CN107807675A - 基于正交测光传感的能量跟踪采集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，属于太阳能跟踪技术领域，基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，包括下箱体，所述下箱体的内侧固定连接有储能电瓶和单片机电路板，所述储能电瓶和单片机电路板电性连接，所述下箱体的上端设有方位角传动机构，所述方位角传动机构的上端设有上箱体机构，所述上箱体机构的上端设有高度角传动机构，所述高度角传动机构的上端设有主太阳能电池板，所述主太阳能电池板上设有正交测光传感器模块，它可以实现能够更好的自动跟踪采集太阳光，进一步提高太阳能电池的光电能量转化率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能跟踪技术领域，更具体地说，涉及基于正交测光传感的能量跟踪采集系统及方法。
背景技术
能源是人类生存的基础，当前人类面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，而太阳能作为一种新型能源，具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，引起了人们的普遍关注，由于太阳能存在低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，当前一系列的太阳能设备对太阳能的利用率不高，而太阳能光线自动跟踪装置是提高太阳能发电的效率的有效途径，在太阳能发电装置正式投产前，需研制一个模拟系统，重点研究太阳能发电装置自动跟踪太阳光线位置，调整太阳能电池板光照摄射角度，以提高太阳能电池的光电能量转化率。
如何跟踪太阳并使太阳能电池板始终垂直于光线来获取更多的太阳能量，是目前业界研究的热点。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，它可以实现通过基于正交测光传感的能量跟踪采集系统既本模拟系统，能够更好的自动跟踪采集太阳光，进一步提高太阳能电池的光电能量转化率。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，包括下箱体，所述下箱体的内侧固定连接有储能电瓶和单片机电路板，所述储能电瓶和单片机电路板电性连接，所述下箱体的上端设有方位角传动机构，所述方位角传动机构的上端设有上箱体机构，所述上箱体机构的上端设有高度角传动机构，所述高度角传动机构的上端设有主太阳能电池板，所述主太阳能电池板上设有正交测光传感器模块，所述方位角传动机构包括第二减速齿轮、第一带座轴承、第一电机安装板和第二减速电机，所述第二减速电机通过第一电机安装板连接在下箱体上，所述第二减速齿轮啮合连接在第二减速电机的转动端上，所述第二减速齿轮上穿插有垂直轴，所述垂直轴通过第一带座轴承连接在下箱体上，所述上箱体机构包括上箱体，所述上箱体的下端与垂直轴固定连接，所述高度角传动机构包括第一减速齿轮、第二带座轴承、水平轴和第一减速电机，所述第二带座轴承固定连接在上箱体的上端，所述水平轴转动连接在第二带座轴承上，所述上箱体的内侧通过第二电机安装板连接有第一减速电机，所述第一减速电机的转动端啮合连接有第一减速齿轮，所述水平轴穿插在第一减速齿轮上，所述水平轴的两端均固定连接有安装杆，所述安装杆远离水平轴的一端固定连接有主太阳能电池板，所述主太阳能电池板、第一减速电机、第二减速电机均与单片机电路板电性连接，实现通过本模拟系统既基于正交测光传感的能量跟踪采集系统能够更好的自动跟踪采集太阳光，进一步提高太阳能电池的光电能量转化率。
优选地，所述下箱体和上箱体的每个端部均连接有角件，角件使下箱体和上箱体的结构稳定性更高，且角件可以方便对本模拟系统进行结构扩充。
优选地，所述正交测光传感器模块包括第一隔光板、第一光电传感器、紧固螺钉、第二光电传感器、连接板、第四光电传感器、第二隔光板和第三光电传感器，一对所述第一隔光板相互平行，一对所述第二隔光板相互平行，所述第一隔光板与第二隔光板相互垂直，所述一对第一隔光板和一对第二隔光板之间均通过连接板连接在主太阳能电池板的端部，且第一隔光板和第二隔光板均与主太阳能电池板保持垂直，一对所述第一隔光板靠近第二隔光板的一端均连接第二光电传感器，一对所述第一隔光板远离第二隔光板的一端均连接有第一光电传感器，一对所述第二隔光板的正面上均连接有第三光电传感器，一对所述第二隔光板的背面均连接有第四光电传感器，所述第一光电传感器、第二光电传感器、第三光电传感器和第四光电传感器均与单片机电路板电性连接，正交测光传感器模块的测量范围广，测量精度高，结构简单，最小测量偏差决定于第一隔光板和第二隔光板的长度，在大、小角度偏差时，正交测光传感器模块能在任何有太阳光线时，使主太阳能电池板自动跟踪太阳光线，直至消除偏差。
优选地，所述单片机电路板采用AT89C51单片微处理器、L298双H桥电机驱动电路和三端稳压集成电路H7805，使单片机电路板结构简单，取材容易，造价低廉，性能稳定可靠，控制灵敏，定位准确的特点。
优选地，所述上箱体上设有子追踪机构，所述子追踪机构包括固定杆，所述固定杆的下端与上箱体固定连接，且固定杆不与主太阳能电池板相接触，所述固定杆的上端固定连接有第三减速电机，所述第三减速电机的转动端通过连接杆连接有转环，所述转环的外侧安装有多个副太阳能电池板，多个所述副太阳能电池板环绕转环均匀排布，所述单片机电路板电性连接有带有滤波器的数据处理器，所述第三减速电机和多个副太阳能电池板均与数据处理器电性连接，当天气由阴雨天转晴时，阳光的照射角度在正交测光传感器模块的测量范围之外，正交测光传感器模块的正交测光中无法检测入射光方位角偏差，本模拟系统处于中断程序运行状态时，多个所述副太阳能电池板的发电功率一旦存在一个处于波峰的数据，被滤波器滤出后经过数据处理器处理后反馈单片机电路板，同时单片机电路板结束中断程序，启动第二减速电机，完成对阳光的继续跟踪。
基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，其使用方法为，
S1、首先将控制逻辑编码编入单片机电路板中的AT89C51单片微处理器中；
S2、通过螺钉将下箱体的下端固定连接在建筑的高处；
S3、然后手动转动转环，使转环上的其中一块副太阳能电池板的朝向与主太阳能电池板方位角的朝向一致；
S4、再对本模拟系统进行调试；
S5、准备一个带有与主太阳能电池板相同太阳能电池板的普通太阳能发电设备紧靠下箱体安装，将普通太阳能发电装置的太阳能电池板正对南；
S6、安排人员对本模拟系统和普通太阳能发电设备电流、电压、功率进行定时采集。
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本方案通过实现通过本模拟系统既基于正交测光传感的能量跟踪采集系统能够更好的自动跟踪采集太阳光，进一步提高太阳能电池的光电能量转化率。
(2)下箱体和上箱体的每个端部均连接有角件，角件使下箱体和上箱体的结构稳定性更高，且角件可以方便对本模拟系统进行结构扩充。
(3)正交测光传感器模块的测量范围广，测量精度高，结构简单，最小测量偏差决定于第一隔光板和第二隔光板的长度，在大、小角度偏差时，正交测光传感器模块能在任何有太阳光线时，使主太阳能电池板自动跟踪太阳光线，直至消除偏差。
(4)单片机电路板采用AT89C51单片微处理器、L298双H桥电机驱动电路和三端稳压集成电路H7805，使单片机电路板结构简单，取材容易，造价低廉，性能稳定可靠，控制灵敏，定位准确的特点。
(5)当天气由阴雨天转晴时，阳光的照射角度在正交测光传感器模块的测量范围之外，正交测光传感器模块的正交测光中无法检测入射光方位角偏差，本模拟系统处于中断程序运行状态时，多个所述副太阳能电池板的发电功率一旦存在一个处于波峰的数据，被滤波器滤出后经过数据处理器处理后反馈单片机电路板，同时单片机电路板结束中断程序，启动第二减速电机转动，完成对阳光的继续跟踪。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的高度角传动机构部分的结构示意图；
图3为本发明的方位角传动机构部分的结构示意图；
图4为图1中添加子追踪机构的结构示意图；
图5为本发明的子追踪机构侧面部分的结构示意图；
图6为本发明的子追踪机构的俯视图；
图7为本发明的正交测光传感器模块部分的结构示意图；
图8为本发明的正交测光传感器模块的输出编码表；
图9为本发明的S6步骤中采集的数据表；
图10为本发明单片机电路板部分的电路原理图。
图中标号说明：
1主太阳能电池板、2高度角传动机构、3上箱体机构、4正交测光传感器模块、5方位角传动机构、6储能电瓶、7单片机电路板、8下箱体、9上箱体、10角件、11第一减速齿轮、12第二带座轴承、13水平轴、14第一减速电机、15第二减速齿轮、16第一带座轴承、17第一电机安装板、18第二减速电机、19固定杆、20第三减速电机、21副太阳能电池板、22连接杆、23转环、24第一隔光板、25第一光电传感器、26紧固螺钉、27第二光电传感器、28连接板、29第四光电传感器、30第二隔光板、31第三光电传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
实施例1：
请参阅图1-4，基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，包括下箱体8，下箱体8的内侧固定连接有采用12V10AH蓄电池的储能电瓶6和单片机电路板7，储能电瓶6和单片机电路板7电性连接，下箱体8的上端设有方位角传动机构5，方位角传动机构5的上端设有上箱体机构3，上箱体机构3的上端设有高度角传动机构2，高度角传动机构2的上端设有主太阳能电池板1，主太阳能电池板1采用60W太阳能电池板，其最大功率点输出电压为17.4V，最大功率点输出电流为3.46A，主太阳能电池板1上设有正交测光传感器模块4，方位角传动机构5包括第二减速齿轮15、第一带座轴承16、第一电机安装板17和第二减速电机18，第二减速电机18通过第一电机安装板17连接在下箱体9上，第二减速齿轮15啮合连接在第二减速电机18的转动端上，第二减速齿轮15上穿插有垂直轴，垂直轴通过第一带座轴承16连接在下箱体8上，上箱体机构3包括上箱体9，上箱体9的下端与垂直轴固定连接，高度角传动机构2包括第一减速齿轮11、第二带座轴承12、水平轴13和第一减速电机14，第二带座轴承12固定连接在上箱体9的上端，水平轴13转动连接在第二带座轴承12上，上箱体9的内侧通过第二电机安装板连接有第一减速电机14，第一减速电机14和和第二减速电机18均采用蜗轮蜗杆减速电机，蜗轮蜗杆减速电机带有小型蜗轮蜗杆减速箱，不仅使机械结构紧凑，便于安装调试，而且能得到较低的输出转速0.6r/min；当需要停止运动时，还能在不消耗系统电能的情况下锁定机械负载，第一减速电机14的转动端啮合连接有第一减速齿轮11，水平轴13穿插在第一减速齿轮11上，水平轴13的两端均固定连接有安装杆，安装杆远离水平轴13的一端固定连接有主太阳能电池板1，主太阳能电池板1、第一减速电机14、第二减速电机18均与单片机电路板7电性连接。
下箱体8和上箱体9的每个端部均连接有角件10，角件10使下箱体8和上箱体9的结构稳定性更高，且角件10可以方便对本模拟系统进行结构扩充。
请参阅图7-8，正交测光传感器模块4包括第一隔光板24、第一光电传感器25、紧固螺钉26、第二光电传感器27、连接板28、第四光电传感器29、第二隔光板30和第三光电传感器31，一对第一隔光板24相互平行，一对第二隔光板30相互平行，第一隔光板24与第二隔光板30相互垂直，一对第一隔光板24和一对第二隔光板30之间均通过连接板28连接在主太阳能电池板1的端部，且第一隔光板24和第二隔光板30均与主太阳能电池板1保持垂直，形成正交测光，一对第一隔光板24靠近第二隔光板30的一端均连接第二光电传感器27，一对第一隔光板24远离第二隔光板30的一端均连接有第一光电传感器25，一对第二隔光板30的正面上均连接有第三光电传感器31，一对第二隔光板30的背面均连接有第四光电传感器29，第一光电传感器25、第二光电传感器27、第三光电传感器31和第四光电传感器29均与单片机电路板7电性连接，正交测光传感器模块4包括A组测光模块和B组测光模块，A组测光模块包括第一光电传感器25、第二光电传感器27和第一隔光板24，B组测光模块包括第三光电传感器31、第四光电传感器29和第二隔光板30，正交测光就是当A组检测入射光方位角偏差时，B组能同时检测入射光的高度角偏差。
入射光的偏差检测原理是当太阳光以第一隔光板24或第二隔光板30的顶端方向垂直入射A组测光模块或B组测光模块时，第一隔光板24或第二隔光板30两侧同时受光，则说明主太阳能电池板1在该方向是正对太阳没有偏差，此时该组测光模块输出编码为00；如果太阳光入射稍有点偏，那第一隔光板24或第二隔光板30的两个侧面一个受光另一个不受光，此时该组测光模块输出编码将是10或01，如图8中，A、B分别代表A组测光模块输出编码和B组测光模块输出编码，A、B电机分别代表第一减速电机14和第二减速电机18。
正交测光传感器模块4的测量范围广，测量精度高，但结构简单，最小测量偏差决定于第一隔光板24或第二隔光板30的长度，在大、小角度偏差时，正交测光传感器模块4能在有太阳光线时，使太阳能电池板自动跟踪太阳光线，直至消除偏差。
请参阅图10，单片机电路板7采用AT89C51单片微处理器、L298双H桥电机驱动电路和三端稳压集成电路H7805，由于AT89C51单片微处理器的工作电压范围为5.5V-3.4V，而储能电瓶6的输出电压要远髙于5V，采用性能稳定的三端稳压集成电路H7805来实现电压转换，从而使单片机电路板7结构简单，取材容易，造价低廉，性能稳定可靠，控制灵敏，定位准确的特点。
请参阅4-6，上箱体9上设有子追踪机构，子追踪机构包括竖直的固定杆19，固定杆19的下端与上箱体9固定连接，保持固定杆19的位置在自动跟踪过程中，固定杆19始终不与主太阳能电池板1相接触也不受主太阳能电池板1的遮挡，固定杆19的上端固定连接有第三减速电机20，第三减速电机20的转动端通过连接杆22连接有转环23，转环23的外侧安装有多个竖直的副太阳能电池板21，多个副太阳能电池板21环绕转环23均匀排布，单片机电路板7电性连接有带有滤波器的数据处理器，第三减速电机20和多个副太阳能电池板21均与数据处理器电性连接，当天气由阴雨天转晴时，阳光的照射角度在正交测光传感器模块4的测量范围之外，正交测光传感器模块4的正交测光中无法检测入射光方位角偏差，本模拟系统处于中断程序运行状态时，多个副太阳能电池板21的发电功率一旦存在一个处于波峰的数据，被滤波器滤出后经过数据处理器处理后反馈单片机电路板7，同时单片机电路板7结束中断程序，启动第二减速电机18，完成对阳光的继续跟踪。
基于正交测光传感的能量跟踪采集方法，包括如下步骤：
S1、首先将控制逻辑编码编入单片机电路板7中的AT89C51单片机微处理器中，中断程序的编入使无光线的情况下自动跟踪过程能自动停止，节约能量；
S2、通过螺钉将下箱体8的下端固定连接在建筑的高处；
S3、然后手动转动转环23，使转环23上的其中一块副太阳能电池板21的朝向与主太阳能电池板1方位角的朝向一致，通过控制第三减速电机20保持转环23与垂直轴的转速相同，始终使该副太阳能电池板21与主太阳能电池板1的朝向一致，再进一步提高太阳能电池的光电能量转化率；
S4、再对本模拟系统进行调试；
S5、准备一个带有与主太阳能电池板1相同太阳能电池板的普通太阳能发电设备紧靠下箱体8安装，将普通太阳能发电装置的太阳能电池板始终正对南，保持正南固定对光，通过追踪对光与正南固定对光这两个不同量进行对比研究；
S6、请参阅图8-9，安排人员对本模拟系统和普通太阳能发电设备电流、电压、功率进行定时采集，左边的为本模拟系统追踪对光的数据，右边的为普通太阳能发电设备正南固定对光的数据，根据图中数据可知本模拟系统追踪对光相比较普通太阳能发电设备正南固定对光提高了光电能量转化率。
本模拟系统既基于正交测光传感的能量跟踪采集系统结构简单，使用不同于现有技术中单轴追踪的双轴跟踪，主太阳能电池板1既可通过第一减速电机14带动水平轴13的转动控制高度角的跟踪，又可通过第二减速电机18带动垂直轴的转动控制方位角的跟踪，形成一种双轴全向运动机构，配合使用正交测光传感器模块4进行入射光的偏差检测来进行双轴跟踪的辅助控制，最后使用子追踪机构，进一步完善正交测光传感器模块4，并利用副太阳能电池板21增加对阳光的采集，能够更好的自动跟踪采集太阳光，进一步提高太阳能电池的光电能量转化率。
以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，包括下箱体(8)，所述下箱体(8)的内侧固定连接有储能电瓶(6)和单片机电路板(7)，所述储能电瓶(6)和单片机电路板(7)电性连接，其特征在于：所述下箱体(8)的上端设有方位角传动机构(5)，所述方位角传动机构(5)的上端设有上箱体机构(3)，所述上箱体机构(3)的上端设有高度角传动机构(2)，所述高度角传动机构(2)的上端设有主太阳能电池板(1)，所述主太阳能电池板(1)上设有正交测光传感器模块(4)，所述方位角传动机构(5)包括第二减速齿轮(15)、第一带座轴承(16)、第一电机安装板(17)和第二减速电机(18)，所述第二减速电机(18)通过第一电机安装板(17)连接在下箱体(8)上，所述第二减速齿轮(15)啮合连接在第二减速电机(18)的转动端上，所述第二减速齿轮(15)上穿插有垂直轴，所述垂直轴通过第一带座轴承(16)连接在下箱体(8)上，所述上箱体机构(3)包括上箱体(9)，所述上箱体(9)的下端与垂直轴固定连接，所述高度角传动机构(2)包括第一减速齿轮(11)、第二带座轴承(12)、水平轴(13)和第一减速电机(14)，所述第二带座轴承(12)固定连接在上箱体(9)的上端，所述水平轴(13)转动连接在第二带座轴承(12)上，所述上箱体(9)的内侧通过第二电机安装板连接有第一减速电机(14)，所述第一减速电机(14)的转动端啮合连接有第一减速齿轮(11)，所述水平轴(13)穿插在第一减速齿轮(11)上，所述水平轴(13)的两端均固定连接有安装杆，所述安装杆远离水平轴(13)的一端固定连接有主太阳能电池板(1)，所述主太阳能电池板(1)、第一减速电机(14)、第二减速电机(18)均与单片机电路板(7)电性连接。
2.根据权利要求1所述的基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，其特征在于：所述下箱体(8)和上箱体(9)的每个端部均连接有角件(10)。
3.根据权利要求1所述的基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，其特征在于：所述正交测光传感器模块(4)包括第一隔光板(24)、第一光电传感器(25)、紧固螺钉(26)、第二光电传感器(27)、连接板(28)、第四光电传感器(29)、第二隔光板(30)和第三光电传感器(31)，一对所述第一隔光板(24)相互平行，一对所述第二隔光板(30)相互平行，所述第一隔光板(24)与第二隔光板(30)相互垂直，所述一对第一隔光板(24)和一对第二隔光板(30)之间均通过连接板(28)连接在主太阳能电池板(1)的端部，且第一隔光板(24)和第二隔光板(30)均与主太阳能电池板(1)保持垂直，一对所述第一隔光板(24)靠近第二隔光板(30)的一端均连接第二光电传感器(27)，一对所述第一隔光板(24)远离第二隔光板(30)的一端均连接有第一光电传感器(25)，一对所述第二隔光板(30)的正面上均连接有第三光电传感器(31)，一对所述第二隔光板(30)的背面均连接有第四光电传感器(29)，所述第一光电传感器(25)、第二光电传感器(27)、第三光电传感器(31)和第四光电传感器(29)均与单片机电路板(7)电性连接。
4.根据权利要求1所述的基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，其特征在于：所述单片机电路板(7)采用AT89C51单片微处理器、L298双H桥电机驱动电路和三端稳压集成电路H7805，所述AT89C51单片微处理器、L298双H桥电机驱动电路和三端稳压集成电路H7805之间电性连接。
5.根据权利要求3所述的基于正交测光传感的能量跟踪采集系统，其特征在于：所述上箱体(9)上设有子追踪机构，所述子追踪机构包括固定杆(19)，所述固定杆(19)的下端与上箱体(9)固定连接，且固定杆(19)不与主太阳能电池板(1)相接触，所述固定杆(19)的上端固定连接有第三减速电机(20)，所述第三减速电机(20)的转动端通过连接杆(22)连接有转环(23)，所述转环(23)的外侧安装有多个副太阳能电池板(21)，多个所述副太阳能电池板(21)环绕转环(23)均匀排布，所述单片机电路板(7)电性连接有带有滤波器的数据处理器，所述第三减速电机(20)和多个副太阳能电池板(21)均与数据处理器电性连接。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于正交测光传感的能量跟踪采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、首先将控制逻辑编码编入单片机电路板(7)中的AT89C51单片微处理器中；
S2、通过螺钉将下箱体(8)的下端固定连接在建筑的高处；
S3、然后手动转动转环(23)，使转环(23)上的其中一块副太阳能电池板(21)的朝向与主太阳能电池板(1)方位角的朝向一致；
S4、再对本模拟系统进行调试；
S5、准备一个带有与主太阳能电池板(1)相同太阳能电池板的普通太阳能发电设备紧靠下箱体(8)安装，将普通太阳能发电装置的太阳能电池板正对南；
S6、安排人员对本模拟系统和普通太阳能发电设备电流、电压、功率进行定时采集。
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| CN201711234421.0A CN107807675A (zh) | 2017-11-30 | 2017-11-30 | 基于正交测光传感的能量跟踪采集系统及方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109637249A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-04-16 | 上海中侨职业技术学院 | 一种空气流量计传感器故障模拟检测接头及其使用方法 |
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2017
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