專利名稱：基于gps與光敏傳感器的太陽自動跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于太陽自動跟蹤設(shè)備，特別涉及ー種基于GPS與光敏傳感器的太陽自動跟蹤裝置。
背景技術(shù)：
太陽能作為ー種安全、環(huán)保的新能源受到人們關(guān)注。目前其光熱轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，然而太陽能發(fā)電的效率偏低，成本較高，光電轉(zhuǎn)化方面的發(fā)展受到制約。又有實驗表明，采用太陽自動跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%。因此，使太陽 能電池板跟蹤太陽，以提高太陽能的利用率，在太陽能開發(fā)利用上十分必要。目前太陽自動跟蹤領(lǐng)域的技術(shù)主要分為三個大類(I)時鐘跟蹤根據(jù)太陽毎分鐘轉(zhuǎn)過的角度計算出太陽能接收裝置每分鐘應(yīng)該轉(zhuǎn)過的角度，控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速使得太陽能電池板與光線趨于垂直。該種方式的優(yōu)點是控制電路簡単，缺點是使用開環(huán)控制系統(tǒng)跟蹤太陽，存在累積誤差且浪費電能。(2)壓カ差式跟蹤1994年《太陽能》雜志介紹了單軸液壓自動跟蹤器，其原理是利用兩個密閉容器的受光面積不同，容器受熱不同從而使容器內(nèi)部的液體氣化產(chǎn)生壓カ差，驅(qū)動接收裝置轉(zhuǎn)動。壓差式跟蹤的優(yōu)點是機械裝置簡單，不需要電子控制部分，不消耗電能，缺點是精度較低。(3)光電跟蹤由光電傳感器根據(jù)太陽的偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個反饋信號，經(jīng)放大整理后輸入到控制單元，由控制單元驅(qū)動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動來使接收裝置對準(zhǔn)太陽。這種方式的優(yōu)點是反映靈敏，精度高。缺點是容易受環(huán)境尤其是氣候條件的影響，如多云、陰天、雨雪等天氣可能導(dǎo)致跟蹤裝置無法對準(zhǔn)太陽甚至出現(xiàn)誤動作。
發(fā)明內(nèi)容針對上述的太陽自動跟蹤系統(tǒng)存在的問題，本實用新型提供了一種基于GPS與光敏傳感器的太陽自動跟蹤裝置，使得裝置在跟蹤太陽的過程中達(dá)到高精度、實時實地的效果，明顯提高了太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)ー步増加了太陽能的利用率。本實用新型采用的技術(shù)方案為該裝置包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動機構(gòu)、GPS授時模塊、光敏傳感器以及單片機控制電路。支架由一片底板及兩邊的側(cè)板組成，成“凹”字形；支架的底板與垂直支承軸的上端固定連接，垂直支承軸的下端通過聯(lián)軸器與垂直步進(jìn)電機連接；支架的兩片側(cè)板之間設(shè)置與底板平行的水平連接軸，支架的一邊側(cè)壁上設(shè)置與水平連接軸的一端連接的水平步進(jìn)電機；水平連接軸上固定安裝太陽能電池板，且在該太陽能電池板上安裝光敏傳感器；所述垂直步進(jìn)電機、水平步進(jìn)電機、光敏傳感器以及GPS授時模塊均與單片機控制電路連接。所述太陽能電池板與蓄電池連接，蓄電池分別與垂直步進(jìn)電機、水平步進(jìn)電機、光敏傳感器、GPS授時模塊均以及單片機控制電路連接。[0011]所述GPS授時模塊集成于單片機控制電路上，且GPS授時模塊具備顯示屏。所述光敏傳感器為立方體結(jié)構(gòu)，其上表面分為8個相同的等傾角三角形面，中間的4個三角形面向立方體的中心傾斜，外面的4個三角形面分別向立方體的下底面四個頂點方向傾斜。太陽能發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，存儲在蓄電池中，供各部件使用；步進(jìn)驅(qū)動機構(gòu)在單片機控制電路的控制下帶動電池板轉(zhuǎn)動，從而改變傾角；GPS授時模塊用來獲取裝置所處位置的地理信息和當(dāng)前的時間信息；光敏傳感器用來反饋電池板調(diào)整后所接收的光線傾角信號，根據(jù)可能存在的誤差進(jìn)一歩調(diào)整電板的角度，直到誤差為零，達(dá)到高精度的要求。本實用新型的有益效果為(I)實現(xiàn)了太陽能電池板對太陽的自動跟蹤，有效提高了對太陽光的吸收效率，增大了清潔能源的利用率，具有極大的環(huán)保與能源效益；
·[0016](2)精度高，受外界不利環(huán)境的影響相對較小；(3)采用GPS作為地理信息、時間信息的采集工具，可以精確計算出當(dāng)前位置任意時刻下太陽的高度角與方位角，作為調(diào)整電池板傾角的依據(jù)，當(dāng)放置的位置發(fā)生改變時，裝置仍可以準(zhǔn)確跟蹤太陽，不需人為干預(yù)；(4)全新的同傾角八切面光敏傳感器作為產(chǎn)生反饋信號的工具，裝置利用反饋信號判斷調(diào)整后的電板是否滿足與入射光線垂直的要求，以消除累積誤差，達(dá)到高精度的要求。

圖I為所述太陽自動跟蹤裝置功能框圖；圖2為所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為光敏傳感器的示意圖；圖4為所述裝置的工作流程示意圖。圖中標(biāo)號I-支架；2_垂直支承軸；3_聯(lián)軸器；4_垂直步進(jìn)電機；5_水平連接軸；6_水平步進(jìn)電機；7_太陽能電池板。
具體實施方式
本實用新型提供了一種基于GPS與光敏傳感器的太陽自動跟蹤裝置，
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型做進(jìn)ー步說明。如圖I和圖2所示，該裝置包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動機構(gòu)、GPS授時模塊、光敏傳感器以及單片機控制電路。支架I由一片底板及兩邊的側(cè)板組成，成“凹”字形；支架I的底板與垂直支承軸2的上端固定連接，垂直支承軸2的下端通過聯(lián)軸器3與垂直步進(jìn)電機4連接；支架I的兩片側(cè)板之間設(shè)置與底板平行的水平連接軸5，支架I的ー邊側(cè)壁上設(shè)置與水平連接軸5的一端連接的水平步進(jìn)電機6 ;水平連接軸5上固定安裝太陽能電池板7，且在該太陽能電池板7上安裝光敏傳感器；所述垂直步進(jìn)電機4、水平步進(jìn)電機6、光敏傳感器以及GPS授時模塊均與單片機控制電路連接。所述太陽能電池板7與蓄電池連接，蓄電池分別與垂直步進(jìn)電機4、水平步進(jìn)電機6、光敏傳感器、GPS授時模塊均以及單片機控制電路連接。利用GPS授時模塊得到太陽自動跟蹤裝置所在地理位置(緯度、經(jīng)度)以及時間信息，傳送給單片機控制電路，計算出太陽的高度角與方位角，然后控制兩個步進(jìn)電機動作，進(jìn)而實現(xiàn)對太陽能電板姿態(tài)的調(diào)整，達(dá)到跟蹤太陽的目的。太陽能電池板7吸收太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為電能，儲存在蓄電池中，供裝置上各部件使用，不需要再加外部電源。GPS授時模塊作為地理與時間信號的采集工具，集成于單片機控制電路上，形成整套裝置的控制中心。單片機對傳來的信號進(jìn)行一定的判斷與相應(yīng)的處理后，控制下一環(huán)節(jié)中步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動。電路板上另外布置了ー塊顯示屏，可以用來顯示GPS捕捉到的相關(guān)信號，包括本地的經(jīng)、緯度以及當(dāng)前準(zhǔn)確的時間。太陽能電池板的姿態(tài)調(diào)整結(jié)束后，根據(jù)光電傳感器獲取的反饋信號可以判斷調(diào)整后的電板是否滿足與入射光線垂直的要求。如果不滿足，必須繼續(xù)改變電池板的水平傾角 與垂直傾角，直到達(dá)到垂直；如果已滿足，保持調(diào)整后的姿態(tài)，等待下一次調(diào)整時刻的到來即可。根據(jù)太陽的運動規(guī)律，太陽在某一時刻的高度角與方位角可以由下面的計算公式
算得sin a = sin δ sin Φ +cos δ cos ω cos Φ ,
. cos 5 sin ωSm γ =-。
COSひ其中，δ為太陽的赤緯角，Φ所在地的地理緯度，ω表示地方時的時角，可以通過GPS獲得。而α為太陽高度角，Y為方位角。由此可以進(jìn)ー步推導(dǎo)出裝置的水平轉(zhuǎn)動角度與垂直轉(zhuǎn)動角度β = arcsin (sin δ sin Φ +cos Φ cos ω cos Φ),
. cos Ssiniyp = arcsm -。
Iv CQS β ノ其中，β、P分別為水平轉(zhuǎn)動角度與垂直轉(zhuǎn)動角度。計算出β與P后，即可分別控制水平步進(jìn)電機與垂直步進(jìn)電機轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，使電池板達(dá)到與太陽光線垂直的位置。光敏傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，將ー塊立方體的光電材料上表面制作成八小塊面積相同的三角形，每個三角形按相同傾角布置狀成斜面，內(nèi)部的四個小三角形向里凹，外圍的三角形向下傾，整個光電材料的表面只有四條相交的棱邊突出來。由于太陽光線的入射角度的不同，面積與傾角都相等的三角形光敏材料在某一時刻所接受到的太陽能大小也不同，形成的電勢也不相同。圖中所示立方體有兩個對角面，分別涉及四個三角形斜面，對應(yīng)電池板的水平傾角與垂直傾角。一個對角面上的四個三角形依據(jù)斜面方向的不同，又可分為兩對。通過比較某ー對三角形斜面所形成的電勢大小是否相同，即可判斷太陽光線在這一對角面所對應(yīng)的方向上是否垂直。若相等，則太陽光線在這一方向上無偏差。將該光敏傳感器與太陽能電池板布置在同一平面上，二者同時轉(zhuǎn)動。于是，在完成對光電材料兩個對角面上所形成的兩對電勢的比較后，就可以判斷出此刻太陽光線是否完全垂直光電材料，即在水平與垂直方向上都無偏差，可以進(jìn)一歩判斷電池板是否已調(diào)整到位。利用該光敏傳感器作為反饋元件測量調(diào)整后的太陽能電池板是否與太陽光線完全垂直，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，能夠消除累計誤差，達(dá)到高精度的要求?；贕PS與光電傳感器的太陽自動跟蹤裝置的程序流程圖如附圖4所示，主要包括以下幾個部分(I)接收GPS傳送的地理與時間信號，并用液晶屏顯示。(2)計算這ー時刻太陽的高度角與方位角，進(jìn)ー步計算的裝置的水平轉(zhuǎn)動角與垂直轉(zhuǎn)動角。(3)輸出一定的脈沖控制兩個步進(jìn)電機分別轉(zhuǎn)動，電池板姿態(tài)得到調(diào)整。(4)對光電傳感器反饋的信號進(jìn)行判斷與處理，如有誤差，繼續(xù)調(diào)整電板傾角，直到誤差消除。之后等待下一個調(diào)整時刻的到來。
權(quán)利要求1.基于GPS與光敏傳感器的太陽自動跟蹤裝置，包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動機構(gòu)、GPS授時模塊、光敏傳感器以及單片機控制電路，其特征在于，支架(I)由一片底板及兩邊的側(cè)板組成，成“凹”字形；支架(I)的底板與垂直支承軸(2)的上端固定連接，垂直支承軸(2)的下端通過聯(lián)軸器(3)與垂直步進(jìn)電機(4)連接；支架(I)的兩片側(cè)板之間設(shè)置與底板平行的水平連接軸(5)，支架(I)的一邊側(cè)壁上設(shè)置與水平連接軸(5)的一端連接的水平步進(jìn)電機(6);水平連接軸(5)上固定安裝太陽能電池板(7)，且在該太陽能電池板(7)上安裝光敏傳感器；所述垂直步進(jìn)電機(4)、水平步進(jìn)電機(6)、光敏傳感器以及GPS授時模塊均與單片機控制電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于GPS與光敏傳感器的太陽自動跟蹤裝置，其特征在于，所述太陽能電池板(7)與蓄電池連接，蓄電池分別與垂直步進(jìn)電機(4)、水平步進(jìn)電機￠)、光敏傳感器、GPS授時模塊均以及單片機控制電路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于GPS與光敏傳感器的太陽自動跟蹤裝置，其特征在于，所述GPS授時模塊集成于單片機控制電路上，且GPS授時模塊具備顯示屏。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于GPS與光敏傳感器的太陽自動跟蹤裝置，其特征在于，所述光敏傳感器為立方體結(jié)構(gòu)，其上表面分為8個相同的等傾角三角形面，中間的4個三角形面向立方體的中心傾斜，外面的4個三角形面分別向立方體的下底面四個頂點方向傾斜。
專利摘要本實用新型屬于太陽自動跟蹤設(shè)備，特別涉及一種基于GPS與光敏傳感器的太陽自動跟蹤裝置。該裝置包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動機構(gòu)、GPS授時模塊、光敏傳感器以及單片機控制電路。太陽能發(fā)電系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，存儲在蓄電池中，供各部件使用；步進(jìn)驅(qū)動機構(gòu)在單片機控制電路的控制下帶動電池板轉(zhuǎn)動，從而改變傾角；GPS授時模塊用來獲取裝置所處位置的地理信息和當(dāng)前的時間信息；光敏傳感器用來反饋電池板調(diào)整后所接收的光線傾角信號，根據(jù)可能存在的誤差進(jìn)一步調(diào)整電板的角度，直到誤差為零，達(dá)到高精度的要求。
文檔編號G05D3/12GK202453740SQ20122001313
公開日2012年9月26日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者崔超, 李新利, 李露, 洪梓洋 申請人:華北電力大學(xué)