CN103078557A - 一种多功能便携式太阳能跟踪发电装置及方法 - Google Patents

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李亚辉
陈四杰
罗光亮
王珂
孙健
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Abstract

本发明公开一种多功能便携式太阳能跟踪发电装置及方法，所述装置由阳光自动跟踪***和智能电压存储、输出***构成。所述方法单片机机根据实时采集来自光敏感器输送的电压信号进行判断后通过直流电机驱动模块驱动蜗轮蜗杆减速电机依次经过一级减速齿轮传动模块、花键和旋转主轴调节太阳能电池板角度；智能光伏控制模块将太阳能电池板输送的太阳能转化为电能存储在铅酸电池内，并通过充电电压显示仪表实时显示充电电压；铅酸电池通过USB可调电压输出接口输出电压，并通过输出电压显示仪表实时显示输出电压。本发明外形美观、操作方便、结构简单稳定可拆卸、便携性能良好，具有很好的实际推广价值。

Description

一种多功能便携式太阳能跟踪发电装置及方法
技术领域
本发明涉及一种新型多功能便携式太阳能跟踪发电装置及方法。这是一种机电控制相结合的清洁能源收集与利用装置。装置配备自动跟踪旋转控制***，能够实现电池板对太阳光的自动跟踪，提高太阳能发电效率。同时，本装置内置大容量铅酸蓄电池以及通用USB可调电压（DC0-12V）输出接口，加之装置整体结构可拆卸及外形美观，简单易用且便于携带等优点，尤其适合日常家庭户外旅游及高山偏远地区农牧民使用。
背景技术
太阳能光伏发电作为清洁能源的代表正越来越受到人们的关注，鉴于当前光伏发电效率不高，以及家庭普及率较低等问题，课题组特别设计制作了一款新型家用太阳能跟踪发电装置，此装置不仅内置太阳光自动跟踪控制***，能够显著提高发电效率，同时装置整体结构可拆卸，具有良好的便携性能。
现有的跟踪发电装置存在一些不足：
1.方向旋转控制结构过于复杂、***太过笨重、制造成本较高。如申请号为CN201120104231.9发明名称为“全天域液压驱动太阳能跟踪***”通过液压驱动太阳能跟踪***实现实时跟踪太阳位置。
2.跟踪控制***功耗大、成本高。如申请号为CN201020507556.7发明名称为“一种太阳能自动跟踪发电装置”通过GPS芯片接收纬度、经度和其它参数来计算太阳天顶角和太阳方位角，调整太阳能电池板的角度。
3.***整体结构不可拆卸，便携性较差。如申请号为CN200510100224.0发明名称为“太阳能跟踪驱动***”滑块摇杆机构驱动太阳能电池板运动。以及申请号为CN201120104231.9发明名称为“全天域液压驱动太阳能跟踪***”通过液压驱动太阳能跟踪***实现实时跟踪太阳位置。
4.一些发电***没有通用USB可调电压输出接口，不方便家庭日常数码产品及其他低压电器的使用。如申请号为CN201110050821.2发明名称为“一种太阳能跟踪装置”仅实现了电池板对太阳光的自动跟踪，但没能将蓄电池及电压输出***相结合。
发明内容
本发明目的在于针对上述问题提出一种多功能便携式太阳能跟踪发电装置及方法，本发明特别在装置整体结构和相关控制电路上进行了自主设计与实际制作。首先，在整体结构上：因本发明的整体设计灵感来自于向日葵，所以装置整体结构更加绿色美观，同时在整体结构设计过程中充分考虑到高山偏远农牧民的频繁迁移以及家庭外出郊游时的搬运携带，将***设计成整体可拆卸结构，使***具有良好的便携性能。除此之外，将铅酸蓄电池与太阳能电池充电模块紧密结合、融为一体，更加方便***的运输携带。同时，还为***配备了当前主流的通用USB接口，加之0-12V可调电压输出，更加方便日常数码产品及其他低压直流电器的使用。
本发明一种多功能便携式太阳能跟踪发电装置，具有一套太阳光自动跟踪***和一套智能电压存储、输出***，其中太阳光自动跟踪***包括底座、太阳能电池板、光敏感器和单片机，所述智能电压存储、输出***包括智能光伏控制模块、稳压模块和自动跟踪控制***，所述太阳光自动跟踪***还包括旋转主轴、蜗轮蜗杆减速电机、直流电机驱动模块和一级减速齿轮传动模块，所述智能电压存储、输出***还包括充电电压显示仪表、铅酸电池、输出电压显示仪表和USB可调电压输出接口，所述太阳能电池板经旋转主轴依次采用花键和一级减速齿轮传动模块与底座内部的蜗轮蜗杆减速电机传动连接；光敏感器通过传感器支架对称地分布在旋转主轴两侧；单片机根据实时采集来自光敏感器输送的电压信号通过直流电机驱动模块驱动蜗轮蜗杆减速电机依次经过一级减速齿轮传动模块、花键和旋转主轴调节太阳能电池板角度；智能光伏控制模块将太阳能电池板输送的太阳能转化为电能存储在铅酸电池内，并通过充电电压显示仪表实时显示充电电压；铅酸电池通过USB可调电压输出接口输出电压，并通过输出电压显示仪表实时显示输出电压。
所述USB可调电压输出接口还设置DC/DC降压电源模块。
一种多功能便携式太阳能跟踪发电装置的控制方法如下：打开电源总开关，太阳能电池板开始为铅酸电池充电，此时为静态发电模式，即太阳能电池板不会对太阳光进行自动跟踪；打开旋转跟踪控制开关，自动跟踪控制***启动，太阳能电池板开始自动跟踪太阳光发，单片机机根据实时采集来自光敏感器输送的电压信号进行判断后通过直流电机驱动模块驱动蜗轮蜗杆减速电机依次经过一级减速齿轮传动模块、花键和旋转主轴调节太阳能电池板角度；智能光伏控制模块将太阳能电池板输送的太阳能转化为电能存储在铅酸电池内，并通过充电电压显示仪表实时显示充电电压；铅酸电池通过USB可调电压输出接口输出电压，并通过输出电压显示仪表实时显示输出电压。
所述单片机对采集来自光敏传感器输送的电压信号的判断方法如下：光敏感器将采集到的光强值转化为对应的电压信号并输送至单片机，单片机对光敏传感器采集到的光强值进行分析比较，如果两个传感器采集到的光强差小于设定的阀值，则不对太阳能电池板进行方向调整，如果大于设定的阀值：若左侧光强值大于右侧，则将太阳能电池板向左转动，若右侧光强值大于左侧，则将太阳能电池板向右转动，最终使太阳能电池板始终达到正对太阳。
本发明的有益效果是：这种跟踪发电装置采用超低功耗MSP430单片机结合BTS7960电机驱动以及蜗轮蜗杆减速电机进行跟踪控制。与传统的控制方式相比，不仅节约了控制成本，降低了控制***的自身功耗，同时蜗轮蜗杆减速电机的体积小、质量轻以及良好的自锁性能使得***自身的便携性能以及太阳能电池板的方向控制更加稳定可靠。
附图说明
图1是本发明装置整体结构主视图；
图2是本发明装置整体结构右视图；
图3是本发明装置自动跟踪及智能充放电***结构图；
图4是本发明装置自动跟踪子程序控制原理图；
图中：1.太阳能电池板，2.光敏感器，3.传感器支架，4.带有花键结构旋转主轴，5.充电电压显示仪表，6.输出电压显示仪表，7.底座，8.辅助轴承，9.主轴承，10.铅酸蓄电池，11.蜗轮蜗杆减速电机，12.一对啮合齿轮副，13.花键，14.电池板拆装旋钮，15.电池板俯仰角调节旋钮，16.直流电压输出开关，17.总开关，18.自动跟踪控制开关，19.通用USB可调电压输出接口。
具体实施方式
下面结合附图1至图4对太阳能跟踪发电装置进行详细描述：
本发明一种多功能便携式太阳能跟踪发电装置包括：1.太阳能电池板，2.光敏感器，3.传感器支架，4.带有花键结构旋转主轴，5.充电电压显示仪表，6.输出电压显示仪表，7.底座，8.辅助轴承，9.主轴承，10.铅酸蓄电池，11.蜗轮蜗杆减速电机，12.一对啮合齿轮副，13.花键，14.电池板拆装旋钮，15.电池板俯仰角调节旋钮，16.直流电压输出开关，17.总开关，18.自动跟踪控制开关，19.通用USB可调电压输出接口。顶部太阳能电池板在蜗轮蜗杆减速电机驱动下实现对太阳光的自动跟踪，同时将所发电能经智能光伏控制器输送到装置底部的铅酸蓄电池内进行电能存储。
下面结合附图对装置自动跟踪***及智能充放电***控制方法进行详细描述如下：
太阳能电池板1经旋转主轴4与基座内部的蜗轮蜗杆减速电机11通过一对啮合齿轮副12及花键13进行传动连接。光敏感器2通过传感器支架3对称地分布在旋转主轴两侧。位于基座内部的MSP430单片机会实时采集来自光敏感器输送的电压信号，借助单片机的AD转换模块对两个光敏传感器采集到的光强值进行分析比较，如果两个传感器采集到的光强差小于程序设定的某个阀值，则不对电池板进行方向调整，如果大于这个阀值：若左侧光强值大于右侧，则将太阳能电池板向左转动，若右侧光强值大于左侧，则将太阳能电池板向右转动，最终使太阳能电池板始终达到正对太阳的效果。
打开电源总开关17，电池板开始为蓄电池充电，充电电压表5实时显示当前充电电压，且此时为静态发电模式，即电池板不会对太阳光进行自动跟踪。打开旋转跟踪控制开关18，装置内部的自动跟踪控制***启动，太阳能电池板开始自动跟踪太阳光发电，同时跟踪时间间隔可以因地区差异及用户需要进行调节，标准模式为每小时自动调整一次。打开直流电源输出开关16，电压输出仪表6显示当前输出电压，同时借助LM2596-ADJ DC/DC降压电源模块可以对通用USB接口输出的电压进行无级调节，调节范围为：DC0-12V。因此蓄电池储存的电能一方面为装置自身旋转跟踪***进行供电，同时借助通用USB电压输出接口19将蓄电池储存的电能进行直流输出，以供家庭日常低压电器使用。
本发明采用蜗轮蜗杆减速电机11进行旋转驱动，减小装置体积、降低制造成本、提高旋转跟踪稳定性；装置内置大容量铅酸蓄电池10，实现对所发电能进行实时的存储及输出；配备通用USB可调电压（DC0-12V）输出接口19，更加方便日常家庭使用。选用齿轮副12及蜗轮蜗杆减速电机11传动结构，传动结构简单，便于安装维修；具有可拆卸太阳能电池板、花键结构旋转主轴、轴承及齿轮传动结构，使***整体机构可拆卸，具有良好的便携性能；以超低功耗MSP430单片机为核心的跟踪控制***，最大程度降低自身控制功耗，提高装置整体发电效率。通过超低功耗MSP430单片机实时采集来自光敏感器2的光强信号，经过数据处理后控制BTS7960电机驱动模块来驱动蜗轮蜗杆减速电机进行电池板的方向控制。配有充、放电电压监测仪表5、6，方便用户对整个装置工作状态进行实时监测及调节。蜗轮蜗杆减速电机、花键连接及齿轮传动控制的旋转跟踪驱动结构，成本低廉、安装维修方便、旋转控制稳定性增强。顶部太阳能电池板1、传感器支架3以及带有花键结构的旋转主轴4等可拆卸结构，具有良好的便携性能，方便日常家庭野外郊游及农牧民的运输携带。

Claims (4)

1.一种多功能便携式太阳能跟踪发电装置，具有一套太阳光自动跟踪***和一套智能电压存储、输出***，其中太阳光自动跟踪***包括底座、太阳能电池板、光敏感器和单片机，所述智能电压存储、输出***包括智能光伏控制模块、稳压模块和自动跟踪控制***，其特征在于：所述太阳光自动跟踪***还包括旋转主轴、蜗轮蜗杆减速电机、直流电机驱动模块和一级减速齿轮传动模块，所述智能电压存储、输出***还包括充电电压显示仪表、铅酸电池、输出电压显示仪表和USB可调电压输出接口，所述太阳能电池板经旋转主轴依次采用花键和一级减速齿轮传动模块与底座内部的涡轮蜗杆减速电机传动连接；光敏感器通过传感器支架对称地分布在旋转主轴两侧；单片机根据实时采集来自光敏感器输送的电压信号通过直流电机驱动模块驱动涡轮蜗杆减速电机依次经过一级减速齿轮传动模块、花键和旋转主轴调节太阳能电池板角度；智能光伏控制模块将太阳能电池板输送的太阳能转化为电能存储在铅酸电池内，并通过充电电压显示仪表实时显示充电电压；铅酸电池通过USB可调电压输出接口输出电压，并通过输出电压显示仪表实时显示输出电压。
2.根据权利要求1所述的多功能便携式太阳能跟踪发电装置，其特征在于：所述USB可调电压输出接口还设置DC/DC降压电源模块。
3.一种如权利要求1所述的多功能便携式太阳能跟踪发电装置的控制方法，其特征在于：所述方法如下：打开电源总开关，太阳能电池板开始为铅酸电池充电，此时为静态发电模式，即太阳能电池板不会对太阳光进行自动跟踪；打开旋转跟踪控制开关，自动跟踪控制***启动，太阳能电池板开始自动跟踪太阳光发，单片机根据实时采集来自光敏感器输送的电压信号进行判断后通过直流电机驱动模块驱动涡轮蜗杆减速电机依次经过一级减速齿轮传动模块、花键和旋转主轴调节太阳能电池板角度；智能光伏控制模块将太阳能电池板输送的太阳能转化为电能存储在铅酸电池内，并通过充电电压显示仪表实时显示充电电压；铅酸电池通过USB可调电压输出接口输出电压，并通过输出电压显示仪表实时显示输出电压。
4.根据权利要求3所述的多功能便携式太阳能跟踪发电装置的控制方法，其特征在于：所述单片机对采集来自光敏传感器输送的电压信号的判断方法如下：光敏感器将采集到的光强值转化为对应的电压信号并输送至单片机，单片机对光敏传感器采集到的光强值进行分析比较，如果两个传感器采集到的光强差小于设定的阀值，则不对太阳能电池板进行方向调整，如果大于设定的阀值：若左侧光强值大于右侧，则将太阳能电池板向左转动，若右侧光强值大于左侧，则将太阳能电池板向右转动，最终使太阳能电池板能始终达到正对太阳。
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