一种太阳能追光装置

1.本发明属于新能源及节能技术领域，涉及一种太阳能追光装置。


背景技术：

2.在社会经济快速发展的时代背景下，生态污染和能源消耗成为全球共同关注的问题，因此可再生能源成为提高社会发展水平、实现经济可持续发展的重要课题。可再生能源指的是无消耗、无污染的免费能源，是自然环境中的天然能源，不需要经过人力二次改造，例如风能、水能、生物质能、太阳能等。在全球范围内，在使用的各种形式的可再生能源中，太阳能和风能已成为最常使用的能源，在这两种技术中，太阳能正在成为主导技术。太阳能是当前电力产业最为理想的清洁能源，不仅能够保障正常发电，而且可以避免环境污染、能源消耗等问题。。
3.可以利用太阳能装置将转化的电能储存到蓄电池中，直接为庭院监控和照明提供能源，降低安全隐患，减少电力传输过程中的消耗，具有广阔前景。
4.目前应用的太阳能发电绝大多数都是固定式太阳能板进行吸收光能转换为电能，对太阳能的利用率偏低。现阶段少部分应用的追光式太阳能使用的是典型单轴太阳跟踪器，实现了东西方向的太阳光自动跟踪，一定程度上提高了太阳能的利用率。双轴追光式太阳能装置的出现进一步提升了设备跟踪精度。目前市场上的双轴追光装置普遍机械结构较为复杂，成本较高，且使用寿命相对较短，后期维护比较麻烦，不适合分布式小型太阳能装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种太阳能追光装置，通过自动控制太阳能板角度使其尽可能正对太阳光，根据不同的天气运用最合适的追光方式，最大限度提高太阳能发电效率。
6.为实现上述目的，本发明提出以下技术解决方案：一种太阳能追光装置，包括太阳能板组件、传动支撑装置、动力装置、储能装置和控制模块；所述太阳能板组件固定安装于传动支撑装置，选用晶体硅材料太阳能板，转化效率较高；所述传动支撑装置包括底部支撑架、设置在底部支撑架上方的太阳能板支撑架，以及设置在底部支撑架左右两侧的支撑柱、设置在底部支撑架前后两侧的支撑杆，所述底部支撑架的内部设置有横向传动轴，所述横向传动轴的中部套设有传动轴中间齿轮，通过传动支撑装置传递步进电机的动力来调整太阳能板的角度；所述动力装置包括第一步进电机和第二步进电机；所述储能装置包括蓄电池，以及与蓄电池连接的控制器，可将太阳能板转化的电能充入蓄电池中，后续为家庭设施提供能源，控制器将太阳能板转化的不稳定电能平稳充入蓄电池，当蓄电池电压升高并大于设定最高安全电压时，控制器自动断开充电电路，防止蓄电池过充，当后续蓄电池电压低于设定最高安全电压时，控制器闭合充电电路，恢复对蓄电池进行充电；当遇到连续阴雨天，蓄电池长时间对电器供能没有进行充电时，蓄电池内电能接近耗尽，此时蓄电池电压小于设定最低安全电压，控制器自动断开输出电路，防止蓄电池过放，当蓄电池再次充电使电
压大于最低安全电压时，控制器重新闭合输出电路，蓄电池恢复供电，将蓄电池工作状态限定在最低、最高安全电压之间可以有效延长蓄电池的使用寿命和运行安全；所述控制模块包括单片机、光敏电阻、光电二极管、风速传感器以及四象限探测器，所述单片机通过分析光敏电阻、风速传感器和四象限探测器的信号用于控制第一步进电机和第二步进电机，风速传感器检测当前环境风速，通过转换器将模拟信号转换成数字信号传送到单片机处理，计算出当前风速，通过与设定的最高安全风速相比判断追光装置是否可以正常运行；利用光电二极管电路中电流的变化来判断外界光照的强弱。根据实际情况设定i1、i2两个电流值，当电流小于i1时，判定为黑夜，追光装置不运行，控制太阳能板水平；当电流大于i1小于i2时，判定天气为阴天，此时采用主动式跟踪方式；当电流大于i2时，判定为晴天，此时采用被动式跟踪方式，首先，单片机通过分析光敏电阻信号，完成粗调，完成粗调后，四象限探测器开始工作，光线从顶部的圆孔中射入形成光斑，此时四个象限的电路会形成电压u1、u2、u3、u4，当太阳光垂直于太阳能板时，光斑会落在探测器的中心位置，四个电压值相等。
7.优选的，所述太阳能板组件采用太阳能板，所述太阳能板通过螺栓固定在太阳能板支撑架。
8.优选的，所述横向传动轴的中部套设有轴承，所述轴承的两侧分别套设有第一支撑座和第二支撑座，所述横向传动轴的两端依次套设有轴套和锁紧螺母，所述轴套的外部套设有齿轮，所述横向传动轴两端的内壁均开设有键槽，通过传动轴两侧齿轮、横向传动轴传递动力装置的动力，用以调整太阳能板的角度，太阳能板支撑架中间由左右两根支撑柱和前后两根支撑杆与底部支撑架相连加强固定，横向传动轴由第一支撑座、第二支撑座通过轴承配合固定，传动轴中间齿轮、传动轴两侧齿轮通过键槽与横向传动轴配合，传动轴中间齿轮传动轴两侧齿轮分别使用轴套和锁紧螺母固定位置，底部支撑架下侧装有轴承和支撑座，提供支撑并减小转动摩擦力，边缘齿轮结构通过电机齿轮传递步进电机的动力，控制装置的转动。
9.优选的，所述第一步进电机和第二步进电机通过传动轴中间齿轮、第一电机齿轮、第二电机齿轮分别与横向传动轴和底部支撑架连接，单片机通过定时器中断产生脉冲信号，通过在响应的中断程序中实现步进电机步数和圈数的准确计数，通过pwm实现转速控制，从而精确控制调整太阳能板的角度。
10.本发明由于采用以上技术方案，具有如下有益效果：
11.该装置采用双轴追光结构，能够在两个方向实时跟踪太阳，使太阳能板发电效率最大化；该装置控制系统采用混合跟踪系统，即将光电追踪方法与视日轨迹跟踪方法相结合；阴天时采用视日轨迹跟踪方法，晴天时采用光电跟踪方法，多云天气通过光电二极管判断选择合适的跟踪方式，尽可能提高装置的发电效率；在装置中引入四象限探测器，在完成初次粗调后再进行一次精调，引入风速传感器，在风速超过设定最大安全风速时使太阳能板保持水平状态，提高装置抵抗极端天气的能力；太阳能板将电能充入蓄电池以及蓄电池向步进电机和电器供电都通过控制器进行，达到平稳充电、供电的目的；通过对装置各部件在不同工况下进行仿真分析，验证了装置结构的强度符合使用要求。
12.本发明的一种太阳能追光装置，将控制系统中光电跟踪方法(被动式跟踪)与视日轨迹跟踪方法(主动式跟踪)相结合，不仅弥补了视日轨迹跟踪过程中会出现累计误差的问题，而且也解决了光电跟踪在阴天无法工作的问题，真正实现了对太阳的全天候实时跟踪，
将混合跟踪系统与双轴结构结合，具有无可比拟的优越性，通过牺牲一小部分机械能来提高太阳能利用率。该装置适合居民家用，结构简单可靠，适合农家庭院监控照明等家用设施。
13.本发明的一种太阳能追光装置，运用新的控制跟踪逻辑，能够实现自动追光，控制精度高，提高发电效率。
14.本发明的一种太阳能追光装置，采用混合跟踪系统，不仅弥补了视日轨迹跟踪过程中会出现累计误差的问题，而且也解决了光电跟踪在阴雨天气无法工作的问题。
15.本发明的一种太阳能追光装置，在经过粗调后通过四象限探测器再次进行调整，可实现对太阳位置的高精度动态追踪；通过风速传感器监测周围环境风速，可有效降低追光装置被极端天气毁坏的概率。
16.本发明的一种太阳能追光装置，通过控制器将太阳能板转化的电流平稳充入蓄电池中，设计了防止过充、过放功能，提升蓄电池使用寿命，并且提供直流端口，可直接向家用设备供电，如庭院的监控照明系统等。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
18.图1是本发明的一种太阳能追光装置结构示意图；
19.图2是本发明的太阳能板支撑架结构示意图；
20.图3是本发明的底部支撑架与支撑座连接结构示意图；
21.图4是本发明的一种太阳能追光装置侧视平面示意图；
22.图5是本发明的横向传动轴及齿轮装置结构爆炸示意图；
23.图6是本发明的横向传动轴支撑座结构爆炸示意图；
24.图7是本发明的光电跟踪法粗调控制流程示意图；
25.图8是本发明的控制框架示意图；
26.图9是本发明的充电控制流程示意图。
27.图中1、太阳能板组件；2、太阳能板支撑架；3、底部支撑架；4、横向传动轴；5、传动轴中间齿轮；6、支撑杆；7、支撑柱；8、第一电机齿轮；9、第一步进电机；10、第二步进电机；11、第二电机齿轮；12、第一支撑座；13、第二支撑座；14、轴承；15、第一轴套；16、第一键槽；17、底座轴承；18、单片机；19、风速传感器；20、光敏电阻；21、光电二极管；22、四象限探测器；23、控制器；24、蓄电池；25、底部固定装置；26、锁紧螺母；27、第二键槽；28、第二轴套；29、齿轮；30、传动支撑装置；31、动力装置；32、控制模块；33、储能装置
具体实施方式
28.以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实施例，并不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明的保护范围。
29.请参考图1至图9，一种太阳能追光装置，包括太阳能板组件1、传动支撑装置30、动力装置31、储能装置33、控制模块32五部分。太阳能板组件1固定安装于传动支撑装置30；传动支撑装置30包括太阳能板支撑架2，底部支撑架3，横向传动轴4及传动轴中间齿轮5，用以调整太阳能板1的角度；动力装置31包括两个步进电机9、10，通过传动支撑装置30控制太阳能板1角度；储能装置33包括蓄电池24，控制器23，可将太阳能板1转化的电能通过控制器23平稳充入蓄电池24中；控制模块32包括单片机18、太阳能板四边的光敏电阻20、光电二极管21以及风速传感器19组成。
30.结合图2，太阳能板组件1固定安装于太阳能板支撑架2，通过电源线将转化的太阳能传输到储能装置33。
31.结合图3，底部支撑轴3与四个支撑座25连接方式如图所示，通过滑轨形式装配，两者间凹槽装有滚珠，可实现整个装置平滑转动。
32.结合图1至图7所示，传动支撑装置30包括太阳能板支撑架2，底部支撑架3，横向传动轴4，太阳能板支撑架2两侧有齿轮结构，通过传动轴两侧齿轮29传递步进电机9的动力，中间装有左右两根支撑柱7和前后两根支撑杆6用来固定太阳能板支撑架2，底部支撑架4上侧与太阳能板支撑板2通过螺钉相连，下侧有齿轮结构，传递传动装置31的动力，横向传动轴4两侧、中间装有传动轴中间齿轮5、传动轴两侧齿轮29，与太阳能板支撑架2相连，横向传动轴4中间装有两个轴承14，由支撑架12支撑。
33.结合图1和图4，动力装置31由第一步进电机9、第二步进电机10组成，向传动支撑装置30提供动力。
34.结合图1和图4，储能装置33包括蓄电池24和控制器23，控制器23和单片机18将太阳能板组件1转化的电能平稳充入蓄电池24，防止蓄电池24过充和过放，延长蓄电池24寿命。
35.结合图1和图4，控制模块32由单片机18、光敏电阻20、光电二极管21和风速传感器19组成，光敏电阻20安装在太阳能板1四周，单片机控制电机9、10转动使四个光敏电阻20测得的光强相等即太阳能板正对太阳；风速传感器19固定在底部支撑架3上，将检测到的环境风速信号传到单片机，若风速大于设定值，则说明风速过大有可能会损害装置，此时控制电机9将装置置于水平状态，减小极端环境对装置的损害。
36.结合图7，竖向光敏电阻光照信号上侧为m1，下侧为m2，横向光敏电阻光照信号左侧为m3，右侧为m4，控制流程如图所示。
37.结合图8，时钟电路用于产生单片机18工作时所必需的控制信号，单片机的内部电路在时钟信号的控制下，严格地按时序执行指令进行工作，单片机18rst引脚接收到2us以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2us，即可实现复位，通过a/d转换电路将光敏电阻20采集到的模拟光强信号转换为数字信号送入单片机18进行处理，电源电路提供系统工作所需的电能，保证电路正常运行，利用驱动芯片驱动第一步进电机9、第二步进电机10。
38.本发明的工作流程是：
39.步骤一，风速传感器19检测环境风速，通过转换器将检测信号传给单片机，计算出当前风速，通过与设定的最高安全风速相比判断追光装置是否
40.可以正常运行；若小于设定值，则装置开始工作；否则单片机18控制电机将装置置于水平位置，保护追光装置免于破坏，此过程在系统运行时每隔5分钟重复一次，系统不工作时太阳能板1始终处于水平状态；光电二极管21可以将光能转化成电能，且对光的变化非常敏感，利用光电二极管21电路中电流的变化来判断外界光照的强弱。根据实际情况设定i1、i2两个电流值对应光照强度e1和e2，当电流小于i1即光照强度小于e1时，判定为黑夜，追光装置不运行，控制太阳能板水平；当电流大于i1小于i2即光照强度大于e1小于e2时，判定天气为阴天，此时采用主动式跟踪方式，根据提前存放在单片机18中的不同经纬度太阳角度的信息来控制追光装置正对太阳光线；当电流大于i2即光照强度大于e2时，判定为晴天，此时采用被动式跟踪方式；
41.步骤二，竖向两个光敏电阻20检测光信号，将信号通过a/d转换电路转换为数字信号传递到单片机18，单片机18控制步进电机9转动通过电机齿轮8、传动轴中间齿轮5带动横向传动轴4转动，横向转动轴4通过两侧齿轮35使太阳能板支撑架2转动，直到竖向两个光敏电阻20测得信号相同。此过程在系统运行时每隔30分钟重复一次；
42.步骤三，横向两个光敏电阻20检测光信号，将信号通过a/d转换电路转换为数字信号传递到单片机18，单片机18控制步进电机10转动通过电机齿轮11带动底部支撑架3转动，底部支撑架3由支撑架轴承17和支撑座25支撑，直到横向两个光敏电阻20信号相等，此过程在系统运行时每隔30分钟重复一次；
43.步骤四，完成粗调后，四象限探测器22开始工作，光线从顶部的圆孔中射入形成光斑；此时四个象限的电路会形成电压u1、u2、u3、u4，当太阳光垂直于太阳能板1时，光斑会落在探测器的中心位置，四个电压值相等；当光斑中心偏移，令光斑偏移两轴线的偏移量分别为δx、δy，计算公式为：
[0044][0045][0046]
其中k为比例系数，控制第一步进电机9、第二步进电机10对应转动，使δx和δy趋于零，从而使太阳能板1垂直太阳光。
[0047]
步骤五，太阳能板1将太阳能转化的电能通过控制器23和单片机18平稳充入蓄电池24，在蓄电池24电量充满时切断充电电路，防止蓄电池24过充，蓄电池24则给单片机18和动力装置31供电；若光照条件符合，则此过程在太阳能板1水平时也会进行；
[0048]
步骤六，蓄电池24通过控制器23和单片机18为直流电器提供电源，设定蓄电池24最低电量，在蓄电池24较长时间没有进行充电，如遭遇连续阴雨天时，剩余电量接近设定值时切断供电电路，防止蓄电池24过放，延长蓄电池24寿命。
[0049]
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

技术特征：
1.一种太阳能追光装置，其特征在于，包括太阳能板组件(1)、传动支撑装置(30)、动力装置(31)、储能装置(33)和控制模块(32)；所述太阳能板组件(1)固定安装于传动支撑装置(30)；所述传动支撑装置(30)包括底部支撑架(3)、设置在底部支撑架(3)上方的太阳能板支撑架(2)，以及设置在底部支撑架(3)左右两侧的支撑柱(7)、设置在底部支撑架(3)前后两侧的支撑杆(6)，所述底部支撑架(3)的内部设置有横向传动轴(4)，所述横向传动轴(4)的中部套设有传动轴中间齿轮(5)；所述动力装置(31)包括第一步进电机(9)和第二步进电机(10)；所述储能装置(33)包括蓄电池(24)，以及与蓄电池(24)连接的控制器(23)；所述控制模块(32)包括单片机(18)、光敏电阻(20)、光电二极管(21)、风速传感器(19)以及四象限探测器(22)，所述单片机(18)通过分析光敏电阻(20)、风速传感器(19)和四象限探测器(22)的信号用于控制第一步进电机(9)和第二步进电机(10)。2.根据权利要求1所述的一种太阳能追光装置，其特征在于：所述太阳能板组件(1)采用太阳能板，所述太阳能板通过螺栓固定在太阳能板支撑架(2)。3.根据权利要求1所述的一种太阳能追光装置，其特征在于：所述横向传动轴(4)的中部套设有轴承(14)，所述轴承(14)的两侧分别套设有第一支撑座(12)和第二支撑座(13)，所述横向传动轴(4)的两端依次套设有轴套(28)和锁紧螺母(26)，所述轴套(28)的外部套设有齿轮(29)，所述横向传动轴(4)两端的内壁均开设有键槽(27)。4.根据权利要求1所述的一种太阳能追光装置，其特征在于：所述第一步进电机(9)和第二步进电机(10)通过传动轴中间齿轮(5)、第一电机齿轮(8)、第二电机齿轮(11)分别与横向传动轴(4)和底部支撑架(3)连接。

技术总结
本发明公开了一种太阳能追光装置，包括太阳能板组件、传动支撑装置、动力装置、储能装置和控制模块；所述太阳能板组件固定安装于传动支撑装置，选用晶体硅材料太阳能板，转化效率较高；所述传动支撑装置包括底部支撑架、设置在底部支撑架上方的太阳能板支撑架，以及设置在底部支撑架左右两侧的支撑柱、设置在底部支撑架前后两侧的支撑杆，所述底部支撑架的内部设置有横向传动轴，所述横向传动轴的中部套设有传动轴中间齿轮，通过传动支撑装置传递步进电机的动力来调整太阳能板的角度。本发明的一种太阳能追光装置结构相对简单、控制精度高、太阳能转化效率较高，主要面向分布式小型太阳能农家设施，为其提供可再生的清洁能源。为其提供可再生的清洁能源。为其提供可再生的清洁能源。


技术研发人员：尚慧琳 沈伟 吴继成 武家鹏 肖尧
受保护的技术使用者：上海应用技术大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/5