CN108494344B - 一种高效太阳能自动追踪系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效太阳能自动追踪系统，包括焦距调节装置、仰俯控制装置、航向转动装置、镜片装置和支撑侧板；航向转动装置上方通过仰俯控制装置连接设置有支撑侧板，支撑侧板顶部通过螺钉安装设置有镜片装置；支撑侧板底部通过螺钉安装设置有电机放置板，电机放置板上安装有丝杠步进电机。本发明采用凸透镜聚焦原理，利用单片机控制、光敏传感器及温度传感器实时感应并自动调整透镜折射后形成的光斑位置、大小及光伏板上的温度。通过调整两轴旋转平台的俯仰角与航向角来控制透镜折射后形成的光斑位置，并通过调整光伏板平台的升降来控制光斑的大小和温度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效太阳能自动追踪系统。
背景技术
电流的概念提出后，电力技术越来越广泛地应用于我们的日常生活中。在当今电力蓬勃发展和利用的时代，缺乏电力资源将会造成很大的不便，直接影响人们的生活水平以及工业技术的发展水平。传统的发电方式目前应用最为广泛，比如火力发电，但已经不符可持续发展理念的需求，污染严重，利用率太低。当今风力发电，水力发电，核能发电等技术也是异军突起，但风力发电装机容量太小，受地域限制太大；水力发电前期投资太大，建设周期太长，受水域限制，不能被广泛应用；核能发电技术含量要求过高，且存在极大安全隐患。如今我们在追求绿色环保资源的同时，还应考虑建设成本和周期问题。太阳能是绿色能源发电的重要资源之一，在绿色能源中有着举足轻重的地位。一般意义上讲，太阳是取之不尽，用之不竭的绿色能源，现阶段开发太阳能这种绿色能源的趋势已势不可挡。不仅是因为其储存量的巨大，而且地域限制相对较少，建设周期短，使用规模可大可小，尤其是能适于民用。这给太阳能发电技术带来了极大的市场，扩大了研究方向。
目前，对太阳能的市场需求也在大幅提高，直接表现在它能带来巨大的经济效益与环境效益。从传统的太阳能板发电到今天的碲化镉玻璃发电，从单纯的太阳能板网络发电到现在的太阳能板与建筑结合发电，太阳能发电产品的创新程度越来越大，逐渐打破了传统格局。而如今的太阳能转换效率大概只有百分之二十左右，提高太阳能的转换效率在这个新兴行业上是一个极其困难的问题。因此，对高效太阳能转换系统的设计研发，无论是从提高太阳能的转换效率，还是寻求太阳能更多的利用价值上，都是迫在眉睫的任务。
据光伏发电行业市场的调查分析报告显示，目前光伏发电市场竞争激烈，发展的总体趋势是趋于高速、高效、高质量发展。发展的重点趋向于高效率、外观造型、适应环境能力与环保等方面。新型的合金材料、高分子材料、复合材料、无机非金属材料等新材料也在不断地推广应用于太阳能板。从当下的发展趋势看，光伏发电产品的集成化、智能化、网络化将会成为未来发展的主流方向。据SEMI近期统计，全球有接近200家光伏设备制造商，其中接近100家制造商的总部位于欧洲地区，其中大部分制造商之前是从事半导体设备的供应商。在发达国家中，美国、瑞士、德国等西方国家凭借其雄厚的工业基础和先进的半导体技术，在电路结构设计、电气和自动化控制设计等方面具有极其强大的实力，具有硅片生产，太阳能电池片生产和组件生产的技术水平，光伏装备自动化程度高，代表着当今世界太阳能制造设备的最高技术水平。美国的GTAdvancedTechnologies公司和德国的ALD公司，其多晶硅铸锭炉在市场上占有较大份额；德国的KukaSystems公司和瑞士的MeyerBurger等公司，在太阳能电池片生产设备以及组件生产设备上，在国际市场占有较大份额；美国的Kayex公司、日本的Ferrotec公司和德国的CGS公司，他们生产的单晶硅生长炉设备，其自动化程度，主要技术指标，经济指标以及可靠性都较高。正是由于这些国家在光伏研发及制造技术上的蓬勃发展，积累了技术条件和发展氛围，导致他们在光伏发电装置的设计及研发技术上也处于国际领先地位。
光伏产业的快速增长为国产光伏设备企业的发展提供了良好的发展机会。我国的光伏装营口金辰机械股份有限公司，依托半导体制造设备，通过行业数十年来的技术积累，引进和消化吸收国际光伏产业的先进技术，不断加大企业研发力度，经过多年的努力，在硅材料生产、硅片加工、太阳能电池片以及太阳能电池组件的生产方面，已具有一定的生产规模和技术水平，具备了太阳能电池制造设备的整线装备能力。这为国产光伏发电装置的发展，奠定了强有力的物质基础。国产光伏发电装置大多集中在晶体硅太阳能电池领域，硅材料的加工和光伏组件的制造设备占据了国内大部分细分市场。目前我国从事光伏发电装备研发及生产的企业大概有20多家，包括捷佳伟创、精功科技、七星电子、先导智能、天龙光电、京运通和博硕光电等企业。光伏光伏发电装备制造的生产规模已初步形成，并在北京、西安和长江三角地区形成了产业集群。与进口装置相比，国产光伏发电装置具有价格优势明显，使用成本低，交货周期短，技术服务便捷的特点。
国产光伏发电装置的广泛应用和技术水平的不断提升，为整个光伏行业的发展提供了强有力的支撑，提高了我国光伏发电产品的国际竞争力。与发达国家相比较，我国太阳能发电技术的落后水平主要表现在质量和技术两个方面。目前，总体的状况是产品结构简单、技术含量低，高技术附加值、高效率的产品少。虽然我国在不断地提高制造生产技术，然而对于如何高效地利用太阳能，如何提高太阳能电池板的转换效率上，技术水平仍有待提高。甚至在制造生产技术上如何突破目前太阳能板转换率低的问题，仍需要不断地研发深入。对于光伏产品制造生产来说，国内发展总体趋于稳定阶段，但是光伏发电的应用产品仍然停留在初级阶段，需要不断地摸索和研发。总的来说，光伏发电的高端技术仍需要不断学习，从国外引进新技术，但应用产品的研发与突破需要自力更生。现阶段应该研制光伏发电转换效率高、自动化程度高、可靠性强、灵活性好的产品，使光伏发电技术向集成化、高效化、智能化等方向发展。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高效太阳能自动追踪系统，解决以往低效率的太阳能利用以及光伏板体积大，成本高，太阳能装置功能结构单一的问题，推动太阳能接收技术往集成化，机械化和自动化的方向发展。将温度和光线角度对太阳能板效率的影响因素着重考虑，大大地提升其转换效率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高效太阳能自动追踪系统，操作具体如下：包括焦距调节装置、仰俯控制装置、航向转动装置、镜片装置和支撑侧板；所述航向转动装置上方通过仰俯控制装置连接设置有支撑侧板，所述支撑侧板顶部通过螺钉安装设置有镜片装置；所述支撑侧板底部通过螺钉安装设置有电机放置板，所述电机放置板上安装有丝杠步进电机，所述电机放置板侧边上通过螺钉安装有导轨，所述电机放置板上方设置有焦距调节装置，所述焦距调节装置上方设置有遮光圈；
所述镜片装置由镜片防落盖、镜片和镜片放置底座组成，所述镜片通过镜片防落盖和螺钉安装在镜片放置底座上；
所述焦距调节装置包括光伏板、温度传感器和丝杠步进电机，所述焦距调节装置底部通过螺钉安装有支撑板，所述光伏板外围设置有散热片和温度传感器，所述遮光圈设置在焦距调节装置正中心处，所述焦距调节装置正中心处设置有挡板、光敏电阻和光敏调节间隙，所述光敏电阻设置在挡板内侧，所述焦距调节装置底部设置有丝杠步进电机；
所述仰俯控制装置是由支撑架、仰俯支撑侧板、第一蜗轮蜗杆电机、第一联轴器和轴承座组成，所述第一蜗轮蜗杆电机通过螺钉安装在右侧的仰俯支撑侧板上，所述仰俯支撑侧板内侧通过螺钉安装有支撑架，所述支撑架上安装有轴承座，所述第一蜗轮蜗杆电机驱动端通过第一联轴器连接设置有转轴，所述转轴与支撑侧板固定连接；左侧的仰俯支撑侧板上通过轴承座设置的转轴与支撑侧板连接；
所述航向转动装置包括触位板、转盘上板、转盘下板、电机安装板、侧挡板和电路安装底板，所述转盘下板和电路安装底板上方通过侧挡板和卡槽连接；所述侧挡板内侧上通过卡槽安装有电机安装板，所述转盘上板和转盘下板之间设置有滚珠转盘，所述滚珠转盘的上下转盘分别固定在转盘上板和转盘下板上，且滚珠转盘的上下转盘之间设置有滚珠，所述电机安装板上安装有第二涡轮蜗杆电机，所述转盘上板上方固定有轴座，所述第二涡轮蜗杆电机驱动端通过第二联轴器贯穿转盘下板、滚珠转盘和轴座配合连接，所述转盘上板上还设置有触位板。
作为优选，所述焦距调节装置通过丝杠步进电机在导轨上进行上下移动。
作为优选，所述左侧的仰俯支撑侧板上还设置有第一限位开关。
作为优选，所述转盘下板上还设有第二限位开关。
本发明主要采用凸透镜聚焦的原理，旨在利用单片机控制两轴旋转平台的摆动与俯仰，光伏板平台的升降，以及温控装置的调节，自动感应通过透镜折射后形成的光斑位置，大小和温度，从而追踪太阳，使光伏板以最佳倾角接收光能；自动调节透镜与光伏板间的距离，使光源以适宜大小的光斑投射于光伏板上；通过增加散热片的方式，合理降低光伏板温度，使光伏板在适宜的温度下高效工作运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为本发明的整体装配图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的镜片装置结构示意图；
图4为本发明的焦距调节装置结构示意图；
图5为本发明的仰俯控制支座右侧支架结构示意图；
图6为本发明的仰俯控制支座左侧支架结构示意图；
图7为本发明的Z轴旋转调节装置结构示意图；
图8为本发明的工作原理流程图；
图9为本发明的光源聚焦原理图；
图10为图9的侧视图；
图11为本发明的光斑追踪原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1-7所示，本发明一种高效太阳能自动追踪系统包括焦距调节装置4、仰俯控制装置2、航向转动装置3、镜片装置7和支撑侧板1；所述航向转动装置3上方通过仰俯控制装置2连接设置有支撑侧板1，所述支撑侧板1顶部通过螺钉安装设置有镜片装置7；所述支撑侧板1底部通过螺钉安装设置有电机放置板5，所述电机放置板5上安装有丝杠步进电机19，所述电机放置板5侧边上通过螺钉安装有导轨6，所述电机放置板5上方设置有焦距调节装置4，所述焦距调节装置4上方设置有遮光圈；
所述镜片装置7由镜片防落盖71、镜片72和镜片放置底座73组成，所述镜片72通过镜片防落盖71和螺钉安装在镜片放置底座73上；
所述焦距调节装置4包括光伏板12、温度传感器15和丝杠步进电机19，所述焦距调节装置4底部通过螺钉安装有支撑板18，所述光伏板12外围设置有散热片13和温度传感器15，所述遮光圈设置在焦距调节装置4正中心处，所述焦距调节装置4正中心处设置有挡板11、光敏电阻14和光敏调节间隙16，所述光敏电阻14设置在挡板11内侧，所述焦距调节装置4底部设置有丝杠步进电机19；
所述仰俯控制装置2是由支撑架25、仰俯支撑侧板26、第一蜗轮蜗杆电机24、第一联轴器23和轴承座22组成，所述第一蜗轮蜗杆电机24通过螺钉安装在右侧的仰俯支撑侧板26上，所述仰俯支撑侧板26内侧通过螺钉安装有支撑架25，所述支撑架25上安装有轴承座22，所述第一蜗轮蜗杆电机24驱动端通过第一联轴器23连接设置有转轴21，所述转轴21与支撑侧板1固定连接；左侧的仰俯支撑侧板26上通过轴承座22设置的转轴21与支撑侧板1连接；
所述航向转动装置3包括触位板31、转盘上板33、转盘下板35、电机安装板38、侧挡板39和电路安装底板41，所述转盘下板35和电路安装底板41上方通过侧挡板39和卡槽连接；所述侧挡板39内侧上通过卡槽安装有电机安装板38，所述转盘上板33和转盘下板35之间设置有滚珠转盘34，所述滚珠转盘34的上下转盘分别固定在转盘上板33和转盘下板35上，且滚珠转盘34的上下转盘之间设置有滚珠，所述电机安装板38上安装有第二涡轮蜗杆电机40，所述转盘上板33上方固定有轴座32，所述第二涡轮蜗杆电机40驱动端通过第二联轴器37贯穿转盘下板35、滚珠转盘34和轴座32配合连接，所述转盘上板33上还设置有触位板31。
值得注意的是，所述焦距调节装置4通过丝杠步进电机19在导轨6上进行上下移动。
值得注意的是，所述左侧的仰俯支撑侧板26上还设置有第一限位开关27。
值得注意的是，所述转盘下板35上还设有第二限位开关36。
此外，还包括单片机控制模块和显示模块；控制模块采用低功耗单片机。显示模块可显示万年历时钟和检测的温度值。针对于不同的地区，都应以合理的方向放置该装置，便于以更短的操作时间对太阳进行追踪定位，所以在底座上固定一个指南针，在安装该装置时根据指南针判定方向。装置安装应该为东西朝向，并且俯仰方向的初始位置应该向东。通过以上两个显示模块，直观地为用户提供时间，温度和方位信息。
工作原理是：
如图8所示：控制模块首先控制光斑大小调节装置，即丝杆步进电机旋转指定的角度，使光伏板平台到达透镜焦点位置。由于太阳对地可视为平行光，针对焦距固定的凸透镜，透过的光线形成的光斑在固定位置上是同样大小的，所以光伏板平台此时相对于镜片装置的距离是固定的，处在焦点位置。然后控制模块控制两个直流蜗轮蜗杆电机以规定的方式依序旋转使光能接收平台垂直矢量方向以“S”形路径移动，初始位置朝东，直到光敏检测模块检测到光斑，完成粗定位。再根据光敏检测模块的高低电平情况判定光斑具体方位，进行精定位，大致调节光斑至光伏板的中心位置，此时完成方位调节。
随后光敏检测模块定时进行光斑位置检测，进行微调，使光斑始终在光伏板中心位置。此外根据温度检测模块定时进行光斑温度检测，温度过高则使丝杆步进电机旋转指定角度，使光伏平台上升一段距离，增大光斑从而降低光斑温度。温度未超出允许范围，则保持光伏平台处于焦点位置的状态。之所以未选择使光伏平台下降来增大光斑这种方案，是因为前者可以减小装置的尺寸，降低旋转平台的惯量，从而减小震动。
随着阳光持续地照射，光伏板的工作温度的上升，其转换效率不断下降。为了得到更高的转换效率，在光伏板下安装有散热片降温。在此基础上如遇到更高的温度条件，可以考虑增加辅助散热装置。通过以上的方式，使光伏装置达到最大的光伏转换效率。
最后，接收的光能转换成电能储存在锂电池上。整个装置的电源由两种方式提供，第一种是外部电源，用于初次使用时保证装置正常运行为内部电源提供的电能，或是由于长期无光照条件导致内部电源电能耗尽时的补给。第二种是内部电源，由接收的太阳能装换而来的电能和外部电源供电，也是供整个装置运行的电源装置。
如图9-10所示：通过凸透镜对平行光的聚焦特性，将较弱的太阳光聚集在一个很小的光斑上，采用耐高温的砷化镓薄膜型聚光太阳能电池，收集并转化光能。
如图11所示：在太阳方位追踪时，光斑检测装置由四个光敏电阻和挡板以及遮光圈组成。由于光敏电阻对光的敏感度较高，所以用挡板(高度有一定要求)将受光面划分为如上几个部分，避免各部分间互相干扰。追踪过程如下：初定位时由四个光敏电阻进行检测，任何一个光敏电阻检测到光照后，其电路输出电平会被拉高或拉低，则粗定为完成。此时太阳大致方位已确定，太阳光大致垂直于光伏板平面。假使图中的光敏电阻检测到光照，控制模块则控制直流蜗轮蜗杆减速电机中对应的电机旋转一定时间，使光斑朝左面移动，直到光敏电阻检测不到光照，则精定位完成。即使粗定位结束时，光斑对于光敏电阻过于偏上或是偏下，在直流蜗轮蜗杆减速电机进行驱动使光斑移动到左面后，会使上下两个光敏电阻检测到光照，则只需要多次进行精定位的操作，就可以保证光斑最后会准确定位在光伏板中间。光斑精定位路径如图中圆圈沿箭头指示方向的轨迹
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种高效太阳能自动追踪系统，其特征在于：包括焦距调节装置(4)、仰俯控制装置(2)、航向转动装置(3)、镜片装置(7)和支撑侧板(1)；所述航向转动装置(3)上方通过仰俯控制装置(2)连接设置有支撑侧板(1)，所述支撑侧板(1)顶部通过螺钉安装设置有镜片装置(7)；所述支撑侧板(1)底部通过螺钉安装设置有电机放置板(5)，所述电机放置板(5)上安装有丝杠步进电机(19)，所述电机放置板(5)侧边上通过螺钉安装有导轨(6)，所述电机放置板(5)上方设置有焦距调节装置(4)，所述焦距调节装置(4)上方设置有遮光圈；
所述镜片装置(7)由镜片防落盖(71)、镜片(72)和镜片放置底座(73)组成，所述镜片(72)通过镜片防落盖(71)和螺钉安装在镜片放置底座(73)上；
所述焦距调节装置(4)包括光伏板(12)、温度传感器(15)和丝杠步进电机(19)，所述焦距调节装置(4)底部通过螺钉安装有支撑板(18)，所述光伏板(12)外围设置有散热片(13)和温度传感器(15)，所述遮光圈设置在焦距调节装置(4)正中心处，所述焦距调节装置(4)正中心处设置有挡板(11)、光敏电阻(14)和光敏调节间隙(16)，所述光敏电阻(14)设置在挡板(11)内侧，所述焦距调节装置(4)底部设置有丝杠步进电机(19)；
所述仰俯控制装置(2)是由支撑架(25)、仰俯支撑侧板(26)、第一蜗轮蜗杆电机(24)、第一联轴器(23)和轴承座(22)组成，所述第一蜗轮蜗杆电机(24)通过螺钉安装在右侧的仰俯支撑侧板(26)上，所述仰俯支撑侧板(26)内侧通过螺钉安装有支撑架(25)，所述支撑架(25)上安装有轴承座(22)，所述第一蜗轮蜗杆电机(24)驱动端通过第一联轴器(23)连接设置有转轴(21)，所述转轴(21)与支撑侧板(1)固定连接；左侧的仰俯支撑侧板(26)上通过轴承座(22)设置的转轴(21)与支撑侧板(1)连接；
所述航向转动装置(3)包括触位板(31)、转盘上板(33)、转盘下板(35)、电机安装板(38)、侧挡板(39)和电路安装底板(41)，所述转盘下板(35)和电路安装底板(41)上方通过侧挡板(39)和卡槽连接；所述侧挡板(39)内侧上通过卡槽安装有电机安装板(38)，所述转盘上板(33)和转盘下板(35)之间设置有滚珠转盘(34)，所述滚珠转盘(34)的上下转盘分别固定在转盘上板(33)和转盘下板(35)上，且滚珠转盘(34)的上下转盘之间设置有滚珠，所述电机安装板(38)上安装有第二涡轮蜗杆电机(40)，所述转盘上板(33)上方固定有轴座(32)，所述第二涡轮蜗杆电机(40)驱动端通过第二联轴器(37)贯穿转盘下板(35)、滚珠转盘(34)和轴座(32)配合连接，所述转盘上板(33)上还设置有触位板(31)。
2.如权利要求1所述的一种高效太阳能自动追踪系统，其特征在于：所述焦距调节装置(4)通过丝杠步进电机(19)在导轨(6)上进行上下移动。
3.如权利要求1所述的一种高效太阳能自动追踪系统，其特征在于：所述左侧的仰俯支撑侧板(26)上还设置有第一限位开关(27)。
4.如权利要求1所述的一种高效太阳能自动追踪系统，其特征在于：所述转盘下板(35)上还设有第二限位开关(36)。
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