一种用于太阳能电池板的太阳光追踪装置.pdf

本发明涉及光学追踪及太阳能电池板领域，其利用一个安装在太阳能电池板受光面的感应盒来监测太阳光方位的变化。感应盒中主要由一根垂直于太阳能电池板的细长的柱状的全吸管和一个光电传感器组成，全吸管用来选择太阳光的入射角度，使只有近似垂直于太阳能电池板入射的太阳光才能到达底部的光电传感器中。通过对光电传感器输出电流大小的判断，有选择地的驱动步进电机工作，两个步进电机通过齿轮传动和蜗轮蜗杆传动，带动电池板转动，从而保证太阳能电池板的受光面始终垂直于太阳光入射方向。本发明性价比高，提高了固定式电池板的太阳能利用效率，满足太阳能空调，太阳能路灯等设备的经济要求。

1.  一种用于太阳能电池板的太阳光追踪装置，其特征在于，包括太阳能电池板(1)、感应盒(2)、旋转支撑装置、驱动装置；
所述旋转支撑装置包括支撑杆(3)、旋转底座(4)、支撑板(5)、环形支架(6)、中心轴(7)、U型支架(9)；
所述驱动装置包括步进电机I(8)、步进电机II(17)；
所述感应盒(2)安装在太阳能电池板(1)的受光面上，用以感应太阳能电池板(1)是否接受太阳直射；
所述太阳能电池板(1)通过所述支撑杆(3)固定在所述支撑板(5)上，所述支撑板(5)安装在所述旋转底座(4)上，所述旋转底座(4)固定在所述中心轴(7)上，所述中心轴(7)安装在所述环形支架(6)上，所述环形支架(6)通过连杆(20)安装在所述U型支架(9)上，所述U型支架(9)固定在墙壁(10)上；
所述感应盒(2)分别与步进电机I(8)和步进电机II(17)连接，所述步进电机I(8)与所述旋转底座(4)通过蜗轮蜗杆传动连接；所述步进电机II(17)与所述环形支架(6)通过齿轮传动连接；
所述感应盒(2)包括全吸管(12)、光电传感器(13)和衬底(14)；所述全吸管(12)的高度H为5cm，半径R为0.2～1cm，入射到光电传感器(13)的太阳光(11)方位角的最大改变值θ与全吸管的高度H和半径R之间的关系为：θ＝2arctan(R/H)。

2.  根据权利要求1所述的一种用于太阳能电池板的太阳光追踪装置，其特征在于，所述连杆(20)一端与环形支架(6)固定连接，所述连杆(20)另一端与所述U型支架(9)通过轴承转动连接。

3.  根据权利要求1所述的一种用于太阳能电池板的太阳光追踪装置，其特征在于，所述中心轴(7)的两端与环形支架(6)通过螺纹连接。

4.  根据权利要求1所述的一种用于太阳能电池板的太阳光追踪装置，其特征在于，所述步进电机II(17)的输出轴上设有小齿轮(16)，所述小齿轮(16)啮合大齿轮(15)，大齿轮(15)通过键同轴固定在连杆(20)上。

5.  根据权利要求1所述的一种用于太阳能电池板的太阳光追踪装置，其特征在于，所述步进电机I(8)的输出轴与蜗杆(19)过盈配合，所述蜗杆(19)与涡轮(18)啮合，所述涡轮(18)同轴安装在所述中心轴(7)上。

一种用于太阳能电池板的太阳光追踪装置
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能电池板的太阳光追踪装置，主要应用于太阳能电池板。
背景技术
太阳能作为一种无污染可再生的绿色能源，相较于煤炭、石油有着得天独厚的优势，也因此倍受青睐。20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能的应用领域也不断拓展，我国相对比较成熟的太阳能技术包括太阳能光伏技术和太阳能热水系统。近年来，太阳能空调、太阳能路灯等清洁能源器件逐渐步入人们的生活，在工作性能方面初具优势，生产规模也日益扩大。在此基础上，为了能提高太阳能的利用效率，各种太阳光追踪系统接踵而至，但由于系统复杂不宜推广或设备简单等各方面的原因，到目前为止都没有一项成熟的易于推广的系统。
为了实现完全实时追踪，很多双轴追踪系统都采用了借助单片机处理追踪信号，并结合当地的太阳方位角进行角度调整的追踪方案，如辽宁科技学院的侯长来教授的《太阳能跟踪装置与技术》一书中就用到了这种思路，这种方法虽然极大提高了太阳能利用效率，但是使系统过于复杂，不易推广；还有一些学者采用机械追踪方式，较为典型的如专利号为CN203630629U的“一种智能的太阳能自动跟踪装置”，就是通过设计特殊方位上的光敏电阻及光敏二极管，测得太阳方位并作出旋转，这种方法较为简单，但需要借助较多光电元件，且对元器件位置要求较高，因此虽然这些追踪方式都能实现高效追踪，但考虑到生产工艺、成本等方面的原因，对于推广应用还存在许多不足。
发明内容
为了克服传统固定式太阳能电池板低效率及CPU控制的多角度实时跟踪装置难以推广的不足，本发明提供一种简易的、自动追踪的太阳光线方向变化的实时追踪装置，该装置通过利用一根细长的柱状全吸管吸收太阳光，对太阳光入射角度的进行监测，利用连个步进电机分别带动齿轮传动和蜗轮蜗杆传动，控制太阳能电池板的朝向，使太阳能电池板在工作时能根据太阳光入射角度的变化实时地做出反应，使其受光面始终近似垂直于入射光，提高光能利用率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在太阳能电池板的受光面上安装一个感应 盒，感应方位、俯仰方向上太阳光的存在及角度的变化，利用一根细长的全吸管有选择地吸收太阳光，使只有近似垂直于太阳能电池板的光才能到达全吸管底部的光电传感器，根据光电传感器输出电流的大小控制步进电机的工作方式，利用步进电机通过蜗轮蜗杆和齿轮传动，控制太阳能电池板的转动。当太阳光直射入感应盒内的全吸管时，全吸管底部的传感器输出的电流较大，步进电机不工作；当太阳光角度发生变化(太阳光不能垂直入射到太阳能电池板上)，全吸管内的光线变弱，传感器输出电流变小，此时步进电机开始工作，分别通过齿轮传动和蜗轮蜗杆传动，带动太阳能电池板转动，以达到太阳光重新直射电池板的效果。当太阳光很弱(如阴雨天气，或傍晚太阳落下去之后，)感应盒几乎感应不到太阳光，旋转支撑系统自动归零，使太阳能电池板受光面转至正东方向，随后停止工作。太阳光追踪装置将会保持停止工作状态，直至有较强的太阳光照射，太阳光追踪装置才会重新启动。
一种用于太阳能电池板的太阳光追踪装置，包括太阳能电池板、感应盒、旋转支撑装置、驱动装置；所述旋转支撑装置包括支撑杆、旋转底座、支撑板、环形支架、中心轴、U型支架；所述驱动装置包括步进电机I、步进电机II；所述感应盒安装在太阳能电池板的受光面上，用以感应太阳能电池板是否接受太阳直射；所述太阳能电池板由所述支撑杆固定在所述支撑板上，所述支撑板安装在所述旋转底座上，所述旋转底座通过中心轴安装在所述环形支架上，所述环形支架通过连杆安装在所述U型支架上，所述U型支架固定在墙壁上；所述感应盒分别与步进电机I和步进电机II连接，所述步进电机I与所述旋转底座通过蜗轮蜗杆传动连接；所述步进电机II与所述环形支架通过齿轮传动连接。
上述方案中，所述连杆一端与环形支架固定连接，所述连杆另一端与所述U型支架通过轴承转动连接。
上述方案中，所述中心轴的两端与环形支架通过螺纹连接。
上述方案中，所述步进电机II的输出轴上设有小齿轮，所述小齿轮啮合大齿轮，大齿轮通过键同轴固定在连杆上。
上述方案中，所述步进电机I的输出轴与蜗杆过盈配合，所述蜗杆与涡轮啮合，所述涡轮同轴安装在所述中心轴上。
上述方案中，所述感应盒包括全吸管、光电传感器和衬底；所述全吸管的高度H为5cm，半径R为0.2～1cm，入射到光电传感器(13)的太阳光方位角的最大改变值θ与全吸管的高度H和半径R之间的关系为：θ＝2arctan(R/H)。
本发明的有益效果是，通过利用感应盒对太阳光线的监测，使两个步进电机分别通过蜗 轮蜗杆和齿轮传动，带动太阳能电池板自动逐日，相对于人工调整的半固定式设备效率显著提高，且比单片机控制双轴实时跟踪的复杂跟踪系统设备简单，是一种效率与成本的优化选择。
附图说明
图1是太阳光追踪装置的整体结构图；
图2是驱动部分剖面图；
图3是本发明的结构原理图；
图4是全吸管尺寸与角度关系图。
图中：1.太阳能电池板 2.感应盒 3.支撑杆 4.旋转底座 5.支撑板 6.环形支架 7.中心轴 8.步进电机I 9.U型支架 10.墙壁 11.太阳光 12.全吸管 13.光电传感器14.衬底 15.大齿轮 16.小齿轮 17.步进电机II 18.涡轮 19.蜗杆 20.连杆。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1中，在太阳能电池板1的受光面上安装感应盒2，用以感应太阳能电池板是否接受太阳直射。太阳能电池板1由四根支撑杆3固定在支撑板5上，支撑板5安装在同轴旋转座4上，环形支架6通过连杆20与U型支架9相关联，连杆20与环形支架6固定连接，与U型支架9转动连接，U型支架9倾斜安装在墙壁10上，满足连杆20与地球极轴平行，使环形支架6绕连杆20转动，旋转底座4围绕中心轴7在环形支架6内运动。当两个步进电机接收到工作信号时，步进电机I8通过蜗轮蜗杆19传动，带动旋转底座4运动，步进电机II 17通过齿轮传动，带动环形支架6转动，从而带动撑板5和支撑杆3运动，使太阳能电池板1在工作时其受光面始终转向太阳光直射方向。
在图2中，步进电机II17的输出轴上设有小齿轮16，小齿轮16啮合大齿轮15，大齿轮15的中心通过键同轴固定连杆20，所述连杆20的另一端与环形支架6通过螺纹旋转固定连接。U型支架9另一侧通过轴承与连杆20相连，连杆20与环形支架6通过螺纹旋固定连接。步进电机I8的输出轴与蜗杆19过盈配合，蜗杆19与涡轮18啮合，且涡轮18同轴安装在中心轴7上，中心轴7的两端与环形支架6两侧通过螺纹连接。
当步进电机I(8)接受到感应盒(2)发出的工作信号时，所述步进电机I(8)通过蜗轮蜗杆带动旋转底座(4)转动，所述步进电机II(17)接受到感应盒(2)发出的工作信号时，所述步进电机II(17)通过齿轮传动带动所述环形支架(6)转动，所述环形支架(6)可 在U型支架9上转动，所述旋转底座(4)可在所述环形支架(6)上转动，从而带动撑板5和支撑杆3运动，使太阳能电池板1在两个方位上的转动。
在图3中，感应盒2用以封装其内部的全吸管12与光电传感器13，衬底14用于支撑和保护光电传感器。光电传感器13产生的电信号经电学放大器放大后，通过阀值电流判决电路工作。I₀表示能使太阳光追踪系统工作时感应盒内光电传感器输出的最低电信号，I₁表示太阳光刚近似正入射太阳能电池板时，感应盒内光电传感器输出的最低电信号。早晨，当太阳光直射朝向正东方向的太阳能电池板时，感应盒2内输出的电流值I满足I₁>I>I₀，此时向步进电机I8和步进电机II17发送步进信号，步进电机开始工作，即太阳光跟踪系统启动，感应盒2开始实时监测太阳光角度的变化。到了傍晚，太阳即将落下去时，或当阴雨天气时，太阳光线较弱，太阳能电池板上感应盒2内光电传感器测得的电流信号I<I₀，此时向步进电机I8和步进电机II17发送归零信号，太阳光跟踪装置归零(转至面向正东方向)并停止工作。晴朗天气时，太阳光线直射太阳能电池板1时，光电传感器13输出的电流信号I>I₁，此时向步进电机I8和步进电机II17发送停止信号，太阳光跟踪装置不工作。而当太阳转过一定角度后，全吸管12内光线变弱，传出的电信号较小，此时I₀<I<I₁，步进电机I8和步进电机II17带动太阳能电池板1转动，使太阳光重新直射全吸管12，步进电机前进的步长由全吸管12的尺寸决定。为消除季节变化对太阳光强的影响，以及一天中各时刻太阳光强的波动的影响，必须保证光电传感器13的输出电信号近似只与太阳光的入射角度有关，这就要求全吸管12侧壁的反射率尽可能的低(保证能够极大地吸收其他角度射入的光线)，且全吸管12的直径在满足有足够的光使光电传感器13正常工作的前提下尽可能小，使光电传感器13探测到的信号近似只与太阳光的入射角度有关。
在图4中，太阳光在细长型全吸管12内的直射时间，近似为入射光线从全吸管12一侧边缘移动至全吸管12另一侧边缘的时间差，这段时间内太阳光11方位角的最大改变值θ为全吸管半径R与高度H正切角的二倍，即θ＝2arctan(RH)，全吸管12的高度H为5cm，全吸管的半径R可根据当地太阳光的强度以及系统所采用的光电传感器的技术参数做微调，一般取值区间为0.2～1cm，若取全吸管12的半径R为0.44cm，则太阳光11入射到全吸管底部时其方位角的最大改变值θ为10°。
所述实施例为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。