一種低能耗光伏發電自動跟蹤裝置的製作方法

2023-12-10 08:35:47

本實用新型屬於光伏發電的技術領域，尤其涉及一種低能耗光伏發電自動跟蹤裝置。

背景技術：

以常規能源為基礎的能源結構隨著資源的不斷耗用將愈來愈不適應可持續發展的需要，加速開發利用太陽能等可再生能源越來越收到諸多國家的重視。利用潔淨的太陽光能源，以半導體光生伏打效應為基礎的光伏發電技術有著十分廣闊的應用前景。光伏發電系統的效率與光照強度有著直接的關係，但目前我國牧區、海島等偏遠地區多採用無跟蹤的光伏發電系統，系統中的光伏發電電池板面以固定角度朝向某一固定方向，光伏發電組件的發電效率會受光照強度、角度變化影響，不能充分利用太陽能資源，發電效率較低。在光伏發電技術上採用太陽光源跟蹤技術可以提高太陽輻射能量的採集率，提高光伏發電效率，但目前所用跟蹤技術存在大量有消耗的無用跟蹤，效率總體偏低。

技術實現要素：

本實用新型為了解決上述問題，克服現有技術中光伏發電裝置效率較低以及跟蹤光源過程中能耗較大的問題，提供一種低能耗光伏發電自動跟蹤裝置。

為了實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案：

一種低能耗光伏發電自動跟蹤裝置，包括光電傳感器、信號轉換電路、控制系統、電機驅動電路和步進電機；

所述光電傳感器分別分布於光伏發電電池面板的中心位置以及對稱分布於光伏發電面板的四周，所述光電傳感器均與所述信號轉換電路連接，所述信號轉換電路與所述控制系統連接；當太陽光線發生偏轉時，所述光電傳感器接收到的光照強度發生變化，所述光電傳感器通過所述信號轉換電路將變化後的信號傳輸至控制系統；

所述控制系統與所述電機驅動電路連接，所述電機驅動電路與所述步進電機連接；所述控制系統接收所述信號轉換電路傳輸的信號進行分析，並且根據分析結果通過所述電機驅動電路驅動所述步進電機工作；

所述步進電機包括橫向步進電機和縱向步進電機，所述橫向步進電機驅動光伏發電電池面板在水平方向上轉動，所述縱向步進電機驅動光伏發電電池面板在垂直方向上進行角度的調整。

進一步的，一種低能耗光伏發電自動跟蹤裝置還包括光伏電源，所述光伏電源分別與所述控制系統、所述電機驅動電路以及所述步進電機連接，為所述控制系統、所述電機驅動電路以及所述步進電機供電。

進一步的，所述光電傳感器採用光敏電阻。所述光敏電阻內部的光電效應和電極無關，可以使用直流電源，所述光敏電阻靈敏度和半導體材料、以及入射光的波長有關，因太陽光源的波長均是固定的，因此使用的光敏電阻靈敏度不變，光敏電阻採用環氧樹脂膠封裝、可靠性好、體積小、靈敏度高、反應速度快、光譜特性好。

進一步的，所述光敏電阻的數量為5個，分別將一個光敏電阻設置於光伏發電電池面板的中心位置，兩個光敏電阻對稱設置於光伏發電電池面板的上端面與下端面，兩個光敏電阻對稱設置於光伏發電電池面板的左端面與右端面。

進一步的，所述控制系統採用低功耗的控制裝置，所述橫向步進電機和所述縱向步進電機分別通過通信接口與所述控制系統連接，將所述橫向步進電機和所述縱向步進電機的數據反饋至所述控制系統，所述控制裝置可採用單片機或PLC等。

進一步的，所述光伏電源與所述控制系統之間設置DC電路。

進一步的，所述控制系統與通信模塊連接，所述控制系統將其數據信息發送至所述通信模塊，通過所述通信模塊將數據信息無線發送至控制室，便於地面人員及時掌握整個裝置的工作情況。

進一步的，所述電機驅動電路包括第一電機驅動電路，所述第一電機驅動電路的輸入端與所述控制系統連接，所述第一電機驅動電路的輸出端與所述橫向步進電機連接，所述控制系統通過第一電機驅動電路控制所述橫向步進電機驅動光伏發電電池面板垂直方向上進行角度的調整；

進一步的，所述電機驅動電路包括第二電機驅動電路，所述第二電機驅動電路的輸入端與所述控制系統連接，所述第二電機驅動電路的輸出端與所述縱向步進電機連接，所述控制系統通過第二電機驅動電路控制所述縱向步進電機驅動光伏發電電池面板在水平方向上轉動。

進一步的，所述電機驅動電路採用低功耗、高集成的混合式步進電機驅動晶片，進一步降低低能耗光伏發電自動跟蹤裝置的能量損耗。

本實用新型的工作原理：

一種低能耗光伏發電自動跟蹤裝置提供了一種通過低功耗控制裝置進行控制、步進電機驅動的光伏發電電池板自動跟蹤裝置，該裝置通過光電傳感器監測光源位置，驅動步進電機，能夠自動跟蹤太陽光的運動，保證太陽能裝置的能量轉換部分所在的平面始終與太陽光保持垂直，使太陽能裝置能夠最大限度的利用太陽能；

控制系統採用閉環控制，在陰雨天和多雲等不滿足發電的天氣裡，由於光照強度達不到光電傳感器設定好的閾值，從而沒有信號傳輸至控制系統，控制系統不驅動電機轉動；

在檢測到光強滿足要求後，通過光電傳感器採集到的信號經過信號轉換電路將檢測信號傳輸給控制系統，所述控制系統檢測到跟蹤信號後判斷當前電池板的方位和實際檢測到的太陽方位的位置差，再根據這個差值的正負去驅動步進電機正反轉。這樣無需在每晚回到初始位置等候太陽，避免每天傍晚以後系統多做無用的跟蹤，而是隨時根據光電傳感器檢測太陽的方位，從而將整個裝置運行功耗降到最低，並減少整個裝置的機械磨損。

所述控制系統的控制策略採用分級跟蹤控制，在控制系統中設置光照強度的上限值與下限值，當光電傳感器採集到的光照強度達到上限值時，實行密跟蹤；當光電傳感器採集到的光照強度達到下限值時，停止跟蹤；而當光電傳感器採集到的光照強度在上限值與下限值的中間狀態時實行疏跟蹤，放慢跟蹤幅度。

本實用新型的有益效果：

1.本實用新型提供了一種通過低功耗控制裝置進行控制、步進電機驅動的光伏發電電池板自動跟蹤裝置，該裝置通過光電傳感器監測光源位置，驅動步進電機，能夠自動跟蹤太陽光的運動，保證太陽能裝置的能量轉換部分所在的平面始終與太陽光保持垂直，使太陽能裝置能夠最大限度的利用太陽能；

2.本實用新型優化步進電機控制方式，根據不同光照強度採用分級跟蹤，減少了步進電機的啟動次數，不僅避免無效的跟蹤，還降低了電機的損耗，從而降低系統整體運行功耗。

3.本實用新型結構簡單，自主控制操作，大幅提高了太陽能的利用率，同時降低了跟蹤裝置的能耗，提高的使用壽命；本實用新型可大規模推廣，有效促進了太陽能的開發，對節約能源、保護環境也有重大的意義。

附圖說明

圖1為本實用新型整體的結構示意圖；

圖2為本實用新型工作原理示意圖；

其中，1-光敏電阻，2-信號轉換電路，3-控制系統，4-第一電機驅動晶片，5-第二電機驅動晶片，6-橫向步進電機，7-縱向步進電機，8-通信模塊，9-光伏電源，10-DC電路。

具體實施方式：

下面結合附圖與實施例對本實用新型作進一步說明。

一種低能耗光伏發電自動跟蹤裝置，如圖1所示，包括由光敏電阻1組成的光源檢測電路、信號轉換電路2、控制系統3、由第一電機驅動晶片4組成的第一電機驅動電路、由第二電機驅動晶片5組成的第二電機驅動電路、橫向步進電機6、縱向步進電機7、通信模塊8、光伏電源9和DC電路10；

所述光敏電阻1分別分布於光伏發電電池面板的中心位置以及對稱分布於光伏發電面板的四周，所述光敏電阻1均與所述信號轉換電路2連接，所述信號轉換電路2與所述控制系統3連接；當太陽光線發生偏轉時，所述光敏電阻1接收到的光照強度發生變化，所述光敏電阻1通過所述信號轉換電路2將變化後的信號傳輸至控制系統3；

所述控制系統3分別與所述由第一電機驅動晶片4組成的第一電機驅動電路和由第二電機驅動晶片5組成的第二電機驅動電路連接，所述第一電機驅動電路與所述橫向步進電機6連接，所述第二電機驅動電路與所述縱向步進電機7連接；所述控制系統3接收所述信號轉換電路2傳輸的信號進行分析，並且根據分析結果分別通過所述第一電機驅動電路與第二電機驅動電路驅動所述橫向步進電機6與縱向步進電機7工作；

所述光伏電源9分別與所述控制系統3、所述由第一電機驅動晶片4組成的第一電機驅動電路、由第二電機驅動晶片5組成的第二電機驅動電路以及所述橫向步進電機6、縱向步進電機7連接，為其供電。所述光伏電源9與所述控制系統3之間設置DC電路10。

光源檢測電路：

所述光源檢測電路由5個光敏電阻1組成，一個光敏電阻1設置於光伏發電電池面板的中心位置，兩個光敏電阻1對稱設置於光伏發電電池面板的上端面與下端面，兩個光敏電阻1對稱設置於光伏發電電池面板的左端面與右端面。左端面與右端面上的兩個光敏電阻1負責檢測太陽轉動的位置，即檢測太陽的水平移動；上端面與下端面上的兩個光敏電阻1負責檢測太陽高度的變化，即檢測太陽的垂直移動；中心位置的光敏電阻1負責校準太陽光是否與採光部分的垂直，同時檢測光線，提供復位觸發。光伏發電電池面板有兩個轉動角度，分別為水平方向和垂直仰角，由兩個橫向步進電機6和縱向步進電機7帶動。

信號轉換電路：

當陽光垂直射入時，照射不到光伏發電電池面板四周的光敏電阻1，只有陽光光線發生傾斜即光伏發電電池面板不對準太陽時才有可能使光線射到四周的光敏電阻1。當太陽的水平或垂直位置發生偏移時，光伏發電電池面板四周的光敏電阻1中必有一個受陽光照射，通過光敏電阻1採集信號，信號經過信號轉換電路2的運算放大器放大，由信號轉換電路2的輸出端連接到控制系統3，通過控制系統3中的模數轉換模塊將採集到的模擬信號量轉化為數位訊號量，進行分析計算，這樣就可確認太陽運動的方向了。

控制系統：

所述控制系統3採用低功耗的控制裝置，在本實施例中所述控制系統3中採用功耗較低的ATmega16單片機。ATmega16是基於增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由於其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。所述橫向步進電機和所述縱向步進電機分別通過通信接口與所述控制系統連接，將所述橫向步進電機和所述縱向步進電機的數據反饋至所述控制系統，所述控制裝置可採用單片機或PLC等。所述控制系統與通信模塊連接，所述控制系統將其數據信息發送至所述通信模塊，通過所述通信模塊將數據信息無線發送至控制室，便於地面人員及時掌握整個裝置的工作情況。

步進電機：

所述步進電機包括橫向步進電機和縱向步進電機，所述橫向步進電機驅動光伏發電電池面板在水平方向上轉動，所述縱向步進電機驅動光伏發電電池面板在垂直方向上進行角度的調整。

在本實施例中橫向步進電機6和縱向步進7電機均採用五相混合式步進電機，具有步距角小、動較小，振動小，運行平穩，起動、停止的頻率更加可靠穩定等優點，特別適合光伏發電跟蹤系統。

電機驅動電路：

所述電機驅動電路包括第一電機驅動電路，所述第一電機驅動電路的輸入端與所述控制系統連接，所述第一電機驅動電路的輸出端與所述橫向步進電機連接，所述控制系統通過第一電機驅動電路控制所述橫向步進電機驅動光伏發電電池面板垂直方向上進行角度的調整；所述電機驅動電路包括第二電機驅動電路，所述第二電機驅動電路的輸入端與所述控制系統連接，所述第二電機驅動電路的輸出端與所述縱向步進電機連接，所述控制系統通過第二電機驅動電路控制所述縱向步進電機驅動光伏發電電池面板在水平方向上轉動。

所述電機驅動電路採用低功耗、高集成的混合式步進電機驅動晶片，進一步降低低能耗光伏發電自動跟蹤裝置的能量損耗。在本實施例中，步進電機驅動晶片採用低功耗、高集成混合式兩相THB6016H步進電機驅動晶片。每相額定電流2.5A、最大峰值3.5A，最大工作電壓40V、最小4.5V，具有雙全橋MOSFET驅動，還具有1/2細分、1/4細分、1/8細分、1/16細分運行方式可供選擇，內置溫度保護及過流保護，採用HZIP25-P-1.27封裝，外圍電路簡單、工作可靠、使用方便。

斬波頻率說明：

電容值：450P

慢衰減：2細分斬波時間：40us佔空比(高—低)：4—36

快衰減：16細分斬波時間：40us佔空比(高—低)：20—20

電容值：150P

慢衰減：2細分斬波時間：15us佔空比(高—低)：1.5—13.5

快衰減：16細分斬波時間：15us佔空比(高—低)：7.5—7.5。

控制原理：

控制系統3採用閉環控制，在陰雨天和多雲等不滿足發電的天氣裡，由於光照強度達不到光敏電阻1設定好的閾值，從而沒有信號傳輸至控制系統3，控制系統3不驅動橫向步進電機6或縱向步進7轉動；

在檢測到光強滿足要求後，通過光敏電阻1採集到的信號經過信號轉換電路2將檢測信號傳輸給控制系統3，所述控制系統3檢測到跟蹤信號後判斷當前電池板的方位和實際檢測到的太陽方位的位置差，再根據這個差值的正負去驅動橫向步進電機6或縱向步進7正反轉。這樣無需在每晚回到初始位置等候太陽，避免每天傍晚以後系統多做無用的跟蹤，而是隨時根據光電傳感器檢測太陽的方位，從而將整個裝置運行功耗降到最低，並減少整個裝置的機械磨損。

所述控制系統3的控制策略採用分級跟蹤控制，在控制系統中設置光照強度的上限值與下限值，當光電傳感器採集到的光照強度達到上限值時，實行密跟蹤；當光電傳感器採集到的光照強度達到下限值時，停止跟蹤；而當光電傳感器採集到的光照強度在上限值與下限值的中間狀態時實行疏跟蹤，放慢跟蹤幅度。不同光照強度採用分級跟蹤，減少了五相混合式步進電機的啟動次數，不僅避免無效的跟蹤，還降低了電機的損耗，從而降低系統整體運行功耗。

上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行了描述，但並非對本實用新型保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護範圍以內。