盘固定在转向底座上；两个相同的转轴支柱竖直地放在横向转向圆盘上；纵向转向步进电机转轴上的齿轮与纵向转向轴上的齿轮咬合。

Description

一种自动追踪式的太阳能发电装置
技术领域
本发明属于太阳能发电技术领域，尤其是一种自动追踪式的太阳能发电装置。
背景技术
近年来，太阳能发电技术作为可再生能源发电的典型代表，有了突飞猛进的发展，其对于减少化石能源消耗、限制温室气体排放效果显著。由于太阳能发电装置只有在太阳光直射时才能获得最高的发电效率，所以固定式的太阳能电池板难以有效、充分地利用太阳能资源，存在着发电成本较高、效率较低的问题。因此，研制一种可以根据太阳光直射角度自动调整太阳能电池板倾角(即太阳能自动追踪)的装置对于提高太阳能发电装置的工作效率、在更大的范围内推广太阳能技术有着重大的意义。
目前，现有的太阳能追踪装置有的采用控制器对太阳运动轨迹进行运算来确定太阳光的直射角度，有的采用光电传感器对太阳光的直射角度进行检测。前一种装置主要存在着成本较高、对太阳光实际直射角度测量不准确的问题，后一种装置则受环境因素影响较大，在天气状况不佳时存在较大的误差。两种装置均不能及时准确地调整太阳能电池板的倾角，追踪太阳的效果有限。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种自动追踪式的太阳能发电装置，该发电装置通过太阳光直射角度检测模块和太阳能电池板转向模块的设计，解决了现有太阳能自动追踪装置存在的对控制器运算能力要求高、对太阳实际位置测量不准确、受环境因素影响过大等问题，显著提高了太阳光直射角度追踪的快速性和准确性，保证了太阳能电池板的发电效率始终处在最高状态。
本发明技术方案为：
一种自动追踪式的太阳能发电装置，包括太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块、控制模块、蓄电模块；所述太阳能电池板转向模块和太阳光直射角度检测模块分别固定在地面上；控制模块分别与太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块相连；蓄电模块分别与太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块、控制模块供电相连；
所述太阳能电池板转向模块包括转向底座、横向转向圆盘、转轴支柱、太阳能电池板架、纵向转向步进电机、纵向转向轴、滚珠轴承、光照传感器、固定螺栓、筋、太阳能电池板；转向底座通过固定螺栓固定在地面上；横向转向圆盘固定在转向底座上；两个相同的转轴支柱竖直地放在横向转向圆盘上，并且每个转轴支柱通过两个筋进行固定；太阳能电池板就放置于太阳能电池板架上，太阳能电池板架固定在纵向转向轴上，并通过滚珠轴承的孔洞固定在转轴支柱的中上部；纵向转向步进电机转轴上的齿轮与纵向转向轴上的齿轮咬合，同时纵向转向步进电机还分别与控制模块和蓄电模块相连；滚珠轴承固定在转轴支柱的中上部；光照传感器固定在太阳能电池板架的角上，并与控制模块相连；太阳能电池板与蓄电模块相连；
所述太阳能电池板转向模块还包括均固定在底座的底面上的第一齿轮、横向转向步进电机和第二齿轮；其中，第一齿轮与横向转向圆盘相连接；横向转向步进电机与第二齿轮相连，第二齿轮与第一齿轮相咬合；同时横向转向步进电机还与控制模块和蓄电模块相连；
所述太阳光直射角度检测模块主要包括小型太阳能电池板、小型太阳能电池板支柱、圆柱形支撑体和功率计量芯片；其连接关系为：一个圆柱形支撑体竖直地固定在地面上，在其顶端固定有一个半球形凸起，在半球形凸起上，以球心为中心，放射状均匀分布有若干个相同的小型太阳能电池板支柱，每个小型太阳能电池板支柱的末端都固定有一个相同的小型太阳能电池板，电池板垂直于支柱的轴向安装；功率计量芯片固定在圆柱形支撑体内，其输入端分别与每个小型太阳能电池板相连，其输出端与控制模块相连；
所述的均匀分布为：在凸起的顶点固定第一个小型太阳能电池板支柱，半球形凸起与圆柱形支撑体顶端接触形成的圆周上，均匀间隔设置8-16个点；每个点与第一个小型太阳能电池板支柱在半球形凸起表面位置的最短连接弧线上，都均匀间隔设置相同数量的点，数量为2-4个，每个圆周和连接弧线上设置的点，都设置一个小型太阳能电池板支柱；
所述控制模块主要包括A/D转换芯片和单片机；太阳能电池板转向模块中的光照传感器与单片机的引脚相连；功率计量芯片的输出端与A/D转换芯片的输入端相连，A/D转换芯片的输出端与单片机相连。
所述蓄电模块主要包括太阳能充放电控制器和蓄电池；太阳能充放电控制器与蓄电池相连，同时蓄电池还与太阳能电池板及太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块、控制模块相连。
所述的太阳光直射角度检测模块中凸起的半径小于圆柱横截面的半径1-3cm。
所述的太阳能电池板转向模块中滚珠轴承与太阳能电池板架的连接具体为：滚珠轴承固定在转轴支柱的中上部，而太阳能电池板架固定在纵向转向轴上，并穿过滚珠轴承中间的孔洞。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的太阳光直射角度检测模块通过比较多个组成近似半球形的小型太阳能电池板的发电功率，找出功率最大的太阳能电池板，并以此为依据判断出太阳光的实际直射角度，具有判断速度快、误差小的特点，有效地保证了太阳光直射角度检测的准确性和及时性。
2、本发明中太阳能电池板转向模块设计合理，使其既能承载太阳能电池板的重量，又通过对第一齿轮、第二齿轮、横向转向圆盘、滚珠轴承、纵向转向轴等的设计使太阳能电池板架及其上放置的太阳能电池板可同时进行竖直和水平两个方向的转动，快速准确地使太阳能电池板始终与太阳光线保持垂直，显著地提高了太阳能发电装置的发电效率。
3、本发明采用步进电机对太阳能电池板架及其上放置的太阳能电池板的转向进行驱动，反应速度快，控制精度高，可准确按照控制模块控制的角度和圈数进行转动，使得本发明对于太阳能电池板架及其上放置的太阳能电池板倾角的控制更加精确，提升了本发明对于太阳能追踪的可靠性。
附图说明
图1是本发明自动追踪式的太阳能发电装置的整体模块连接图；
图2是本发明自动追踪式的太阳能发电装置的太阳能电池板转向模块1上面结构连接图；
图3是本发明自动追踪式的太阳能发电装置的太阳能电池板转向模块1底面结构仰视连接图；
图4是本发明自动追踪式的太阳能发电装置的太阳光直射角度检测模块2结构连接图；
图5是本发明自动追踪式的太阳能发电装置的滚珠轴承与太阳能电池板架的细节连接图；
图6是本发明自动追踪式的太阳能发电装置的控制模块运行的流程图；
图中，1.太阳能电池板转向模块、2.太阳光直射角度检测模块、3.控制模块、4.蓄电模块、1-1.转向底座、1-2.横向转向圆盘、1-3.转轴支柱、1-4.太阳能电池板架、1-5.纵向转向步进电机、1-6.纵向转向轴、1-7.滚珠轴承、1-8.光照传感器、1-9.固定螺栓、1-10.筋、1-11.太阳能电池板、1-12.第一齿轮、1-13.横向转向步进电机、1-14.第二齿轮、2-1.小型太阳能电池板、2-2.小型太阳能电池板支柱、2-3.圆柱形支撑体。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明做进一步详述：
如图1所示，本发明自动追踪式的太阳能发电装置，包括太阳能电池板转向模块1、太阳光直射角度检测模块2、控制模块3、蓄电模块4；所述太阳能电池板转向模块1由固定螺栓1-9固定在地面上；所述太阳光直射角度检测模块2也固定在地面上；控制模块3分别与太阳能电池板转向模块1及太阳光直射角度检测模块2相连，并在这两个模块工作时对它们进行控制；蓄电模块4分别与太阳能电池板转向模块1、太阳光直射角度检测模块2、控制模块3供电相连，收集储存太阳能电池板所发出的电能，并分别向太阳能电池板转向模块1、太阳光直射角度检测模块2、控制模块3供电。
如图2所示，所述太阳能电池板转向模块1包括转向底座1-1、横向转向圆盘1-2、转轴支柱1-3、太阳能电池板架1-4、纵向转向步进电机1-5、纵向转向轴1-6、滚珠轴承1-7、光照传感器1-8、固定螺栓1-9、筋1-10、太阳能电池板1-11；转向底座1-1通过位于其四个角上的固定螺栓1-9固定在地面上；横向转向圆盘1-2固定在转向底座1-1上，可独立于转向底座1-1做横向的旋转运动(此处所说的横向的旋转运动可理解为：一个人原本面朝东站立，他通过自身的转动变为面向北站立，这一转动过程在本说明书中被称为横向的旋转运动，其目的是通过做横向的旋转运动来调整太阳能电池板的方位角-；而下文中提到的纵向的旋转运动可理解为：一个人在观看火箭升空的过程中，从平视到逐渐抬头到最后完全仰视天空。在此过程中，头部所做的转动过程在本说明书中被称为纵向的旋转过程，其目的是通过做纵向的旋转运动来调整太阳能电池板的倾角。)；两个相同的转轴支柱1-3竖直地放在横向转向圆盘1-2上，并且每个转轴支柱1-3通过两个筋1-10进行固定；太阳能电池板1-11就放置于太阳能电池板架1-4上，太阳能电池板架1-4固定在纵向转向轴1-6上，并可通过滚珠轴承1-7的孔洞固定在转轴支柱1-3的中上部；纵向转向步进电机1-5转轴上的齿轮与纵向转向轴1-6上的齿轮咬合，可驱动纵向转向轴1-6做纵向转动，同时纵向转向步进电机1-5还分别与控制模块3和蓄电模块4相连(由于太阳能电池板架1-4和太阳能电池板1-11可能会有较大的重量，故设置了两个相同的纵向转向步进电机1-5，来确保有足够的驱动力驱动纵向转向轴1-6做纵向转动。)。控制模块3对其转动过程进行控制，蓄电模块4对其供电；滚珠轴承1-7固定在转轴支柱1-3的中上部，其可减少纵向转向轴1-6纵向转动时的摩擦力；光照传感器1-8固定在太阳能电池板架1-4的角上，并与控制模块3相连，用于检测当前的光照强度是否符合太阳能电池板的需要。最终，太阳能电池板架1-4上放置的太阳能电池板1-11与蓄电模块4相连，将所发出的电能收集储存在蓄电模块4中。
如图3所示，所述太阳能电池板转向模块1还包括第一齿轮1-12、横向转向步进电机1-13、第二齿轮1-14；第一齿轮1-12固定在转向底座1-1的底面上，可独立于转向底座1-1转动并同时驱动与其相连接的横向转向圆盘1-2做横向的旋转运动；横向转向步进电机1-13位于转向底座1-1的底部，可驱动位于其轴上的第二齿轮1-14转动，同时其还与控制模块3和蓄电模块4相连。控制模块3对其转动过程进行控制，蓄电模块4对其供电；第二齿轮1-14与第一齿轮1-12相咬合，带动第一齿轮1-12进行旋转。
如图4所示，所述太阳光直射角度检测模块2主要包括小型太阳能电池板2-1、小型太阳能电池板支柱2-2、圆柱形支撑体2-3和功率计量芯片。太阳光直射角度检测模块2中各部分的位置关系如下：一个圆柱形支撑体2-3竖直地固定在地面上，在其顶端固定有一个半球形凸起，该凸起的半径小于圆柱横截面的半径1-3cm。在半球形凸起上，以球心为中心，放射状均匀分布有若干个相同的小型太阳能电池板支柱2-2，每个小型太阳能电池板支柱2-2的末端都固定有一个相同的小型太阳能电池板2-1，电池板垂直于支柱的轴向安装。这种结构的目的是用这些小型太阳能电池板2-1所组成的平面来近似半球形，争取使太阳无论处于何种位置，都有某个小型太阳能电池板2-1与太阳光垂直。所述的均匀分布为：在凸起的顶点固定第一个小型太阳能电池板支柱，半球形凸起与圆柱形支撑体2-3顶端接触形成的圆周上，均匀间隔设置8-16个点；每个点与第一个小型太阳能电池板支柱2-1在半球形凸起表面位置的最短连接弧线上，都均匀间隔设置相同数量的点，数量为2-4个，每个圆周和连接弧线上设置的点，都设置一个小型太阳能电池板支柱2-1；例如在如图4所示的实施例中，本实施例具体共有25个小型太阳能电池板2-1和小型太阳能电池板支柱2-2；其中第一个小型太阳能电池板2-1和小型太阳能电池板支柱2-2垂直地立于半球形凸起的顶点，在半球形凸起与圆柱形支撑体2-3顶端接触形成的圆周上，均匀间隔设置着8个点。每个点与第一个小型太阳能电池板支柱2-1在半球形凸起表面位置的最短连接弧线上，都均匀间隔设置着2个小型太阳能电池板支柱2-1。在此实施例中，小型太阳能电池板支柱2-1的长度约为4cm，半球形凸起的直径约为3cm，圆柱形支撑体的直径约为8cm。显而易见，在本装置中，使用的小型太阳能电池板越多，成本越高，但对太阳光直射角度的检测的精确度也会相应地提高。所以在实际使用中，本装置可根据需要选择使用小型太阳能电池板的数量，兼顾装置的成本与检测的精确度；功率计量芯片固定在圆柱形支撑体2-3内，其输入端分别与每个小型太阳能电池板2-1相连，其输出端与控制模块3相连，其作用是分别检测若干小型太阳能电池板所发出的电功率，并将其送入控制模块3中，判断出最适合的太阳能电池板的方位角和倾角。
所述控制模块3主要包括A/D转换芯片和单片机。光照传感器1-8与单片机的引脚相连，单片机检测光照传感器1-8传来的信号，当环境光强不能达到要求时，单片机控制整个装置不进行追踪过程，延时15分钟；当环境光强达到要求时，单片机控制整个装置按照正常工作流程进行自动追踪过程。功率计量芯片的输出端与A/D转换芯片的输入端相连，A/D转换芯片的输出端与单片机相连。功率计量芯片检测出若干小型太阳能电池板所发出的电功率后，经A/D转换芯片进行A/D转换并送入单片机。单片机对若干小型太阳能电池板2-1所发出的电功率进行比较，判断并找出发出功率最大的小型太阳能电池板。读取已经事先输入到控制模块3中的数据，得知发出功率最大的小型太阳能电池板的方位角和倾角，由控制模块3分别控制纵向转向步进电机1-5和横向转向步进电机1-13进行转动，带动纵向转向轴1-6及横向转向圆盘1-2分别作纵向和横向的旋转运动，使得太阳能电池板架1-4及其上放置的太阳能电池板1-11与发出功率最大的小型太阳能电池板的方位角和倾角相同。
所述蓄电模块4主要包括太阳能充放电控制器和蓄电池；太阳能充放电控制器与蓄电池相连，同时蓄电池还与太阳能电池板1-11及太阳能电池板转向模块1、太阳光直射角度检测模块2、控制模块3相连。蓄电池负责储存太阳能电池板1-11所发出的电能，同时给太阳能电池板转向模块1、太阳光直射角度检测模块2、控制模块3中所有需要消耗电能进行工作的部分和器件相连、供电。太阳能充放电控制器负责对太阳能电池板1-11对蓄电池的充电过程以及蓄电池给太阳能电池板转向模块1、太阳光直射角度检测模块2、控制模块3的供电过程进行控制。
如图5所示，滚珠轴承1-7与太阳能电池板架1-4的连接细节为：滚珠轴承1-7固定在转轴支柱1-3的中上部，而太阳能电池板架1-4与纵向转向轴1-6相连，并穿过滚珠轴承1-7中间的孔洞，这样既可以使得太阳能电池板架1-4始终固定在转轴支柱1-3的中上部，又可以使其可以相对于转轴支柱1-3做竖直方向的旋转动作，从而改变太阳能电池板1-11的倾角(单片机在得知发出功率最大的小型太阳能电池板的倾角后，控制纵向转向步进电机转动，从而带动太阳能电池板架1-4做竖直方向的旋转运动，改变太阳能电池板1-11的倾角。)。
如图6所示，本发明自动追踪式的太阳能发电装置的工作流程为：当太阳能发电装置开始工作时，首先由安装在太阳能电池板架1-4角上的光照传感器1-8检测当前工作环境中太阳光强是否达到太阳能电池板1-11正常工作所需的光强(光照传感器1-8凸出在太阳能电池板架1-4角上，可以全方位感受光照强度)。当环境光强不能达到要求时，太阳能发电装置将不进行自动追踪，延时15分钟后再进行检测；当环境光强达到要求时，太阳能发电装置开始进行自动追踪过程。功率计量芯片实时检测若干小型太阳能电池板2-1所发出的电功率，并将结果送入控制模块3。控制模块3对若干小型太阳能电池板2-1所发出的电功率进行比较，判断并找出发出功率最大的小型太阳能电池板。读取已经事先输入到控制模块3中的数据，得知发出功率最大的小型太阳能电池板的方位角和倾角，由控制模块3分别控制纵向转向步进电机1-5和横向转向步进电机1-13进行转动，带动纵向转向轴1-6及横向转向圆盘1-2分别作纵向和横向的旋转运动，使得太阳能电池板架1-4及其上放置的太阳能电池板1-11与发出功率最大的小型太阳能电池板的方位角和倾角相同。太阳能电池板1-11发出的电能储存在蓄电模块4中。完成一次追踪后，延时15分钟再次重复上述步骤。
本发明自动追踪式的太阳能发电装置，所用的元器件和零部件均是本技术领域的技术人员所熟知的，可以通过商购获得或自己容易制作的，所有元器件之间的连接方式、零部件的安装方式以及电源线路的接线方式也是本技术领域的技术人员所熟知的。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本申请权利要求保护的范围。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (1)

1.一种自动追踪式的太阳能发电装置，其特征为包括太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块、控制模块、蓄电模块；所述太阳能电池板转向模块和太阳光直射角度检测模块分别固定在地面上；控制模块分别与太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块相连；蓄电模块分别与太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块、控制模块供电相连；
所述太阳能电池板转向模块包括转向底座、横向转向圆盘、转轴支柱、太阳能电池板架、纵向转向步进电机、纵向转向轴、滚珠轴承、光照传感器、固定螺栓、筋、太阳能电池板；转向底座通过固定螺栓固定在地面上；横向转向圆盘固定在转向底座上；两个相同的转轴支柱竖直地放在横向转向圆盘上，并且每个转轴支柱通过两个筋进行固定；太阳能电池板就放置于太阳能电池板架上，太阳能电池板架固定在纵向转向轴上，并通过滚珠轴承的孔洞固定在转轴支柱的中上部；纵向转向步进电机转轴上的齿轮与纵向转向轴上的齿轮咬合，同时纵向转向步进电机还分别与控制模块和蓄电模块相连；滚珠轴承固定在转轴支柱的中上部；光照传感器固定在太阳能电池板架的角上，并与控制模块相连；太阳能电池板与蓄电模块相连；
所述太阳能电池板转向模块还包括均固定在底座的底面上的第一齿轮、横向转向步进电机和第二齿轮；其中，第一齿轮与横向转向圆盘相连接；横向转向步进电机与第二齿轮相连，第二齿轮与第一齿轮相咬合；同时横向转向步进电机还与控制模块和蓄电模块相连；
所述太阳光直射角度检测模块主要包括小型太阳能电池板、小型太阳能电池板支柱、圆柱形支撑体和功率计量芯片；其连接关系为：一个圆柱形支撑体竖直地固定在地面上，在其顶端固定有一个半球形凸起，在半球形凸起上，以球心为中心，放射状均匀分布有若干个相同的小型太阳能电池板支柱，每个小型太阳能电池板支柱的末端都固定有一个相同的小型太阳能电池板，电池板垂直于支柱的轴向安装；功率计量芯片固定在圆柱形支撑体内，其输入端分别与每个小型太阳能电池板相连，其输出端与控制模块相连；
所述控制模块主要包括A/D转换芯片和单片机；太阳能电池板转向模块中的光照传感器与单片机的引脚相连；功率计量芯片的输出端与A/D转换芯片的输入端相连，A/D转换芯片的输出端与单片机相连；
所述蓄电模块包括太阳能充放电控制器和蓄电池；太阳能充放电控制器与蓄电池相连，同时蓄电池还与太阳能电池板及太阳能电池板转向模块、太阳光直射角度检测模块、控制模块相连；
所述的太阳光直射角度检测模块中凸起的半径小于圆柱横截面的半径1-3cm；
所述的太阳能电池板转向模块中滚珠轴承与太阳能电池板架的连接具体为：滚珠轴承固定在转轴支柱的中上部，而太阳能电池板架与纵向转向轴相连，并穿过滚珠轴承中间的孔洞；
所述的小型太阳能电池板支柱在半球形凸起上的均匀分布具体为：在凸起的顶点固定第一个小型太阳能电池板支柱，半球形凸起与圆柱形支撑体顶端接触形成的圆周上，均匀间隔设置8-16个点；每个点与第一个小型太阳能电池板支柱在半球形凸起表面位置的最短连接弧线上，都均匀间隔设置相同数量的点，数量为2-4个；每个圆周和连接弧线上设置的点，都设置一个小型太阳能电池板支柱。
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