專利名稱：太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)熱水器自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，適用于真空管太陽(yáng)熱水器。
背景技術(shù)：
目前，公知的真空管太陽(yáng)熱水器是固定式的，一般為吸熱面在中午正對(duì)太陽(yáng)，其他時(shí)間為斜對(duì)著太陽(yáng)，這樣，熱水器的日吸熱量小。也有人研究的太陽(yáng)熱水器跟蹤裝置，但使用不方便、跟蹤不準(zhǔn)確或生產(chǎn)成本太高，難以形成大批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高真空管太陽(yáng)熱水器的日吸熱量，本發(fā)明提供一種使用方便、跟蹤準(zhǔn)確、生產(chǎn)成本較低、光伏電源式的太陽(yáng)熱水器自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，包括用于安裝太陽(yáng)能熱水器的旋轉(zhuǎn)底座、步進(jìn)電機(jī)，減速機(jī)構(gòu)，東停定位開關(guān)，系統(tǒng)主控制器，自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器，電源，過充過放電路，觸摸屏顯示裝置及限位裝置，所述步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制旋轉(zhuǎn)底座的步進(jìn)角位移，自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器將接收的信號(hào)傳送給系統(tǒng)主控制器，經(jīng)控制器處理輸出控制步進(jìn)電機(jī)5進(jìn)行調(diào)整，并將運(yùn)行狀態(tài)通過觸摸屏顯示器顯示。
自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器包括雙運(yùn)放IC31(LM358)、電阻R35、R36、光敏電阻R31、R32、R33、R34、可變電阻RP31、RP32，雙運(yùn)放IC31(型號(hào)LM358)的輸入端分別由兩只光敏電阻和一可變電阻串聯(lián)組合而成，每一組兩只光敏電阻中的一只為比較器的上偏置電阻，另一只為下偏置電阻，一只檢測(cè)太陽(yáng)光照，另一只則檢測(cè)環(huán)境光照，送至比較器輸入端的比較電平始終為兩者光照之差，初始差值由可變電阻調(diào)節(jié)。雙運(yùn)放IC31(型號(hào)LM358)的兩個(gè)輸出端偏東和偏西分別與系統(tǒng)主控制器中的單片機(jī)芯片IC102(型號(hào)87C51)的36、35腳相連。
本發(fā)明中系統(tǒng)主控制器采用單片機(jī)控制，由日歷電路、實(shí)地跟蹤處理電路、溫度水位控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘芯片IC101(型號(hào)SHT1302)、單片機(jī)微處理器IC102(型號(hào)87C51)，及其他的輔助電路或元器件組成，時(shí)鐘芯片IC101通過5、6、7腳分別與微處理器IC102(型號(hào)87C51)的39、38、37腳連接實(shí)現(xiàn)通訊，微處理器IC102(型號(hào)87C51)的36、35腳分別連接自動(dòng)跟蹤控制感應(yīng)器的偏東、偏西信號(hào)，34、33腳分別連接過充過放電路的過充、過放信號(hào)，1腳與東停開關(guān)相連，2、3腳分別與水溫、水位信號(hào)相連，21、22腳分別連接步進(jìn)電機(jī)控制器的鎖定信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)；，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，23、24腳控制繼電器J1、J2；16、17腳通過信號(hào)轉(zhuǎn)換器(MAX232)與觸摸屏顯示器LT-930連接。
本發(fā)明的電源由光電池(型號(hào)Bn-10D)，蓄電池(型號(hào)BT-12M7.0AT)，充放電路和穩(wěn)壓電路組成。觸摸屏顯示器的型號(hào)為L(zhǎng)T-930。
過充過放電路運(yùn)用雙電壓比較器IC21(型號(hào)LM393)對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行判斷，將判斷結(jié)果送到系統(tǒng)主控制器處理，若大于14.5V，斷開充電電路，停充指示燈亮；若小于11.5V，過放指示燈亮；否則充電指示燈亮，為正常充電狀態(tài)。
本發(fā)明中支撐太陽(yáng)能熱水器的旋轉(zhuǎn)底座由固定圈、滾輪軸承、旋轉(zhuǎn)圈、中央定心軸承和鏈條固定銷組成；固定圈由外圈、中央軸，及它們之間的多根橫桿連接而成；旋轉(zhuǎn)圈11由外圈、中央軸殼，及它們之間的多根橫桿連接而成；外圈的下部裝有6個(gè)軸承滾輪，支承熱水器的重量，并可在固定圈的外圈上滾動(dòng)。
固定圈的外圈與中央軸之間通過4根、6根或8根橫桿焊接而成；旋轉(zhuǎn)圈的外圈與中央軸殼之間通過4根、6根或8根橫桿焊接而成。
固定圈和旋轉(zhuǎn)圈在中心處裝有一可調(diào)心軸承。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制采用了實(shí)時(shí)跟蹤與實(shí)地跟蹤相結(jié)合，跟蹤準(zhǔn)確可靠，能使太陽(yáng)能熱水器四季全天候跟蹤太陽(yáng)光，而且調(diào)試十分簡(jiǎn)單，成本比較低?？刂七\(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定精確，不受負(fù)荷大小的影響，定位誤差小。
旋轉(zhuǎn)底座采用中心定位、外圈受力的結(jié)構(gòu)，減少了底座的受力范圍，底座可以做得比較輕巧，節(jié)約了材料，降低了成本。
采用觸摸屏界面，沒有操作按鍵按鈕，外觀簡(jiǎn)潔，參數(shù)設(shè)定直觀方便，運(yùn)行狀態(tài)即時(shí)顯示，具有故障診斷功能。
本太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，電源供應(yīng)采用光電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，由蓄電池蓄能，不需要外部能源，整個(gè)裝置達(dá)到了綠色環(huán)保。


圖1是電源電路圖。
圖2是過充過放電路。
圖3是自動(dòng)跟蹤感應(yīng)電路。
圖4是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。
圖5是系統(tǒng)主控制電路。
圖6是熱水器與太陽(yáng)光方位圖。
圖7是熱水器的正視圖。
圖8是熱水器的側(cè)視圖。
圖9是熱水器的俯視圖。
圖10是旋轉(zhuǎn)底座的斷面圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述電源電路見圖1，太陽(yáng)能硅電池與防反充二極管D11串聯(lián)，為電路供電和為蓄電池充電，供電電壓17.5V，通過兩個(gè)三端穩(wěn)壓塊IC11和IC12穩(wěn)壓得到12V和5V電壓。
本發(fā)明中電源供應(yīng)采用光電池(型號(hào)Bn-10D)與蓄電池(型號(hào)BT-12M7.0AT)組成的電源供電，稍作變動(dòng)也可采用220V50Hz交流電供電。
過充過放電路見圖2，運(yùn)用雙電壓比較器IC21(型號(hào)LM393)對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行判斷，將判斷結(jié)果送到主控制器處理，若大于14.5V，斷開充電電路，停充指示燈亮，若小于11.5V，過放指示燈亮，否則充電指示燈亮，為正常充電狀態(tài)。
自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器電路見圖3，雙運(yùn)放IC31(型號(hào)LM358)與兩只電阻R35、R36(阻值相等)構(gòu)成兩個(gè)電壓比較器，參考電壓為供電電壓5V的1/2(即2.5V)。光敏電阻R31、R32與可變電阻RP31和R31、R32與P31分別構(gòu)成兩路光敏傳感電路，該電路能根據(jù)環(huán)境光線的強(qiáng)弱進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。該電路安裝在一長(zhǎng)方形的盒子內(nèi)，R31和R33安裝在盒子同一側(cè)，R32和R34安裝在對(duì)面的另一側(cè)，四只光敏電阻都安裝在表面凹進(jìn)一點(diǎn)，盒子外表面為深顏色，且對(duì)陽(yáng)光無(wú)反射，此感應(yīng)器的兩路信號(hào)傳送給系統(tǒng)主控制器處理，如發(fā)現(xiàn)偏移超過5°則控制步進(jìn)電機(jī)5運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整。安裝時(shí)保證光敏電阻安裝面與熱水器受光面垂直并與地面垂直。
太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制采用實(shí)時(shí)跟蹤與實(shí)地跟蹤相結(jié)合，實(shí)時(shí)跟蹤是由時(shí)鐘芯片SHT1302確定當(dāng)前時(shí)間判定太陽(yáng)位置，實(shí)地跟蹤是根據(jù)太陽(yáng)光線通過感應(yīng)器來(lái)跟蹤太陽(yáng)?，F(xiàn)有的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置單獨(dú)采用實(shí)地跟蹤的方式，其感應(yīng)器一般有兩種，一種是使用一只光敏傳感器與施密特觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，構(gòu)成光控施密特觸發(fā)器或光控單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)控制電機(jī)的停、轉(zhuǎn)，第二種使用兩只光敏傳感器與兩只比較器分別構(gòu)成兩個(gè)光控比較器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。由于一年四季、每天早中晚陽(yáng)光和環(huán)境光線的強(qiáng)弱變化非常大，所以上述的傳感器很難使太陽(yáng)能接收裝置四季全天候跟蹤太陽(yáng)。我們公開的自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器8，也包括兩個(gè)電壓比較器，但設(shè)在其輸入端的光敏傳感器則分別由兩只光敏電阻串聯(lián)交叉組合而成，每一組兩只光敏電阻中的一只為比較器的上偏置電阻，另一只為下偏置電阻，一只檢測(cè)太陽(yáng)光照，另一只則檢測(cè)環(huán)境光照，送至比較器輸入端的比較電平始終為兩者光照之差，所以，本感應(yīng)器能使太陽(yáng)能熱水器四季全天候跟蹤太陽(yáng)光，而且調(diào)試十分簡(jiǎn)單，成本比較低。
本發(fā)明中的東停定位開關(guān)7在電器連接上為與系統(tǒng)主控制器中的87C51的1腳相連，東停定位開關(guān)7的位置為太陽(yáng)下山后熱水器要回到向東方向的定位點(diǎn)。
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制，見圖4，U/D為正反向運(yùn)轉(zhuǎn)控制，CP為運(yùn)轉(zhuǎn)鎖定控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能保證跟蹤太陽(yáng)的準(zhǔn)確性，它帶動(dòng)熱水器轉(zhuǎn)動(dòng)的最小步進(jìn)角位移為0.14分，系統(tǒng)主控制器電路見圖5，IC101為時(shí)鐘芯片SHT1302，它具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷功能，可以容易地通過5、6、7腳與微處理器連接實(shí)現(xiàn)通訊，提供秒、分、小時(shí)、星期、日期、月份及年份的信息，時(shí)間有效期可到2100年。IC102為單片機(jī)微處理器87C51，它是系統(tǒng)的核心，所有信號(hào)都經(jīng)過它處理再由它輸出控制各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。
圖6是本發(fā)明的熱水器與太陽(yáng)光方位圖。冬至日太陽(yáng)出升時(shí)的光線方向即為東停定位開關(guān)所在位置。
如圖7、8、9所示，太陽(yáng)能熱水器由真空集熱器1、集熱器支架2、旋轉(zhuǎn)底座3、鏈條4、步進(jìn)電機(jī)5、減速機(jī)構(gòu)6、東停定位開關(guān)7、自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器8及其它元器件組成。
如圖10所示，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)底座3由固定圈9、滾輪軸承10、旋轉(zhuǎn)圈11、可調(diào)心軸承12和鏈條固定銷13組成。固定圈9由外圈、中央軸，及它們之間的6根(4根、或8根)橫桿焊接而成；旋轉(zhuǎn)圈11由外圈、中央軸殼，及它們之間的6根(4根或8根)橫桿焊接而成。
固定圈9固定在建筑物或地面上，不可運(yùn)動(dòng)，固定圈9的中央軸上裝設(shè)可調(diào)心軸承12，可調(diào)心軸承12上套裝有旋轉(zhuǎn)圈11的中央軸殼，旋轉(zhuǎn)圈11的外圈的下面裝有6個(gè)軸承滾輪10，軸承滾輪10可在固定圈9上滾動(dòng)，旋轉(zhuǎn)圈11上安裝集熱器支架2，支撐太陽(yáng)能真空集熱器1。旋轉(zhuǎn)底座3上的旋轉(zhuǎn)圈11通過鏈條4經(jīng)減速機(jī)械6與步進(jìn)電機(jī)5相連，旋轉(zhuǎn)圈11的轉(zhuǎn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)5控制，步進(jìn)電機(jī)5的正反轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)圈11的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制熱水器受光面的方向。
本發(fā)明太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的運(yùn)行過程如下早晨出太陽(yáng)時(shí)，熱水器受光面朝太陽(yáng)不動(dòng)，到達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間(設(shè)定每二十分鐘運(yùn)轉(zhuǎn)一次)后，主控制器發(fā)信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)5開始運(yùn)轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)5通過鏈條帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)底座3的旋轉(zhuǎn)圈11轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圈11轉(zhuǎn)過5°，主控制器發(fā)信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)5停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等到下一個(gè)設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間再運(yùn)轉(zhuǎn)，如此循環(huán)，如停止位置熱水器受光方向與太陽(yáng)光方向誤差超過5°，自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器8，會(huì)發(fā)出信號(hào)給主控制器，主控制器控制步進(jìn)電機(jī)5運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行調(diào)整，這樣循環(huán)至太陽(yáng)下山，等到設(shè)定返回時(shí)間，主控制器控制步進(jìn)電機(jī)5反向運(yùn)轉(zhuǎn)，熱水器向東返回，當(dāng)遇到東停定位開關(guān)7，東停定位開關(guān)7會(huì)給主控制器一個(gè)信號(hào)，從得到此信號(hào)開始，主控制器會(huì)根據(jù)程序設(shè)定控制步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)使熱水器再轉(zhuǎn)一定角度(由于每天出太陽(yáng)的方向不同，此角度也不一樣)，保證熱水器正對(duì)著第二天出太陽(yáng)的方向，它一天的循環(huán)結(jié)束。
如在運(yùn)行過程中熱水器受光面朝向偏離太陽(yáng)太多，超過了5°，實(shí)地跟蹤系統(tǒng)發(fā)揮作用，自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器8將信號(hào)傳給系統(tǒng)主控制器，由系統(tǒng)主控制器確定轉(zhuǎn)角補(bǔ)償，保證熱水器受光面對(duì)著太陽(yáng)。
東停定位開關(guān)為熱水器回到面向東時(shí)的定位點(diǎn)，為冬至日(約為12月23日)太陽(yáng)升起的方向，即冬至日熱水器停在此位置，此點(diǎn)的方向隨地區(qū)緯度的變化而有小的變化，在冬至日，熱水器向東回到此位置，其它時(shí)間還要向北轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，此角度可通過公式求得，由控制程序處理，向北轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度是保證熱水器正對(duì)著出升的太陽(yáng)。
步進(jìn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)底座步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，使真空管集熱器每天旋轉(zhuǎn)180度左右(冬至日約旋轉(zhuǎn)120度，夏至日約旋轉(zhuǎn)220度)，并回轉(zhuǎn)至東面等待下一天日出，通過東停定位開關(guān)及定位裝置定位，并保證運(yùn)行過程中熱水器受光面朝向不偏離太陽(yáng)。，日落后并回轉(zhuǎn)至東面由東停定位開關(guān)定位，保證下一天日出時(shí)熱水器正對(duì)著太陽(yáng)。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于包括用于安裝太陽(yáng)能熱水器的旋轉(zhuǎn)底座(3)、步進(jìn)電機(jī)(5)、減速機(jī)構(gòu)(6)、東停定位開關(guān)(7)、系統(tǒng)主控制器、自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器(8)、電源、過充過放電路、觸摸屏顯示器及限位裝置，所述步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制旋轉(zhuǎn)底座的步進(jìn)角位移，自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器(8)將接收的信號(hào)傳送給系統(tǒng)主控制器，經(jīng)控制器處理輸出控制步進(jìn)電機(jī)(5)進(jìn)行調(diào)整，并將運(yùn)行狀態(tài)通過觸摸屏顯示器顯示。
2.按照權(quán)利要求1所述的自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于所述自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器(8)包括雙運(yùn)放IC31、電阻R35、R36、光敏電阻R31、R32、R33、R34、可變電阻RP31、RP32，雙運(yùn)放IC31的輸入端分別由兩只光敏電阻和一可變電阻串聯(lián)組合而成，每一組兩只光敏電阻中的一只為比較器的上偏置電阻，另一只為下偏置電阻，雙運(yùn)放IC31的兩個(gè)輸出端偏東和偏西分別與系統(tǒng)主控制器中的單片機(jī)芯片IC102的36、35腳相連。
3.按照權(quán)利要求1所述的自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)主控制器采用單片機(jī)控制，由日歷電路、實(shí)地跟蹤處理電路、溫度水位控制電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘芯片IC101、單片機(jī)微處理器IC102，及其他的輔助電路或元器件組成；時(shí)鐘芯片IC101通過5、6、7腳分別與微處理器IC102的39、38、37腳連接實(shí)現(xiàn)通訊；微處理器IC102的36、35腳分別連接自動(dòng)跟蹤控制感應(yīng)器的偏東、偏西信號(hào)，34、33腳分別連接過充過放電路的過充、過放信號(hào)，1腳與東停開關(guān)相連，2、3腳分別與水溫、水位信號(hào)相連，21、22腳分別連接步進(jìn)電機(jī)控制器的鎖定信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，23、24腳控制繼電器J1、J2，16、17腳通過信號(hào)轉(zhuǎn)換與觸摸屏顯示器連接。
4.按照權(quán)利要求1所述的自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于所述電源由光電池、蓄電池、充放電路和穩(wěn)壓電路組成。
5.按照權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)熱水器全自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于所述觸摸屏顯示器的型號(hào)可以為L(zhǎng)T-930。
6.按照權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)底座(3)由固定圈(9)、滾輪軸承(10)、旋轉(zhuǎn)圈(11)、可調(diào)心軸承(12)和鏈條固定銷(13)組成；固定圈(9)由外圈、中央軸，及兩者之間的多根橫桿連接而成；旋轉(zhuǎn)圈(11)由外圈、中央軸殼，及它們之間的多根橫桿連接而成；外圈的下部裝有6個(gè)軸承滾輪，支承熱水器的重量，并可在固定圈(9)的外圈上滾動(dòng)。
7.按照權(quán)利要求6所述的自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于固定圈(9)的由外圈與中央軸之間通過6根橫桿焊接而成；旋轉(zhuǎn)圈(11)的外圈與中央軸殼之間通過6根橫桿焊接而成。
8.按照權(quán)利要求7所述的自動(dòng)跟蹤裝置，其特征在于固定圈(9)和旋轉(zhuǎn)圈(11)在中心處裝有一可調(diào)心軸承(12)。
全文摘要
本發(fā)明為了提高真空管太陽(yáng)熱水器的日吸熱量，提供一種使用方便、跟蹤準(zhǔn)確、生產(chǎn)成本較低、光伏電源式的太陽(yáng)熱水器自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，該裝置包括用于安裝太陽(yáng)能熱水器的旋轉(zhuǎn)底座、步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、東停定位開關(guān)、系統(tǒng)主控制器、自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器、電源、過充過放電路、觸摸屏顯示器及限位裝置，所述步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)控制器控制旋轉(zhuǎn)底座的步進(jìn)角位移，自動(dòng)跟蹤感應(yīng)器將接收的信號(hào)傳送給系統(tǒng)主控制器，經(jīng)控制器處理輸出控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，并將運(yùn)行狀態(tài)通過觸摸屏顯示器顯示。該裝置采用了實(shí)時(shí)跟蹤與實(shí)地跟蹤相結(jié)合，跟蹤準(zhǔn)確可靠，能使太陽(yáng)能熱水器四季全天候跟蹤太陽(yáng)光，而且調(diào)試十分簡(jiǎn)單，成本比較低。且運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定精確，定位誤差小。
文檔編號(hào)F24J2/40GK1959294SQ20061009785
公開日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2006年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月16日
發(fā)明者王登鋒, 周振華, 宋燕平 申請(qǐng)人:江蘇桑夏太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)有限公司