CN114204890A - 自动旋转升降支架及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动旋转升降支架，包括：底部安装平台、支架、旋转升降装置和驱动装置，底部安装平台固定安装于地面上，底部安装平台上设有安装部和控制装置；支架通过安装部固定于底部安装平台上，支架顶部设有功能件，支架内设有容纳腔。根据本发明实施例的自动旋转升降支架，空间应用性极大化，可简便地收纳保管且必要时易于拆除及移动安装，使用效率进一步提高的效果，利用自动操作及手动操作的无线通信来通过远程操作易于维持及管理。

Description

自动旋转升降支架及控制系统

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，尤其是涉及一种自动旋转升降支架及控制系统。

背景技术

伴随着全球化能源短缺、气候变化等环境压力的逐渐增大，太阳能、风能、生物质能等新能源得到了迅速发展。其中，太阳能光伏发电可为企业和居民提供清洁电力，是全世界公认的清洁能源。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种自动旋转升降支架，所述自动旋转升降支架使用效率进一步提高的效果，利用自动操作及手动操作的无线通信来通过远程操作易于维持及管理。

根据本发明实施例的自动旋转升降支架，包括：底部安装平台、支架、旋转升降装置和驱动装置，所述底部安装平台固定安装于地面上，所述底部安装平台上设有安装部和控制装置；所述支架通过所述安装部固定于所述底部安装平台上，所述支架顶部设有功能件，所述支架内设有容纳腔；所述旋转升降装置包括升降装置和旋转装置，所述升降装置设置于支架的容纳腔内，所述旋转装置设置于升降装置上；所述驱动装置设置于支架的容纳腔底部，所述驱动装置用于驱动旋转升降装置升降旋转运动，所述驱动装置与控制装置连接。

进一步地，所述升降装置为丝杠螺母结构，丝杠可旋转的安装于支架容纳腔的底部，丝杆与驱动装置连接，丝杠上设有与其相配合的螺母。

进一步地，所述支架上设有升降部，所述升降部与支架可滑动连接，所述升降部与螺母连接。

进一步地，所述升降部上设有旋转部，所述旋转部可转动的连接于升降部上，所述螺母上还设有与旋转部转动连接的转动部。

进一步地，所述旋转部上设有太阳能板。

进一步地，所述太阳能板设置两个或两个以上。

进一步地，所述功能件包括LED灯和光照强度检测器。

根据本发明实施例的自动旋转升降支架，空间应用性极大化，通过防止因强风及暴雨、大雪等自然灾害而导致的太阳能电池板的故障来使太阳能电池板的寿命明显增大，可简便地收纳保管且必要时易于拆除及移动安装，使用效率进一步提高的效果，利用自动操作及手动操作的无线通信来通过远程操作易于维持及管理。

根据本发明实施例的控制系统，所述控制系统用于上述的自动旋转升降支架，包括：依次连接的控制器、电子时钟、传感器、驱动器、跟踪机构和开关；其中传感器组设置在旋转部和升降部上，包括用于计算旋转角度的旋转角度传感器、计算高度的高度传感器，用于检测旋转定位是否满足要求的旋转到位传感器、用于检测升降定位是否满足要求的升降到位传感器，防止实际旋转角度超过预定角度的防过转传感器、辨别旋转方向的旋转方向传感器，防止实际升降角度超过预定高度的防过升传感器、辨别升还是降的升降方向传感器；跟踪机构用于根据传感器组采集的数据进行数据分析，发出控制命令给驱动器。

进一步地，控制系统还包括：光照强度传感器、光电探测器、风速传感器以及太阳能电池板参数采集模块。

本系统计划采用时钟控制与光电比较控制两种方法进行太阳跟踪，不使用GPS模块、角度传感器等位置信息模块，要做到增强地域适应性，降低安装精度要求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的自动旋转升降支架的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的控制系统的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的控制系统的工作流程图。

附图标记：1-底部安装平台；22-控制装置；3-支架；4-光照强度检测器；5-升降部；6-旋转部；7-转动部；8-太阳能板；11-LED灯。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的自动旋转升降支架3及控制系统。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，根据本发明实施例的自动旋转升降支架3，包括：底部安装平台1、支架3、旋转升降装置和驱动装置，底部安装平台1固定安装于地面上，底部安装平台1上设有安装部和控制装置22；支架3通过安装部固定于底部安装平台1上，支架3顶部设有功能件，支架3内设有容纳腔；旋转升降装置包括升降装置和旋转装置，升降装置设置于支架3的容纳腔内，旋转装置设置于升降装置上；驱动装置设置于支架3的容纳腔底部，驱动装置用于驱动旋转升降装置升降旋转运动，驱动装置与控制装置22连接。

在路面安装时，用墨盒纵向拉一条平行于路边的直线，根据具体项目以及太阳能支架3模块的尺寸进行基座定位。在基座位置先沿第一条安装线将防水层用刀割开，开口长度在50～150mm之间；用刀头穿透保温层探得底部压型钢板的上表面后，采用中空切割棒于表面中心位置将保温层切除；在同样的相交部位用Φ25mm的不锈钢钻孔器钻孔，再将档杆锚伸入孔内，翻转固定，最后旋紧基座，并用热风焊枪焊接防水层。基座需安装在轻钢路面板的波峰位置。焊接时，焊接边角需顺向导水面，以避免焊缝积水。

施工流程：定位基座→安装穿孔基座→安装底部安装平台1→支架3安装→安装太阳能板8→安装LED灯。太阳能板8在阳光的照射下将光能转化为电能，然后经过控制器的电压控制再将电能储存在锂电池中，到了晚上LED灯具又将锂电池储存的电能转换成光能，从而完成白天充电晚上照明的工作流程。控制器的作用是白天控制太阳能电池板向电池充电，晚上控制电池向LED灯放电。

随放电的进行和环境条件的变化，蓄电池电量将逐渐下降。如果不对用电进行控制，将造成蓄电池过放，电池寿命大大缩短。为此，必须设置过放保护。另外，为防止蓄电池过充，也应该设置防过充保护。

进一步地，升降装置为丝杠螺母结构，丝杠可旋转的安装于支架3容纳腔的底部，丝杆与驱动装置连接，丝杠上设有与其相配合的螺母。驱动装置转动带动丝杠的转动，丝杠的转动带动其上的螺母做上下移动，进而实现螺母的升降。

虽然可以由最大功率点跟踪系统实现太阳能的最大利用，但用户也可以根据现有条件自行调节太阳能板8的角度。通过外部遥控上的旋转按钮，向控制旋转的电动机发出运行命令，太阳能板8随之转动，调整到适合的位置即可。

如图1所示，进一步地，支架3上设有升降部5，升降部5与支架3可滑动连接，升降部5与螺母连接。进一步地，升降部5上设有旋转部6，旋转部6可转动的连接于升降部5上，螺母上还设有与旋转部6转动连接的转动部7。与螺母相连接的升降部5带动其上的太阳能板8做上下移动，位于升降部5上的旋转部6在转动部7的带动下做转动，以驱动太阳能板8角度的变化，具体地，通过旋转部6与转动部7之间的锥齿轮配合带动太阳能板8的转动。

这里用于驱动升降部5和旋转部6运动的驱动装置可以选择步进电机，步进电机是一种接收一定的脉冲信号后，转动对应角度的特种电机。步进电机的旋转是由脉冲信号严格控制的，角位移和角速度严格地与脉冲量和脉冲频率成正比，改变各相通电顺序，可以反转步进电机的旋转方向。步进电机必须使用驱动电路，直流和交流电源无法使其正常工作。步进电机具有将数字脉冲信号精确地转换为对应的角位移的特点，这一特点有利于单片机控制。步进电机在低速转动时，转矩也能达到较大的值，由于安装在小型太阳能支架3上的步进电机体积小、功率低、转矩小，所以需要使用减速器或减速传动机构，在另一个实施例中，可以在驱动装置上安装减速机构。

如图1所示，进一步地，旋转部6上设有太阳能板8；进一步地，太阳能板8设置两个或两个以上；进一步地，功能件包括LED灯和光照强度检测器4。控制装置22根据设定的跟踪方案判断太阳位置，确定步进电机应该旋转的量和方向，发出电平信号和脉冲，经脉冲分配器进行脉冲分配和功率放大器进行放大后驱动步进电机，从而令步进电机带动电池板移动，经过不断调整，最终对准太阳，然后控制装置22停止发出脉冲信号，步进电机停止转动。

功能件还包括风速检测电路、光照强度检测电路、光电跟踪电路，风速检测电路用来判断当前环境风速，在跟踪过程中每次检测光照强度之前测量风速，并将信号传入控制器以判断是否中断跟踪。利用光照强度传感器对光照强度进行测量，判断天气情况和日照情况，以启动每天的跟踪和进行跟踪方式的选择。光电跟踪电路选择四象限式光电探测器，天气为晴天时使用光电比较跟踪方式，光电探测器受到太阳光照射产生的光电流经滤波、放大后转化为电压信号并传给控制器，用于确定步进电机的旋转方向和角位移。

如图3所示，光电跟踪模块由光电探测器、集成运放和单片机相应功能模块组成，光电跟踪模块用于光电跟踪过程，是控制系统的重要组成部分时钟模块的运用贯穿了整个跟踪流程，光照强度传感器数据的采集、光电跟踪的速度和时间间隔以及单片机的信号输出等都需要用到时钟模块。此外，在光照强度不足，光电探测器上成像模糊而难以进行光电跟踪时，时钟还要与控制器配合进行时控跟踪，近似的追踪太阳。跟踪系统断电之后时钟子电路要能够继续工作，重新通电后时钟能保持与当前时间同步。此外，时钟需要可编程功能，以满足远距离对时钟进行时间同步操作。因此，本设计中采用时钟芯片，高精度晶振和电池构成时钟电路，系统断电后通过电池供电使时钟继续运行。

如图2所示，控制器是控制系统的核心，太阳能板8安装在全方位旋转部6上，通过控制旋转部6带动太阳能板8以一定规律上下左右旋转，每转到一个角度坐标进行一次太阳能板8输出功率的数据采集，从而采集到全方位的太阳能板8输出数据，然后把采集到的数据发送到控制器，控制器通过最大平均功率算法分析得出太阳能板8的最佳安装方位角与倾斜角。实际上由于我国大部分地区都处于北半球[8-11]，实际中只让太阳能板8水平方向按东－南－西旋转180°，垂直方向由于工艺限制旋转范围为0°～60°，按照后面步法进行旋转与数据的循环采集。从早到晚对每个角度坐标位置进行太阳能板8输出数据的循环采集，这样就可以得到每个角度坐标对应的太阳能随时间变化的数据，把这些数据取平均值绘制成趋势曲线，其中最大的平均功率对应的角度坐标即是需要的最佳角度，按此思路可以得出天/季度/年太阳能板8的最佳安装角度，通过上述工作过程控制太阳能板8的工作角度。

根据本发明实施例的控制系统，控制系统用于上述的自动旋转升降支架3，包括：依次连接的控制器、电子时钟、传感器、驱动器、跟踪机构和开关；其中传感器组设置在旋转部6和升降部5上，包括用于计算旋转角度的旋转角度传感器、计算高度的高度传感器，用于检测旋转定位是否满足要求的旋转到位传感器、用于检测升降定位是否满足要求的升降到位传感器，防止实际旋转角度超过预定角度的防过转传感器、辨别旋转方向的旋转方向传感器，防止实际升降角度超过预定高度的防过升传感器、辨别升还是降的升降方向传感器；跟踪机构用于根据传感器组采集的数据进行数据分析，发出控制命令给驱动器。

首先，为了减少能耗，要求利用时钟模块设定每天开始跟踪的时间，由时钟子电路控制光照强度传感器周期性检测环境中太阳光的光照强度，判断是白天、阴雨天还是黑夜。若判断到白天或者阴雨，则开始进行跟踪。识别到真正的黑夜而非遮挡物干扰时，能实现自动复位。

为了减少能耗，由计算机按照日出时间的变化规律设计指定跟踪开始的时间，由时钟模块采集到的时间数据判断到达指定时间后跟踪程序启动，开始采集当前电池板表面光照强度。由于太阳“绕地球一周”耗时24小时，平均每4分钟转动1，为了减少电池板微小角度的反复调整和降低能耗，控制器每4分钟读取一次光照强度传感器的数据，判断白天、阴雨天或黑夜，直到判断为非黑夜时进入下一步。当判断为非黑夜，即为白天或阴雨天时开始采集风速信号，风速传感器每4分钟采集一次信号，当风速大于设定值时，中断跟踪程序，等待下一次采集风速信号，直到风速下降到设定值以下，恢复跟踪。然后检测光照强度，根据光照强度选择跟踪方式进行一次跟踪：晴天时启动光电检测跟踪，驱动步进电机带动光电探测器和太阳能板8运动，开始搜索跟踪太阳的位置，使电池板对准太阳，完成后暂停跟踪，步进电机停止工作，系统进入等待状态，直到下一次接收到光照强度传感器的信号。阴雨天时启动时控跟踪，使电池板在水平和竖直方向上各转动1，然后进入待机状态。阴雨天转为晴天，则又采用光电跟踪。若判断为黑夜，则不采取任何行动，直接进入等待状态，连续两次判断为黑夜时，进行复位操作，输出连续的脉冲信号使太阳能板8向下和向东转动，通过限位开关截止并反馈断开电机电源，然后跟踪控制电路断开，保留时钟子电路电源。

整个控制系统分为最大功率点跟踪、升降自动控制、旋转自动控制和电压转换四个部分。控制系统由基于控制程序和电路组成。与外部遥控相连接，通过外部遥控上的按钮触发程序运行，达到预设效果由于太阳高度角是随时间不断变化的，以不同的太阳高度角照射在太阳能电池片上所能产生的能量也是不同的，因此在控制系统中增加了最大功率点跟踪系统(MPPT)，通过不断旋转调整太阳照射的角度，保证太阳能电池的输出功率最大。所谓最大功率点跟踪系统，具体地讲即控制器向电机发出旋转命令，电机转动，同时电功率数据模块将测得的每一时刻的功率信号返回控制器，当到达输出功率最大值位置时，程序向电机发送停止信号，电机停止转动，太阳能板8也同样停止转动，此时太阳能输出功率达到最高。

升降自动控制系统用户可以根据需求自行调节太阳能板8的整体高度。按下上升或下降按钮，控制器向电动机发出旋转命令，通过机械传动，带动了太阳能板8上下升降。当上升或下降到一定要求的高度之后，按下停止按钮则电机停止转动，太阳能板8也停止上下运动。在可升降的极限位置，也即支架3的顶部和底部，两端各安置一个红外线接收和发射装置。对于下部，红外线能够被接受为安全状态，当红外线不能被接收时，程序向电机传输停止命令，太阳能板8停止上下运动。对于上部，红外线不能被接受为正常状态，当红外线能够被接收时，表明已达到顶部位置不能再上升，因而程序发送停止命令。

进一步地，控制系统还包括：光照强度传感器、光电探测器、风速传感器以及太阳能电池板参数采集模块。光电跟踪的基本原理：由光敏元件组成的光电探测器对光照强度的变化非常敏感，光照强度发生改变，其输出信号会发生变化。跟踪过程中，太阳位置不断发生变化，当阳光直射方向与跟踪装置的主光轴偏离或有阴影遮挡时，光电探测器的输出信号发生变化，这一变化经滤波、放大、I/V转换等过程，传输给控制器，控制器程序根据不同的信号发出不同的控制命令，驱动电机旋转，改变跟踪装置方位，直到光电探测器再次对准太阳才停止。

本系统计划采用时钟控制与光电比较控制两种方法进行太阳跟踪，不使用GPS模块、角度传感器等位置信息模块，要做到增强地域适应性，降低安装精度要求。

1、在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

2、在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

3、在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”或“之下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。

4、在本发明的描述中，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。

根据本发明实施例的自动旋转升降支架3及控制系统的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”、“可选地”、“进一步地”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种自动旋转升降支架(3)，其特征在于，包括：

底部安装平台(1)，所述底部安装平台(1)固定安装于地面上，所述底部安装平台(1)上设有安装部和控制装置(22)；

支架(3)，所述支架(3)通过所述安装部固定于所述底部安装平台(1)上，所述支架(3)顶部设有功能件，所述支架(3)内设有容纳腔；

旋转升降装置，所述旋转升降装置包括升降装置和旋转装置，所述升降装置设置于支架(3)的容纳腔内，所述旋转装置设置于升降装置上；

驱动装置，所述驱动装置设置于支架(3)的容纳腔底部，所述驱动装置用于驱动旋转升降装置升降旋转运动，所述驱动装置与控制装置(22)连接。

2.根据权利要求1所述的自动旋转升降支架(3)，其特征在于，所述升降装置为丝杠螺母结构，丝杠可旋转的安装于支架(3)容纳腔的底部，丝杆与驱动装置连接，丝杠上设有与其相配合的螺母。

3.根据权利要求2所述的自动旋转升降支架(3)，其特征在于，所述支架(3)上设有升降部(5)，所述升降部(5)与支架(3)可滑动连接，所述升降部(5)与螺母连接。

4.根据权利要求3所述的自动旋转升降支架(3)，其特征在于，所述升降部(5)上设有旋转部(6)，所述旋转部(6)可转动的连接于升降部(5)上，所述螺母上还设有与旋转部(6)转动连接的转动部(7)。

5.根据权利要求3所述的自动旋转升降支架(3)，其特征在于，所述旋转部(6)上设有太阳能板(8)。

6.根据权利要求5所述的自动旋转升降支架(3)，其特征在于，所述太阳能板(8)设置两个或两个以上。

7.根据权利要求1所述的自动旋转升降支架(3)，其特征在于，所述功能件包括LED灯和光照强度检测器(4)。

8.一种控制系统，其特征在于，所述控制系统用于控制权利要求1-7的自动旋转升降支架(3)，包括：依次连接的控制器、电子时钟、传感器、驱动器、跟踪机构和开关；

其中传感器组设置在旋转部(6)和升降部(5)上，包括用于计算旋转角度的旋转角度传感器、计算高度的高度传感器，用于检测旋转定位是否满足要求的旋转到位传感器、用于检测升降定位是否满足要求的升降到位传感器，防止实际旋转角度超过预定角度的防过转传感器、辨别旋转方向的旋转方向传感器，防止实际升降角度超过预定高度的防过升传感器、辨别升还是降的升降方向传感器；跟踪机构用于根据传感器组采集的数据进行数据分析，发出控制命令给驱动器。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，还包括：光照强度传感器、光电探测器、风速传感器以及太阳能电池板参数采集模块。

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