專利名稱：基于gps與光敏傳感器的太陽自動(dòng)跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于太陽自動(dòng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)表明，采用太陽自動(dòng)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(dòng)跟蹤領(lǐng)域的技術(shù)主要分為三個(gè)大類(I)時(shí)鐘跟蹤根據(jù)太陽毎分鐘轉(zhuǎn)過的角度計(jì)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(jī)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(diǎn)是控制電路簡単，缺點(diǎn)是使用開環(huán)控制系統(tǒng)跟蹤太陽，存在累積誤差且浪費(fèi)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(dòng)跟蹤器，其原理是利用兩個(gè)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(dòng)接收裝置轉(zhuǎn)動(dòng)。壓差式跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械裝置簡單，不需要電子控制部分，不消耗電能，缺點(diǎn)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(gè)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來使接收裝置對準(zhǔn)太陽。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是反映靈敏，精度高。缺點(diǎn)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(dòng)作。
發(fā)明內(nèi)容針對上述的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)存在的問題，本實(shí)用新型提供了一種基于GPS與光敏傳感器的太陽自動(dòng)跟蹤裝置，使得裝置在跟蹤太陽的過程中達(dá)到高精度、實(shí)時(shí)實(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)、GPS授時(shí)模塊、光敏傳感器以及單片機(jī)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(jī)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(jī)；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(jī)、水平步進(jìn)電機(jī)、光敏傳感器以及GPS授時(shí)模塊均與單片機(jī)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(jī)、水平步進(jìn)電機(jī)、光敏傳感器、GPS授時(shí)模塊均以及單片機(jī)控制電路連接。[0011]所述GPS授時(shí)模塊集成于單片機(jī)控制電路上，且GPS授時(shí)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(gè)相同的等傾角三角形面，中間的4個(gè)三角形面向立方體的中心傾斜，外面的4個(gè)三角形面分別向立方體的下底面四個(gè)頂點(diǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)在單片機(jī)控制電路的控制下帶動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變傾角；GPS授時(shí)模塊用來獲取裝置所處位置的地理信息和當(dāng)前的時(shí)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(shí)用新型的有益效果為(I)實(shí)現(xiàn)了太陽能電池板對太陽的自動(dòng)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(shí)間信息的采集工具，可以精確計(jì)算出當(dāng)前位置任意時(shí)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(shí)，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(dòng)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(jī)；5_水平連接軸；6_水平步進(jìn)電機(jī)；7_太陽能電池板。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提供了一種基于GPS與光敏傳感器的太陽自動(dòng)跟蹤裝置，
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)、GPS授時(shí)模塊、光敏傳感器以及單片機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)4、水平步進(jìn)電機(jī)6、光敏傳感器以及GPS授時(shí)模塊均與單片機(jī)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(jī)4、水平步進(jìn)電機(jī)6、光敏傳感器、GPS授時(shí)模塊均以及單片機(jī)控制電路連接。利用GPS授時(shí)模塊得到太陽自動(dòng)跟蹤裝置所在地理位置(緯度、經(jīng)度)以及時(shí)間信息，傳送給單片機(jī)控制電路，計(jì)算出太陽的高度角與方位角，然后控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)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(shí)模塊作為地理與時(shí)間信號的采集工具，集成于單片機(jī)控制電路上，形成整套裝置的控制中心。單片機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shí)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(shí)刻的到來即可。根據(jù)太陽的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，太陽在某一時(shí)刻的高度角與方位角可以由下面的計(jì)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(shí)的時(shí)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(dòng)角度與垂直轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)角度與垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度。計(jì)算出β與P后，即可分別控制水平步進(jìn)電機(jī)與垂直步進(jìn)電機(jī)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(gè)三角形按相同傾角布置狀成斜面，內(nèi)部的四個(gè)小三角形向里凹，外圍的三角形向下傾，整個(gè)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(shí)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(gè)對角面，分別涉及四個(gè)三角形斜面，對應(yīng)電池板的水平傾角與垂直傾角。一個(gè)對角面上的四個(gè)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(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。于是，在完成對光電材料兩個(gè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，能夠消除累計(jì)誤差，達(dá)到高精度的要求。基于GPS與光電傳感器的太陽自動(dòng)跟蹤裝置的程序流程圖如附圖4所示，主要包括以下幾個(gè)部分(I)接收GPS傳送的地理與時(shí)間信號，并用液晶屏顯示。(2)計(jì)算這ー時(shí)刻太陽的高度角與方位角，進(jìn)ー步計(jì)算的裝置的水平轉(zhuǎn)動(dòng)角與垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角。(3)輸出一定的脈沖控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別轉(zhuǎn)動(dòng)，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(gè)調(diào)整時(shí)刻的到來。
權(quán)利要求1.基于GPS與光敏傳感器的太陽自動(dòng)跟蹤裝置，包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、GPS授時(shí)模塊、光敏傳感器以及單片機(jī)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(jī)(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(jī)(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(jī)(4)、水平步進(jìn)電機(jī)(6)、光敏傳感器以及GPS授時(shí)模塊均與單片機(jī)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(dòng)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(jī)(4)、水平步進(jìn)電機(jī)￠)、光敏傳感器、GPS授時(shí)模塊均以及單片機(jī)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(dòng)跟蹤裝置，其特征在于，所述GPS授時(shí)模塊集成于單片機(jī)控制電路上，且GPS授時(shí)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(dòng)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(gè)相同的等傾角三角形面，中間的4個(gè)三角形面向立方體的中心傾斜，外面的4個(gè)三角形面分別向立方體的下底面四個(gè)頂點(diǎn)方向傾斜。
專利摘要本實(shí)用新型屬于太陽自動(dòng)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(dòng)跟蹤裝置。該裝置包括太陽能發(fā)電系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、GPS授時(shí)模塊、光敏傳感器以及單片機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)在單片機(jī)控制電路的控制下帶動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變傾角；GPS授時(shí)模塊用來獲取裝置所處位置的地理信息和當(dāng)前的時(shí)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)