CN109995316A - 一种追光太阳能电池支架的追光装置及追光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种追光太阳能电池支架的追光装置，光敏电阻模块设于U形光电门的正上方，光敏电阻模块包括光敏电阻、窄挡块、宽挡块以及与水平轴编码器减速电机相连的凹形座；转动座体的顶部设有透明壳罩；上底座伸入旋转座的下半腔体中，底座内安装有竖直轴编码器减速电机和光电传感器，竖直轴编码器减速电机的输出端与圆形板固定相连，底座的顶部还开设有穿线孔和穿孔，光电传感器的顶部从穿孔中伸出，圆形板的底部安装有梯形挡块。本发明可以准确得出空间内光线最强方向的角度信息，使太阳能电池支架准确的将安装在支架上的太阳能电池转动到与太阳光垂直的角度上以增加发电效率，并能够减少太阳能电池支架的转动，增加发电效率。

Description

一种追光太阳能电池支架的追光装置及追光方法

技术领域

本发明涉及追光太阳能电池支架领域，特别涉及到一种追光太阳能电池支架的追光装置及追光方法。

背景技术

追光太阳能电池支架的追踪方式目前主要有两种，一种是基于GPS技术，安装后输入安装地点的经纬度信息，通过计算后可以得出任意时刻太阳高度角和太阳方位角的信息，并将该信息传递给控制支架转动的伺服电机，伺服电机从而驱动支架转动到合适的位置使太阳能电池板正对太阳光。另一种追光方法利用安装在支架上的传感器进行追光，支架工作时负责转向的电机先使支架转动，安装在支架还是那个的传感器跟着支架一起转动，通过不同的算法，传感器能够在支架运转到光线强度出现峰值的位置处给出信号让转动电机停止转动从而使太阳能电池处于支架转过的范围内光线强度最大的位置。

对于第一种基于GPS技术的追光方案中，追光的依据主要来自时间与太阳角度的信息，适用于条件良好、不复杂的环境中，如果遇到阴雨天气，在太阳光较弱，发电量不足以支撑转向电机耗电的情况下支架依然会转动，这种情况下将会耗电，此外这类追光方法的算法较复杂。对于传感器追踪太阳光的方案，现有技术大多将追光装置固定在太阳能电池支架上不能自由转动，理论上在开阔的空间内只有太阳光线的方向光照强度最大，且只有这一个极值(峰值)，而现实环境中存在各种复杂情况使得光照强度y值与某方向角度x组成的函数y＝f(x)的图像上存在多个极值(峰值)，而前者的追光方式使得系统将误判定遇到的第一个极值(峰值)就是最大光照强度，因此存在追光不到位的问题；并且由于追光是在支架转动时进行的，可能会让支架转动超过180°，也会增加支架耗电量与机械磨损。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种追光太阳能电池支架的追光装置及追光方法，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种追光太阳能电池支架的追光装置，包括旋转座、底座和光敏电阻模块，所述旋转座包括圆形板以及管状的转动座体，圆形板固定于转动座体的内壁上并将转动座体分隔成上半腔体和下半腔体，圆形板上安装有光电门模块以及横向设置的水平轴编码器减速电机，圆形板上还开设有通孔，光电门模块包括U形光电门，光敏电阻模块设于U形光电门的正上方，光敏电阻模块包括内部空心且顶部开口的凹形座，凹形座的左侧部与水平轴编码器减速电机的输出端固定相连，凹形座内安装有光敏电阻，凹形座的前侧部和背部分别安装有窄挡块和宽挡块；转动座体顶部的开口处罩设有透明壳罩；

所述底座为内部空心的凸字形圆柱结构，底座包括下底座以及固定于下底座上部的上底座，上底座从旋转座的底部伸入下半腔体中，底座顶部的中心开设有安装穿孔，底座内安装有竖直轴编码器减速电机和光电传感器，竖直轴编码器减速电机的输出端从安装穿孔中伸出并与圆形板的底部固定相连，底座的顶部还开设有穿线孔和穿孔，所述光电传感器包括发射器和接收器，发射器和接收器的顶部从穿孔中伸出，圆形板的底部安装有用于遮挡并反射光电传感器信号的梯形挡块。

进一步的，所述底座的底部开口且在其开口处安装有底板，底板上安装有控制模块，所述控制模块包括常值电阻、电压传感器、电源和单片机，光敏电阻与常值电阻串联在电源的两端，电压传感器并联在常值电阻两端；单片机与水平轴编码器减速电机和竖直轴编码器减速电机电连接。

进一步的，所述底座内设有用于固定光电传感器的竖直平板，竖直平板的顶部固定于底座顶部的内侧壁上。

一种追光太阳能电池支架的追光装置的追光方法：

1)、单片机发出转动指令让竖直轴编码器减速电机转动，旋转座跟随其一同转动；旋转座下侧的梯形挡块旋转至光电传感器上方时，光电传感器被遮挡并接收到被梯形挡块反射的信号，单片机发出停转指令让竖直轴编码器减速电机停止转动；此时竖直轴编码器减速电机的位置调零；

2)、单片机发出转动指令让水平轴编码器减速电机转动，光敏电阻模块跟随其一同转动；光敏电阻模块的窄挡块通过光电门模块的U形光电门并被识别，单片机发出停转指令让水平轴编码器减速电机停止转动；此时水平轴编码器减速电机的位置调零；

3)、单片机发出转动指令让竖直轴编码器减速电机转动，旋转座跟随其一同转动；竖直轴编码器减速电机的编码器开始记录转动角度，每隔一定角度单片机记录一次当前角度x₁与电压传感器测得数据y₁的值(x₁，y₁)，直到旋转座下侧的梯形挡块旋转至光电传感器上方时光电传感器被遮挡并接收到被梯形挡块反射的信号，单片机发出停转指令让竖直轴编码器减速电机停止转动并比较得出电压传感器值y₁最大时对应的角度值x₁，竖直轴探测完毕；

4)、单片机发出转动指令让竖直轴编码器减速电机带动旋转座转至x₁角度位置，该位置竖直轴向的光线最强；

5)、水平轴探测时水平轴编码器减速电机转动，水平轴编码器减速电机的编码器开始记录转动角度，每隔一定角度单片机记录一次当前角度x₂与电压传感器测得数据y₂的值(x₂，y₂)，直到光敏电阻模块的宽挡块经过光电门模块的U形光电门，单片机发出停转指令让水平轴编码器减速电机停止转动并比较得出电压传感器值y₂最大时对应的角度值x₂，水平轴探测完毕；

6)、单片机将分别表示光线在竖直轴和水平轴方向上最大时的角度值x₁、x₂和光照最大值y_2max传送给控制太阳能电池支架转动的计算机上，计算机先判定y_2max是否符合正常发电条件，若符合则太阳能电池支架旋转至x₁、x₂角度，此时太阳能电池与太阳光垂直。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明为可独立追光的双轴追光装置，应用于追光太阳能电池支架的追光功能，其耗电量小，能够实现在空间内找到光线最强的方向，并将这一方向通过角度信息传递给双轴追光太阳能电池支架，从而使太阳能电池支架准确的将安装在支架上的太阳能电池转动到与太阳光垂直的角度上以增加发电效率，并能够减少太阳能电池支架的转动，从而节省支架耗电。

本发明通过竖直轴向360°的旋转探测和水平轴向90°的水平轴探测能够全方位的比较各个方向的光线强度并精确找到光照强度最大的两个轴向角度。同时本发明的两个电机均为小功率电机，因此在追光过程中耗电很小，相对现有技术通过在转动整个太阳能电池支架的过程中进行追光，本技术将太阳能电池支架转动的角度从360°以内减少到了180°以内，既节省了电能也降低了支架的机械损耗。

附图说明

图1为本发明所述的追光太阳能电池支架的追光装置的结构示意图。

图2为本发明所述的追光太阳能电池支架的追光装置的剖面图。

图3为本发明所述的旋转座的剖面图。

图4为本发明所述的光敏电阻模块的结构示意图。

图5为本发明所述的底座的结构示意图。

图6为本发明所述的底座的仰视图。

图7为本发明所述的追光太阳能电池支架的追光装置的总体接线图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1～图7，本发明所述的一种追光太阳能电池支架的追光装置，包括旋转座200、底座300和光敏电阻模块40。旋转座200的剖面是H型，旋转座200包括圆形板11以及管状的转动座体12。圆形板11固定于转动座体12的内壁上并将转动座体12分隔成上半腔体和下半腔体。圆形板11上安装有光电门模块30以及横向设置的水平轴编码器减速电机20。水平轴编码器减速电机20通过螺钉和电机支架安装在旋转座200上，且设于光电门模块30的一侧。光电门模块30通过螺钉安装在旋转座200上，使得光敏电阻模块40的两个挡块在随水平轴编码器减速电机20旋转时能够穿过光电门的U型门中间位置并遮挡光电门传感器的红外信号，由于水平轴编码器减速电机20的转速恒定，可以通过被遮挡时间识别挡块和光敏电阻模块40的位置。圆形板11上还开设有穿电线的通孔13。光电门模块30包括U形光电门，光敏电阻模块40设于U形光电门的正上方。U形光电门包括U形支架以及设于U形支架的两个支架臂上的发光装置和接收装置。光敏电阻模块40包括内部空心且顶部开口的凹形座41。凹形座41的左侧部与水平轴编码器减速电机20的输出端固定相连；凹形座41的左侧部上固定有安装管42，凹形座41内安装有光敏电阻43，水平轴编码器减速电机20的输出轴与安装管42的过渡配合相连。凹形座41是凹形结构，其四周壁面可以遮挡部分光线，使得照射在光面电阻上的光来自光敏电阻正前方某个角度范围内。凹形座41的前侧部和背部分别安装有窄挡块44和宽挡块45。转动座体12顶部的开口处罩设有透明壳罩100，透明壳罩100为玻璃材质；旋转座200通过其顶部的安装小孔用螺钉与透明壳罩100相连。玻璃罩可以使光线照射进入旋转座200上部分，并且可以起到防水、防尘的作用。

底座300为内部空心的凸字形圆柱结构，其底部是一圈带有安装孔的法兰，其顶部有用于固定竖直轴编码器减速电机50的孔，且通过螺钉进行固定。底座300包括下底座304以及固定于下底座304上部的上底座。上底座从旋转座200的底部伸入下半腔体中，旋转座200的下裙将底座300的凸型圆壁包容在内并留有一点间隙，在旋转座200能旋转动同时起到防水的作用。旋转座200的梯形挡块14在旋转至安装在底座300光电传感器60的上端时起到遮挡并反射光电传感器60信号的作用，梯形挡块14与底座300的顶部距离至少为1cm。底座300顶部的中心开设有安装穿孔301。底座300内安装有竖直轴编码器减速电机50和光电传感器60，竖直轴编码器减速电机50的输出端从安装穿孔301中伸出并与圆形板11底部带孔槽的安装柱15固定相连。底座300的顶部还开设有通电线用的圆形穿线302孔以及通光电传感器60的半圆形的穿孔303。光电传感器60包括发射器和接收器，发射器和接收器的顶部从穿孔303中伸出。圆形板11的底部安装有用于遮挡并反射光电传感器60信号的梯形挡块14。

底座300的底部开口且在其开口处安装有底板400，底板400上安装有控制模块，控制模块包括Arduino nano单片机401和电压传感器与电阻模块402。电压传感器与电阻模块402包括常值电阻、电压传感器和电源。光敏电阻与电阻串联在电源的两端，电压传感器并联在常值电阻两端，光敏电阻的阻值随光照强度变大而变小，所以回路中常值电阻两端电压随光照强度变大而变大，因此电压传感器测得的值可以间接反映光照强度。底板400通过螺钉安装在底座300的下端。单片机与水平轴编码器减速电机20和竖直轴编码器减速电机50电连接。

底座300内设有用于固定光电传感器60的竖直平板305，竖直平板305的顶部固定于底座300顶部的内侧壁上。

整个装置通过螺钉安装在可两轴旋转的太阳能电池支架上或附近。

追光太阳能电池支架的追光装置的追光方法如下：

1)、Arduino nano单片机发出转动指令让竖直轴编码器减速电机转动，旋转座跟随其一同转动。旋转座下侧的梯形挡块旋转至光电传感器上方时，光电传感器被遮挡并接收到被梯形挡块反射的信号，单片机发出停转指令让竖直轴编码器减速电机停止转动；此时竖直轴编码器减速电机的位置调零。

2)、单片机发出转动指令让水平轴编码器减速电机转动，光敏电阻模块跟随其一同转动；光敏电阻模块的窄挡块通过光电门模块的U形光电门并被识别，单片机发出停转指令让水平轴编码器减速电机停止转动；此时水平轴编码器减速电机的位置调零。

3)、单片机发出转动指令让竖直轴编码器减速电机转动，旋转座跟随其一同转动；竖直轴编码器减速电机的编码器开始记录转动角度，每隔一定角度单片机记录一次当前角度x₁与电压传感器测得数据y₁的值(x₁，y₁)，直到旋转座下侧的梯形挡块旋转至光电传感器上方时光电传感器被遮挡并接收到被梯形挡块反射的信号，单片机发出停转指令让竖直轴编码器减速电机停止转动并比较得出电压传感器值y₁最大时对应的角度值x₁，竖直轴探测完毕。

4)、单片机发出转动指令让竖直轴编码器减速电机带动旋转座转至x₁角度位置，该位置竖直轴向的光线最强。

5)、水平轴探测时水平轴编码器减速电机转动，探测的结束条件为光敏电阻模块的宽挡块经过光电门模块的U型门，其他步骤与上一步相同。水平轴编码器减速电机的编码器开始记录转动角度，每隔一定角度单片机记录一次当前角度x₂与电压传感器测得数据y₂的值(x₂，y₂)，直到光敏电阻模块的宽挡块经过光电门模块的U形光电门，单片机发出停转指令让水平轴编码器减速电机停止转动并比较得出电压传感器值y₂最大时对应的角度值x₂，水平轴探测完毕。

6)、单片机将分别表示光线在竖直轴和水平轴方向上最大时的角度值x₁、x₂和光照最大值y_2max传送给控制太阳能电池支架转动的计算机上，计算机先判定y_2max是否符合正常发电条件(发电量大于支架转动的耗电量)，若符合则太阳能电池支架旋转至x₁、x₂角度，此时太阳能电池与太阳光垂直。

本发明可以安装在两轴追光太阳能电池支架上或附近，十分小巧，能够快速准确定位空间内光照强度的最大值及其方位，并将该信息传送给太阳能电池支架的计算机，计算机可控制太阳能电池支架直接转动到最合适的角度，减少了支架的一半的运动量，大大降低了其机械损耗。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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)

1.一种追光太阳能电池支架的追光装置，其特征在于：包括旋转座、底座和光敏电阻模块，所述旋转座包括圆形板以及管状的转动座体，圆形板固定于转动座体的内壁上并将转动座体分隔成上半腔体和下半腔体，圆形板上安装有光电门模块以及横向设置的水平轴编码器减速电机，圆形板上还开设有通孔，光电门模块包括U形光电门，光敏电阻模块设于U形光电门的正上方，光敏电阻模块包括内部空心且顶部开口的凹形座，凹形座的左侧部与水平轴编码器减速电机的输出端固定相连，凹形座内安装有光敏电阻，凹形座的前侧部和背部分别安装有窄挡块和宽挡块；转动座体顶部的开口处罩设有透明壳罩；

所述底座为内部空心的凸字形圆柱结构，底座包括下底座以及固定于下底座上部的上底座，上底座从旋转座的底部伸入下半腔体中，底座顶部的中心开设有安装穿孔，底座内安装有竖直轴编码器减速电机和光电传感器，竖直轴编码器减速电机的输出端从安装穿孔中伸出并与圆形板的底部固定相连，底座的顶部还开设有穿线孔和穿孔，所述光电传感器包括发射器和接收器，发射器和接收器的顶部从穿孔中伸出，圆形板的底部安装有用于遮挡并反射光电传感器信号的梯形挡块。

2.根据权利要求1所述的追光太阳能电池支架的追光装置，其特征在于：所述底座的底部开口且在其开口处安装有底板，底板上安装有控制模块，所述控制模块包括常值电阻、电压传感器、电源和单片机，光敏电阻与常值电阻串联在电源的两端，电压传感器并联在常值电阻两端；单片机与水平轴编码器减速电机和竖直轴编码器减速电机电连接。

3.根据权利要求1所述的追光太阳能电池支架的追光装置，其特征在于：所述底座内设有用于固定光电传感器的竖直平板，竖直平板的顶部固定于底座顶部的内侧壁上。

4.一种如权利要求1所述的追光太阳能电池支架的追光装置的追光方法，其特征在于：

1)、单片机发出转动指令让竖直轴编码器减速电机转动，旋转座跟随其一同转动；旋转座下侧的梯形挡块旋转至光电传感器上方时，光电传感器被遮挡并接收到被梯形挡块反射的信号，单片机发出停转指令让竖直轴编码器减速电机停止转动；此时竖直轴编码器减速电机的位置调零；

2)、单片机发出转动指令让水平轴编码器减速电机转动，光敏电阻模块跟随其一同转动；光敏电阻模块的窄挡块通过光电门模块的U形光电门并被识别，单片机发出停转指令让水平轴编码器减速电机停止转动；此时水平轴编码器减速电机的位置调零；

3)、单片机发出转动指令让竖直轴编码器减速电机转动，旋转座跟随其一同转动；竖直轴编码器减速电机的编码器开始记录转动角度，每隔一定角度单片机记录一次当前角度x₁与电压传感器测得数据y₁的值(x₁，y₁)，直到旋转座下侧的梯形挡块旋转至光电传感器上方时光电传感器被遮挡并接收到被梯形挡块反射的信号，单片机发出停转指令让竖直轴编码器减速电机停止转动并比较得出电压传感器值y₁最大时对应的角度值x₁，竖直轴探测完毕；

4)、单片机发出转动指令让竖直轴编码器减速电机带动旋转座转至x₁角度位置，该位置竖直轴向的光线最强；

5)、水平轴探测时水平轴编码器减速电机转动，水平轴编码器减速电机的编码器开始记录转动角度，每隔一定角度单片机记录一次当前角度x₂与电压传感器测得数据y₂的值(x₂，y₂)，直到光敏电阻模块的宽挡块经过光电门模块的U形光电门，单片机发出停转指令让水平轴编码器减速电机停止转动并比较得出电压传感器值y₂最大时对应的角度值x₂，水平轴探测完毕；

6)、单片机将分别表示光线在竖直轴和水平轴方向上最大时的角度值x₁、x₂和光照最大值y_2max传送给控制太阳能电池支架转动的计算机上，计算机先判定y_2max是否符合正常发电条件，若符合则太阳能电池支架旋转至x₁、x₂角度，此时太阳能电池与太阳光垂直。