CN105573351A - 一种带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架 - Google Patents

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曾召霞
刘江峰
余大庆
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Abstract

本发明是一种带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，其结构包括光伏板、光伏板倾角调节四连杆结构、平衡配重块、轴承杆、大齿轮、小齿轮、直流电机、单片机控制器、蓄电池、向心推力滚子轴承、系统支撑架、连接光伏板的转动副。优点：产品设计制造成本低、光伏组件的光电转化效率高，光伏组件支架在垂直方向上依据太阳公转沿轴向进行0-180度自动精确转动及复位控制。通过单片机控制轴承进行精确转动以达到光伏板表面时刻获得太阳光最大辐射量。采用四连杆插销结构以调整安装时光伏板倾角的大小。采用结构配重的方式使整个光伏板组件结构的重心在转动轴上，减少了整个结构的驱动力。该类产品适用范围广、用量大，结构简单。

Description

一种带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架
技术领域
本发明涉及的是一种带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，属于太阳能光伏组件的应用研究领域。
背景技术
现有的有关太阳能光伏产品结构设计方面，为达到光伏板平面随着光照强度的多少不同而转动。也有许多学者采用在太阳能电池板下部安装有转动机构，转动机构内安装有定时器、驱动机构、链条或者皮带以及转轴，该驱动机构由太阳能电池板自带的蓄电池供电，该定时器每隔固定的时间使驱动机构转动以皮带或者链条带动转轴转动太阳能电池板一个角度，以使太阳能电池板始终正对太阳直射方向。也有设计采用一种太阳能电池支架转动机构,该机构在立轴架内部设置有丝杆升降部分，在立轴架下端连接水平旋转机构，而水平旋转机构安装在一个圆环形的圆轨底座上。也有设计采用蜗轮蜗杆传动及丝杆传动来解决电池板支架调整方向的问题。更有设计者采用液压撑杆结构实现光伏板的转动。这些设计均提高了电阳能光伏光电转化效率。然而，这些设计均适合大型太阳能发电站的光伏板结构设计，而对于路灯及交通信号灯等自供电的太阳能光伏小产品设计，在提高光电转化效率的前提下，必须考虑到设计及制造成本问题，因每一个小路灯所设计的光伏板面积相当小，为满足不同季节及雨、雪等无光照条件下路灯的正常供电，在适当加大蓄电池容量的基础上，大大降低转动机构为电机、单片机控制系统及灯具负载自身的耗电量将是本发明所追求的目标。
发明内容
本发明提供的是一种带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，其目的旨在克服现有技术所存在的缺陷，并具有结构简单、安装调整便捷、驱动省力、转动控制精确等功能。
本发明的技术解决方案：带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，其结构包括光伏板（1）、光伏板倾角调节四连杆结构（2）、平衡配重块（3）、轴承杆（4）、大齿轮（5）、小齿轮（6）、直流电机（7）、单片机控制器（8）、蓄电池（9）、向心推力滚子轴承（10）、系统支撑架（11）、连接光伏板的转动副（12）以及转动副（13）；其中平衡配重块（3）固定于光伏板（1）的连杆末端，光伏板（1）通过转动副（12）、转动副（13）与光伏板倾角调节四连杆结构（2）连接，光伏板倾角调节四连杆结构（2）、大齿轮（5）通过轴承杆（4）同轴连接，直流电机（7）连接小齿轮（6）、大齿轮（5），直流电机（7）、单片机控制器（8）以及蓄电池（9）固定安装在一起。
本发明的优点：
1）增加平衡配重块保证了轴承杆上支撑部分的中心在轴承杆的中心轴线上，故光伏板系统处于一种重力随遇平衡状态，只要极小的电机驱动力就可以破坏这种平衡，所以驱动系统耗电少，电机驱动要求低，系统节能；
2）通过四连杆结构加以固定，然后在控制电路驱动下使整个光伏板结构每天依据太阳公转沿轴向进行0-180度自东向西自动精确转动控制及复位控制，由于整个结构的重心在轴承轩的轴线上，故需要极小的电机驱动，整个系统机构省力、节能；
3）控制部分采用8位单片机AT89C52每天依据太阳公转沿轴向进行0-180度自东向西自动精确转动控制及复位控制，该部分不受外界是否有建筑物及云层等的间歇遮挡，也不受无光照时的阴、雨天影响，该转动控制部分每天将固定定时转动及复位；
4）直流电机采用直流步进电机，该电机控制转动部分所需驱动力小，但该转动部分不因机构受外界风、沙等阻力的影响而改变电机定时驱动。
附图说明
图1是带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架的结构示意图。
图2是光伏板光电转化等效电路图。
图3是四连杆结构图。
图4是功能模块图。
图5是单片机控制电路图。
具体实施方式
带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，其结构包括光伏板（1）、光伏板倾角调节四连杆结构（2）、平衡配重块（3）、轴承杆（4）、大齿轮（5）、小齿轮（6）、直流电机（7）、单片机控制器（8）、蓄电池（9）、向心推力滚子轴承（10）、系统支撑架（11）、连接光伏板的转动副（12）以及转动副（13）；
其中平衡配重块（3）固定于光伏板（1）的连杆末端，光伏板（1）通过转动副（12）、转动副（13）与光伏板倾角调节四连杆结构（2）连接，光伏板倾角调节四连杆结构（2）、大齿轮（5）通过轴承杆（4）同轴连接，直流电机（7）连接小齿轮（6），小齿轮（6）连接大齿轮（5），直流电机（7）、单片机控制器（8）以及蓄电池（9）固定安装在一起。
所述的轴承杆（4）、大齿轮（5）和向心推力滚子轴承（10）的内圈是紧固同轴心安装。
所述的光伏板倾角调节四连杆结构（2），包括A杆（01）、B杆（02）、C杆（03）、D杆（04）以及起固定作用的A销子（21）、B销子（22）及C销子（23），在安装该光伏板时，将B杆（02）沿着A杆（01）垂直方向上向上移动，光伏板（1）沿着转动副（13）做逆时针转动，从而起到了增大光伏板倾斜角度的作用，固定A销子（21）、B销子（22）及C销子（23）固定光伏板（1），向下移动A销子（21）可减小光伏板的倾斜角度。
所述的单片机控制器（8）用AT98C52单片机，AT98C52单片机通过P1口输出占空比的方波信号给L298N，实现对电机顺时针调速，使光伏板组件结构部分由东向西转动，每间隔一定时间的停转后才匀速偏转一角度，因不同时区太阳升落的时间段不同，故在安装时要通过控制器面板上的按键进行设置；每天t1时刻的到来，电机开始运转，到t2时刻到来时，电机停止顺时针转动，经过30分钟后，电机快速逆时针转动使光伏板组件结构部分由西向东回归到早上初始位置后停转，等待明天t1时刻的到来；按k0控制键调整t1和t2时间的时分参数，通过LCD1602的时间参数显示及按键的参数等值加减功能，用行列式按键中k1至k4调整键调整每天t1时刻，用k5至k8调整键调整t2，调整完毕后按k9调整键，系统自动将t1保存在24C04A中，并将t2作为当前时间的时分，应用系统继续运行。
下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：
如图1所示，带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，包括光伏板（1）、光伏板倾角调节四连杆结构（2）、平衡配重块（3）、轴承杆（4）、大齿轮（5）、小齿轮（6）、直流电机（7）、单片机控制器（8）、蓄电池（9）、向心推力滚子轴承（10）、系统支撑架（11）、连接光伏板的转动副（12）以及转动副（13）；
其中平衡配重块（3）固定于光伏板（1）的连杆末端，光伏板（1）通过转动副（12）以及转动副（13）与光伏板倾角调节四连杆结构（2）连接，光伏板倾角调节四连杆结构（2）和大齿轮（5）通过轴承杆（4）同轴连接，并由向心推力滚子轴承（10）转动支撑，直流电机（7）的动力通过小齿轮（6）以固定传动比输送给大齿轮（5），直流电机（7）、单片机控制器（8）以及蓄电池（9）固定安装在一起，系统作为一个整体集成在系统支撑架（11）之上。
由于平衡配重块（3）的加入保证轴承杆上支撑部分的中心在轴承杆的轴中心线上，轴承杆（4）和大齿轮（5）及向心推力滚子轴承的内圈是紧固同轴心安装。向力推力滚子轴承（10）垂直向上的分力支撑光伏板系统的重量。直流电机（7）带动固定齿轮比的小齿轮（6）驱动大齿轮（5）转动，由于光伏板系统的重心在轴承杆（4）的轴线上，所以光伏板系统处于一种重力随遇平衡状态，只要极小的电机驱动力就可以破坏这种平衡。所以驱动系统耗电少，电机驱动要求低，系统节能。
依据光伏板光电转化的伏安特性，其光电转化的等效电路如图2所示。
不同地区，其太阳光照射到地平面的入射角不同，为了使该地区的太阳光直射到所设计的光伏板平面上，其调整初始安装光伏板入射角所用四连杆结构如图3所示。四连杆包括杆（01）、杆（02）、杆（03）、杆（04）以及起固定作用的销子（21）、（22）及（23）。在安装该光伏板时，如果要增加光伏板的倾斜角度，可以将杆（02）沿着杆（01）垂直方向上向上移动，则光伏板会沿着转动副（13）做逆时针转动，从而起到了增大光伏板倾斜角度的作用，这时只需固定销子（21）、（22）及（23），就可以固定光伏板。如果要减小光伏板的倾斜角度，只要向下移动销子（21）即可。
为了实现该光伏板获得最大太阳光辐射强度，所设计的一种带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，其具体结构的功能模块如图4所示。
直流电动机（7）带动齿轮比固定的小齿轮（6）转动，而小齿轮（6）同大齿轮（5）进行齿合，以驱动大齿轮（5）转动，而大齿轮（5）通过轴承杆（4）同向心推力滚子轴承（10）相连。向心推力滚子轴承（10）主要承受垂直向上的轴向载荷，该载荷主要来源于支撑光伏板系统的重量，也就是光伏板（1）、四连杆结构（2）以及配重部分（3）的重量，同时该向心推力滚子轴承（10）还承受径向转动载荷，从而使整个光伏板结构在控制信号的精确控制下实现精确转动功能。
单片机控制器（8），AT98C52作为主要芯片用来检测和控制应用系统的外围设备，L298N用来驱动直流电机的正反转带动太阳能光伏板定向偏转，LCD1602用来显示当前时间的时、分、秒和太阳能光伏组件结构部分由东向西方向的偏转角，24C04A用来存放太阳能光伏板组件结构部分由东向西开始偏转的时间参数，3×3行列式按键用来调整当前时间t2的时、分和由东向西开始偏转的时间t1的时分。
AT98C52单片机通过P1口输出一定占空比的方波信号给L298N，从而实现对电机顺时针调速，使光伏板组件结构部分由东向西转动，每间隔一定时间的停转后才匀速偏转一定的角度。因不同时区太阳升落的时间段不同，故在安装时要通过控制器面板上的按键进行设置。每天t1时刻的到来，电机开始运转，到t2时刻到来时，电机停止顺时针转动，经过30分钟后，电机快速逆时针转动使光伏板组件结构部分由西向东回归到早上初始位置后停转，等待明天t1时刻的到来。按k0键可调整t1和t2时间的时分参数，通过LCD1602的时间参数显示及按键的参数等值加减功能，行列式按键中用k1至k4调整t1，用k5至k8调整t2。调整完毕后按k9键，系统自动将t1保存在24C04A中，并将t2作为当前时间的时分，应用系统继续运行。具体控制电路如图5所示。

Claims (4)

1.带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，其特征是包括光伏板（1）、光伏板倾角调节四连杆结构（2）、平衡配重块（3）、轴承杆（4）、大齿轮（5）、小齿轮（6）、直流电机（7）、单片机控制器（8）、蓄电池（9）、向心推力滚子轴承（10）、系统支撑架（11）、连接光伏板的转动副（12）以及转动副（13）；
其中平衡配重块（3）固定于光伏板（1）的连杆末端，光伏板（1）通过转动副（12）、转动副（13）与光伏板倾角调节四连杆结构（2）连接，光伏板倾角调节四连杆结构（2）、大齿轮（5）通过轴承杆（4）同轴连接，直流电机（7）连接小齿轮（6）、大齿轮（5），直流电机（7）、单片机控制器（8）以及蓄电池（9）固定安装在一起。
2.根据权利要求1所述的带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，其特征是所述的轴承杆（4）、大齿轮（5）和向心推力滚子轴承（10）的内圈紧固同轴心安装。
3.根据权利要求1所述的带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，其特征是所述的光伏板倾角调节四连杆结构（2），包括A杆（01）、B杆（02）、C杆（03）、D杆（04）以及起固定作用的A销子（21）、B销子（22）及C销子（23），在安装该光伏板时，将B杆（02）沿着A杆（01）垂直方向上向上移动，光伏板（1）沿着转动副（13）做逆时针转动，从而起到了增大光伏板倾斜角度的作用，通过A销子（21）、B销子（22）及C销子（23）固定光伏板（1），向下移动A销子（21）可减小光伏板的倾斜角度。
4.根据权利要求1所述的带精确转动控制装置的灯具光伏组件支架，其特征是所述的单片机控制器（8）用AT98C52单片机，AT98C52单片机通过P1口输出占空比的方波信号给L298N，实现对电机顺时针调速，使光伏板组件结构部分由东向西转动，每间隔一时间停转后才匀速偏转一角度，因不同时区太阳升落的时间段不同，故在安装时要通过控制器面板上的按键进行设置；每天t1时刻的到来，电机开始运转，到t2时刻到来时，电机停止顺时针转动，经过30分钟后，电机快速逆时针转动使光伏板组件结构部分由西向东回归到早上初始位置后停转，等待明天t1时刻的到来；按k0控制键调整t1和t2时间的时分参数，通过LCD1602的时间参数显示及按键的参数等值加减功能，用行列式按键中k1至k4调整键调整每天t1时刻，用k5至k8调整键调整t2，调整完毕后按k9调整键，系统自动将t1保存在24C04A中，并将t2作为当前时间的时分，应用系统继续运行。
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