專利名稱：新型向日自動跟蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型向日自動跟蹤裝置，尤其涉及一種新型的兩軸、低能 耗、長壽命的自動向日跟蹤裝置，可廣泛用于光伏發(fā)電、多倍、高倍聚光發(fā)電 技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著世界能源短缺的加劇和環(huán)境保護(hù)意識的提高，石油價(jià)格的高位攀升， 太陽能、風(fēng)能等可再生能源的利用成為世界各能源消費(fèi)大國能源戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)發(fā) 展關(guān)注的焦點(diǎn)之一。太陽能作為一種清潔的可再生能源，具有取之不盡用之不 竭的特點(diǎn)，為人類生存、永久性解決能源危機(jī)提供了可能。
太陽光強(qiáng)隨時(shí)間，地點(diǎn)，季節(jié)，經(jīng)緯度變化劇烈，隨機(jī)性大，因此造成太 陽光不一定總是都能垂直照射到太陽能電池板上，這樣造成太陽能光伏器件光 電轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直射情況，從而導(dǎo)致了整個(gè)太陽能發(fā)電系統(tǒng)效率低，嚴(yán)重 制約著太陽能的大規(guī)模使用。
目前，市場上的太陽能跟蹤裝置或者是單軸的固定，或者是單軸轉(zhuǎn)動還有 雙軸轉(zhuǎn)動。單軸固定的，就是把太陽能發(fā)電組件安裝在上面，因?yàn)樘枌?shí)時(shí)在 動的，因此太陽光照射到發(fā)電組件上的角度也是隨時(shí)間變化，這樣發(fā)電效率低。 單軸轉(zhuǎn)動的跟蹤裝置，是東西方向轉(zhuǎn)動，南北方向上不轉(zhuǎn)動。這樣太陽在一定 的經(jīng)緯度上可以垂直照射發(fā)電組件上，然而隨著時(shí)間的變化，太陽的經(jīng)緯度也 隨著變換，太陽又不能垂直照射到發(fā)電組件上，發(fā)電效率又低了。目前市場上 的雙軸轉(zhuǎn)動采用的是利用光傳感器，時(shí)刻感應(yīng)光強(qiáng)度，隨著光強(qiáng)讓跟蹤裝置隨 著太陽轉(zhuǎn)動，然而這種傳感器容易受到外界的影響，比如下雨，大霧，沙塵等 惡劣天氣，影響到傳感器的精度，這樣就大大降低發(fā)電的效率。
同時(shí)現(xiàn)有的一維或二軸跟蹤裝置大多采用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，控制成本 高、功耗高，.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)所轉(zhuǎn)換的電能大多被驅(qū)動跟蹤裝置所消耗， 得不償失，同樣造成了發(fā)電效率低下。目前，雖然太陽自動跟蹤系統(tǒng)方法取得了很大進(jìn)展，但有待推廣應(yīng)用，同 時(shí)在某些方面還不能完全滿足低成本光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的需要。主要存在如下 需要改進(jìn)的元素
(一) 、跟蹤精度不高，目前市場上的太陽能自動跟蹤器多采用光控方式， 將太陽的移動與太陽能電池之間的夾角變成電信號，經(jīng)繼電器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動， 電機(jī)在推動太陽能電池板轉(zhuǎn)動，這樣使太陽能電池板正對著太陽，完成對太陽 的跟蹤。如果遇到惡劣天氣比如大風(fēng)、下雨、下雪、沙塵等惡劣天氣，太陽的 光線強(qiáng)度就會大大減弱，這樣就會使光敏二極管產(chǎn)生較大誤差，大大影響了傳 感器對太陽光線的感應(yīng)能力，因此也就影響了系統(tǒng)跟蹤的效率。如果陰雨天有 干擾光源(信號彈、禮花炮、高層建筑霓虹燈等強(qiáng)光)，光敏二極管可能就感應(yīng) 干擾源的光線強(qiáng)度，光敏二極管可能就讓系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動信號，使跟蹤器向著干 擾源強(qiáng)光的方向轉(zhuǎn)動，這樣就產(chǎn)生誤差，大大降低了系統(tǒng)發(fā)電的效率。
(二) 、成本高，功耗高，現(xiàn)在市場上太陽能跟蹤器控制裝置大多采用光電 傳感器，系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，機(jī)械結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，大大增加了系統(tǒng)成本，電 路復(fù)雜也大大增加了系統(tǒng)的功耗，降低了系統(tǒng)發(fā)電的效率。跟蹤裝置大多采用 伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，控制成本高、功耗高，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)所轉(zhuǎn)換的電 能大多被驅(qū)動跟蹤裝置所消耗，得不償失，同樣造成了發(fā)電效率低下。
(三) 、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜強(qiáng)度低，故障率高，維護(hù)困難。目前市場上的跟蹤器 采用的光傳感器比較多，光傳感器比較精密，外界的惡劣天氣很容易影響光傳 感器的使用壽命，因此系統(tǒng)的故障率高，維護(hù)成本也比較高，系統(tǒng)電路和機(jī)械 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械強(qiáng)度也比較低，維護(hù)和使用困難。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種跟蹤精度高，成本低，結(jié)構(gòu)簡單可靠，功耗低，高 性價(jià)比跟蹤系統(tǒng)裝置，其解決了現(xiàn)有技術(shù)太陽跟蹤裝置跟蹤精度低，成本高，結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，功耗高技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為
一種新型跟蹤太陽跟蹤裝置，包括控制器、兩軸驅(qū)動裝置、太陽能跟蹤支 架組件。
控制器的特征在于采用智能模糊控制理論，而不是采用現(xiàn)在的光風(fēng)等傳感 器跟蹤技術(shù)，因此不怕惡劣天氣影響設(shè)備的工作。智能模糊控制理論其特征在于利用太陽和地球的運(yùn)動軌跡與時(shí)間的關(guān)系， 自動計(jì)算不同時(shí)間太陽入射光線和地球地理位置(經(jīng)緯度)的在方位和俯仰兩
個(gè)方向上的偏差角，由單片機(jī)控制驅(qū)動裝置驅(qū)動跟蹤支架組件運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對太 陽的跟蹤，保證在一定的時(shí)間內(nèi)，太陽光始終垂直入射到太陽能電池組件上， 保證太陽光能最大程度的轉(zhuǎn)化為電能。相對于固定裝置，光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)150%
到200%。
驅(qū)動裝置采用小功率直流直線電機(jī)，形成直線推動，根據(jù)三角形計(jì)算關(guān)系， 推動不同的距離即能形成不同的夾角，采用單片機(jī)對分別對俯仰方向和水平方 向的直線電機(jī)推動距離的進(jìn)行控制，即能實(shí)現(xiàn)太陽能跟蹤支架上電池安裝面上 方位角和俯仰角的方向控制，實(shí)現(xiàn)對太陽的自動跟蹤。
俯仰軸上，太陽每年轉(zhuǎn)動一個(gè)來回，夾角為47度，根據(jù)這一特點(diǎn)，每隔IO 天，單片機(jī)控制俯仰軸驅(qū)動裝置運(yùn)動一次，修正俯仰軸方向上的偏差角。方位 軸上，單片機(jī)每天控制驅(qū)動裝置按一定時(shí)間向西轉(zhuǎn)動一次來實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤， 每次驅(qū)動一定距離，使得太陽光始終垂直照射在太陽能電池板上，這樣就實(shí)現(xiàn) 太陽能電池板發(fā)電量的最大化。 一天跟蹤完成后，單片機(jī)控制驅(qū)動裝置驅(qū)動跟 蹤支架自動回復(fù)到次日太陽升起的狀態(tài)，準(zhǔn)備下次對太陽的跟蹤。夜間，單片 機(jī)控制系統(tǒng)供電切除，這樣控制系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，以最大程度上節(jié)省不必要 的功耗。還有系統(tǒng)在不轉(zhuǎn)動時(shí)會自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，節(jié)省系統(tǒng)功耗。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是
1、 系統(tǒng)跟蹤精度高
控制器采用新型智能模糊控制理論，利用太陽和地球的運(yùn)動軌跡與時(shí)間的 關(guān)系，自動計(jì)算不同時(shí)間太陽入射光線和地球地理位置(經(jīng)緯度)的在方位和 俯仰兩個(gè)方向上的偏差角，控制驅(qū)動裝置自動向日跟蹤，而不采用現(xiàn)有的光風(fēng) 等傳感器技術(shù)，不怕惡劣天氣和外界光源影響設(shè)備的跟蹤精度。
2、 系統(tǒng)自動化程度高
單片機(jī)每天控制驅(qū)動裝置，按一定時(shí)間規(guī)律向西轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤， 每次轉(zhuǎn)動一定角度，這樣讓太陽光始終垂直照射在太陽能電池組件上，這樣陽 光裝換為電能的最大效率。 一天跟蹤完成后，單片機(jī)控制跟蹤器自動恢復(fù)到次 日太陽升起的狀態(tài)，系統(tǒng)等待下次太陽升起繼續(xù)發(fā)電，系統(tǒng)自動化程度高，基 本上不用人工操作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)無人值守。3、 系統(tǒng)功耗低
系統(tǒng)采用高性能低功耗的AVR單片機(jī)系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)工作。當(dāng)跟蹤裝置 需要跟蹤太陽時(shí)，單片機(jī)控制驅(qū)動裝置驅(qū)動跟蹤組件轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)對太陽的向日 跟蹤，完成后單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以最大程度上節(jié)省不必要的功耗。 夜間，單片機(jī)控制系統(tǒng)供電切除，這樣控制系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，以最大程度上 節(jié)省不必要的功耗。驅(qū)動裝置采用小功率的直流直線電機(jī)，采用12V直流蓄電 池即可工作，工作時(shí)電流不大于5安培，而且， 一天中大多數(shù)時(shí)間都處于不工 作狀態(tài)。由以上兩點(diǎn)可知本自動向日跟蹤系統(tǒng)功耗極低。
4、 系統(tǒng)使用壽命長
本發(fā)明采用全新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，僅包備控制器、驅(qū)動裝置、 支撐底座、俯仰支架和方位支架(安裝平面)，活動部件少，結(jié)構(gòu)簡單可靠，確 保了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用鋼材為主要材料，確保了整個(gè)支架系統(tǒng)強(qiáng)度， 所有結(jié)構(gòu)組件全部采用熱浸鋅處理，防腐防銹，保證支架在室外惡劣條件下很 長時(shí)間穩(wěn)定正常工作，使用壽命高達(dá)25年以上。
5、 系統(tǒng)適用范圍廣
本太陽自動跟蹤裝置可在方位支架(安裝平面)上安裝本公司發(fā)明的的新 型全覆蓋反射式高倍完全均勻集光光伏發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板io倍以上 的高倍均勻集光，大幅度提高光伏電池單位面積發(fā)電效益，大大降低了太陽能 光伏發(fā)電的利用成本，大大降低了光伏電池生產(chǎn)過程單位功率相對輸出的能耗， 為大規(guī)模利用太陽能光伏發(fā)電，提供新的技術(shù)手段。
本發(fā)明不但適甩于本公司的高倍聚光發(fā)電系統(tǒng)，同時(shí)可適用于其他任何需 要向日跟蹤的光伏發(fā)電設(shè)備或產(chǎn)品，大大提高產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率為太陽能的 大規(guī)模利用提供安全可靠的保障。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；其中l(wèi)-支撐底座，2-俯仰支架，3-方位支架 (安裝平面)，4-方位驅(qū)動裝置，5-俯仰驅(qū)動裝置，6-控制器 圖2控制器結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)一種新型向日自動跟蹤裝置，由控制器、兩軸驅(qū)動裝置、太 陽能跟蹤支架組件組成，太陽能跟蹤支架組件包括支撐底座和位于其上端安裝
的u形俯仰支架，和嵌套在u形俯仰支架內(nèi)的八邊形的方位支架組成，兩軸驅(qū)
動裝置包括方位驅(qū)動裝置和俯仰驅(qū)動裝置，方位驅(qū)動裝置一端聯(lián)接在方位支架 上，另一端聯(lián)接于俯仰支架上，俯仰驅(qū)動裝置的一端聯(lián)接于俯仰支架，另一端
聯(lián)接于支撐底座上，當(dāng)驅(qū)動器驅(qū)動俯仰驅(qū)動裝置時(shí)，u形俯仰支架通過俯仰驅(qū)動
裝置驅(qū)動俯仰方向轉(zhuǎn)動，當(dāng)驅(qū)動器驅(qū)動方位驅(qū)動裝置時(shí)，八邊形的方位支架通 過方位驅(qū)動裝置驅(qū)動左右方向轉(zhuǎn)動，兩軸驅(qū)動裝置均由控制器控制，支撐底座 在固定在大地上。
當(dāng)太陽轉(zhuǎn)動時(shí)，太陽光的入射角度也隨著變化?？刂破骺刂聘鶕?jù)計(jì)算的長 度，驅(qū)動方位驅(qū)動裝置的線性電機(jī)伸長或縮短，這樣方位支架即可在東西方向 上轉(zhuǎn)動，使方位支架向著太陽的方向轉(zhuǎn)動，使方位支架上的太陽能電池板的方 向和太陽光始終保持垂直，這樣使單位太陽能電池板上的光伏轉(zhuǎn)換效率效率達(dá) 到最高。隨著太陽的向西轉(zhuǎn)動，控制器也控制方位支架隨著太陽光線方向向西 轉(zhuǎn)動，讓太陽能電池板的方向始終和太陽光線是垂直的，等太陽下山以后控制 臺在控制方位驅(qū)動裝置收縮，使太陽能電池板回復(fù)到一天的初始位置，等待明 天的太陽新的照射。
在一年之中，太陽在俯仰方向上的變化時(shí)在北回歸線和南回歸線之間來回 移動，在不同的時(shí)間，太陽光相對于地球某一地點(diǎn)的俯仰角也在不停的變化，
根據(jù)這一規(guī)律，控制器控制俯仰驅(qū)動裝置，使俯仰驅(qū)動裝置伸長或回縮，驅(qū)動u
形的俯仰支架在俯仰方向上轉(zhuǎn)動，使得太陽光在俯仰方向上的入射角始終和方 位支架(太陽能電池板)的方向始終是垂直的，大大提高了單位面積的太陽能 電池板的光伏轉(zhuǎn)換效率。
控制器控制電路采用單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，驅(qū)動電路采用增強(qiáng)型場
效應(yīng)管構(gòu)建的H橋驅(qū)動電路，實(shí)現(xiàn)了對直流電機(jī)驅(qū)動控制，該驅(qū)動電路能滿足 各種類型的直流電機(jī)的需要，具有快速，精確，高效，低功耗等特點(diǎn)，直接采 用單片機(jī)的IO端口的輸出高低電平控制。這種驅(qū)動電路能方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī) 的四象限運(yùn)行，分別對應(yīng)直流電動機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動裝置直 線電機(jī)伸長或縮短運(yùn)動，即改變了太陽能電池板的水平和俯仰方向上的改變，實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。
直線電機(jī)(電動推桿)采用大減速比減速機(jī)和蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。由于太陽每 天運(yùn)動的角速度很低，為15度每小時(shí)，只需要很低的推動和收縮速度，因此采 用大減速比減速機(jī)，很小功率的直流電機(jī)即可驅(qū)動方位支架和俯仰支架運(yùn)動。 采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，在俯仰支架和方位支架不需要運(yùn)動時(shí)，能固定在一個(gè)穩(wěn)定 的位置，不怕大風(fēng)等惡劣氣候的干擾，不會影響向日跟蹤的精度。
控制電路功耗極低，只需采用一個(gè)12V蓄電池即可長時(shí)間的工作，配合光 伏發(fā)電系統(tǒng)使用時(shí)，白天可用太陽能電池組件提供的電源為控制電路供電，同 時(shí)也為蓄電池充電，夜晚的時(shí)候系統(tǒng)控制電路由蓄電池供電，驅(qū)動向日跟蹤裝 置自動回復(fù)到次日太陽升起位置。
本發(fā)明如果與本公司發(fā)明的一種全覆蓋反射式高倍完全均勻集光光伏發(fā)電
裝置一起使用的話，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板io倍以上的高倍均勻集光，大幅度提高
光伏電池單位面積光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化效益，大大降低了太陽能光伏發(fā)電的利用成本， 大大降低了光伏電池生產(chǎn)過程單位功率相對輸出的能耗，為大規(guī)模利用太陽能 光伏發(fā)電，提供新的技術(shù)手段。
權(quán)利要求1、一種新型向日自動跟蹤裝置，由控制器、兩軸驅(qū)動裝置、太陽能跟蹤支架組件組成，所述太陽能跟蹤支架組件包括支撐底座和位于其上端安裝的U形俯仰支架，和嵌套在U形俯仰支架內(nèi)的八邊形的方位支架組成，所述兩軸驅(qū)動裝置包括方位驅(qū)動裝置和俯仰驅(qū)動裝置，其特征在于U形俯仰支架通過俯仰驅(qū)動裝置驅(qū)動豎直方向轉(zhuǎn)動，八邊形的方位支架通過方位驅(qū)動裝置驅(qū)動水平方向轉(zhuǎn)動，所述兩軸驅(qū)動裝置均由控制器控制。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的新型向日自動跟蹤裝置，其特征在于所述支撐 底座與俯仰支架通過軸承相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的新型向日自動跟蹤裝置，其特征在于所述的俯 仰支架與方位支架通過俯仰支架上的兩個(gè)柱上的軸承相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型向日自動跟蹤裝置，其特征在于所述俯 仰驅(qū)動裝置底端與太陽能跟蹤組件的支撐底座相連，俯仰驅(qū)動裝置輸出端與俯 仰支架相連；方位驅(qū)動裝置的底端與俯仰支架上的其中的一個(gè)立柱的相連，另 一端與方位支架采用軸承相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型向日自動跟蹤裝置，其特征在于所述控 制器包括控制電路部分，控制電路部分包含控制軟件。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型向日自動跟蹤裝置，其特征在于所述控 制器包括控制電路部分和蓄電池；控制電路部分包含時(shí)鐘、單片機(jī)、H橋驅(qū)動、 充電電路；時(shí)鐘和單片機(jī)相連；H橋驅(qū)動和單片機(jī)相連；充電電路和單片機(jī)、H 橋驅(qū)動、蓄電池相連；蓄電池和單片機(jī)和H橋相連。
專利摘要本實(shí)用新型是一種新型的低能耗向日自動跟蹤裝置，采用模糊控制理論，驅(qū)動裝置采用低功耗的直流直線電機(jī)驅(qū)動，使安裝面始終面向太陽，可廣泛用于光伏發(fā)電、多倍、高倍聚光發(fā)電系統(tǒng)等需要自動向日跟蹤的設(shè)備。它是由控制器、兩軸驅(qū)動裝置和太陽能跟蹤支架組件組成。整個(gè)向日自動跟蹤系統(tǒng)按照程序設(shè)定好的自動運(yùn)行，當(dāng)需要跟蹤時(shí)，控制器控制驅(qū)動裝置驅(qū)動太陽跟蹤支架轉(zhuǎn)動，使上面的太陽能電池板隨著太陽一起轉(zhuǎn)動，完成向日自動跟蹤。完成跟蹤后，單片機(jī)控制系統(tǒng)自動進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次驅(qū)動。本向日自動跟蹤裝置簡單可靠，自動化程度高，工作壽命長。
文檔編號G05D3/10GK201345057SQ20082022258
公開日2009年11月11日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者玲 孟, 朱雪鋒, 歐陽小平, 顧長生 申請人:西安杰西電子科技發(fā)展有限責(zé)任公司