CN107943113B - 一种折叠式太阳能自动追踪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种折叠式太阳能自动追踪装置,包括控制系统、收纳箱、多级层叠太阳翼、驱动装置、调整装置以及折叠支架;控制系统包括单片机控制模块、光电检测追踪模块和太阳角追踪模块,光电检测追踪模块通过检测光照信息实现太阳能的自动追踪,太阳角追踪模块通过计算实时的太阳方位角和高度角实现太阳能的自动追踪,单片机控制模块通过调整装置控制多级层叠太阳翼的朝向;多级层叠太阳翼收拢、折叠支架折叠后连同所述驱动装置、调整装置一起能够装入所述箱体。本发明提高了追踪的效率,保证了太阳翼的光吸收表面在不同的天气状况和不同的光照方位下均能垂直于太阳入射线,且实现了太阳翼的重复展开和收拢运动,解决了户外发电供给的问题。

Description

一种折叠式太阳能自动追踪装置
技术领域
本发明属于太阳能发电技术领域,尤其涉及一种折叠式太阳能自动追踪装置。
背景技术
随着时代的前进,人类社会和经济的发展速度日益增加,但是与此同时人类社会的负担和责任也随之增加。能源是国民经济和社会发展的基础,社会经济发展得越快,人类对能源的需求就越大,利用能源时可能对环境造成较大程度的破坏。目前世界的主要能源是由吸收太阳能的植物经亿万年的演化积累而形成的化石能源,如煤炭、石油、天然气等。正是由于上述原因,世界能源问题日益严峻,所以取之不尽用之不竭的太阳能越发受到重视。
太阳能作为一种新型的绿色能源,有着广泛的发展前景。但是现在对太阳能的利用率普遍较低,并且现有跟踪控制器也有着各种缺点。目前较为广泛普及的分布式太阳能发电方式分为两种,一是基于家庭或者单个用电单位的固定式光伏发电阵列,通过将多块较大面积的电池板布置在房屋屋顶、墙面或者周边空地上,经过蓄电池存储和逆变器转化成交流电供用户使用。但是电池板阵列位置固定且占地面积大,不适于野外环境,也不适于普通家庭使用,且不能实现便携和随机使用;二是基于户外运用的小型单块或多块电池板组装体,在户外使用太阳能发电供给时,不可避免地会遇到大面积大尺寸的太阳能电池板的运输和固定问题,因太阳能电池板展开面积大以及材质的问题,在运输和使用的过程中收纳、伸展不方便,容易因存储或保护不当而造成损坏。而且在户外使用的太阳能收集装置也存在的自动化程度低、光能转换效率低的问题。
由此可见,现有技术有待于进一步的改进和提高。
发明内容
本发明为避免上述现有技术存在的不足之处,提供了一种折叠式太阳能自动追踪装置,以自动追踪太阳能的移动轨迹,使太阳光能始终直射用于收集太阳能的太阳翼。
本发明所采用的技术方案为:
一种折叠式太阳能自动追踪装置,包括控制系统、收纳箱、多级层叠太阳翼、用于驱动多级层叠太阳翼展开或收拢的驱动装置、用于调整多级层叠太阳翼的朝向的调整装置以及用于安装所述驱动装置和调整装置的折叠支架;所述控制系统包括单片机控制模块、光电检测追踪模块和太阳角追踪模块,光电检测追踪模块通过检测光照信息实现太阳能的自动追踪,太阳角追踪模块通过计算实时的太阳方位角和高度角实现太阳能的自动追踪,且光电检测追踪模块和太阳角追踪模块均与单片机控制模块相连,光电检测追踪模块还用于判断天气状况并将检测到的天气状况信号实时传输至所述单片机控制模块,若为晴天,则单片机控制模块控制启动光电检测追踪模块,若为阴天或光照不足,则单片机控制模块控制启动太阳角追踪模块,单片机控制模块根据光电检测追踪模块的检测结果或太阳角追踪模块的计算结果通过所述调整装置控制多级层叠太阳翼的朝向;所述收纳箱包括箱体和设置在箱体顶部且与箱体相铰接的箱盖;所述多级层叠太阳翼收拢、折叠支架折叠后连同所述驱动装置、调整装置一起装入所述箱体。
所述多级层叠太阳翼包括传动轴以及沿传动轴的轴向从前至后依次排布的若干片太阳翼,分别为一级太阳翼、二级太阳翼……N级太阳翼,其中,N为大于或等于2的整数;所述驱动装置安装在折叠支架上,驱动装置包括伺服电机和传动机构,伺服电机通过传动机构带动所述传动轴旋转,传动轴旋转时带动所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼依次展开,所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼完全展开时,共同配合形成一个圆形结构,伺服电机反转时,传动轴反转并带动所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼反转并依次收拢,所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼完全收拢后,共同配合形成一个扇形结构;所述调整装置设置在折叠支架的顶部,调整装置包括机械臂及用于驱动机械臂运转的机械臂驱动机构,所述机械臂包括旋转支架和俯仰支架,所述驱动装置安装在俯仰支架上并随俯仰支架同步运动,俯仰支架安装在旋转支架上并随旋转支架同步运动;所述机械臂驱动机构包括旋转电机、俯仰电机和转轴,所述旋转支架包括开口朝上的U型下板,旋转电机设置在U型下板的下方并带动U型下板做旋转运动;所述俯仰支架包括开口朝下的U型上板,U型上板位于U型下板的上方且通过所述转轴与U型下板转动连接,俯仰电机设置在U型上板和U型下板之间并驱动所述转轴旋转。
所述光电检测模块设置在箱盖内侧,光电检测模块包括阴晴天检测电路和光电太阳能方位检测电路;所述阴天检测电路包括第一光敏二极管、第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻,所述第一光敏二极管正端接至第一运算放大器的同相输入端,第一光敏电阻的正端还经第一电阻连接至地,所述第一运算放大器的反相输入端经第二电阻、第三电阻连接至地,第一运算放大器的反相输入端还经第四电阻连接至电源正极;所述第一运算放大器的输出端与所述单片机控制模块相连,第一运算放大器的VCC端与电源正极连接,第一运算放大器的VEE端与地连接;所述光电太阳能方位检测电路包括第二光敏二极管、第三光敏二极管、第四光敏二极管、第五光敏二极管和第六光敏二极管,第三至第六光敏二极管以第二光敏二极管为中心且围绕该中心呈十字分布的方式被布置在一个圆盘的上表面,所述第三至第六光敏二极管彼此之间保持一定的间隙,所述圆盘放置于一顶部具有透光孔的中空圆柱罩内;所述光电太阳能方位检测电路还包括第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻及第九电阻;所述第二至第六光敏二极管的负端均连接至电源正极,第二光敏二极管的正端经第五电阻连接至地,第三光敏二极管的正端经第六电阻连接至地,第四光敏二极管的正端经第七电阻连接至地,第五光敏二极管的正端经第八电阻连接至地,第六光敏二极管的正端经第九电阻连接至地;所述第二光敏二极管的正端还连接至第二运算放大器的同相输入端,第三光敏二极管的正端连接至第二运算放大器的反相输入端,第四光敏二极管的正端连接至第三运算放大器的反相输入端,第五光敏二极管的正端连接至第四运算放大器的反相输入端,第六光敏二极管的正端连接至第五运算放大器的反相输入端;所述第二运算放大器的同相输入端与第三运算放大器的同相输入端、第四运算放大器的同相输入端和第五运算放大器的同相输入端连接。
所述单片机控制模块包括单片机及四组结构组成相同的电机驱动电路,各组电机驱动电路均包括二极管、第一三极管、第二三极管、继电器、第十电阻、第十一电阻和第十二电阻;所述单片机的一个引脚经第十电阻后连接至电源正极且该引脚还经第十一电阻连接至第一三极管的基极;所述第一三极管的集电极分别与第十二电阻的一端、第二三极管的基极连接,所述第十二电阻的另一端连接至电源正极,所述第二三极管的集电极经二极管连接至电源正极,所述第二三极管的集电极还经继电器连接至电源正极,所述第一、第二三极管的发射极均连接至地;所述四组结构组成相同的电机驱动电路的继电器分别与俯仰电机和旋转电机相连,并控制俯仰电机和旋转电机的正反转。
所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼均包括叶片及与叶片固连的槽轮,各槽轮的中央均开设有通孔,传动轴从各通孔内穿过。
所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼的槽轮通孔与传动轴之间均设置有中空支撑导管,相邻两个中空支撑导管之间为螺纹连接。
各所述中空支撑导管与槽轮之间设置有推力球轴承;除一级太阳翼的中空支撑导管以外,二级太阳翼、N-1级太阳翼及N级太阳翼的中空支撑导管的外轮廓均为三级阶梯结构,该三级阶梯结构均包括相连的一级管、二级管和三级管,其中,一级管的外表面设置有外螺纹,各中空支撑导管的内壁上设置有与所述外螺纹相适配的内螺纹,二级管和三级管的交接处设置有用于安装所述推力球轴承的容置槽,推力球轴承安装在二级管、槽轮内壁及容置槽共同配合形成的安装空间内;所述一级太阳翼的中空支撑管的外轮廓为二级阶梯结构,该二级阶梯结构包括相连的四级管和五级管,四级管和五级管的交接处也设置有如上所述的容置槽,一级太阳翼的推力球轴承安装在四级管、槽轮内壁及容置槽共同配合形成的安装空间内。
所述多级层叠太阳翼还包括传动盘,传动盘设置在一级太阳翼的槽轮的前端面上且与该槽轮固连,传动盘与传动轴固连;除N级太阳翼的槽轮以外,一级太阳翼、二级太阳翼及N-1级太阳翼的槽轮的底端面上均设置有拨柱;除一级太阳翼的槽轮以外,二级太阳翼、N-1级太阳翼及N级太阳翼的槽轮的前端面上均设置有与所述拨柱相适配的转槽,各所述转槽的截面均呈弧形,且各转槽所对应的圆心角的度数为360/N度,各级太阳翼在折叠状态下时,其中一级太阳翼的拨柱位于与其相邻的下一级太阳翼转槽的起始位置;展开时,一级太阳翼转动,一级太阳翼的拨柱在二级太阳翼的转槽内转动,转过360/N度后带动二级太阳翼转动,二级太阳翼转动时,二级太阳翼的拨柱在与其相邻的下一级太阳翼的转槽内转动,转过360/N度后带动下一级太阳翼转动,依次类推,直至N级太阳翼得以展开;收拢时,在传动轴的反转带动下一级太阳翼反转,一级太阳翼的拨柱在二级太阳翼的转槽内转动,转过360/N度后带动二级太阳翼转动,二级太阳翼反转时,二级太阳翼的拨柱在与其相邻的下一级太阳翼的转槽内转动,转过360/N度后带动下一级太阳翼转动,依次类推,直至N级太阳翼得以折叠。
所述传动机构包括蜗轮,所述传动轴为与所述蜗轮相适配并由蜗轮驱动旋转的蜗轮轴,所述蜗轮由所述伺服电机驱动。
所述太阳能电池旋转收纳装置还包括用于支撑打开或回收所述折叠支架的驱动部,所述驱动部为单杆液压缸和用于安装所述单杆液压缸的定位座,定位座设置在箱体的底部,单杆液压缸安装在所述定位座上,且单杆液压缸的活塞杆与折叠支架相连。
由于采用了上述技术方案,本发明所取得的有益效果为:
1、本发明采用光电检测追踪和太阳角追踪相结合的追踪方式,提高了追踪的效率,通过单片机控制模块调整多级层叠太阳翼的朝向,使太阳翼的光吸收表面在不同的天气状况和不同的光照方位下均能垂直于太阳入射线,不仅提高了太阳能的吸收率,而且提高了发电效率。
2、本发明实现了太阳翼的重复展开和收拢运动,结构简单,布局紧凑,收纳后尺寸小,便于携带,操作简单,无噪声,适用于任何有光照的地区,不受地域限制,很好地解决了户外发电供给的问题,而且方便了运输,避免了太阳能电池板因存储或保护不当而造成的损坏。
附图说明
图1为本发明中的箱体及多级层叠太阳翼一种状态下的结构示意图。
图2为本发明中的箱体及多级层叠太阳翼另一种状态下的结构示意图,其中最后一级太阳翼还未展开。
图3为本发明中的多级层叠太阳翼呈收拢状态的示意图。
图4为本发明中某一级太阳翼的结构示意图,该示意图中包括了与该级太阳翼相邻的上一级太阳翼的拨柱。
图5为本发明中的箱盖及折叠支架呈打开状态,多级层叠太阳翼呈收拢状态的示意图。
图6为图5中A部的放大图。
图7为本发明中二级太阳翼或N级太阳翼的中空支撑管的结构示意图。
图8为本发明中一级太阳翼的中空支撑管的结构示意图。
图9为图5的侧视图。
图10为本发明中的多级层叠太阳翼及折叠支架收拢且箱盖打开的状态示意图。
图11为本发明的控制原理图。
图12为本发明中光电检测追踪模式的流程图。
图13为本发明中第二至第六光敏二极管的分布状态示意图。
图14为本发明中顶部具有透光孔的中空圆柱罩的结构示意图。
图15为本发明中太阳角追踪模式的流程图。
图16为本发明的整体原理图。
图17为本发明中阴晴天检测电路的结构示意图。
图18为本发明中光电太阳能方位检测电路的结构示意图。
图19为本发明中单片机控制模块中的某一电路图。
其中,
1、箱盖 101、支撑杆 102、把手 103、铰链 104、上铰接耳座 105、下铰接耳座 2、箱体 3、多级层叠太阳翼 31、一级太阳翼 32、二级太阳翼 312、十二级太阳翼 4、伺服电机5、折叠支架 6、单杆液压缸 7、定位座 8、转槽 9、拨柱 10、旋转支架 11、俯仰支架 12、传动盘 13、叶片 14、槽轮 15、第一支撑导管 151、四级导管152、五级导管 153、容置槽 16、第二支撑导管 161、一级导管162、二级导管 163、三级导管 164、容置槽 17、传动轴 18、蜗轮 19、推力球轴承 20、凹台 21、圆盘 22、透光孔 23、中空圆柱罩 D0、第二光敏二极管D1、第三光敏二极管 D2、第四光敏二极管 D3、第五光敏二极管 D4、第六光敏二极管
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明,但本发明并不限于这些实施例。
如图1至图10所示,一种太阳能电池旋转收纳装置,包括收纳箱、多级层叠太阳翼3、用于驱动多级层叠太阳翼3展开或收拢的驱动装置以及用于安装所述驱动装置的折叠支架5。
所述收纳箱包括箱体2和设置在箱体2顶部的箱盖1。箱盖1的一侧通过铰链103与所述箱体2相铰接。箱盖1上设置有便于打开箱盖1的把手102。所述箱盖1的左右两侧分别设置有支撑杆101,各支撑杆101为长度可伸缩式支撑杆,箱盖1左右两侧还分别设置有上铰接耳座104,各支撑杆101的一端分别通过连接杆与所述上铰接耳座104相连,各支撑杆101的另一端与设置在箱体2内的下铰接耳座105相连,支撑杆101的设置满足了箱盖1不同程度的打开需求。
当然,还可以在箱体2和箱盖1之间设置相应的锁结构,以防止在运输过程中箱盖1打开造成箱体2内各部件的破损,方便运输。所述锁结构可以借鉴现有技术中的常见锁结构类型。
所述多级层叠太阳翼3收拢、折叠支架5折叠后连同所述驱动装置一起可装入所述箱体2。
所述太阳能电池旋转收纳装置还包括用于支撑打开或回收所述折叠支架5的驱动部。所述折叠支架5大体呈A字型。箱体2内一侧设置有用于安装所述折叠支架5的凹台20。凹台20的高度小于箱体2的高度。优选地,所述折叠支架5的底端通过合页与所述凹台20转动连接。
所述驱动部为单杆液压缸6和用于安装所述单杆液压缸6的定位座7,定位座7设置在箱体2的底部,单杆液压缸6的缸头端安装在所述定位座7上,单杆液压缸6的活塞杆与折叠支架5的中间横板相连。单杆液压缸6的活塞杆伸出时,带动所述折叠支架5向上翻转打开;单杆液压缸6的活塞杆回缩时,带动所述折叠支架5向下翻转折叠。单杆液压缸6除了具有驱动折叠支架5展开或折叠的作用外,还对折叠支架5起到支撑作用。
所述多级层叠太阳翼3包括传动轴17以及沿传动轴17的轴向从前至后依次排布的若干片太阳翼,分别为一级太阳翼31、二级太阳翼32、三级太阳翼、……、N-1级太阳翼及N级太阳翼,其中,N为大于或等于2的整数。
为描述方便,下面以所述多级层叠太阳翼3包括十二片太阳翼为例,对本发明的结构组成及原理做示例性描述。即所述多级层叠太阳翼3包括传动轴17以及沿传动轴17的轴向从前至后依次排布的一级太阳翼31、二级太阳翼32、三级太阳翼……十二级太阳翼312。
当然,本发明中太阳翼的级数并不局限于所述的十二级结构,其还可以设置更多级数或更少的级数。
所述驱动装置安装在折叠支架5上,驱动装置包括伺服电机4和传动机构。伺服电机4通过传动机构带动所述传动轴17旋转。所述传动机构包括蜗轮18,所述传动轴17为与所述蜗轮18相适配并由蜗轮18驱动旋转的蜗轮轴,所述伺服电机4通过弹性柱销联轴器驱动所述蜗轮18旋转。
需打开各级太阳翼时,传动轴17在伺服电机5和蜗轮18的带动下旋转并带动所述一级太阳翼31、二级太阳翼32……十二级太阳翼312依次展开,所述一级太阳翼31、二级太阳翼32……十二级太阳翼312完全展开时,共同配合形成一个圆形结构。伺服电机4反转时,传动轴17反转并带动所述一级太阳翼31、二级太阳翼32、……十二级太阳翼312反转并依次收拢,所述一级太阳翼31、二级太阳翼32……十二级太阳翼312完全收拢后,共同配合形成一个扇形结构。
具体地来说,所述一级太阳翼31、二级太阳翼32……十二级太阳翼312均包括叶片13及与叶片13固连的槽轮14,各槽轮14的中央均开设有通孔,传动轴17从各通孔内穿过。所述一级太阳翼31、二级太阳翼32……十二级太阳翼312的槽轮通孔与传动轴17之间均设置有中空支撑导管,相邻两个中空支撑导管之间为螺纹连接。
各所述中空支撑导管与槽轮14之间设置有推力球轴承19。为方便描述,将一级太阳翼31的中空支撑导管在下面的描述中称为“第一中空支撑导管15”,将二级太阳翼32、三级太阳翼……十二级太阳翼312的中空支撑导管在下面的描述中称为“第二中空支撑导管16”。
所述第二中空支撑导管16的外轮廓均为三级阶梯结构,该三级阶梯结构均包括相连的一级管161、二级管162和三级管163,其中,一级管161的外表面设置有外螺纹,各级中空支撑导管的内壁上设置有与所述外螺纹相适配的内螺纹,二级管162和三级管163的交接处设置有用于安装所述推力球轴承的容置槽164,除一级太阳翼31外,各级太阳翼的推力球轴承19均安装在二级管162、槽轮14内壁及容置槽164共同配合形成的安装空间内。
因为所述一级太阳翼31的前面已无其余的太阳翼结构,因此第一中空支撑管15相较于其余各级太阳翼的第二中空支撑管16而言结构较为特殊,其特殊之处在于:所述第一中空支撑管15的外轮廓为二级阶梯结构,该二级阶梯结构包括相连的四级管151和五级管152,四级管151和五级管152的交接处也设置有与上述容置槽164结构相同的容置槽153,一级太阳翼31的推力球轴承19安装在四级管151、槽轮14内壁及容置槽153共同配合形成的安装空间内,也就是说一级太阳翼31的中空支撑管的外轮廓上不必设置上述外螺纹结构。
所述多级层叠太阳翼3还包括传动盘12,传动盘12设置在一级太阳翼31的槽轮14的前端面上且与该槽轮14固连,传动盘12与传动轴17键连接,传动轴17旋转时,通过所述传动盘12依次带动所述各级太阳翼旋转。
具体而言,除十二级太阳翼312的槽轮14以外,一级太阳翼31、二级太阳翼32……十一级太阳翼的槽轮的底端面上均设置有拨柱9;除一级太阳翼31的槽轮14以外,二级太阳翼32、三级太阳翼……十二级太阳翼312的槽轮14的前端面上均设置有与所述拨柱9相适配的转槽8,各所述转槽8的截面均呈弧形,且各转槽8所对应的圆心角的度数为30°,各级太阳翼在折叠状态下时,其中某一级太阳翼的拨柱9位于与其相邻的下一级太阳翼转槽8的起始位置。
需展开各级太阳翼时,一级太阳翼31转动,一级太阳翼31的拨柱9在二级太阳翼32的转槽8内转动,转过30°后,一级太阳翼31的拨柱9到达二级太阳翼32的转槽8的终点位置,从而使一级太阳翼31通过拨柱9及转槽8的配合带动二级太阳翼32转动;二级太阳翼32转动时,二级太阳翼32的拨柱9在与其相邻的三级太阳翼的转槽8内转动,转过30°后带动三级太阳翼转动,依次类推,直至十二级太阳翼312得以展开。
需收拢各级太阳翼时,伺服电机4反转,从而带动传动轴17反转,传动轴17反转带动一级太阳翼31反转,一级太阳翼31的拨柱9在二级太阳翼32的转槽8内转动,转过30°后带动二级太阳翼32反转,二级太阳翼32反转时,二级太阳翼32的拨柱9在与其相邻的三级太阳翼的转槽8内转动,转过30°后带动三级太阳翼转动,依次类推,直至十二级太阳翼312得以折叠。
所述太阳能电池旋转收纳装置还包括用于调整多级层叠太阳翼3的朝向的调整装置,该调整装置设置在折叠支架5的顶部。调整装置包括机械臂及用于驱动机械臂运转的机械臂驱动机构,所述机械臂包括旋转支架10和俯仰支架11。所述驱动装置还包括用于安装所述蜗轮18的蜗轮箱以及用于安装所述伺服电机5的电机安装座,所述蜗轮箱和电机安装座均设置在一块定位板上,该定位板与所述俯仰支架11相连并随俯仰支架11同步运动,俯仰支架11安装在旋转支架10上并随旋转支架10同步运动。
具体而言,所述机械臂驱动机构包括旋转电机、俯仰电机和转轴,所述旋转支架10包括开口朝上的U型下板,旋转电机设置在U型下板的下方并带动U型下板做旋转运动;所述俯仰支架11包括开口朝下的U型上板,U型上板位于U型下板的上方且通过所述转轴与U型下板转动连接,俯仰电机设置在U型上板和U型下板之间并驱动所述转轴旋转,从而带动俯仰支架11完成俯仰动作。通过所述旋转电机和旋转支架10可以带动俯仰支架11、驱动装置及多级层叠太阳翼3整体旋转,通过所述俯仰电机带动俯仰支架11、驱动装置及多级层叠太阳翼3整体旋转。所述旋转电机和俯仰电机的运转受控于下述单片机控制模块。
如图11至图19所示,所述折叠式太阳能自动追踪装置还包括控制系统,所述控制系统包括单片机控制模块、光电检测追踪模块和太阳角追踪模块。
所述光电检测追踪模块通过检测光照信息实现太阳能的自动追踪,太阳角追踪模块通过计算实时的太阳方位角和高度角实现太阳能的自动追踪,且光电检测追踪模块和太阳角追踪模块均与单片机控制模块相连,光电检测追踪模块还用于判断天气状况并将检测到的天气状况信号实时传输至所述单片机控制模块,若为晴天,则单片机控制模块控制启动光电检测追踪模块,若为阴天或光照不足,则单片机控制模块控制启动太阳角追踪模块,两个追踪模块根据各自的追踪方式将电信号传送给单片机控制模块,单片机控制模块根据检测到的电信号控制所述俯仰电机11和旋转电机10动作,以调整展开的圆形太阳翼,以达到追踪的目的。
具体地来说,所述光电检测追踪模块启动时,采用光电检测追踪模式,实现太阳能自动追踪。所述光电检测模块设置在箱盖内侧,光电检测模块包括阴晴天检测电路和光电太阳能方位检测电路。
所述阴天检测电路包括第一光敏二极管D、第一运算放大器U1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4,所述第一光敏二极管D正端接至第一运算放大器U1的同相输入端,第一光敏电阻D的正端还经第一电阻R1连接至地,所述第一运算放大器U1的反相输入端经第二电阻R2、第三电阻R3连接至地,第一运算放大器U1的反相输入端还经第四电阻R4连接至电源正极;所述第一运算放大器U1的输出端与所述单片机控制模块相连,第一运算放大器U1的VCC端与电源正极连接,第一运算放大器U1的VEE端与地连接。阴晴天检测电路如图17所示,电路中用一个2CU101D第一光敏二极管D来检测太阳光的强弱,后接一组第一运算放大器U1来做比较电路,第一运算放大器U1的输出端接到下述单片机的引脚P0.4上;当太阳光照不足时,电路中的第一光敏二极管D无法导通,第一运算放大器U1输出低电平,单片机AT89451的引脚P0.4检测到低电平后系统启动太阳角追踪模块,反之,则启用光电太阳能方位检测电路。
如图13和图14所示,所述光电太阳能方位检测电路包括第二光敏二极管D0、第三光敏二极管D1、第四光敏二极管D2、第五光敏二极管D3和第六光敏二极管D4,第三至第六光敏二极管以第二光敏二极管D0为中心且围绕该中心呈十字分布的方式被布置在一个圆盘21的上表面,所述第三至第六光敏二极管彼此之间保持一定的间隙,为了更好的接收太阳光并且避免外界的干扰,将所述圆盘21放置于一顶部具有透光孔22的中空圆柱罩23内。
如图18所示,所述光电太阳能方位检测电路还包括第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第四运算放大器U4、第五运算放大器U5、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8及第九电阻R9;所述第二至第六光敏二极管的负端均连接至电源正极,第二光敏二极管D0的正端经第五电阻R5连接至地,第三光敏二极管D1的正端经第六电阻R6连接至地,第四光敏二极管D2的正端经第七电阻R7连接至地,第五光敏二极管D3的正端经第八电阻R8连接至地,第六光敏二极管D4的正端经第九电阻R9连接至地。这样D0与D1~D4就组成了四组比较电路。
所述第二光敏二极管D0的正端还连接至第二运算放大器U2的同相输入端,第三光敏二极管D1的正端连接至第二运算放大器U2的反相输入端,第四光敏二极管D2的正端连接至第三运算放大器U3的反相输入端,第五光敏二极管D3的正端连接至第四运算放大器U4的反相输入端,第六光敏二极管D4的正端连接至第五运算放大器U5的反相输入端;所述第二运算放大器U2的同相输入端与第三运算放大器U3的同相输入端、第四运算放大器U4的同相输入端和第五运算放大器U5的同相输入端连接。第二至第五运算放大器分别与单片机AT89451的P2.0~P2.3的端口相连,这样就可以通过P2.0~P2.3的电位来判断太阳的方位了,然后由单片机AT89451控制俯仰电机11和旋转电机12使太阳翼朝向太阳光照的方向运动,直到仅有位于圆盘21中央的第二光敏二极管D0接受到光照为止。
所述太阳角追踪模块启动时,采用太阳角追踪模式,实现太阳能自动追踪。太阳角追踪模块由单片机AT89451从时钟芯片读取时间,通过内设函数计算出太阳角度,再由单片机AT89451控制俯仰电机11和旋转电机10按照计算出的轨迹运转,调整已展开的太阳翼圆面追踪太阳。
如图19所示,所述单片机控制模块包括单片机AT89451及四组结构组成相同的电机驱动电路,各组电机驱动电路均包括二极管D5、第一三极管Q1、第二三极管Q2、继电器K1、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12。
所述单片机AT89451的一个引脚经第十电阻R10后连接至电源正极且该引脚还经第十一电阻R11连接至第一三极管Q1的基极;所述第一三极管Q1的集电极分别与第十二电阻R12的一端、第二三极管Q2的基极连接,所述第十二电阻R12的另一端连接至电源正极,所述第二三极管Q2的集电极经二极管D5连接至电源正极,所述第二三极管Q2的集电极还经继电器K1连接至电源正极,所述第一、第二三极管的发射极均连接至地;所述四组结构组成相同的电机驱动电路的继电器分别与俯仰电机11和旋转电机10相连,并控制俯仰电机11和旋转电机10的正反转。
当然,所述单片机控制模块还包括相应的控制所述伺服电机4的电路以及控制单杆液压缸6的液压系统。
本发明所述的折叠式太阳能自动追踪装置的使用方法为:
步骤1,打开箱盖,通过单片机控制模块控制伺服电机和单杆液压缸动作,以使折叠支架打开,多级层叠太阳翼依次完全展开;
步骤2,通过阴晴天检测电路判断外界天气情况,若为晴天,则进入下述光电检测追踪模式,若为阴天或光照不足,则转入下述太阳角追踪模式:
如图12所示,在光电检测追踪模式下,光电检测追踪模块及单片机检测模块执行下述操作:
步骤A:判断第二光敏二极管D0是否受到光照,若是,保持展开的太阳翼圆形面朝向,并延时预定时间(15分钟)重新执行该步骤A;若否,直接进入下述步骤B;
步骤B、分别判断位于第二光敏二极管D0四个方向上的第三至第六二极管D1-D4是否受到光照,若是,调整所述太阳翼圆形面朝向,并延时预定时间(15分钟)重新执行步骤A;若否,直接重新执行步骤A;
如图12、图18及图19所示,上述步骤B具体过程为:
步骤a、判断D1是否受到光照(由步骤A及图18可知,D0不受到光照,故而运算放大器U2-U5的同相输入端均为低电平),若是(此时因D1受到光照,U2的反相输入端为高电平),通过与单片机连接的电机驱动电路(如图19所示为与单片机连接的电机驱动电路,且四组电机驱动电路均与图中所示电机驱动电路相同,下面不再进行描述),控制旋转电机10正转,并重新执行步骤A;若否(此时因D1未受到光照,U2的反相输入端为低电平),进入下述步骤b;
步骤b、判断D3是否受到光照,若是,通过与单片机连接的电机驱动电路,控制旋转电机10反转,并重新执行上述步骤A;若否,进入下述步骤c;
步骤c、判断D2是否受到光照,若是,通过与单片机连接的电机驱动电路,控制俯仰电机11正转,并重新执行上述步骤A;若否,进入下述步骤d;
步骤d、判断D4是否受到光照,若是,通过与单片机连接的电机驱动电路,控制俯仰电机11反转,并重新执行步骤A;若否,直接进入步骤A;
如图15所示,在太阳角追踪模式下,太阳角追踪模块及单片机检测模块执行下述操作:
太阳角追踪模块根据实时时间,计算出太阳高度角和方位角,并根据计算到的太阳高度角和方位角实现太阳能自动追踪。
所述太阳角追踪模式具体如下,
(1)、读取实时时间及当期位置经纬度,并根据该实时时间及经纬度计算太阳高度角和方位角;
(2)、根据太阳高度角和方位角以及展开的太阳翼圆形面的直径,计算出展开的太阳翼圆形面在该时刻太阳高度角水平方向的偏移高度和太阳方位角水平方向的偏移高度;
(3)、延时预定时间(15分钟)后,计算预定时间(15分钟)后时刻的太阳高度角水平方向的偏移高度和太阳方位角水平方向的偏移高度;
(4)、根据预定时间(15分钟)前后两个时刻的偏移高度差,计算出展开的太阳翼圆形面需调整的角度,以保证展开的太阳翼圆形面与太阳光照的角度垂直。
上述太阳高度角和方位角的计算方法如下:
设一年365天对应区间为[0,π],取日角:dn取为年的日期序列,1月1日dn为1,12月31日dn为365,则赤尾弧度δ为:
δ=0.00689-0.39951cosθ0+0.07208sinθ0-0.0068cos2θ0+0.0009sin2θ0-0.00269cos3θ0+0.00151sin3θ0
太阳实角ω为:ω=真太阳时(小时)*15-180,式中ω单位为度,15表示每小时相当于15°时角;
真太阳时=地方时+时差=北京时+经度订正+时差=北京时+(当地经度-120÷60+时差);
时差(小时)=时差(弧度)*12÷π
设太阳高度角和方位角分别为θh和θp,地理纬度为Ψ,则
sinθh=sinΨsinδ+cosΨcosδcosω
sinθp=cosδsinω/cosθh
cosθp=(sinθhsinΨ-sinδ)/cosθh cosΨ
由此可知,只要时间和经纬度一定,就能通过以上公式计算出相应的太阳高度角和方位角。利用C51语言的函数功能,经度和纬度以定义常量的方式出现在程序中,由时钟芯片读取即时时间,计算出该时刻所对应的太阳角度值。再结合预设模型,通过展开的太阳翼圆形面的直径,计算出展开的太阳翼圆形面在该时刻太阳高度角及方位角分别偏移水平方向的高度,延时15分钟后,利用同样的方法计算出对应两个方向上的偏移高度,通过这两个时刻变化的高度差就可以计算出需要电机转动的时间,以此保证展开的太阳翼圆形面始终与太阳光照的角度垂直。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
此外,术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”、“第九”、“第十”、“第十一”、“第十二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种折叠式太阳能自动追踪装置,其特征在于,
包括控制系统、收纳箱、多级层叠太阳翼、用于驱动多级层叠太阳翼展开或收拢的驱动装置、用于调整多级层叠太阳翼的朝向的调整装置以及用于安装所述驱动装置和调整装置的折叠支架;
所述控制系统包括单片机控制模块、光电检测追踪模块和太阳角追踪模块,光电检测追踪模块通过检测光照信息实现太阳能的自动追踪,太阳角追踪模块通过计算实时的太阳方位角和高度角实现太阳能的自动追踪,且光电检测追踪模块和太阳角追踪模块均与单片机控制模块相连,光电检测追踪模块还用于判断天气状况并将检测到的天气状况信号实时传输至所述单片机控制模块,若为晴天,则单片机控制模块控制启动光电检测追踪模块,若为阴天或光照不足,则单片机控制模块控制启动太阳角追踪模块,单片机控制模块根据光电检测追踪模块的检测结果或太阳角追踪模块的计算结果通过所述调整装置控制多级层叠太阳翼的朝向;
所述收纳箱包括箱体和设置在箱体顶部且与箱体相铰接的箱盖;所述多级层叠太阳翼收拢、折叠支架折叠后连同所述驱动装置、调整装置一起装入所述箱体;
所述多级层叠太阳翼包括传动轴以及沿传动轴的轴向从前至后依次排布的若干片太阳翼,分别为一级太阳翼、二级太阳翼……N级太阳翼,其中,N为大于或等于2的整数;
所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼均包括叶片及与叶片固连的槽轮,各槽轮的中央均开设有通孔,传动轴从各通孔内穿过;
所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼的槽轮通孔与传动轴之间均设置有中空支撑导管,相邻两个中空支撑导管之间为螺纹连接;
各所述中空支撑导管与槽轮之间设置有推力球轴承;
除一级太阳翼的中空支撑导管以外,二级太阳翼、N-1级太阳翼及N级太阳翼的中空支撑导管的外轮廓均为三级阶梯结构,该三级阶梯结构均包括相连的一级管、二级管和三级管,其中,一级管的外表面设置有外螺纹,各中空支撑导管的内壁上设置有与所述外螺纹相适配的内螺纹,二级管和三级管的交接处设置有用于安装所述推力球轴承的容置槽,推力球轴承安装在二级管、槽轮内壁及容置槽共同配合形成的安装空间内;
所述一级太阳翼的中空支撑管的外轮廓为二级阶梯结构,该二级阶梯结构包括相连的四级管和五级管,四级管和五级管的交接处也设置有如上所述的容置槽,一级太阳翼的推力球轴承安装在四级管、槽轮内壁及容置槽共同配合形成的安装空间内。
2.根据权利要求1所述的一种折叠式太阳能自动追踪装置,其特征在于,
所述驱动装置安装在折叠支架上,驱动装置包括伺服电机和传动机构,伺服电机通过传动机构带动所述传动轴旋转,传动轴旋转时带动所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼依次展开,所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼完全展开时,共同配合形成一个圆形结构,伺服电机反转时,传动轴反转并带动所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼反转并依次收拢,所述一级太阳翼、二级太阳翼及N级太阳翼完全收拢后,共同配合形成一个扇形结构;
所述调整装置设置在折叠支架的顶部,调整装置包括机械臂及用于驱动机械臂运转的机械臂驱动机构,所述机械臂包括旋转支架和俯仰支架,所述驱动装置安装在俯仰支架上并随俯仰支架同步运动,俯仰支架安装在旋转支架上并随旋转支架同步运动;所述机械臂驱动机构包括旋转电机、俯仰电机和转轴,所述旋转支架包括开口朝上的U型下板,旋转电机设置在U型下板的下方并带动U型下板做旋转运动;所述俯仰支架包括开口朝下的U型上板,U型上板位于U型下板的上方且通过所述转轴与U型下板转动连接,俯仰电机设置在U型上板和U型下板之间并驱动所述转轴旋转。
3.根据权利要求1所述的一种折叠式太阳能自动追踪装置,其特征在于,
所述光电检测模块设置在箱盖内侧,光电检测模块包括阴晴天检测电路和光电太阳能方位检测电路;
所述阴天检测电路包括第一光敏二极管、第一运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻及第四电阻,所述第一光敏二极管正端接至第一运算放大器的同相输入端,第一光敏电阻的正端还经第一电阻连接至地,所述第一运算放大器的反相输入端经第二电阻、第三电阻连接至地,第一运算放大器的反相输入端还经第四电阻连接至电源正极;所述第一运算放大器的输出端与所述单片机控制模块相连,第一运算放大器的VCC端与电源正极连接,第一运算放大器的VEE端与地连接;
所述光电太阳能方位检测电路包括第二光敏二极管、第三光敏二极管、第四光敏二极管、第五光敏二极管和第六光敏二极管,第三至第六光敏二极管以第二光敏二极管为中心且围绕该中心呈十字分布的方式被布置在一个圆盘的上表面,所述第三至第六光敏二极管彼此之间保持一定的间隙,所述圆盘放置于一顶部具有透光孔的中空圆柱罩内;所述光电太阳能方位检测电路还包括第二运算放大器、第三运算放大器、第四运算放大器、第五运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻及第九电阻;所述第二至第六光敏二极管的负端均连接至电源正极,第二光敏二极管的正端经第五电阻连接至地,第三光敏二极管的正端经第六电阻连接至地,第四光敏二极管的正端经第七电阻连接至地,第五光敏二极管的正端经第八电阻连接至地,第六光敏二极管的正端经第九电阻连接至地;所述第二光敏二极管的正端还连接至第二运算放大器的同相输入端,第三光敏二极管的正端连接至第二运算放大器的反相输入端,第四光敏二极管的正端连接至第三运算放大器的反相输入端,第五光敏二极管的正端连接至第四运算放大器的反相输入端,第六光敏二极管的正端连接至第五运算放大器的反相输入端;所述第二运算放大器的同相输入端与第三运算放大器的同相输入端、第四运算放大器的同相输入端和第五运算放大器的同相输入端连接。
4.根据权利要求2所述的一种折叠式太阳能自动追踪装置,其特征在于,
所述单片机控制模块包括单片机及四组结构组成相同的电机驱动电路,各组电机驱动电路均包括二极管、第一三极管、第二三极管、继电器、第十电阻、第十一电阻和第十二电阻;所述单片机的一个引脚经第十电阻后连接至电源正极且该引脚还经第十一电阻连接至第一三极管的基极;所述第一三极管的集电极分别与第十二电阻的一端、第二三极管的基极连接,所述第十二电阻的另一端连接至电源正极,所述第二三极管的集电极经二极管连接至电源正极,所述第二三极管的集电极还经继电器连接至电源正极,所述第一、第二三极管的发射极均连接至地;
所述四组结构组成相同的电机驱动电路的继电器分别与俯仰电机和旋转电机相连,并控制俯仰电机和旋转电机的正反转。
5.根据权利要求2所述的一种折叠式太阳能自动追踪装置,其特征在于,
所述多级层叠太阳翼还包括传动盘,传动盘设置在一级太阳翼的槽轮的前端面上且与该槽轮固连,传动盘与传动轴固连;除N级太阳翼的槽轮以外,一级太阳翼、二级太阳翼及N-1级太阳翼的槽轮的底端面上均设置有拨柱;除一级太阳翼的槽轮以外,二级太阳翼、N-1级太阳翼及N级太阳翼的槽轮的前端面上均设置有与所述拨柱相适配的转槽,各所述转槽的截面均呈弧形,且各转槽所对应的圆心角的度数为360/N度,各级太阳翼在折叠状态下时,其中一级太阳翼的拨柱位于与其相邻的下一级太阳翼转槽的起始位置;
展开时,一级太阳翼转动,一级太阳翼的拨柱在二级太阳翼的转槽内转动,转过360/N度后带动二级太阳翼转动,二级太阳翼转动时,二级太阳翼的拨柱在与其相邻的下一级太阳翼的转槽内转动,转过360/N度后带动下一级太阳翼转动,依次类推,直至N级太阳翼得以展开;
收拢时,在传动轴的反转带动下一级太阳翼反转,一级太阳翼的拨柱在二级太阳翼的转槽内转动,转过360/N度后带动二级太阳翼转动,二级太阳翼反转时,二级太阳翼的拨柱在与其相邻的下一级太阳翼的转槽内转动,转过360/N度后带动下一级太阳翼转动,依次类推,直至N级太阳翼得以折叠。
6.根据权利要求2所述的一种折叠式太阳能自动追踪装置,其特征在于,
所述传动机构包括蜗轮,所述传动轴为与所述蜗轮相适配并由蜗轮驱动旋转的蜗轮轴,所述蜗轮由所述伺服电机驱动。
7.根据权利要求1所述的一种折叠式太阳能自动追踪装置,其特征在于,
所述太阳能电池旋转收纳装置还包括用于支撑打开或回收所述折叠支架的驱动部,所述驱动部为单杆液压缸和用于安装所述单杆液压缸的定位座,定位座设置在箱体的底部,单杆液压缸安装在所述定位座上,且单杆液压缸的活塞杆与折叠支架相连。
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