CN203014713U - 自适应太阳追踪防灾发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种自适应太阳追踪防灾发电装置，包括：太阳能电池板、蓄电池组、太阳能充电控制器、支撑装置、太阳追踪装置和防灾装置，太阳追踪装置包括：两对光传感器，水平传感器是位于垂直边上的一对光传感器，俯仰传感器是位于水平边上的一对光传感器；一追踪防灾控制器接收两对光传感器传来的信息；一驱动装置接收追踪防灾控制器传来的信息；支撑装置包括：一固定环、一水平旋转环和一俯仰旋转轴，俯仰旋转轴与水平旋转环连接，俯仰旋转轴与太阳能电池板连接。本实用新型设计一种装置，可以简单、有效地实现太阳自追踪以及自动改变角度以降低风灾及雪灾损毁的风险，使得发电装置的使用寿命更长、效率更高。

Description

自适应太阳追踪防灾发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种太阳能发电装置，具体涉及到一种自适应太阳追踪防灾发电装置，属于机电控制领域。

背景技术

随着社会经济的发展，能源的需求日益增长，煤炭、石油、天然气等常

规能源也越来越供不应求，因此开发新能源是当今世界的必然趋势。太阳能

作为一种新能源，它在可预见的时间内不会枯竭，且无大气和放射性污染，

已经受到了国内外的广泛关注。目前太阳能利用技术主要有太阳能转换为热

能、机械能、电能、化学能等技术，其中太阳能一热能转换历史最久远、开

发最普遍，其应用太阳能热水器也已经在人们的生活中得到了较为广泛的应

用；然而利用太阳能一电能的太阳能发电系统确仅在一些工业领域、军事领

域或者航空航天领域得到应用，并没有得到普及与推广，在现有技术中，太阳能发电系统基本属于平板固定式硅晶光伏发电设备，虽然能够较为方便地安放在屋顶和墙面，然而它却存在一个问题：由于地球不停的自转，太阳一天中东升西落，位置不断变化，因而对于平板固定式硅晶光伏发电设备而言，实际上每天只有很短时间太阳光直射到太阳能电池板上。科学研究表明，这种方式影响了太阳电池的光电转化效率，使得每天有效的发电效率降低，白自浪费了太阳光，而为了保证太阳能电池板的发电功率就需要增加太阳能电池板的面积，这使得太阳能发电系统的成本增加，这种以牺牲成本来保证发电功率的方法显然不能被消费者接受。

太阳能电池有着广阔的应用前景,为了提高太阳电池的转换效率，尽可能使太阳光垂直照射在太阳能电池板上。相对于固定于地面的电池板，太阳入射角的变化受地球自转与公转的共同影响。在日照期间，改变太阳能电池板的水平角和俯仰角使太阳光尽可能垂直照射太阳能电池板。

     即时确定太阳入射角是该控制系统的关键。现有控制系统大致可以分为两类：一类是将据太阳运行轨道推算的入射角变化规律存储在由计算机或微处理器控制的系统中，通过校正过的系统时钟获取时间信息，从而计算出相应时间的太阳入射角。此类方法需要经常从外部获取时间校验信号，否则累计的时间误差将直接导致入射角的计算错误。由于太阳入射角的变化规律与所在地的经纬度密切相关，导致在不同经纬度的控制系统需要重新设定。恶劣的使用环境也使得此类控制系统的可靠性大受影响。

    另一类则是即时感知太阳的入射角。根据阳光在成固定夹角的两个或多个光电传感器上产生的电信号的差异， 可以直接感知太阳的入射角与探测器的相对关系，从而可以控制太阳能电池板转向适当的方位。这种控制系统简单、可靠，但控制精度不高，且容易产生由于传感器安装造成的系统误差。且由于缺少反馈和逻辑判断，容易导致不必要的频繁启动，浪费宝贵能源。

除此以外，目前的太阳能电池板的转动控制系统没有考虑降低自然灾害损失的要求。因此，现有技术存在需要改进的问题。。

实用新型内容

针对上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种稳定的装置既可以实现太阳追踪又可以提高抵御自然灾害的能力，以解决现有技术存在的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案：

一种自适应太阳追踪防灾发电装置，包括：太阳能电池板、蓄电池组、太阳能充电控制器和支撑装置，其中太阳能电池板设置在所述支撑装置上接收太阳光，将光能转换为电能，然后通过太阳能充电控制器向蓄电池组供电，蓄电池组存储电能，向外部负载供电，还包括：太阳追踪装置和防灾装置，所述太阳追踪装置包括：两对光传感器，所述两对光传感器设置在所述太阳能电池板的四个边上，相对两个边上的光传感器配成一对，水平传感器是位于垂直边上的一对光传感器，俯仰传感器是位于水平边上的一对光传感器；一追踪防灾控制器，所述追踪防灾控制器电性连接所述两对光传感器，所述追踪防灾控制器接收所述两对光传感器传来的信息；一驱动装置，所述驱动装置与所述追踪防灾控制器电性连接，所述驱动装置接收所述追踪防灾控制器传来的信息，所述驱动装置与所述支撑装置机械连接，另外，所述支撑装置包括：一固定环，所述固定环的一端与环境固定装置连接；一水平旋转环，所述水平旋转环的一端与所述固定环的另一端连接；一俯仰旋转轴，所述俯仰旋转轴与所述水平旋转环连接，所述俯仰旋转轴与所述太阳能电池板连接。

依照本实用新型较佳实施例所述的自适应太阳追踪防灾发电装置，所述驱动装置为电动机组合。

依照本实用新型较佳实施例所述的自适应太阳追踪防灾发电装置，所述自适应太阳追踪防灾发电装置还包括：一风压传感器，所述风压传感器与所述追踪防灾控制器电性连接, 所述追踪防灾控制器接收所述风压传感器传来的信息。

依照本实用新型较佳实施例所述的自适应太阳追踪防灾发电装置，所述防灾装置包括：一重量传感器，所述重量传感器与所述追踪防灾控制器电性连接, 所述追踪防灾控制器接收所述重量传感器传来的信息；一加热器，所述加热器与框架连接，所述加热器与所述追踪防灾控制器电性连接，所述加热器接收所述追踪防灾控制器传来的信息。

依照本实用新型较佳实施例所述的自适应太阳追踪防灾发电装置，所述防灾装置包括：一水平方位角比较器，所述水平方位角比较器电性连接位于垂直边上的一对所述水平传感器, 一对所述水平传感器经过配对处理, 所述水平传感器输出经放大后由比较电路输出比较结果;一俯仰角比较器，所述俯仰角比较器电性连接位于水平边上的一对所述俯仰传感器, 一对所述俯仰传感器经过配对处理, 所述俯仰传感器输出经放大后由比较电路输出比较结果。

本实用新型的设计理念是：

太阳相对方位感知传感器，装置采用四片光传感器（光伏电池）作为传感器感知太阳相对方位。太阳相对于太阳能电池板平面的入射角被分解为在水平方向的水平方位角和垂直方向的俯仰角。四片光伏电池分别被安装在太阳能电池板框架的四个边上。位于平行边上的两个一对光伏电池构成相应角度传感器，分别以与电池板平面成相同角度安装在框架的侧面。位于水平边上的一对光伏电池用以感知垂直方向的俯仰角，称为俯仰传感器； 位于垂直边上的一对传感器用以感知水平方向的方位角，称为水平传感器。

自动追踪太阳控制，当太阳照射在太阳能电池板的上，会在俯仰传感器和水平传感器上分别产生输出，如果入射角偏离垂直方向，俯仰传感器或水平传感器上的输出会出现差异，本装置检测、比较这些差异，比较输出的结果用于控制装置水平转动及俯仰转动的方向和角度。

本装置同时检测太阳能电池板的输出， 以反馈、验证来自传感器的控制是否正确。 确保装置调整后太阳能电池板的输出功率不低于调整前的功率， 避免反复调整导致的电动机反复启动，避免不必要的能源浪费。

防风设计，为防止风速过高造成的损害，本装置可以在风速超过设定值时将电池板平置， 以使施加在太阳能电池板及装置上的风压减至最小。控制系统实时检测风速传感器或风电系统的输出获取风速信息， 当风速超过设定的警戒值时，装置优先控制电池板向上转至水平位置，即与地面平行。

防积雪/积冰设计，为防止积雪或结冰过重造成的损害，本装置可以在太阳能电池板的重量超过设定值时加热除冰，并将太阳能电池板竖起， 以使电池板上的积雪或结冰融化、脱落。装置的支撑点上装有重量传感器， 当压力超过设定的警戒值时，装置启动位于太阳能电池板框架上的加热器（加热电缆或带状加热器），同时控制太阳能电池板竖起，即与地面垂直。

由于采用了以上的技术特征，使得本实用新型相比于现有技术，具有如下的优点和积极效果：

第一、本实用新型通过感知太阳入射角来自适应地控制太阳能电池板的水平角度及俯仰角度，以使太阳能电池的转换效率最优；

第二、本实用新型装置可安装于立杆或支架上、可改变空间角度的控制机构，适用于含太阳能电池的任何装置，如太阳能路灯、草坪灯、信号灯及太阳能无人值守设备等；

第三、本实用新型控制方法简便、可靠，不需要复杂的电脑系统或单片机系统介入；

第四、本实用新型装置能在风力和积雪超过正常范围时，自动调节装置减少太阳能电池板的迎风面和融化积雪，减少自然灾害的影响使用寿命更长。

当然，实施本实用新型内容的任何一个具体实施例，并不一定同时具有以上全部的技术效果。

附图说明

图1是本实用新型一种自适应太阳追踪防灾发电装置的连接示意图；

图2是本实用新型两对光传感器位置示意图；

图3是本实用新型的支撑装置示意图；

图4是本实用新型的控制流程图；

图5是本实用新型的控制步骤图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的几个优选实施例进行详细描述，但本实用新型并不仅仅限于这些实施例。本实用新型涵盖任何在本实用新型的精髓和范围上做的替代、修改以及方案。为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下本实用新型优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本实用新型。另外，为了避免对本实用新型的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的过程、流程、元件等。

请参考图1本实用新型一种自适应太阳追踪防灾发电装置的连接示意图，包括：太阳能电池板10、蓄电池组20、太阳能充电控制器30和支撑装置40，其中太阳能电池板10设置在所述支撑装置40上接收太阳光，将光能转换为电能，然后通过太阳能充电控制器30向蓄电池组20供电，蓄电池组20存储电能，向外部负载供电，还包括：太阳追踪装置和防灾装置60，所述太阳追踪装置包括：

两对光传感器，请参考图2，所述两对光传感器设置在所述太阳能电池板10的四个边上，相对两个边上的光传感器配成一对，水平传感器51是位于垂直边上的一对光传感器，其输出差异用以确定水平方向的太阳入射角；俯仰传感器52是位于水平边上的一对光传感器，其输出差异代表了太阳在垂直方向的入射角；本实施例中光传感器可以是太阳能板、太阳能电池板或光伏电池其中的一种，用小片太阳能电池板作为传感器，简单有效且具有成本优势。

还包括一追踪防灾控制器53，所述追踪防灾控制器53电性连接所述两对光传感器，所述追踪防灾控制器53接收所述两对光传感器传来的信息；

还包括一驱动装置54，所述驱动装置54与所述追踪防灾控制器53电性连接，所述驱动装置54接收所述追踪防灾控制器53传来的信息，所述驱动装置54与所述支撑装置40机械连接，本实施例中所述驱动装置54是电动机的组合。

另外，请参考图3，所述支撑装置40包括：

一固定环41，所述固定环41的一端与环境固定装置(图未示)连接；

一水平旋转环42，所述水平旋转环42的一端与所述固定环41的另一端连接；

一俯仰旋转轴43，所述俯仰旋转轴43与所述水平旋转环42连接，所述俯仰旋转轴43与所述太阳能电池板10连接；

太阳能电池板固定于支撑装置40的俯仰旋转轴43，支撑装置40可以在逻辑控制下分别进行水平转动和俯仰转动。通过改变装置的方位角和俯仰角改变阳光照射在太阳能电池板的角度。支撑装置40的水平转动围绕固定点或固定轴进行，在电动机的驱动下可在180度范围内往复转动。 位于转动装置上的电动机接受来自追踪防灾控制器53的逻辑单元的指令执行相应的动作。俯仰电动机同样在追踪防灾控制器53的逻辑单元的指令下转动，使太阳能电池板可以在90度范围内往复俯仰。

此外，所述防灾装置60包括：

一风压传感器61，所述风压传感器61与所述追踪防灾控制器53电性连接, 所述追踪防灾控制器53接收所述风压传感器61传来的信息。

还包括一重量传感器62，所述重量传感器62与所述追踪防灾控制器53电性连接, 所述追踪防灾控制器53接收所述重量传感器62传来的信息；

以及一加热器63，所述加热器63与框架连接，所述加热器63与所述追踪防灾控制器53电性连接，所述加热器63接收所述追踪防灾控制器53传来的信息。

防灾装置60包含一个风压传感器61。当风速超过设定范围时，追踪防灾控制器53控制驱动装置54转动，太阳能电池板改变俯仰角成水平状态，以减少大风对电池板的影响。防灾装置60还包含一个或若干个重量传感器62。重量传感器62位于支撑装置40上的特定位置，当由于积雪或冻雨造成的冰层过重时，追踪防灾控制器53启动位于框架上的加热器63除冰，同时将太阳能电池板改变成垂直状态。

另外，追踪防灾控制器53包括：

一水平方位角比较器531，所述水平方位角比较器531电性连接位于垂直边上的一对所述水平传感器51, 一对所述水平传感器51经过配对处理, 所述水平传感器51输出经放大后由比较电路输出比较结果;

一俯仰角比较器532，所述俯仰角比较器532电性连接位于水平边上的一对所述俯仰传感器52, 一对所述俯仰传感器52经过配对处理, 所述俯仰传感器52输出经放大后由比较电路输出比较结果。

追踪防灾控制器53是时时接收和检测水平方位角比较器531以及俯仰角比较器532传送过来的信息，当达到设定的误差值时，作出太阳板偏转。但偏转结果由太阳能电池板输出变化验证，如果在一定范围内输出反而下降，暂时也不做调整。

一种自适应太阳追踪防灾发电装置的控制方法，请参考图4是本实用新型的控制流程图，包括以下步骤，请参考图5：

步骤S101、检测风压传感器数值；

步骤S102、风速数值大于设定值，将太阳能电池板平放；

步骤S103、检测重量传感器数值；

步骤S104、重量数值大于设定值，将太阳能电池板竖起，开启加热器；

步骤S105、检测太阳能电池板的输出值，输出值低于设定值则执行步骤S101到步骤S104；

步骤S106、检测水平传感器数值；

步骤S107、水平传感器差值大于设定值，将太阳能电池板水平转动；

步骤S108、检测俯仰传感器数值；

步骤S109、俯仰传感器差值大于设定值，将太阳能电池板俯仰转动。

本实用新型的设计理念是：

太阳相对方位感知传感器，装置采用四片光传感器（光伏电池）作为传感器感知太阳相对方位。太阳相对于太阳能电池板平面的入射角被分解为在水平方向的水平方位角和垂直方向的俯仰角。四片光伏电池分别被安装在太阳能电池板框架的四个边上。位于平行边上的两个一对光伏电池构成相应角度传感器，分别以与电池板平面成相同角度安装在框架的侧面。位于水平边上的一对光伏电池用以感知垂直方向的俯仰角，称为俯仰传感器； 位于垂直边上的一对传感器用以感知水平方向的方位角，称为水平传感器。

自动追踪太阳控制，当太阳照射在太阳能电池板的上，会在俯仰传感器和水平传感器上分别产生输出，如果入射角偏离垂直方向，俯仰传感器或水平传感器上的输出会出现差异，本装置检测、比较这些差异，比较输出的结果用于控制装置水平转动及俯仰转动的方向和角度。

本装置同时检测太阳能电池板的输出， 以反馈、验证来自传感器的控制是否正确。 确保装置调整后太阳能电池板的输出功率不低于调整前的功率， 避免反复调整导致的电动机反复启动，避免不必要的能源浪费。

防风设计，为防止风速过高造成的损害，本装置可以在风速超过设定值时将电池板平置， 以使施加在太阳能电池板及装置上的风压减至最小。控制系统实时检测风速传感器或风电系统的输出获取风速信息， 当风速超过设定的警戒值时，装置优先控制电池板向上转至水平位置，即与地面平行。

防积雪/积冰设计，为防止积雪或结冰过重造成的损害，本装置可以在太阳能电池板的重量超过设定值时加热除冰，并将太阳能电池板竖起， 以使电池板上的积雪或结冰融化、脱落。装置的支撑点上装有重量传感器， 当压力超过设定的警戒值时，装置启动位于太阳能电池板框架上的加热器（加热电缆或带状加热器），同时控制太阳能电池板竖起，即与地面垂直。

本实用新型一种用于太阳能电池板自动追踪太阳、防风防积雪/冰设备的设计与控制，采用非处理器的控制方法，在恶劣使用环境下安全、可靠。由于引入了太阳能电池板输出功率监控、反馈，使得控制过程简单、有效，避免了电动机反复启动及能量浪费，也包含了防风、防积雪设计， 能有效减少风灾、雪灾及冻雨造成损坏。

综上所述，由于采用了以上的技术特征，使得本实用新型相比于现有技术具有如下的优点和积极效果：

第一、本实用新型通过感知太阳入射角来自适应地控制太阳能电池板的水平角度及俯仰角度，以使太阳能电池的转换效率最优；

第二、本实用新型装置可安装于立杆或支架上、可改变空间角度的控制机构，适用于含太阳能电池的任何装置，如太阳能路灯、草坪灯、信号灯及太阳能无人值守设备等；

第三、本实用新型控制方法简便、可靠，不需要复杂的电脑系统或单片机系统介入；

第四、本实用新型装置能在风力和积雪超过正常范围时，自动调节装置减少太阳能电池板的迎风面和融化积雪，减少自然灾害的影响使用寿命更长。

实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。以上公开的仅仅是本实用新型的较佳实施例，但并非用来限制其本身，任何熟习本领域的技术人员在不违背本实用新型精神内涵的情况下，所做的均等变化和更动，均应落在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种自适应太阳追踪防灾发电装置，包括：太阳能电池板、蓄电池组、太阳能充电控制器和支撑装置，其中太阳能电池板设置在所述支撑装置上接收太阳光，将光能转换为电能，然后通过太阳能充电控制器向蓄电池组供电，蓄电池组存储电能，向外部负载供电，还包括：太阳追踪装置和防灾装置，其特征在于，所述太阳追踪装置包括：

两对光传感器，所述两对光传感器设置在所述太阳能电池板的四个边上，相对两个边上的光传感器配成一对，水平传感器是位于垂直边上的一对光传感器，俯仰传感器是位于水平边上的一对光传感器；

一追踪防灾控制器，所述追踪防灾控制器电性连接所述两对光传感器，所述追踪防灾控制器接收所述两对光传感器传来的信息；

一驱动装置，所述驱动装置与所述追踪防灾控制器电性连接，所述驱动装置接收所述追踪防灾控制器传来的信息，所述驱动装置与所述支撑装置机械连接，

另外，所述支撑装置包括：

一固定环，所述固定环的一端与环境固定装置连接；

一水平旋转环，所述水平旋转环的一端与所述固定环的另一端连接；

一俯仰旋转轴，所述俯仰旋转轴与所述水平旋转环连接，所述俯仰旋转轴与所述太阳能电池板连接。

2.如权利要求1所述的自适应太阳追踪防灾发电装置，其特征在于，所述驱动装置为电动机组合。

3.如权利要求2所述的自适应太阳追踪防灾发电装置，其特征在于，所述防灾装置包括：

一风压传感器，所述风压传感器与所述追踪防灾控制器电性连接, 所述追踪防灾控制器接收所述风压传感器传来的信息。

4.如权利要求3所述的自适应太阳追踪防灾发电装置，其特征在于，所述防灾装置还包括：

一重量传感器，所述重量传感器与所述追踪防灾控制器电性连接, 所述追踪防灾控制器接收所述重量传感器传来的信息；

一加热器，所述加热器与框架连接，所述加热器与所述追踪防灾控制器电性连接，所述加热器接收所述追踪防灾控制器传来的信息。

5.如权利要求1或4所述的自适应太阳追踪防灾发电装置，其特征在于，所述追踪防灾控制器包括：

一水平方位角比较器，所述水平方位角比较器电性连接位于垂直边上的一对所述水平传感器, 一对所述水平传感器经过配对处理, 所述水平传感器输出经放大后由比较电路输出比较结果;

一俯仰角比较器，所述俯仰角比较器电性连接位于水平边上的一对所述俯仰传感器, 一对所述俯仰传感器经过配对处理, 所述俯仰传感器输出经放大后由比较电路输出比较结果。

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