專利名稱：自供電太陽光跟蹤傳感器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，尤其是一種跟蹤系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)時，整個跟蹤系統(tǒng)為O功耗，最大限度地提高太陽能光伏系統(tǒng)效率，適用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽灶、太陽能熱水器等二維跟蹤控制。
背景技術(shù)：
在眾多的相關(guān)設(shè)計中，目的都是為了控制太陽能電池板能夠跟隨太陽光運(yùn)動的軌跡，控制太陽能電池板的平面能夠跟隨太陽運(yùn)動并垂直于太陽光線，即太陽能電池板的法線與太陽光線平行，最大限度地提高光伏效率。但常見的跟蹤控制系統(tǒng)都存在缺陷或不
足I、目前國內(nèi)外大部分使用的太陽光檢測器件，不外乎使用光敏電阻或光敏二極管等，這類器件的靈敏度與線性度等指標(biāo)都已相當(dāng)不錯，可用于仿真人的眼睛。當(dāng)太陽光強(qiáng)大于500LUX就進(jìn)入飽和區(qū)，光強(qiáng)在100，000LUX以上時，亮電阻急劇下降，導(dǎo)致光敏器件進(jìn)入深度飽和區(qū)，直接影響到測光器件的可靠性，這情景類似于人眼無法直視太陽光。因此，不得不采用種種的遮光減光措施，以避免光電曲線進(jìn)入飽和區(qū)，使得整個系統(tǒng)大為復(fù)雜，靈敏度與可靠性也隨之下降。2、為此，也有采用硅光電池作為光線檢測器件，如CN201392479Y，以及CN201837893U，四片硅光電池處于同一平面上，并借助一十字擋光板或遮光板分隔成四個光線采樣區(qū)，對角線的兩個硅光電池形成一組，對應(yīng)東西向和俯仰角的變化。以上專利技術(shù)，在測光器件的裝配技巧上不合理，也不科學(xué)，測光器件只能正面受光，無法檢測到來自側(cè)面或背面的太陽光，導(dǎo)致測光器件不能隨時檢測到太陽光，其原因在完成一天的跟蹤(即跟隨太陽從東到西跟蹤一個周期)后，接著天暗了下來，第二天早晨太陽從東邊的地平線升起時的光線只能照射到測光器件的背面，是造成不能實現(xiàn)自動回東邊的原因之一。其二，如果采取了某種強(qiáng)制回東措施，使得在早晨的太陽能電池板已經(jīng)轉(zhuǎn)向東邊，接著開始下雨，跟蹤器停止跟蹤，到了下午以后晴天出太陽了，這時候的太陽光只能照射到測光器件的側(cè)面甚至是背面，這也是造成可靠性大大下降依的原因。采用復(fù)雜的減光或遮光等結(jié)構(gòu)，只能正面受光，控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)自動回東功能或自動搜索太陽光。目前常見的跟蹤系統(tǒng)，都是附加了時鐘控制、定時器控制、背面測光單元等輔助措施，才能實現(xiàn)回到東邊的功能，導(dǎo)致控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，增加了整個檢測與控制電路的電源消耗。3、有的設(shè)計是將一年四季太陽運(yùn)動軌跡的變化算法，編程后固化到單片機(jī)，不論晴天下雨，控制器一年四季都忠士地執(zhí)行固化程序的指令。這種設(shè)計存在兩個缺陷一是固化程序不適應(yīng)不同的經(jīng)緯度；二是跟蹤驅(qū)動系統(tǒng)在陰雨天，也要進(jìn)行不必要的跟蹤而消耗有限的蓄電池電能，利用跟蹤太陽機(jī)構(gòu)好不容易提升的電能，卻大量消耗在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行過于頻繁導(dǎo)致整體上的得不償失。4、有的機(jī)構(gòu)設(shè)計成每幾分鐘將太陽能板朝東西南北四個方向主動調(diào)偏一個角度，每偏離一個方向，系統(tǒng)就采樣一次光伏值變化的趨勢，如果光伏值是下降的趨勢，則往相反方向調(diào)整如果光伏值是上升的趨勢，則繼續(xù)調(diào)整角度，并保持住。這類設(shè)計同樣存在執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行過于頻繁而導(dǎo)致整體光伏效率上得不償失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)明一種采用不飽和測光器件，且四個測光器件成一定夾角分布的自供電太陽光跟蹤傳感器裝置。本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，包括光線檢測部分和判斷電路部分，其特征是光線檢測部分包括有四片分別對應(yīng)東西南北方位的硅光電池，四片硅光電池與光線采集面成同一夾角固定在傳感器座的東西南北四個方位上，組成類梯形臺結(jié)構(gòu)，其中一對邊的兩片娃光電池檢測東西方向的光線，另一對邊的兩片娃光電池檢測南北方向的光線判斷電路部分包括有電壓采樣模塊、精度設(shè)定模塊、比較輸出模塊和自供電模塊；其中硅光電池輸出分兩路，一路依次經(jīng)電壓采樣模塊、精度設(shè)定模塊后接
比較輸出模塊；另一路接自供電模塊，由自供電模塊向傳感器整體電路提供工作電源。所述傳感器座為等腰梯形臺結(jié)構(gòu)，腰面與下底面夾角在40-70度之間，每個腰面相同位置上固定一片硅光電池。夾角的度數(shù)選擇，以能夠滿足第二天自動回東功能為宜，也即第二天太陽光從地平線升起時，能照射到其中一片上，并在足夠光線強(qiáng)度下能自動回東。所述娃光電池為矩形結(jié)構(gòu),其一邊長不大于傳感器座的上底邊長。 所述傳感器座的上底面向上延伸有一遮光方形柱，遮光方形柱的高度不小于娃光電池的長邊。利用遮光方形柱在太陽光向西偏移時，在東面硅光電池上產(chǎn)生陰影，加大向陽面與向陰面兩硅光電池電壓差，提高系統(tǒng)的判斷精度。自供電模塊為一塊四端穩(wěn)壓器PQ05R11，四片硅光電池的輸出分別經(jīng)二極管D5、D6、D7、D8隔離后，送入四端穩(wěn)壓器PQ05R11的第I腳，輸入端經(jīng)一可變電阻RW分壓取樣后接第4腳，第2腳為輸出端，提供電路工作電源。所述四片硅電池分別為El、E2、E3、E4，分別與由二極管和電阻組成的電壓采樣模塊形成回路硅光電池El與二極管Dl和電阻Rl回路；硅光電池E2與二極管D2和電阻R2回路硅光電池E3與二極管D3和電阻R3回路；硅光電池E4與二極管D4和電阻R4回路；在二極管和電阻的串接點提取電壓信號，輸出給比較輸出模塊。所述比較輸出模塊采用一塊LM324電壓比較器，該芯片內(nèi)含四個比較器IC1、IC2、IC3、IC4，分別用于比較東西、南北四個方向的光強(qiáng)、并輸出相應(yīng)的跟蹤控制電平每個比較器均連接成遲滯型電壓比較電路，其中比較器ICl連接的遲滯反饋電阻為R5、比較器IC2連接的遲滯反饋電阻為R6、IC3連接的遲滯反饋電阻為R7、IC4連接的遲滯反饋電阻為R8，所述的電阻R5、R6、R7、R8均為可變電阻，阻值越大，跟蹤精度越高由所述的電阻R5、R6、R7、R8構(gòu)成精度設(shè)定模塊。本發(fā)明太陽光傳感器件采用不飽和的測光器件，既解決了傳統(tǒng)光敏電阻等傳感器件，因光強(qiáng)導(dǎo)致深度飽和，影響太陽光跟蹤的精確性，又能為后級功能電路提供工作電源，形成自供電體系，無需額外能耗；而且，本發(fā)明特別將四片硅光電池等角度分布在傳感器座上的四個面上，對太陽光線的偏移更加敏感，且可拾取到初升太陽光線，實現(xiàn)自動回東功能；再者該太陽光跟蹤傳感器裝置，輸出的TTL電平控制信號，可直接驅(qū)動多種形式的執(zhí)行電路，完成對電機(jī)的控制，實現(xiàn)設(shè)備對太陽光的跟蹤，充分利用太陽光。


下面結(jié)合具體圖例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明圖I傳感器裝置示意2傳感器裝置電路原理框3傳感器裝置電路原理4傳感器裝置使用實例正面視5傳感器裝置使用實例側(cè)面視圖其中I-硅光電池2-傳感器座 21-遮光方形柱 22-螺栓3-太陽能電池板 4-支架5-水平軸6-垂直軸
具體實施例方式參照圖I和圖2，自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，包括光線檢測部分和判斷電路部分，其中光線檢測部分，如圖1，包括有四片分別對應(yīng)東西南北方位的硅光電池1，四片硅光電池I與光線采集面成同一夾角固定在傳感器座2的東西南北四個方位上，組成類梯形臺結(jié)構(gòu)，其中一對邊的兩片娃光電池I檢測東西方向的光線，另一對邊的兩片娃光電池I檢測南北方向的光線制作時，將傳感器座2加工成等腰梯形臺結(jié)構(gòu)，腰面與下底面夾角在40-70度之間，優(yōu)選角度為60度，可滿足第二天太陽光線從東邊照射時，其太陽光線能照到東面的硅光電池I上，使得設(shè)備能順利自動回東，在每個腰面相同位置上固定一片硅光電池I。娃光電池I可選擇矩形規(guī)格的成品，其一邊長不大于傳感器座2的上底邊長。另外，傳感器座2的上底面向上延伸有一遮光方形柱21,遮光方形柱21的高度不小于娃光電池I的長邊，可利用該遮光方形柱21產(chǎn)生的陰影，遮擋東面，以及南面或者北面的硅光電池，提高東西面和南北電壓差值，即使太陽向西偏移一小角度，也能從一對娃光電池的電壓差值中反映出來。故而，遮光方形柱21的高度越高，其判斷的精確度也越高。遮光方形柱21的設(shè)計，較傳統(tǒng)采用遮光板方案來得合理，制作也簡單；再則，能利用遮光方形柱和傳感器座2的內(nèi)部空間，有機(jī)地將電路安裝在其中，形成一套完整的傳感器裝置，以利于各類太陽能設(shè)備的配套使用。為此，在傳感器座2的底部，可至少設(shè)有兩個螺栓22，以便利用該螺栓22固定在具有光線采集面的太陽能設(shè)備上。本發(fā)明采用四片硅光電池作為測光器件，無須減光，可以工作在極端強(qiáng)烈的光強(qiáng)照度下，測光器件也不會飽和，在任意光強(qiáng)度下都可以輸出相對應(yīng)的電流。當(dāng)四塊硅光電池電流相等時，說明傳感器裝置已經(jīng)對準(zhǔn)了太陽光，本傳感器裝置輸出均為O電平；隨著太陽從東到西運(yùn)動，以及不同季節(jié)太陽南北方向的偏移，當(dāng)照射到四個硅光電池上的光強(qiáng)不相等時，立即輸出往光強(qiáng)高的方向跟蹤的TTL、5V控制信號。即本傳感器裝置可以自動尋找光強(qiáng)的最大值，哪個方向太陽光照強(qiáng)，即發(fā)出往哪個方向追蹤的控制信號。參照圖2和圖3，判斷電路部分包括有電壓采樣模塊、精度設(shè)定模塊、比較輸出模塊和自供電模塊。四片硅電池分別為El、E2、E3、E4，分別與由二極管和電阻組成的電壓采樣模塊形成回路硅光電池EI與二極管DI和電阻Rl回路；硅光電池E2與二極管D2和電阻R2回路；硅光電池E3與二極管D3和電阻R3回路；硅光電池E4與二極管D4和電阻R4回路在二極管和電阻的串接點提取電壓信號，輸出給比較輸出模塊。其中娃光電池El對應(yīng)朝東面,娃光電池E2對應(yīng)朝西面，硅光電池E3對應(yīng)朝南面，硅光電池E4對應(yīng)朝北面。二極管D1、D2、D3、D4為肖特基二極管，因為只有肖特基二極管的正向壓降最小僅O. 15V左右，這個小壓降正是為了不讓跟蹤系統(tǒng)過于靈敏而導(dǎo)致跟蹤動作過于頻繁，如果采用普通二極管壓降都在
O.7V左右，該壓降太大就導(dǎo)致跟蹤系統(tǒng)過于遲鈍而影響精度。實際運(yùn)用時，用于測光的硅光電池1，可采用規(guī)格化成品，以矩形狀為佳，也不排除其它形狀，如圓形、橢圓形或多邊形結(jié)構(gòu)，但以大小不超出等腰梯形臺腰面為準(zhǔn)。如硅光電池El至E4,選擇尺寸為40mmX 60mm,在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下每片短路電流40mA,開路電壓7. 5V,即可滿足自供電傳感器的需要。技術(shù)關(guān)鍵點是要求El與E2、E3與E4這兩對硅光電池片的光電特性曲線盡可能配對，以滿足跟蹤精度的需要。自供電模塊為一塊四端穩(wěn)壓器PQ05R11,四片娃光電池的輸出分別經(jīng)二極管D5、D6、D7、D8隔離后，送入四端穩(wěn)壓器PQ05R11的第I腳，輸入端經(jīng)一可變電阻RW分壓取樣后接第4腳，第2腳為輸出端，提供電路工作電源。比較輸出模塊采用一塊LM324電壓比較器，該芯片內(nèi)含四個比較器IC1、IC2、IC3、IC4，分別用于比較東西、南北四個方向的光強(qiáng)、并輸出相應(yīng)的跟蹤控制電平；每個比較器均連接成遲滯型電壓比較電路，其中比較器ICl連接的遲滯反饋電阻為R5、比較器IC2連接的遲滯反饋電阻為R6、IC3連接的遲滯反饋電阻為R7、IC4連接的遲滯反饋電阻為R8，所述的電阻R5、R6、R7、R8均為可變電阻，阻值越大，跟蹤精度越高，反之亦然；由所述的電阻R5、R6、R7、R8構(gòu)成精度設(shè)定模塊。自供電傳感器裝置工作原理如下由硅光電池El、E2、E3、E4的正極分別通過肖特基二極管D5、D6、D7、D8，進(jìn)行相互間隔離后送入四端穩(wěn)壓器PQ05R11的輸入端第I腳，同時經(jīng)過電阻RW進(jìn)行分壓取樣，取樣的電壓直接控制四端穩(wěn)壓器的第4腳0N/0FF :調(diào)整電阻RW在光照強(qiáng)度=50LUX時，電阻RW活動臂的電壓=0. 8V，則四端穩(wěn)壓器PQ05R11停止工作，輸出端第2腳為0V，實現(xiàn)陰雨天和夜晚，本傳感器及其跟蹤控制系統(tǒng)均自動停止工作；當(dāng)電阻RW的活動臂的電壓上升至>1. 4V時，則四端穩(wěn)壓器PQ05R11開始工作，輸出端第2腳為5V，向電壓比較器LM324供電，說明戶外的光強(qiáng)大大增加或者開始旭日東升了，開始白天的跟蹤控制。以東西方向為例，硅光電池El的正極到IC2的負(fù)端，并通過二極管Dl到ICl的正端；硅光電池E2的正極到ICl的負(fù)端，并通過二極管D2到IC2的正端。二極管Dl、D2有兩個作用 第一，當(dāng)對準(zhǔn)太陽光的時候，設(shè)置IC1、IC2的正端比負(fù)端低O. 15V左右，以保證ICU IC2可靠輸出O電平；第二，將硅光電池El、E2與遲滯電路隔離開來，保證遲滯電壓僅作用在正向輸入端，而不影響測光器件的精度。隨著太陽由東向西運(yùn)動的同時，太陽也由南向北移動(即太陽往正午方向運(yùn)動)，硅光電池E2、E4的電流不斷上升，當(dāng)硅光電池E2、E4分別比E1、E3高出二極管D2、D4的壓降O. 15V時，IC2、IC4的輸出端out2、out4分別輸出5V的高電平，分別控制相應(yīng)往西和往北的跟蹤驅(qū)動電機(jī)，直至重新達(dá)到暫時的平衡即停止跟蹤。往東南方向跟蹤控制的工作原理，其分析過程相同。本發(fā)明的通用型太陽光跟蹤傳感器裝置，其輸出的TTL電平控制信號，可直接驅(qū)動多種形式的驅(qū)動電路其一，繼電器型電機(jī)驅(qū)動電路，特點是跟蹤控制系統(tǒng)在暫穩(wěn)狀態(tài)下，整個系統(tǒng)的靜態(tài)功耗為零；其二，電機(jī)由半橋驅(qū)動集成電路驅(qū)動，特點是整個跟蹤控制系統(tǒng)在暫穩(wěn)狀態(tài)下，功耗僅取決于半橋驅(qū)動集成電路的自身功耗。參照圖4和圖5，為傳感器裝置使用實例，其可直接固定在太陽能電池板3上方，保持四片硅電池I與太陽能電池板3采集面，也即采集平面具有同一夾角；該太陽能電池板3通過雙軸安裝在支架4上，其中水平軸5司服南北方向的調(diào)節(jié)，而垂直軸6即司服東西方向的調(diào)節(jié)。圖5太陽能電池板3的朝向，也可視為對準(zhǔn)西落的太陽光線，當(dāng)?shù)诙焯柲苌?，光線總能照射到四片娃光電池I的任一塊或者兩塊上，該片娃光電池I的輸出信號，驅(qū)動該路電機(jī)，帶動水平軸5或垂直軸6動作，調(diào)節(jié)太陽能電池板3的角度，迎接初升的太陽，
達(dá)到最大限度采集能量。
權(quán)利要求
1.一種自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，包括光線檢測部分和判斷電路部分，其特征是光線檢測部分包括有四片分別對應(yīng)東西南北方位的硅光電池，四片硅光電池與光線采集面成同一夾角固定在傳感器座的東西南北四個方位上，組成類梯形臺結(jié)構(gòu)，其中一對邊的兩片硅光電池檢測東西方向的光線，另一對邊的兩片硅光電池檢測南北方向的光線；判斷電路部分包括有電壓采樣模塊、精度設(shè)定模塊、比較輸出模塊和自供電模塊；其中硅光電池輸出分兩路，一路依次經(jīng)電壓采樣模塊、精度設(shè)定模塊后接比較輸出模塊；另一路接自供電模塊，由自供電模塊向傳感器整體電路提供工作電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，其特征是傳感器座為等腰梯形臺結(jié)構(gòu)，腰面與下底面夾角在40-70度之間，每個腰面相同位置上固定一片硅光電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，其特征是硅光電池為矩形結(jié)構(gòu)，其一邊長不大于傳感器座的上底邊長。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，其特征是傳感器座的上底面向上延伸有一遮光方形柱，遮光方形柱的高度不小于娃光電池的長邊。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，其特征是自供電模塊為一塊四端穩(wěn)壓器PQ05R11，四片硅光電池的輸出分別經(jīng)二極管D5、D6、D7、D8隔離后，送入四端穩(wěn)壓器PQ05R11的第I腳，輸入端經(jīng)一可變電阻RW分壓取樣后接第4腳，第2腳為輸出端，提供電路工作電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，其特征是四片硅電池分別為El、E2、E3、E4，分別與由二極管和電阻組成的電壓采樣模塊形成回路；硅光電池El與二極管Dl和電阻Rl回路；硅光電池E2與二極管D2和電阻R2回路；硅光電池E3與二極管D3和電阻R3回路；硅光電池E4與二極管D4和電阻R4回路；在二極管和電阻的串接點提取電壓信號，輸出給比較輸出模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，其特征是比較輸出模塊采用一塊LM324電壓比較器，該芯片內(nèi)含四個比較器IC1、IC2、IC3、IC4，分別用于比較東西、南北四個方向的光強(qiáng)、并輸出相應(yīng)的跟蹤控制電平；每個比較器均連接成遲滯型電壓比較電路，其中比較器ICl連接的遲滯反饋電阻為R5、比較器IC2連接的遲滯反饋電阻為R6、IC3連接的遲滯反饋電阻為R7、IC4連接的遲滯反饋電阻為R8，所述的電阻R5、R6、R7、R8均為可變電阻，阻值越大，跟蹤精度越高；由所述的電阻R5、R6、R7、R8構(gòu)成精度設(shè)定模塊。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，其特征是二極管D1、D2、D3、D4為肖特基二極管，因為只有肖特基二極管的正向壓降最小僅O. 15V左右，這個小壓降正是為了不讓跟蹤系統(tǒng)過于靈敏而導(dǎo)致跟蹤動作過于頻繁，如果采用普通二極管壓降都在O.7V左右，該壓降太大就導(dǎo)致跟蹤系統(tǒng)過于遲鈍而影響精度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自供電太陽光跟蹤傳感器裝置，包括光線檢測部分和判斷電路部分，其中光線檢測部分包括有四片分別對應(yīng)東西南北方位的硅光電池，四片硅光電池與光線采集面成同一夾角固定在傳感器座的東西南北四個方位上，組成類梯形臺結(jié)構(gòu)；判斷電路部分包括有電壓采樣模塊、精度設(shè)定模塊、比較輸出模塊和自供電模塊；其中硅光電池輸出分兩路，一路依次經(jīng)電壓采樣模塊、精度設(shè)定模塊后接比較輸出模塊另一路接自供電模塊，由自供電模塊向傳感器整體電路提供工作電源。太陽光傳感器件采用不飽和的測光器件，既可精確跟蹤太陽光線，又能提供整個電路工作電源；且具有自動回東功能，輸出TTL電平信號，可直接驅(qū)動多種形式的執(zhí)行電路，完成對電機(jī)的控制。
文檔編號G05D3/12GK102841612SQ20121033339
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)明者林立生, 楊平, 嚴(yán)希清, 吳巧斌, 葉曉路, 林祥勇 申請人:福建船政交通職業(yè)學(xué)院