CN107329497B - 一种基于光敏电阻元件的太阳跟踪实现技术 - Google Patents

Abstract

为了解决现有较高精度太阳跟踪器的核心驱动技术复杂、设备成本高的问题，本发明利用光敏电阻元件在光照射强度变化时，其自身电阻值会随之发生相应改变的特性，并根据光敏电阻元件与固定值电阻元件在固定电压的电路中串联后，当其所受阳光的照射强度发生改变时，其高电位值亦随之发生相应变化的规律，提供了一种通过驱动电机旋转对太阳位置进行实时跟踪的简单技术与方法，并给出了实现该技术与方法的优选实施方案。该实施方案中的所述装置，结构简单，灵敏度高，成本低，易于维护保养，适用于各种太阳能设备，可以在民用方面的光伏发电、采光、吸热等领域推广普及应用，具有较高的社会与经济效益。

Description

一种基于光敏电阻元件的太阳跟踪实现技术

技术领域

本发明属于光机电一体化技术领域，涉及一种太阳跟踪技术，特别是涉及一种基于光敏电阻元件的不依赖于单片机、使用简单电子控制电路即可实现太阳跟踪功能的简单技术。

背景技术

随着太阳能光热、光电转换技术的日趋成熟，利用太阳能的产品也在不断迅猛增多，太阳能的有效利用正在为人类的绿色节能环保、生产生活便捷发挥着巨大作用。太阳能作为一种不竭的可再生新能源，已经受到了人类的高度重视与依赖，它将成为人类今后生产生活的重要能源支柱。

人类利用太阳能的途径之一就是利用专业设备对太阳光进行采集、发电、蓄热、照明。然而，由于地球自转及公转的原因，地面上的太阳能专业设备与太阳之间的相对位置时刻都在变化，这就给专业设备对太阳光采集的效率带来了严重影响。针对太阳跟踪应用技术，国内外学者曾做过专题研究，对光伏发电采用双轴太阳自动跟踪后，其发电效率比固定式光伏发电效率提高41％。由此可见，对太阳能设备辅以精确的太阳跟踪系统十分必要。

为了使太阳能设备时刻与太阳保持着正对的位置姿势，以便最大限度地提高太阳能的利用效率，人们引入了太阳跟踪技术。目前，人们常用的高精度太阳跟踪技术，依据其核心控制逻辑原理主要分为：视日轨迹跟踪法、传感器跟踪法两大类。

(1)视日轨迹跟踪法。根据太阳能设备所处的实地位置(大地经纬度坐标)，运用复杂的专业数学计算，计算出每分或每秒太阳的位置参数(太阳高度角、太阳方位角)，据此，驱动设备实时计算出每分或每秒应转动的角度，然后驱动太阳能设备根据太阳位置的变化实时保持转动。

优点：对太阳的跟踪精度较高，不受外界因素的干扰；

缺点：对于安置在不同区域的设备，其存储的太阳位置参数也不一样，需因地制宜，因此，设备在不同地域应用前要进行不同的初始化计算，通用性欠佳；驱动系统不能识别天气状况，总是在全天候地工作，浪费了大量的不必要运行成本；设备技术含量要求过高、投资成本高、维护难度大、推广应用的普及性差。

(2)传感器跟踪法。借助线阵式或面阵式的光电池或光感器矩阵，根据其瞬间内能够接收到太阳光照射的所有光电池或光感器的位置分布情况，通过计算机控制系统推算并确定出太阳位置的变化趋势及准确位置，然后，驱动电动机旋转，从而实现跟踪目的。

优点：对太阳的跟踪精度较高，对室外环境的适用性强；

缺点：控制系统原理复杂、设备价格昂贵、维护难度大、推广普及应用性差。

综上，目前，人们常用的精度较高的两类太阳跟踪装置，其核心控制驱动部件均需依赖于单片机(微型计算机系统)，其共同缺点是：设备价格昂贵、维护难度大、普及推广应用性差。于是，人们期待着一种能够摆脱单片机、原理及结构简单、成本低廉的新型的高精度太阳跟踪技术的早日出现。

发明内容

本发明为了解决现有较高精度太阳跟踪器的核心驱动技术复杂、设备成本高的问题，利用光敏电阻元件在光照射强度变化时，其自身电阻值会随之发生相应改变的特性，并根据光敏电阻元件与固定值电阻元件在固定电压的电路中串联后，当其所受照射阳光的强度发生改变时，其高电位值亦随之发生相应变化的规律，提供了一种通过驱动电机旋转对太阳位置进行实时跟踪的简单技术与方法，并给出了实现该技术与方法的优选实施方案。

本发明所提供的技术方案：一种基于光敏电阻的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，按其功能可划分为环境光检测、水平方向电机旋转驱动、竖向电机旋转驱动三部分。

所述的环境光检测部分，其功能是，视太阳光的可见度决定是否启动系统的太阳跟踪功能。控制电路的核心部分主要由两支并联电路组成，第1支路由1个固定值电阻元件与1个可调电阻元件串联而成，第2支路由1个固定值电阻元件与1个光敏电阻元件串联而成。光敏电阻元件的受光面向上并与地面保持平行，架设于阳光不受遮挡之处。可调电阻元件的高端电位值作为系统启动的光感阀门值，当光敏电阻元件的高电位值大于光感阀门值时，系统的太阳跟踪功能开始启动，水平电机开始顺时针方向驱动旋转。

所述的水平方向电机旋转驱动部分，其功能是，对太阳在水平面上的投影位置进行实时驱动跟踪。控制电路的核心部分主要由两支并联电路组成，两支路分别由1个固定值电阻元件与1个光敏电阻元件等序串联而成。第1支路中的光敏电阻元件放置于一竖向条状凹槽内的中间位置，光敏电阻元件的受光面与凹槽底部平面平行。第2支路的光敏电阻元件安置于凹槽外部顶端，其受光面与凹槽底部平面平行，其中心点与凹槽内光敏电阻元件的中心点保持在同一竖线上，且上述两只光敏电阻元的受光面同向。系统开启后，水平电机按照顺时针方向旋转，当两只光敏电阻元件的受光照射量相等，且它们的高电位值又大于光感阀门值时，水平电机的旋转动作马上停止，同时接续启动竖向电机的旋转驱动功能。

所述的竖向电机旋转驱动部分，其功能是，对太阳在竖向上的位置进行实时驱动跟踪。控制电路的核心部分主要由2支并联电路组成，每支电路分别由1个固定值电阻元件与1个光敏电阻元件等序串联而成。第1支路的光敏电阻元件放置于一个横向条状凹槽的中间位置，光敏电阻元件的受光面与凹槽底部平面平行。第2支路的光敏电阻元件安置于凹槽外部顶端中间位置，其受光面与凹槽底部平面平行，其中心点与凹槽内光敏电阻元件的中心点保持在同一竖线上，且上述两只光敏电阻元的受光面同向。太阳在水平面上的投影位置被系统对准后，水平电机停止旋转，竖向电机开始驱动旋转，当两只光敏电阻元件的受光照射量相等，且它们的高电位值又大于光感阀门值时，竖向电机的旋转动作停止，竖直方向上的太阳跟踪动作成功完成。

优选地，根据太阳光的照射强度，可以通过人工调节的方式对其阻值进行调整，确定出系统启动所需的不同的光感阀门值。

优选地，所述5只光敏电阻元件均为可见光光敏电阻，均为同一型号、同一批次的相同产品，其直径均以4～5mm为宜，其暗电阻值的取值范围应在1.0MΩ～2.0MΩ之间为宜。

优选地，所述12个固定值电阻元件均为同一电阻值、同一型号、同一批次的电阻元件，其阻值的取值范围应在10KΩ～15KΩ之间为宜。

优选地，所述条状凹槽，其外型呈喇叭状，上口宽度小，底部宽度大，其上口内径宽度与光敏电阻元件宽度相等，上口内径长度以12～16cm为宜，深度以1.5～2.0cm为宜，底部宽度以3.5～4.5cm为宜。

优选地，为了尽可能地排除外界漫反射光的干扰，除用于环境光检测的1只光敏电阻元件以外，其余4只光敏电阻元件的表面均覆盖线偏振光片，线偏振光片的透过方向与所述条状凹槽的长边方向平行。

优选地，所述的水平方向、竖直方向上的电机驱动控制动作，其特征在于，竖直方向上的电机驱动控制动作是在水平方向上的电机驱动控制动作完成后进行的，两个动作是接续进行而不是同时进行的，目的是为了节省电机的驱动能耗。

优选地，光敏电阻元件高电位值大小的比较，是通过电压比较器元件实施完成的。

优选地，电机转动的驱动控制，是通过电压比较器、三极管开关、小型继电器三种电子元件联合完成的。

本发明的有益效果：

较比现有的各种类型的太阳跟踪装置，本发明的优势及亮点主要体现在如下几个方面：

(1)太阳的跟踪精度高，且能够根据天气状况自动启动或关闭系统，达到节能效果；

(2)在旋转驱动控制原理、装置结构方面有了质的简化，使得装置的建造成本有了大幅降低，尤其是驱动控制主板的成本总价仅为数十元人民币；

(3)装置的运行可靠程度高、故障率低，易维护，维修或维护的成本低，适用于普通的太阳能储能设备；

(4)具有较强的实用性，能够为我国今后太阳能利用技术的进一步普及应用提供有力帮助，其社会与经济效益较高。

附图说明

图1本发明所述装置的外观主视图。

图2本发明所述装置的外观正视图。

图3本发明所述装置的外观右视图。

图4本发明所述装置的外观后视图。

图5本发明所述太阳水平对准器的示意图。

图6本发明所述太阳竖向对准器的示意图。

图7本发明所述水平方向上电机驱动的控制原理图。

图8本发明所述竖直方向上电机驱动的控制原理图。

图9本发明所述装置的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：

如图1所示，本发明所述的一种全自动太阳跟踪装置，包括：太阳能采光板支架1、竖向太阳对准器2、水平太阳对准器3、采光板支架转动驱动臂4、竖向转动驱动齿轮5、竖向转动驱动齿轮支架6、竖向旋转驱动马达7、水平旋转平台8、水平转动驱动齿轮9、水平旋转驱动马达10、装置支架旋转轴承11、日落位置触点12、日出位置触点13、日出位置探针14、日落位置探针15、竖向转动支架16、底座17。

如图1所示，所述的太阳能采光板支架1通过轴承与竖向转动支架16固定连接，它同时通过采光板支架转动驱动臂4与竖向转动驱动齿轮5连接，竖向转动驱动齿轮5在竖向转动驱动齿轮支架6的固定下，与竖向旋转驱动马达7的转动齿轮紧密衔接；所述的水平旋转平台8分别与竖向转动驱动齿轮支架6、竖向转动支架16、竖向旋转驱动马达7、水平转动驱动齿轮9固定连接，日出位置探针14、日落位置探针15被分别固定在水平转动驱动齿轮9的外沿底部；所述的装置支架旋转轴承11分别与底座17、水平旋转驱动马达10固定连接；所述的水平旋转驱动马达10通过自身齿轮与水平转动驱动齿轮9紧密衔接；所述的日落位置触点12、日出位置触点13被分别固定在底座17上；所述的竖向太阳对准器2被安置在太阳能采光板支架1的底部中间位置；所述的水平太阳对准器3被安置在竖向转动支架16的顶端，其水平投影中心位于太阳能采光板支架1的法线水平投影线上，并与太阳能采光板支架1的朝向一致。

如图5所示，本发明所述的水平太阳对准器，包括：用于检测环境光的光敏电阻元件1、采集水平参考阳光的光敏电阻元件2、固定板3、凹槽4、采集水平对准阳光的光敏电阻元件5、线偏振光片6。

如图6所示，本发明所述的竖向太阳对准器，包括：采集竖向参考阳光的光敏电阻元件1、采集竖向对准阳光的光敏电阻元件2、固定板3、凹槽4、线偏振光片5。

如图7所示，本发明所述装置的水平方向上的电机驱动控制原理图，线路元件包括：光敏电阻(1MΩ)3只、12V直流电压变压器1个、电压比较器(LM339N)2只、三极管(C2073)3只、固定值电阻元件(10KΩ)8只、可调电阻元件(10KΩ)1只、微型继电器4个、单向可控硅元件(BT151-500R)1只、保险丝管(1A)1只、水平旋转驱动马达1个。其中，图中所标注的A、B、C、D四个连接点分别与图8中的A、B、C、D四点对应连接，E1、E2两点为日出时所述装置在水平方向上开始太阳跟踪的一对初始化触碰点，F1、F2两点为日落时所述装置在水平方向上进行归位的一对触碰点。

如图8所示，本发明所述装置的竖直方向上的电机驱动控制原理图，线路元件包括：光敏电阻(1MΩ)2只、电压比较器(LM339N)1只、三极管(C2073)2只、固定值电阻元件(10KΩ)4只、微型继电器2个、竖向旋转驱动马达1个。其中，图中所标注的A、B、C、D四个连接点分别与图7中的A、B、C、D四点对应连接。

如图9所示，本发明实施例的工作流程：清晨，当太阳升起后，所述装置的水平太阳对准器3的环境光检测光敏电阻元件对太阳光照强度进行检测判断，当光照强度达到或超过光感阀门值时，所述装置开始启动。水平转动驱动马达10开始转动，它通过水平转动驱动齿轮9开始对水平转动平台8按顺时针方向驱动转动。当水平太阳对准器3的法线水平投影指向太阳在水平面上的投影点时，用于采集水平参考阳光、水平对准阳光的两只光敏电阻元件所受太阳光照射强度相等，则水平转动驱动马达10停止转动，此刻，水平方向上的太阳跟踪动作完成，随即在竖向上的太阳跟踪动作开始启动。竖向转动驱动电机7开始转动，通过竖向转动驱动齿轮5、采光板支架竖向转动驱动臂4的共同作用，驱动太阳能采光板支架1在竖直方向上围绕连接轴承向上/下转动，当竖向太阳对准器2的用于采集竖向参考阳光、竖向对准阳光的两只光敏电阻元件所受太阳光照射强度相等时，竖向转动驱动电机7停止转动。此时，所述装置已经完成了一个太阳跟踪动作，如此往复，……。直到太阳开始落山，当光照强度小于光感阀门值时，所述装置停止工作。次日清晨，当太阳再次升起且光照强度达到或超过光感阀门值时，水平转动驱动马达10开始按顺时针方向继续转动，日落位置指针15一旦触碰到日落位置触点12，水平转动驱动马达10立刻按照逆时针方向反向转动，当日出位置探针14触碰到日出位置触点13时，水平转动驱动马达10再次逆转转动方向，开始按照顺时针方向转动并找寻太阳位置，自即刻起，新一天的太阳跟踪工作重新正式开始，……。

本发明所述的全自动太阳跟踪装置，结构简单，灵敏度高，成本低，易于维护保养，适用于各种太阳能设备，可以在民用方面的光伏发电、采光、吸热等领域推广普及应用。

所述实施例为本发明的优选实施方案，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明实质内容的情况下，本领域技术人员所能做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于光敏电阻元件的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，按其功能可划分为环境光检测、水平方向电机旋转驱动、竖向电机旋转驱动三部分，其特征在于：

（1）所述的环境光检测部分，其功能是，视太阳光的可见度决定是否启动系统的太阳跟踪功能，控制电路的核心部分由两支并联电路组成，第1支路由1个固定值电阻元件与1个可调电阻元件串联而成，第2支路由1个固定值电阻元件与1个光敏电阻元件串联而成，光敏电阻元件的受光面向上并与地面保持平行，架设于阳光不受遮挡之处，可调电阻元件的高端电位值作为系统启动的光感阀门值，当光敏电阻元件的高电位值大于光感阀门值时，系统的太阳跟踪功能开始启动，水平电机开始顺时针方向驱动旋转；

（2）所述的水平方向电机旋转驱动部分，其功能是，对太阳在水平面上的投影位置进行实时驱动跟踪，控制电路的核心部分由两支并联电路组成，两支路分别由1个固定值电阻元件与1个光敏电阻元件等序串联而成，第1支路中的光敏电阻元件放置于一竖向条状凹槽内的中间位置，光敏电阻元件的受光面与凹槽底部平面平行，第2支路的光敏电阻元件安置于凹槽外部顶端，其受光面与凹槽底部平面平行，其中心点与凹槽内光敏电阻元件的中心点保持在同一竖线上，且两只光敏电阻元的受光面同向，系统开启后，水平电机按照顺时针方向旋转，当两只光敏电阻元件的受光照射量相等，且它们的高电位值又大于光感阀门值时，水平电机的旋转动作马上停止，同时接续启动竖向电机的旋转驱动功能；

（3）所述的竖向电机旋转驱动部分，其功能是，对太阳在竖向上的位置进行实时驱动跟踪，控制电路的核心部分由2支并联电路组成，每支电路分别由1个固定值电阻元件与1个光敏电阻元件等序串联而成，第1支路的光敏电阻元件放置于一个横向条状凹槽的中间位置，光敏电阻元件的受光面与凹槽底部平面平行，第2支路的光敏电阻元件安置于凹槽外部顶端中间位置，其受光面与凹槽底部平面平行，其中心点与凹槽内光敏电阻元件的中心点保持在同一竖线上，且两只光敏电阻元的受光面同向，太阳在水平面上的投影位置被系统对准后，水平电机停止旋转，竖向电机开始驱动旋转，当两只光敏电阻元件的受光照射量相等，且它们的高电位值又大于光感阀门值时，竖向电机的旋转动作停止，竖直方向上的太阳跟踪动作成功完成。

2.根据权利要求1所述的基于光敏电阻元件的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，其特征在于，根据太阳光的照射强度，可以通过人工调节的方式对其阻值进行调整，确定出系统启动所需的不同的光感阀门值。

3.根据权利要求1所述的基于光敏电阻元件的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，其特征在于，光敏电阻元件均为可见光光敏电阻，均为同一型号、同一批次的相同产品，其直径均以4～5mm为宜，其暗电阻值的取值范围应在1.0MΩ～2.0MΩ之间为宜。

4.根据权利要求3所述的基于光敏电阻元件的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，其特征在于，为了尽可能地排除外界漫反射光的干扰，除用于环境光检测的1只光敏电阻元件以外，其余4只光敏电阻元件的表面均覆盖线偏振光片，线偏振光片的透过方向与所述条状凹槽的长边方向平行。

5.根据权利要求1所述的基于光敏电阻元件的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，其特征在于，固定值电阻元件均为同一电阻值、同一型号、同一批次的电阻元件，其阻值的取值范围应在10KΩ～15KΩ之间为宜。

6.根据权利要求1所述的基于光敏电阻元件的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，其特征在于，条状凹槽其外型呈喇叭状，上口宽度小，底部宽度大，其上口内径宽度与光敏电阻元件宽度相等，上口内径长度以12～16cm为宜，深度以1.5～2.0cm为宜，底部宽度以3.5～4.5cm为宜。

7.根据权利要求1所述的基于光敏电阻元件的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，其特征在于，竖直方向上的电机驱动控制动作是在水平方向上的电机驱动控制动作完成后进行的，两个动作是接续进行而不是同时进行的，目的是为了节省电机的驱动能耗。

8.根据权利要求1所述的基于光敏电阻元件的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，其特征在于，光敏电阻元件高电位值大小的比较是通过电压比较器元件实施完成的。

9.根据权利要求1所述的基于光敏电阻元件的驱动电机旋转对太阳位置实时跟踪的电子控制电路，其特征在于，电机旋转的驱动控制是通过电压比较器、三极管开关、小型继电器三种电子元件联合完成的。

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