CN202453740U - 基于gps与光敏传感器的太阳自动跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于太阳自动跟踪设备，特别涉及一种基于GPS与光敏传感器的太阳自动跟踪装置。该装置包括太阳能发电***、步进驱动机构、GPS授时模块、光敏传感器以及单片机控制电路。太阳能发电***将太阳能转化为电能，存储在蓄电池中，供各部件使用；步进驱动机构在单片机控制电路的控制下带动电池板转动，从而改变倾角；GPS授时模块用来获取装置所处位置的地理信息和当前的时间信息；光敏传感器用来反馈电池板调整后所接收的光线倾角信号，根据可能存在的误差进一步调整电板的角度，直到误差为零，达到高精度的要求。

Description

基于GPS与光敏传感器的太阳自动跟踪装置

技术领域

本实用新型属于太阳自动跟踪设备，特别涉及一种基于GPS与光敏传感器的太阳自动跟踪装置。

背景技术

太阳能作为一种安全、环保的新能源受到人们关注。目前其光热转化方面的应用已相当广泛，然而太阳能发电的效率偏低，成本较高，光电转化方面的发展受到制约。又有实验表明，采用太阳自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35％。因此，使太阳能电池板跟踪太阳，以提高太阳能的利用率，在太阳能开发利用上十分必要。

目前太阳自动跟踪领域的技术主要分为三个大类：

(1)时钟跟踪：根据太阳每分钟转过的角度计算出太阳能接收装置每分钟应该转过的角度，控制步进电机的转速使得太阳能电池板与光线趋于垂直。该种方式的优点是控制电路简单，缺点是使用开环控制***跟踪太阳，存在累积误差且浪费电能。

(2)压力差式跟踪：1994年《太阳能》杂志介绍了单轴液压自动***，其原理是利用两个密闭容器的受光面积不同，容器受热不同从而使容器内部的液体气化产生压力差，驱动接收装置转动。压差式跟踪的优点是机械装置简单，不需要电子控制部分，不消耗电能，缺点是精度较低。

(3)光电跟踪：由光电传感器根据太阳的偏转产生一个反馈信号，经放大整理后输入到控制单元，由控制单元驱动步进电机转动来使接收装置对准太阳。这种方式的优点是反映灵敏，精度高。缺点是容易受环境尤其是气候条件的影响，如多云、阴天、雨雪等天气可能导致跟踪装置无法对准太阳甚至出现误动作。

发明内容

针对上述的太阳自动跟踪***存在的问题，本实用新型提供了一种基于GPS与光敏传感器的太阳自动跟踪装置，使得装置在跟踪太阳的过程中达到高精度、实时实地的效果，明显提高了太阳能电池板的光电转化效率，进一步增加了太阳能的利用率。

本实用新型采用的技术方案为：

该装置包括太阳能发电***、步进驱动机构、GPS授时模块、光敏传感器以及单片机控制电路。支架由一片底板及两边的侧板组成，成“凹”字形；支架的底板与垂直支承轴的上端固定连接，垂直支承轴的下端通过联轴器与垂直步进电机连接；支架的两片侧板之间设置与底板平行的水平连接轴，支架的一边侧壁上设置与水平连接轴的一端连接的水平步进电机；水平连接轴上固定安装太阳能电池板，且在该太阳能电池板上安装光敏传感器；所述垂直步进电机、水平步进电机、光敏传感器以及GPS授时模块均与单片机控制电路连接。

所述太阳能电池板与蓄电池连接，蓄电池分别与垂直步进电机、水平步进电机、光敏传感器、GPS授时模块均以及单片机控制电路连接。

所述GPS授时模块集成于单片机控制电路上，且GPS授时模块具备显示屏。

所述光敏传感器为立方体结构，其上表面分为8个相同的等倾角三角形面，中间的4个三角形面向立方体的中心倾斜，外面的4个三角形面分别向立方体的下底面四个顶点方向倾斜。

太阳能发电***将太阳能转化为电能，存储在蓄电池中，供各部件使用；步进驱动机构在单片机控制电路的控制下带动电池板转动，从而改变倾角；GPS授时模块用来获取装置所处位置的地理信息和当前的时间信息；光敏传感器用来反馈电池板调整后所接收的光线倾角信号，根据可能存在的误差进一步调整电板的角度，直到误差为零，达到高精度的要求。

本实用新型的有益效果为：

(1)实现了太阳能电池板对太阳的自动跟踪，有效提高了对太阳光的吸收效率，增大了清洁能源的利用率，具有极大的环保与能源效益；

(2)精度高，受外界不利环境的影响相对较小；

(3)采用GPS作为地理信息、时间信息的采集工具，可以精确计算出当前位置任意时刻下太阳的高度角与方位角，作为调整电池板倾角的依据，当放置的位置发生改变时，装置仍可以准确跟踪太阳，不需人为干预；

(4)全新的同倾角八切面光敏传感器作为产生反馈信号的工具，装置利用反馈信号判断调整后的电板是否满足与入射光线垂直的要求，以消除累积误差，达到高精度的要求。

附图说明

图1为所述太阳自动跟踪装置功能框图；

图2为所述装置的结构示意图；

图3为光敏传感器的示意图；

图4为所述装置的工作流程示意图。

图中标号：

1-支架；2-垂直支承轴；3-联轴器；4-垂直步进电机；5-水平连接轴；6-水平步进电机；7-太阳能电池板。

具体实施方式

本实用新型提供了一种基于GPS与光敏传感器的太阳自动跟踪装置，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

如图1和图2所示，该装置包括太阳能发电***、步进驱动机构、GPS授时模块、光敏传感器以及单片机控制电路。支架1由一片底板及两边的侧板组成，成“凹”字形；支架1的底板与垂直支承轴2的上端固定连接，垂直支承轴2的下端通过联轴器3与垂直步进电机4连接；支架1的两片侧板之间设置与底板平行的水平连接轴5，支架1的一边侧壁上设置与水平连接轴5的一端连接的水平步进电机6；水平连接轴5上固定安装太阳能电池板7，且在该太阳能电池板7上安装光敏传感器；所述垂直步进电机4、水平步进电机6、光敏传感器以及GPS授时模块均与单片机控制电路连接。所述太阳能电池板7与蓄电池连接，蓄电池分别与垂直步进电机4、水平步进电机6、光敏传感器、GPS授时模块均以及单片机控制电路连接。

利用GPS授时模块得到太阳自动跟踪装置所在地理位置(纬度、经度)以及时间信息，传送给单片机控制电路，计算出太阳的高度角与方位角，然后控制两个步进电机动作，进而实现对太阳能电板姿态的调整，达到跟踪太阳的目的。

太阳能电池板7吸收太阳能，并将其转化为电能，储存在蓄电池中，供装置上各部件使用，不需要再加外部电源。GPS授时模块作为地理与时间信号的采集工具，集成于单片机控制电路上，形成整套装置的控制中心。单片机对传来的信号进行一定的判断与相应的处理后，控制下一环节中步进电机的转动。电路板上另外布置了一块显示屏，可以用来显示GPS捕捉到的相关信号，包括本地的经、纬度以及当前准确的时间。

太阳能电池板的姿态调整结束后，根据光电传感器获取的反馈信号可以判断调整后的电板是否满足与入射光线垂直的要求。如果不满足，必须继续改变电池板的水平倾角与垂直倾角，直到达到垂直；如果已满足，保持调整后的姿态，等待下一次调整时刻的到来即可。

根据太阳的运动规律，太阳在某一时刻的高度角与方位角可以由下面的计算公式算得：

sinα＝sinδsinφ+cosδcosωcosφ，

$\sin \mathrm{\γ}=\frac{\cos \mathrm{\δ}\sin \mathrm{\ω}}{\cos \mathrm{\α}}.$

其中，δ为太阳的赤纬角，φ所在地的地理纬度，ω表示地方时的时角，可以通过GPS获得。而α为太阳高度角，γ为方位角。

由此可以进一步推导出装置的水平转动角度与垂直转动角度：

β＝arcsin(sinδsinφ+cosφcosωcosφ)，

$\mathrm{\ρ}=\arcsin \left(\frac{\cos \mathrm{\δ}\sin \mathrm{\ω}}{\cos \mathrm{\β}}\right).$

其中，β、ρ分别为水平转动角度与垂直转动角度。

计算出β与ρ后，即可分别控制水平步进电机与垂直步进电机转过相应的角度，使电池板达到与太阳光线垂直的位置。

光敏传感器的结构如图3所示，将一块立方体的光电材料上表面制作成八小块面积相同的三角形，每个三角形按相同倾角布置状成斜面，内部的四个小三角形向里凹，***的三角形向下倾，整个光电材料的表面只有四条相交的棱边突出来。由于太阳光线的入射角度的不同，面积与倾角都相等的三角形光敏材料在某一时刻所接受到的太阳能大小也不同，形成的电势也不相同。图中所示立方体有两个对角面，分别涉及四个三角形斜面，对应电池板的水平倾角与垂直倾角。一个对角面上的四个三角形依据斜面方向的不同，又可分为两对。通过比较某一对三角形斜面所形成的电势大小是否相同，即可判断太阳光线在这一对角面所对应的方向上是否垂直。若相等，则太阳光线在这一方向上无偏差。

将该光敏传感器与太阳能电池板布置在同一平面上，二者同时转动。于是，在完成对光电材料两个对角面上所形成的两对电势的比较后，就可以判断出此刻太阳光线是否完全垂直光电材料，即在水平与垂直方向上都无偏差，可以进一步判断电池板是否已调整到位。利用该光敏传感器作为反馈元件测量调整后的太阳能电池板是否与太阳光线完全垂直，实现***的闭环控制，能够消除累计误差，达到高精度的要求。

基于GPS与光电传感器的太阳自动跟踪装置的程序流程图如附图4所示，主要包括以下几个部分：

(1)接收GPS传送的地理与时间信号，并用液晶屏显示。

(2)计算这一时刻太阳的高度角与方位角，进一步计算的装置的水平转动角与垂直转动角。

(3)输出一定的脉冲控制两个步进电机分别转动，电池板姿态得到调整。

(4)对光电传感器反馈的信号进行判断与处理，如有误差，继续调整电板倾角，直到误差消除。之后等待下一个调整时刻的到来。

Claims (4)

1.基于GPS与光敏传感器的太阳自动跟踪装置，包括太阳能发电***、步进驱动机构、GPS授时模块、光敏传感器以及单片机控制电路，其特征在于，支架(1)由一片底板及两边的侧板组成，成“凹”字形；支架(1)的底板与垂直支承轴(2)的上端固定连接，垂直支承轴(2)的下端通过联轴器(3)与垂直步进电机(4)连接；支架(1)的两片侧板之间设置与底板平行的水平连接轴(5)，支架(1)的一边侧壁上设置与水平连接轴(5)的一端连接的水平步进电机(6)；水平连接轴(5)上固定安装太阳能电池板(7)，且在该太阳能电池板(7)上安装光敏传感器；所述垂直步进电机(4)、水平步进电机(6)、光敏传感器以及GPS授时模块均与单片机控制电路连接。

2.根据权利要求1所述的基于GPS与光敏传感器的太阳自动跟踪装置，其特征在于，所述太阳能电池板(7)与蓄电池连接，蓄电池分别与垂直步进电机(4)、水平步进电机(6)、光敏传感器、GPS授时模块均以及单片机控制电路连接。

3.根据权利要求1所述的基于GPS与光敏传感器的太阳自动跟踪装置，其特征在于，所述GPS授时模块集成于单片机控制电路上，且GPS授时模块具备显示屏。

4.根据权利要求1所述的基于GPS与光敏传感器的太阳自动跟踪装置，其特征在于，所述光敏传感器为立方体结构，其上表面分为8个相同的等倾角三角形面，中间的4个三角形面向立方体的中心倾斜，外面的4个三角形面分别向立方体的下底面四个顶点方向倾斜。

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