CN204423176U

CN204423176U - 一种用于光伏发电的自动追光器

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Publication number: CN204423176U
Application number: CN201520140842.7U
Authority: CN
Inventors: 张涛; 张明端; 张彦华; 秦岭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2025-03-12

Abstract

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于光伏发电的自动追光器，它包括：感光盒、自动控制装置和驱动装置，感光盒连接至自动控制装置，自动控制装置连接至驱动装置。感光盒包括遮光板和追踪电路，遮光板设置在追踪电路电路上。追踪电路包括：输入电路、缓冲电路和对称比较电路。自动控制装置包括逻辑电路和唤醒电路和多个水银开关，逻辑电路与唤醒电路连接，逻辑电路还与多个水银开关连接。逻辑电路包括看门狗电路和电源模块，看门狗电路与电源模块连接。本实用新型在不检测光伏板旋转角度的情况下实现了光伏板自动追踪太阳光的功能，同时具有稳定、能耗低、捕捉太阳入射角度范围大、天气变化适应能力强以及对机械部分依赖小等特点。

Description

一种用于光伏发电的自动追光器

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于光伏发电的自动追光器。

背景技术

目前，太阳能作为一种清洁能源而广受欢迎，其使用已经相当普遍。自动追光装置的使用提高了太阳能的利用率、增加了光伏发电的发电量，但现有自动追光装置还存在着一些局限性。

首先，现有追光装置多采用外接电源的方式为驱动装置供电，以驱动光伏板旋转。这种方法不得不引入市电或蓄电池等作为电源，增加了施工现场布线难度、提高了成本还会带来诸多不便。

再者，现有追光装置的控制装置多基于理论模型，将太阳高度角及方位角数据提前写入单片机、PLC或PC软件中，采用定时或连续逼近方式实现追踪。如果天气不会变化，每天都是晴天这种控制方法尚可，但现实情况是：天气无时无刻不在变化，任何数学模型都难以准确描述。因此固定程式控制器并不能用于实际，更不用说没有电子控制器而采用桥式电源，平衡驱动方案了。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种旋转角度开环控制、依靠姿态反馈实现光伏板自动追光功能的用于光伏发电的自动追光器。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于光伏发电的自动追光器，包括感光盒、自动控制装置和驱动装置，所述感光盒连接至自动控制装置，所述自动控制装置连接至驱动装置。

本实用新型的有益效果是：充分利用数字电路高性能、低能耗的特点，将模拟信号直接变换成数字信号而不需要模数转换。整机没有使用其他电源，直接从光伏板上取电，自给自用。此外，本实用新型并不检测光伏板所处的绝对位置(或绝对旋转角度)，而是通过比较所述遮光板两侧的光线强度，确定光伏板相对太阳光的角度，从而通过驱动装置调整光伏板，使其始终保持在与太阳光线垂直的位置；本实用新型还通过水银开关检测光伏板的实时姿态，所述姿态是指光伏板相对地面的位置关系，所述姿态共有四种，即水平、左倾、右倾和垂直。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述所述感光盒包括遮光板和追踪电路，所述遮光板设置在追踪电路电路上。

采用上述进一步方案的有益效果是，所述感光盒包括遮光板和追踪电路，所述追踪电路通过比较所述遮光板两侧的光线强度，从而获取光伏板相对太阳光的位置信息，阳光直射时，两个光敏电阻处于同样的光强下，它们的内阻会同步变化，因而中间电位点电压保持不变；太阳从一个方向斜射时，光伏板与对太阳光呈一定夹角，由于遮光板的作用，两个光敏电阻只有一个被太阳照射，其内阻变小，而另外一个处在挡光板的阴影之中，其内阻变大。则中间点电位产生偏离；没阳光照射或阴天时，其原理与阳光直射时相同。后级电路只要基于供电50％电位点对称处理，就可以得到有效信号。

进一步，所述追踪电路包括：输入电路、缓冲电路和对称比较电路；

所述输入电路包括对称地设置在所述遮光板两侧的两个阻值相等的光敏电阻U1、U2和两个阻值相等的电阻R8、R9，所述两个光敏电阻U1、U2与两个电阻R9、R8顺次连接成回路，所述光敏电阻U1与U2的公共端a连接至第二放大器U2B的同相输入端，所述电阻R8与R9的公共端b连接至第一放大器U2A的同相输入端，所述光敏电阻U1与电阻R8的公共端和所述光敏电阻U2和电阻R9的公共端分别连接至电源两端；

所述缓冲电路包括第一放大器U2A和第二放大器U2B，所述第一放大器U2A的同相输入端连接至公共端b，所述第二放大器U2B的同相输入端连接至公共端a，所述第一放大器U2A和第二放大器U2B的输出端均连接至各自的反相输入端，所述第一放大器U2A的输出端连接至电阻R5，所述第二放大器U2B的输出端连接至电阻R4；

所述对称比较电路包括第一比较器U1A和第二比较器U1B，所述第一比较器U1A的反相输入端连接至所述第一放大器U2A的输出端，第一比较器U1A的同相输入端连接至电阻R4，所述第二比较器U1B的反相输入端连接至第二放大器U2B的输出端，第二比较器U1B的同相输入端连接至电阻R5。

采用上述进一步方案的有益效果是，本实用新型应用门比较器，判断光伏板是否正对太阳光。输入电路用于采集两光敏电阻公共端a点的电压，以及两电阻公共端b点的电压，并将a、b两点电压信号输入缓冲电路。由于两电阻阻值相等，b点电压恒为1/2V_cc。

由于反馈电阻的加入会引起输入信号的波动，为此添加运算放大器用作电压缓冲，同时确保输入端阻抗与光敏电阻阻抗相匹配。

对称比较电路的设置可以通过比较器反应出两光敏电阻的阻值大小情况，并将这一信号通过比较器输出的高低电平转化为数字信号，便于后级电路获取驱动指令。

进一步，所述对称比较电路还包括电阻R6和电阻R7，所述电阻R6连接在第二比较器U1B的同相输入端和输出端之间，电阻R7连接在第一比较器U1A的同相输入端和输出端之间。

在比较器的同相端引入反馈电阻，增加迟滞功能，改变了输出传递函数又能使信号输出满足数字电路要求，更适应本应用。

进一步，所述自动控制装置包括逻辑电路和唤醒电路，所述逻辑电路与唤醒电路连接。

采用上述进一步方案的有益效果是，唤醒电路用于采集电源电压和环境亮度，而逻辑电路用于检测光伏板的实时姿态，所述姿态是指光伏板相对地面的位置关系。只有当“环境亮度”，“供电电压”两个条件同时满足才开始上电动作，任何一个超前将会被屏蔽，借此实现对上电时机的较准把握；两个条件任何一个不满足都会触发“电源错误”状态，借此实现对收板时机的快速响应。当由于天气原因，太阳光线强度较弱时，唤醒电路检测到环境亮度未达到所设阈值，追光器便不会启动，但由于光伏板收板姿态为与地面水平，所以当太阳强度足够且满足唤醒电路检测的光线强度阈值时，追光器可以直接启动并追踪至合适位置进行光伏发电；当天气由晴天突然转为阴天或雨天时，唤醒电路检测到环境亮度未达到所设阈值时，会发送信息至逻辑电路，使逻辑电路发出收板指令。因此，唤醒电路对环境亮度的监测，可以使本实用新型适应复杂的天气变化。

进一步，所述自动控制装置还包括多个设置在控制电路板内的水银开关，所述控制电路板安装在光伏板上，多个所述水银开关连接至所述逻辑电路。

采用上述进一步方案的有益效果是，所述控制电路板安装在光伏板上，所述多个水银开关连接至所述逻辑电路，各个水银开关相互配合检测光伏板的实时姿态，并将所述实时姿态发送给所述逻辑电路，所述逻辑电路根据所述光伏板的实时姿态控制所述驱动装置的启停，所述姿态是指光伏板相对地面的位置关系。电路板安装在光伏板的下方，随光伏板一起转动，时刻都保持与光伏板相同的姿势，这样就可以将光伏板姿态检测转化成电路板姿态自检。电路中通过三个水银开关检测出：水平、左倾、右倾，垂直四个姿态，配合其它电路完成收板，光板位置错误修正等动作。

进一步，所述逻辑电路包括看门狗电路和电源模块，所述看门狗电路与电源模块连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：当电源模块检测到电源故障时，如果直接断电，光伏板可能尚未完成收板动作，可能导致无法再次开机工作或其它故障，因此设计看门狗电路，所述看门狗能够在故障状态下控制电源模块处于工作状态，直至完成收板动作后，才切断整机电源。

附图说明

图1为本实用新型电路方框图；

图2为本实用新型中追踪电路和逻辑电路的电路方框图；

图3为本实用新型中输入电路的连接原理图；

图4为本实用新型中缓冲电路和对称比较电路优选的电路原理图；

图5为本实用新型第一种实施方式的电路原理图；

图6为本实用新型唤醒电路第一种实施方式的电路原理图；

图7为本实用新型电源模块第一种实施方式的电路原理图；

图8为本实用新型图4中U1A的状态转换图；

图9为本实用新型图4中U1B的状态转换图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、感光盒，2、自动控制装置，3、驱动装置，4、遮光板，5、追踪电路，51、输入电路，52、缓冲电路，53、对称比较电路，6、逻辑电路，61、看门狗电路，62、电源模块，7、唤醒电路，8、水银开关。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例1

如图1所示，一种用于光伏发电的自动追光器，包括感光盒1、自动控制装置2和驱动装置3，所述感光盒1连接至自动控制装置2，所述自动控制装置2连接至驱动装置3。

所述所述感光盒1包括遮光板4和追踪电路5，所述遮光板4设置在追踪电路电路5上。

所述追踪电路5包括：输入电路51、缓冲电路52和对称比较电路53；

所述输入电路51包括对称地设置在所述遮光板4两侧的两个阻值相等的光敏电阻U1、U2和两个阻值相等的电阻R8、R9，所述两个光敏电阻U1、U2与两个电阻R9、R8顺次连接成回路，所述光敏电阻U1与U2的公共端a连接至第二放大器UB的同相输入端，所述电阻R8与R9的公共端b连接至第一放大器U2A的同相输入端，所述光敏电阻U1与电阻R8的公共端和所述光敏电阻U2和电阻R9的公共端分别连接至电源两端；

所述缓冲电路52包括第一放大器U2A和第二放大器U2B，所述第一放大器U2A的同相输入端连接至公共端b，所述第二放大器U2B的同相输入端连接至公共端a，所述第一放大器U2A和第二放大器U2B的输出端均连接至各自的反相输入端，所述第一放大器U2A的输出端连接至电阻R5，所述第二放大器U2B的输出端连接至电阻R4；

所述对称比较电路53包括第一比较器U1A和第二比较器U1B，所述第一比较器U1A的反相输入端连接至所述第一放大器U2A的输出端，第一比较器U1A的同相输入端连接至电阻R4，所述第二比较器U1B的反相输入端连接至第二放大器U2B的输出端，第二比较器U1B的同相输入端连接至电阻R5。

所述对称比较电路53还包括电阻R6和电阻R7，所述电阻R6连接在第二比较器U1B的同相输入端和输出端之间，电阻R7连接在第一比较器U1A的同相输入端和输出端之间。

所述自动控制装置2包括逻辑电路6和唤醒电路7，所述逻辑电路6与唤醒电路7连接。

所述自动控制装置2还包括多个设置在控制电路板内的水银开关8，所述控制电路板安装在光伏板上，多个所述水银开关8连接至所述逻辑电路6。

所述逻辑电路6包括看门狗电路61和电源模块62，所述看门狗电路61与电源模块62连接。

图2中，分别与两个光敏电阻U1、U2并联电阻R11、R12均为1MΩ，这是为了确定光敏电阻变化上限。5V供电是为了与后级逻辑电路6的电压兼容。

正常情况下阳光追踪电路5具备绝对优先权，逻辑电路6无权干涉，仅过程错误时逻辑电路6收回其优先权，待错误消除后再将优先权归还。借此实现系统对太阳方位角真实、准确的响应。

图3为光敏电阻与输入电路的优选的连接电路图。其中b点的电压始终为7.5V，而a点的电压取决于光敏电阻U1、U2阻值的大小。

图4为缓冲电路52和对称比较电路53的优选的电路原理图，图中a为信号输入，b为基准电压。

为便于分析，有如下预定:V_cc＝15V，b点电压V_b＝7.5V,LM393P输出高电平V_oh＝5V，低电平V_ol＝0.2V。

要弄清对称比较电路53的工作原理，就是要搞清楚两个比较器U1A,U1B具体的翻转条件。

下面通过叠加定理分析U1A、U1B的输出与V_a的对应关系：

U1A由叠加定理得:

逻辑输出为“1”时：

{V_{a}}^{'} = V_{a} \frac{R_{7}}{R_{7} + R_{4}} + V_{oh} \frac{R_{4}}{R_{7} + R_{4}};

即V′_a＝0.83V_a+0.83 (1)

逻辑输出为“0”时：

{V_{a}}^{'} = V_{a} \frac{R_{7}}{R_{7} + R_{4}} - V_{ol} \frac{R_{4}}{R_{7} + R_{4}};

即V′_a＝0.83V_a-0.03 (2)

若U1A由“0”跳“1”需满足V′_a＝0.83V_a-0.03＞7.5,

即V_a＞9.1 (3)

若U1A由“1”跳“0”需满足V′_a＝0.83V_a+0.83＜7.5,

即V_a＜8 (4)

U1B由叠加定理得:

逻辑输出为“1”时：

{V_{b}}^{'} = V_{b} \frac{R_{6}}{R_{5} + R_{6}} + V_{oh} \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{6}};

即V′_b＝7 (5)

逻辑输出为“0”时：

{V_{b}}^{'} = V_{b} \frac{R_{6}}{R_{5} + R_{6}} - V_{ol} \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{6}};

即V′_b＝6.2 (6)

若U1B由“0”跳“1”需满足

{V_{b}}^{'} = V_{b} \frac{R_{6}}{R_{5} + R_{6}} - V_{ol} \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{6}} > V_{a};

即V_a＜6.2 (7)

若U1B由“1”跳“0”需满足

{V_{b}}^{'} = V_{b} \frac{R_{6}}{R_{5} + R_{6}} + V_{oh} \frac{R_{5}}{R_{5} + R_{6}} < V_{a};

即V_a＞7 (8)

解得:

当V_a逐渐升高时，对应的输出：

V_a(V)	<6.2	6.2-7	7-8	8-9	>9.1
						U1A	0	0	0	0	1
U1B	1	1	0	0	0

表(1-1)

当V_a逐渐降低时，对应的输出：

V_a(V)	>9.1	8-9	7-8	6.2-7	<6.2
						U1A	1	1	0	0	0
U1B	0	0	0	0	1

表(1-2)

图8为U1A的状态转换图，图9为U1B的状态转换图。

本追踪器设计了1V(8V-7V＝1V)的电压波动允许范围。这样的设计主要是为了增强电路抗干扰能力，使翻转动作干脆、准确。同时也是为了适应机械部分轴承间的自由间隙，降低对机械部分的要求。当然启动界限之间电位差为2.9V(9.1V-6.2V＝2.9V),这是考虑到轴承不可避免的会存在间隙。

该电路实质上是门比较器的应用，只是在比较器的同相端引入反馈电阻，增加迟滞功能，改变了输出传递函数又能使信号输出满足数字电路要求，更适应本应用。又由于反馈电阻的加入会引起输入信号的波动，为此添加LM358作为电压缓冲，同时也将输入端阻抗提高到M欧级，与光敏电阻阻抗匹配。

图5为本实用新型中追踪电路5的优选的电路原理图，其主要用于实现光伏板对太阳光的追踪功能，以保证光伏板始终与太阳光线垂直。本优选方案利用比较器比较两个光敏电阻U1、U2的阻值大小，从而判断光伏板是否正对太阳光。

本追踪电路5工作过程：如图5所示，当太阳光线与光伏板垂直时，即光敏电阻U1、U2的阻值大小相等，两个光敏电阻U1、U2的公共端a点的电位为7.5V，随着太阳逐渐移动，中间点电位也随之发生相应的变化。当中间点电位高于9.1V或低于6.2V时，驱动装置3则驱动光伏板开始追踪动作，随着光伏板的旋转，两个光敏电阻U1和U2之间的阻值之差会逐渐减小，直到a点电压恢复到7V-8V范围内，驱动装置3停止。

图中C1，C2并联组态是为了获得接近二阶滤波器的效果，平滑输入电压波动，C3，C4的作用与之相同。R3、R10在电路中作为上拉电阻，R1、R2的设置是保证当光线强度很大时(如感光盒被破坏的情况)，即光敏电阻U1、U2的阻值变得很小时，光敏电阻U1、U2不会因通过的电流过大而被烧坏。

如图6所示，整机没有使用外接电源，而是直接从光伏板上取电。而光伏板输出的电压与亮度有关，清晨亮度是随太阳一点点起来的，光伏板电压也经历了从0V慢慢上升的过程。这与传统电路上电要求相违背，于是设计了光伏专用唤醒电路7。“当工作条件满足时开始工作”，对本方案要求：1电压已达到24V工作电压。2.环境亮度已允许工作。

图中U1A负责环境亮度检测，U1B负责针对24V检测。U1B的反相端接基准电压电路，同相端接采样电路。稳压管D1采用型号为1N4742A的稳压管，其稳定电压为12V。当电源电压低于12V时，由于稳压管D1的特性，稳压管D1端承受全部电源电压，U1B的反相端电压等于电源电压。

U1B的同相端连接由R5和R9组成的采样电路，故同相端电压变化斜率等于电源电压斜率乘以分压系数。因此当电源电压低于12V时，任意时刻反相端电压始终高于同相端电压，输出端恒为“0”；当电源电压高于12V时，D1导通，同相端被钳位在12V附近，电压变化斜率为“0”。同相端在分压网络的作用下，依然沿着以前的斜率开始追赶，直到电源电压接近22V，U1B状态翻转输出为“1”，最终实现电路响应与电源电压变化斜率无关。又因为反馈电阻R18的加入，电路表现出迟滞状态，抗干扰能力大幅增强，为各种气象条件下准确上电提供了保障。

图中U1A负责环境亮度检测，同相接基准，反相接光敏信号。光敏电阻U3安装在主板背光面，仅响应背景亮度。该电路工作过程与U1B相仿，由于光敏电阻U3的特性可以将电路简化分析。光敏电阻U3是非线性的，环境光线由暗到亮变化过程中，U3的电阻值经历了快速衰减再逐渐变缓的过程，故在时域U1A两个输入端电压至少有一个交点让其状态翻转。该电路可认为供电电压是恒定的，便于分析。因为即使上电某阶段由于供电斜率问题导致其误触发，由于U1B与其是线与关系，最终还是要被U1B屏蔽。

U1A，U1B在上电阶段相辅相成，以便为系统找到最佳上电时机；收板阶段相互独立，先入为主为系统争取宝贵的收板时间。当由于天气原因，太阳光线强度较弱时，唤醒电路检测到环境亮度未达到所设阈值，追光器便不会启动，但由于光伏板收板姿态为与地面水平，所以当太阳强度足够且满足唤醒电路检测的光线强度阈值时，追光器可以直接启动并追踪至合适位置进行光伏发电；当天气有晴天突然转为阴天或雨天时，唤醒电路检测到环境亮度未达到所设阈值时，会发送信息至逻辑电路，使逻辑电路发出收板指令。因此，唤醒电路对环境亮度的监测，可以使本实用新型适应复杂的天气变化。

如图7所示，该电路是一个经典的串联稳压电源。当输入电压低于24v时，输出等于输入，供后级检测。当电压高于24v时电路输出恒等于24v，以保障后级电路供电以及电机的安全。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种用于光伏发电的自动追光器，其特征在于，包括感光盒(1)、自动控制装置(2)和驱动装置(3)，所述感光盒(1)连接至自动控制装置(2)，所述自动控制装置(2)连接至驱动装置(3)。

2.根据权利要求1所述一种用于光伏发电的自动追光器，其特征在于，所述感光盒(1)包括遮光板(4)和追踪电路(5)，所述遮光板(4)设置在所述追踪电路(5)上。

3.根据权利要求2所述一种用于光伏发电的自动追光器，其特征在于，所述追踪电路(5)包括：输入电路(51)、缓冲电路(52)和对称比较电路(53)；

所述输入电路(51)包括对称地设置在所述遮光板(4)两侧的两个阻值相等的光敏电阻(U1)、(U2)和两个阻值相等的电阻(R8)、(R9)，所述两个光敏电阻(U1)、(U2)与两个电阻(R9)、(R8)顺次连接成回路，所述光敏电阻(U1)与(U2)的公共端(a)连接至第二放大器(UB)的同相输入端，所述电阻(R8)与(R9)的公共端(b)连接至第一放大器(U2A)的同相输入端，所述光敏电阻(U1)与电阻(R8)的公共端和所述光敏电阻(U2)和电阻(R9)的公共端分别连接至电源两端；

所述缓冲电路(52)包括第一放大器(U2A)和第二放大器(U2B)，所述第一放大器(U2A)的同相输入端连接至公共端(b)，所述第二放大器(U2B)的同相输入端连接至公共端(a)，所述第一放大器(U2A)和第二放大器(U2B)的输出端均连接至各自的反相输入端，所述第一放大器(U2A)的输出端连接至电阻(R5)，所述第二放大器(U2B)的输出端连接至电阻(R4)；

所述对称比较电路(53)包括第一比较器(U1A)和第二比较器(U1B)，所述第一比较器(U1A)的反相输入端连接至所述第一放大器(U2A)的输出端，第一比较器(U1A)的同相输入端连接至电阻(R4)，所述第二比较器(U1B)的反相输入端连接至第二放大器(U2B)的输出端，第二比较器(U1B)的同相输入端连接至电阻(R5)。

4.根据权利要求3所述一种用于光伏发电的自动追光器，其特征在于，所述对称比较电路(53)还包括电阻(R6)和电阻(R7)，所述电阻(R6)连接在第二比较器(U1B)的同相输入端和输出端之间，电阻(R7)连接在第一比较器(U1A)的同相输入端和输出端之间。

5.根据权利要求1所述一种用于光伏发电的自动追光器，其特征在于，所述自动控制装置(2)包括逻辑电路(6)和唤醒电路(7)，所述逻辑电路(6)与唤醒电路(7)连接。

6.根据权利要求5所述一种用于光伏发电的自动追光器，其特征在于，所述自动控制装置(2)还包括多个设置在控制电路板内的水银开关(8)，所述控制电路板安装在光伏板上，多个所述水银开关(8)连接至所述逻辑电路(6)。

7.根据权利要求5所述一种用于光伏发电的自动追光器，其特征在于，所述逻辑电路(6)包括看门狗电路(61)和电源模块(62)，所述看门狗电路(61)与电源模块(62)连接。