CN110266257A - 一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置，包含底座、太阳能模块、电源控制器、光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器、旋转模块、角度调整机构、控制模块和蓄电池，N为大于等于2的整数。工作时，根据太阳光角度改变太阳能板角度，使得太阳能板时刻保持与太阳光垂直，保证太阳能板的接收辐射面积最大，实现太阳能的最大利用；同时能够依据风速风向的情况自动收合太阳能板扇叶，调整太阳能板的面积和角度，避免了由于狂风暴雨使无人船的剧烈波动对水质参数测量精度的影响。本发明结构简单，安装、调试、携带方便，对于无人船来说，占用面积小。
Description
技术领域
本发明涉及新能源和机械领域，尤其涉及一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置。
背景技术
目前，环保督察部门为掌握所辖水域的水质情况,通常对所辖水域的水质进行定期或不定期的检测分析,根据水质的各项水质指标决定相应的环保措施。然而，现有水质自动监测站由于位置固定，难以及时发现污染源，而移动监测手段多为有人驾驶的水质监测车或监测船，不仅劳动力成本高，而且受城市水体的复杂地形影响，部分水域人工监测船或监测车根本无法驶入，造成目前水质监测体系存在响应不及时、时间与空间分辨率较低等问题。自动化的水质检测无人船为环保督察部门所辖水域的实时水质检测提供了一种可靠的方案。广阔水域中的无人船工作在环境恶劣的水面上，可靠的供电系统是水质检测设备工作的基本条件，因此，无人船的供电系统是颇为引人注目的问题，由于无人船的供电可以使用锂电池或者蓄电池，但由于电池的容量有限，一般可以维持3-4小时，完全不能满足无人船野外长时间的供电需求。
针对上述问题，本专利研发了一种水质检测的无人船扇形太阳能充电系统，系统依据光线的强弱及环境风向及风速的情况，调整扇形太阳能电池板张开的角度与方向，依据光线的强弱与风速风向情况，调节与控制太阳能电池板的工作状态，保证电源系统处于最佳工作状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供了一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置，包含底座、太阳能模块、电源控制器、光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器、旋转模块、角度调整机构、控制模块和蓄电池，N为大于等于2的整数；
所述太阳能模块包含N个太阳能单元、旋转模块、角度调整机构和支架；
所述太阳能单元包含两片扇形太阳能板和转环，其中，所述两片扇形太阳能板的圆心角均为360/N，且两片扇形太阳能板的圆心端均和所述转环固连、使得两片扇形太阳能板关于所述转环的中心对称，所述转环内壁上设有和其固连的内齿环，且内齿环上设有至少三个和其啮合的行星齿轮；
所述第一个到第N个太阳能单元转环内壁上内齿环齿数的比例为：1:2：…：N；
所述旋转模块包含第一步进电机和齿柱；其中，所述第一步进电机固定在所述角度调整机构上，其输出端和所述齿柱的一端同轴固连；所述第一至第N个太阳能单元转环内壁上的内齿环依次套在所述齿柱上、且各个太阳能单元内齿环上的星形齿轮均和所述齿柱啮合；
所述角度调整机构用于调整所述齿柱的角度，包含固定盘、第二步进电机、第三步进电机、第一轴架、第二轴架和转轴；其中，所述固定盘呈圆盘状；所述第二步进电机固定在所述支架的上端，其输出轴和所述固定盘下端面圆心处垂直固连、且第二步进电机的输出轴和所述支架同轴，用于带动固定盘转动；所述第一轴架、第二轴架均固定在所述固定盘上表面；所述转轴的两端分别设置在第一轴架、第二轴架内，使得转轴能够在第一轴架、第二轴架之间自由转动；所述第一步进电机固定在所述转轴中心，使得齿柱和所述转轴相互垂直；所述第三步进电机固定在所述固定盘上表面，其输出轴和所述转轴同轴固连；
所述支架的另一端和所述底座垂直固连；
所述电源控制器一端分别和所述N个太阳能单元电气相连，另一单和所述蓄电池电气相连，用于将所述N个太阳能单元产生的电能存储至所述蓄电池；
所述光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器均设置在所述底座上，其中，所述光强传感器用于检测太阳光的强度，并将其传递给所述控制模块；所述风速风向传感器用于检测风速的大小和方向，并将其传递给所述控制模块；所述方位角传感器用于检测太阳光的方位角，并将其传递给所述控制模块；所述高度角传感器用于检测太阳光的高速角，并将其传递给所述控制模块；
所述控制模块分别和光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器、旋转模块、角度调整机构电气相连，用于根据光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器的感应数据控制旋转模块、角度调整机构工作。
作为本发明一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置进一步的优化方案，N=5。
作为本发明一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置进一步的优化方案，所述扇形太阳能板采用单晶硅太阳能电池，圆心角为30°。
作为本发明一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置进一步的优化方案，所述第一步进电机采用42步进电机或TB6600步进电机驱动器。
作为本发明一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置进一步的优化方案，所述控制模块的型号为STM32F429IGT6。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 本发明结构简单，安装、调试、携带方便，对于无人船来说，占用面积小；
2. 本发明可以自动张开太阳能板扇叶，形成圆形的太阳能板，以最大面积接收太阳能，圆面的设计，具有更好的平衡性能，便于无人船在水域的平衡；
3. 本发明可以依据风速风向的情况自动收合太阳能板扇叶，调整太阳能板的面积和角度，避免了由于狂风暴雨使无人船的剧烈波动对水质参数测量精度的影响；
4. 本发明在天气恶劣时，可以自动收合太阳能板扇叶，减小狂风暴雨等恶劣天气影响无人船运行状态。本发明可以根据风速和风向避免风速很大时，风垂直吹向太阳能板，调整太阳能板的面积和角度，避免翻船的危险；
5. 本发明的一个旋转轴上有两个圆心角为30°的扇形太阳能板成对角分布，共有6个旋转轴，当太阳能板收合的时候，这种对称的扇形太阳能板保持了装置的平衡，结构相比市面上的太阳能跟踪充电装置结构更加安全合理；
6. 本发明可以根据太阳光角度改变太阳能板角度，使得太阳能板时刻保持与太阳光垂直，保证太阳能板的接收辐射面积最大，实现太阳能的最大利用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是扇形太阳能板的结构示意图；
图3是本发明关合各个扇形太阳能板的俯视图；
图4是本发明打开各个扇形太阳能板的俯视图；
图5是本发明关合各个扇形太阳能板的侧视图；
图6是本发明工作流程示意图。
图中，1-底座，2-扇形太阳能板，3-齿柱，4-旋转模块，5-支架，6-光强传感器，7-风速风向传感器，8-高度角传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，本专利公开了一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置，包含底座、太阳能模块、电源控制器、光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器、旋转模块、角度调整机构、控制模块和蓄电池，N为大于等于2的整数；
所述太阳能模块包含N个太阳能单元、旋转模块、角度调整机构和支架；
如图2所示，所述太阳能单元包含两片扇形太阳能板和转环，其中，所述两片扇形太阳能板的圆心角均为360/N，且两片扇形太阳能板的圆心端均和所述转环固连、使得两片扇形太阳能板关于所述转环的中心对称，所述转环内壁上设有和其固连的内齿环，且内齿环上设有至少三个和其啮合的行星齿轮。
所述第一个到第N个太阳能单元转环内壁上内齿环齿数的比例为：1:2：…：N，当N=5时，第一个到第5个太阳能单元转环内壁上内齿环齿数的比例为：1：2：3：4:5。
所述旋转模块包含第一步进电机和齿柱；其中，所述第一步进电机固定在所述角度调整机构上，其输出端和所述齿柱的一端同轴固连；所述第一至第N个太阳能单元转环内壁上的内齿环依次套在所述齿柱上、且各个太阳能单元内齿环上的星形齿轮均和所述齿柱啮合。
所述角度调整机构用于调整所述齿柱的角度，包含固定盘、第二步进电机、第三步进电机、第一轴架、第二轴架和转轴；其中，所述固定盘呈圆盘状；所述第二步进电机固定在所述支架的上端，其输出轴和所述固定盘下端面圆心处垂直固连、且第二步进电机的输出轴和所述支架同轴，用于带动固定盘转动；所述第一轴架、第二轴架均固定在所述固定盘上表面；所述转轴的两端分别设置在第一轴架、第二轴架内，使得转轴能够在第一轴架、第二轴架之间自由转动；所述第一步进电机固定在所述转轴中心，使得齿柱和所述转轴相互垂直；所述第三步进电机固定在所述固定盘上表面，其输出轴和所述转轴同轴固连。
所述支架的另一端和所述底座垂直固连。
所述电源控制器一端分别和所述N个太阳能单元电气相连，另一单和所述蓄电池电气相连，用于将所述N个太阳能单元产生的电能存储至所述蓄电池。
所述光强传感器用于检测太阳光的强度，并将其传递给所述控制模块。
所述风速风向传感器用于检测风速的大小和方向，并将其传递给所述控制模块。
所述方位角传感器用于检测太阳光的方位角，并将其传递给所述控制模块。
所述高度角传感器用于检测太阳光的高速角，并将其传递给所述控制模块。
所述控制模块分别和光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器、旋转模块、角度调整机构电气相连，用于根据光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器的感应数据控制旋转模块、角度调整机构工作。
扇形太阳能板：采用单晶硅太阳能电池，光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，如图1所示，采用圆心角为30°成对角对称的扇形太阳能板结构。
旋转模块：旋转模块用于控制扇形太阳能板的张合，第一步进电机采用42步进电机（42BYGH47-401A两相四线混合式）或TB6600步进电机驱动器，第一步进电机转动一圈第一组扇叶转动30°，而脉冲的频率采用500Hz，即步进电机的转速为150转/分。当扇形太阳能充电装置需要张开叶面开始接收太阳能，第一步进电机控制齿柱转动，从而带动各个扇形太阳能板转动，最后太阳能板张开成一个圆面，如图3所示。而当需要关和各个扇形太阳能板时，控制第一步进电机反转即可，如图4、图5所示。
风速风向传感器：采用DEM6轻便三杯风向风速表用于测量风向和一分钟时间内平均风速，风速范围为0-30m/s，风向为0-360°（16个方位），旋转杯启动风速小于0.8m/s，风速的修正误差小于0.4m/s，风向的误差为±10°（读取方向时不大于一个方位）。
方位角传感器：采用MCJSI420A 38AC型，如图3所示，通过感应安装在传感器转轴一端的永久性磁铁的平行磁场的强度，测量出传感器转轴的绝对角度位置，输出信号包含电流输出、电压输出多种类型，具有反向保护，该传感器8V-28V的电源供电，具有较小的测量误差（±0.3°）和较小的信号温漂（±60A）。
控制模块：采用ST公司的高性能MCU STM32F429IGT6，它是基于Cortex-M4内核，主频高达180MHz，具备高的运行速度与运算能力。同时该处理器拥有丰富的外围接口，低功耗、低成本、高性能的特征和高速的混合数字信号处理能力是该控制器选择的理想方案。该控制器通过对光强、风速、风向的测量，确定扇形太阳能电池板叶片的大小与角度，通过该控制器输出的脉冲控制信号控制步进电机以调整电池板的角度与方向，从而，太阳能电池板处于发电效率较高的工作状态， 使系统稳定工作。
如图6所示，下面进一步具体说明本装置的工作流程：
首先，当光强传感器检测到的太阳光的光强大于某临界设定值时，认为天气晴朗，控制模块控制第一步进电机转动打开太阳能板，使得各组太阳能单元转成了一个圆面，使得太阳能板吸收太阳能的面积最大。当光强传感器检测到的太阳光的光强小于某临界设定值时，认为天气恶劣，第一步进电机反向旋转，按张开顺序反向收合太阳能板，有效地防止了恶劣天气对太阳能板和无人船可能造成的损坏。
当风速传感器检测到的风速小于7.9m/s时，都认为是和风，只考虑太阳角度的影响，跟踪传感器检测太阳的方位角和高度角，只要太阳光线与太阳能板的张开平面不是90°，方位角传感器就输出偏差信号。该信号经放大后送入控制模块，控制模块控制角度调整机构调整太阳能板的角度，直到太阳能板与太阳光线垂直，锁定机构锁定太阳能板，实现了对太阳由东往西的自动跟踪。方位角传感器的视野不应小于180°。当太阳光线与指日棒的轴线平行照射时，方位角传感器无信号输出；当太阳光线发生倾斜时(太阳上升或下落)，高度角传感器产生信号。控制模块通过角度调整机构调整太阳能板的倾斜角度，使太阳能板在南北方向上跟踪太阳，直到太阳能板对准太阳。
当风速大于7.9m/s时，认为是强风，优先考虑风向的影响，根据风向传感器检测到风的角度启动转动机构调整太阳能板的角度，使得风与太阳能板成180°或者0°，避免强风垂直吹向太阳能板影响无人船的平衡，强风吹向太阳能板可能会造成无人船剧烈震动，影响无人船的检测精度。
当风速传感器检测到风速为8.0m/s<v<13.9m/s时，第一步进电机反向旋转，使第一、二组太阳能板重合，减小太阳能板的受风面积；风速为14.0m/s<v<18.9m/s时，第一步进电机再次反向旋转，使第一、二、三组太阳能板重合，再次减小太阳能板的受风面积；风速为19.0m/s<v<23.9m/s时，第一步进电机再次反向旋转，使第一、二、三、四组太阳能板重合，进一步减小太阳能板的受风面积；风速为24.0m/s<v<27.9m/s时，第一步进电机再次反向旋转，使第一、二、三、四、五组太阳能板重合，进一步减小太阳能板的受风面积；风速为28.0m/s<v<30.0m/s时，步进电机再次反向旋转，合上扇形太阳能板。
综上所述，当天气晴朗时，扇形太阳能板张开形成圆面，以最大面积接收太阳能；当天气恶劣时，自动收合太阳能板，避免了恶劣天气可能对太阳能板和无人船造成的损害。根据风速风向选择性的控制张开太阳能板的面积和方向，避免了风对太阳能板及无人船的影响，利用转动机构时刻保持太阳能板与太阳光垂直，实现太阳能的高效率利用。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包含技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种水质检测的无人船扇形太阳能充电装置，其特征在于，包含底座、太阳能模块、电源控制器、光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器、旋转模块、角度调整机构、控制模块和蓄电池，N为大于等于2的整数；
所述太阳能模块包含N个太阳能单元、旋转模块、角度调整机构和支架；
所述太阳能单元包含两片扇形太阳能板和转环，其中，所述两片扇形太阳能板的圆心角均为360/N，且两片扇形太阳能板的圆心端均和所述转环固连、使得两片扇形太阳能板关于所述转环的中心对称，所述转环内壁上设有和其固连的内齿环，且内齿环上设有至少三个和其啮合的行星齿轮；
所述第一个到第N个太阳能单元转环内壁上内齿环齿数的比例为：1:2：…：N；
所述旋转模块包含第一步进电机和齿柱；其中，所述第一步进电机固定在所述角度调整机构上，其输出端和所述齿柱的一端同轴固连；所述第一至第N个太阳能单元转环内壁上的内齿环依次套在所述齿柱上、且各个太阳能单元内齿环上的星形齿轮均和所述齿柱啮合；
所述角度调整机构用于调整所述齿柱的角度，包含固定盘、第二步进电机、第三步进电机、第一轴架、第二轴架和转轴；其中，所述固定盘呈圆盘状；所述第二步进电机固定在所述支架的上端，其输出轴和所述固定盘下端面圆心处垂直固连、且第二步进电机的输出轴和所述支架同轴，用于带动固定盘转动；所述第一轴架、第二轴架均固定在所述固定盘上表面；所述转轴的两端分别设置在第一轴架、第二轴架内，使得转轴能够在第一轴架、第二轴架之间自由转动；所述第一步进电机固定在所述转轴中心，使得齿柱和所述转轴相互垂直；所述第三步进电机固定在所述固定盘上表面，其输出轴和所述转轴同轴固连；
所述支架的另一端和所述底座垂直固连；
所述电源控制器一端分别和所述N个太阳能单元电气相连，另一单和所述蓄电池电气相连，用于将所述N个太阳能单元产生的电能存储至所述蓄电池；
所述光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器均设置在所述底座上，其中，所述光强传感器用于检测太阳光的强度，并将其传递给所述控制模块；所述风速风向传感器用于检测风速的大小和方向，并将其传递给所述控制模块；所述方位角传感器用于检测太阳光的方位角，并将其传递给所述控制模块；所述高度角传感器用于检测太阳光的高速角，并将其传递给所述控制模块；
所述控制模块分别和光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器、旋转模块、角度调整机构电气相连，用于根据光强传感器、风速风向传感器、方位角传感器、高度角传感器的感应数据控制旋转模块、角度调整机构工作。
2.根据权利要求1所述的水质检测的无人船扇形太阳能充电装置，其特征在于，N=5。
3.根据权利要求1所述的水质检测的无人船扇形太阳能充电装置，其特征在于，所述扇形太阳能板采用单晶硅太阳能电池，圆心角为30°。
4.根据权利要求1所述的水质检测的无人船扇形太阳能充电装置，其特征在于，所述第一步进电机采用42步进电机或TB6600步进电机驱动器。
5.根据权利要求1所述的水质检测的无人船扇形太阳能充电装置，其特征在于，所述控制模块的型号为STM32F429IGT6。
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