本實用新型屬于光伏發(fā)電的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種低能耗光伏發(fā)電自動跟蹤裝置。

背景技術(shù)：

以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷耗用將愈來愈不適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要，加速開發(fā)利用太陽能等可再生能源越來越收到諸多國家的重視。利用潔凈的太陽光能源，以半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電技術(shù)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率與光照強度有著直接的關(guān)系，但目前我國牧區(qū)、海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)多采用無跟蹤的光伏發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)中的光伏發(fā)電電池板面以固定角度朝向某一固定方向，光伏發(fā)電組件的發(fā)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(fā)電效率較低。在光伏發(fā)電技術(shù)上采用太陽光源跟蹤技術(shù)可以提高太陽輻射能量的采集率，提高光伏發(fā)電效率，但目前所用跟蹤技術(shù)存在大量有消耗的無用跟蹤，效率總體偏低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型為了解決上述問題，克服現(xiàn)有技術(shù)中光伏發(fā)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(fā)電自動跟蹤裝置。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種低能耗光伏發(fā)電自動跟蹤裝置，包括光電傳感器、信號轉(zhuǎn)換電路、控制系統(tǒng)、電機驅(qū)動電路和步進(jìn)電機；

所述光電傳感器分別分布于光伏發(fā)電電池面板的中心位置以及對稱分布于光伏發(fā)電面板的四周，所述光電傳感器均與所述信號轉(zhuǎn)換電路連接，所述信號轉(zhuǎn)換電路與所述控制系統(tǒng)連接；當(dāng)太陽光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，所述光電傳感器接收到的光照強度發(fā)生變化，所述光電傳感器通過所述信號轉(zhuǎn)換電路將變化后的信號傳輸至控制系統(tǒng)；

所述控制系統(tǒng)與所述電機驅(qū)動電路連接，所述電機驅(qū)動電路與所述步進(jìn)電機連接；所述控制系統(tǒng)接收所述信號轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行分析，并且根據(jù)分析結(jié)果通過所述電機驅(qū)動電路驅(qū)動所述步進(jìn)電機工作；

所述步進(jìn)電機包括橫向步進(jìn)電機和縱向步進(jìn)電機，所述橫向步進(jìn)電機驅(qū)動光伏發(fā)電電池面板在水平方向上轉(zhuǎn)動，所述縱向步進(jìn)電機驅(qū)動光伏發(fā)電電池面板在垂直方向上進(jìn)行角度的調(diào)整。

進(jìn)一步的，一種低能耗光伏發(fā)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(tǒng)、所述電機驅(qū)動電路以及所述步進(jìn)電機連接，為所述控制系統(tǒng)、所述電機驅(qū)動電路以及所述步進(jìn)電機供電。

進(jìn)一步的，所述光電傳感器采用光敏電阻。所述光敏電阻內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無關(guān)，可以使用直流電源，所述光敏電阻靈敏度和半導(dǎo)體材料、以及入射光的波長有關(guān)，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，光敏電阻采用環(huán)氧樹脂膠封裝、可靠性好、體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、光譜特性好。

進(jìn)一步的，所述光敏電阻的數(shù)量為5個，分別將一個光敏電阻設(shè)置于光伏發(fā)電電池面板的中心位置，兩個光敏電阻對稱設(shè)置于光伏發(fā)電電池面板的上端面與下端面，兩個光敏電阻對稱設(shè)置于光伏發(fā)電電池面板的左端面與右端面。

進(jìn)一步的，所述控制系統(tǒng)采用低功耗的控制裝置，所述橫向步進(jìn)電機和所述縱向步進(jìn)電機分別通過通信接口與所述控制系統(tǒng)連接，將所述橫向步進(jìn)電機和所述縱向步進(jìn)電機的數(shù)據(jù)反饋至所述控制系統(tǒng)，所述控制裝置可采用單片機或PLC等。

進(jìn)一步的，所述光伏電源與所述控制系統(tǒng)之間設(shè)置DC電路。

進(jìn)一步的，所述控制系統(tǒng)與通信模塊連接，所述控制系統(tǒng)將其數(shù)據(jù)信息發(fā)送至所述通信模塊，通過所述通信模塊將數(shù)據(jù)信息無線發(fā)送至控制室，便于地面人員及時掌握整個裝置的工作情況。

進(jìn)一步的，所述電機驅(qū)動電路包括第一電機驅(qū)動電路，所述第一電機驅(qū)動電路的輸入端與所述控制系統(tǒng)連接，所述第一電機驅(qū)動電路的輸出端與所述橫向步進(jìn)電機連接，所述控制系統(tǒng)通過第一電機驅(qū)動電路控制所述橫向步進(jìn)電機驅(qū)動光伏發(fā)電電池面板垂直方向上進(jìn)行角度的調(diào)整；

進(jìn)一步的，所述電機驅(qū)動電路包括第二電機驅(qū)動電路，所述第二電機驅(qū)動電路的輸入端與所述控制系統(tǒng)連接，所述第二電機驅(qū)動電路的輸出端與所述縱向步進(jìn)電機連接，所述控制系統(tǒng)通過第二電機驅(qū)動電路控制所述縱向步進(jìn)電機驅(qū)動光伏發(fā)電電池面板在水平方向上轉(zhuǎn)動。

進(jìn)一步的，所述電機驅(qū)動電路采用低功耗、高集成的混合式步進(jìn)電機驅(qū)動芯片，進(jìn)一步降低低能耗光伏發(fā)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(fā)電自動跟蹤裝置提供了一種通過低功耗控制裝置進(jìn)行控制、步進(jìn)電機驅(qū)動的光伏發(fā)電電池板自動跟蹤裝置，該裝置通過光電傳感器監(jiān)測光源位置，驅(qū)動步進(jìn)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(zhuǎn)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(tǒng)采用閉環(huán)控制，在陰雨天和多云等不滿足發(fā)電的天氣里，由于光照強度達(dá)不到光電傳感器設(shè)定好的閾值，從而沒有信號傳輸至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)不驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動；

在檢測到光強滿足要求后，通過光電傳感器采集到的信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路將檢測信號傳輸給控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)檢測到跟蹤信號后判斷當(dāng)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(jù)這個差值的正負(fù)去驅(qū)動步進(jìn)電機正反轉(zhuǎn)。這樣無需在每晚回到初始位置等候太陽，避免每天傍晚以后系統(tǒng)多做無用的跟蹤，而是隨時根據(jù)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，并減少整個裝置的機械磨損。

所述控制系統(tǒng)的控制策略采用分級跟蹤控制，在控制系統(tǒng)中設(shè)置光照強度的上限值與下限值，當(dāng)光電傳感器采集到的光照強度達(dá)到上限值時，實行密跟蹤；當(dāng)光電傳感器采集到的光照強度達(dá)到下限值時，停止跟蹤；而當(dāng)光電傳感器采集到的光照強度在上限值與下限值的中間狀態(tài)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(jìn)行控制、步進(jìn)電機驅(qū)動的光伏發(fā)電電池板自動跟蹤裝置，該裝置通過光電傳感器監(jiān)測光源位置，驅(qū)動步進(jìn)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(zhuǎn)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(yōu)化步進(jìn)電機控制方式，根據(jù)不同光照強度采用分級跟蹤，減少了步進(jìn)電機的啟動次數(shù)，不僅避免無效的跟蹤，還降低了電機的損耗，從而降低系統(tǒng)整體運行功耗。

3.本實用新型結(jié)構(gòu)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(guī)模推廣，有效促進(jìn)了太陽能的開發(fā)，對節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境也有重大的意義。

附圖說明

圖1為本實用新型整體的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換電路，3-控制系統(tǒng)，4-第一電機驅(qū)動芯片，5-第二電機驅(qū)動芯片，6-橫向步進(jìn)電機，7-縱向步進(jìn)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(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。

一種低能耗光伏發(fā)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(zhuǎn)換電路2、控制系統(tǒng)3、由第一電機驅(qū)動芯片4組成的第一電機驅(qū)動電路、由第二電機驅(qū)動芯片5組成的第二電機驅(qū)動電路、橫向步進(jìn)電機6、縱向步進(jìn)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分別分布于光伏發(fā)電電池面板的中心位置以及對稱分布于光伏發(fā)電面板的四周，所述光敏電阻1均與所述信號轉(zhuǎn)換電路2連接，所述信號轉(zhuǎn)換電路2與所述控制系統(tǒng)3連接；當(dāng)太陽光線發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，所述光敏電阻1接收到的光照強度發(fā)生變化，所述光敏電阻1通過所述信號轉(zhuǎn)換電路2將變化后的信號傳輸至控制系統(tǒng)3；

所述控制系統(tǒng)3分別與所述由第一電機驅(qū)動芯片4組成的第一電機驅(qū)動電路和由第二電機驅(qū)動芯片5組成的第二電機驅(qū)動電路連接，所述第一電機驅(qū)動電路與所述橫向步進(jìn)電機6連接，所述第二電機驅(qū)動電路與所述縱向步進(jìn)電機7連接；所述控制系統(tǒng)3接收所述信號轉(zhuǎn)換電路2傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行分析，并且根據(jù)分析結(jié)果分別通過所述第一電機驅(qū)動電路與第二電機驅(qū)動電路驅(qū)動所述橫向步進(jìn)電機6與縱向步進(jìn)電機7工作；

所述光伏電源9分別與所述控制系統(tǒng)3、所述由第一電機驅(qū)動芯片4組成的第一電機驅(qū)動電路、由第二電機驅(qū)動芯片5組成的第二電機驅(qū)動電路以及所述橫向步進(jìn)電機6、縱向步進(jìn)電機7連接，為其供電。所述光伏電源9與所述控制系統(tǒng)3之間設(shè)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(shè)置于光伏發(fā)電電池面板的中心位置，兩個光敏電阻1對稱設(shè)置于光伏發(fā)電電池面板的上端面與下端面，兩個光敏電阻1對稱設(shè)置于光伏發(fā)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(fù)責(zé)檢測太陽轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)校準(zhǔn)太陽光是否與采光部分的垂直，同時檢測光線，提供復(fù)位觸發(fā)。光伏發(fā)電電池面板有兩個轉(zhuǎn)動角度，分別為水平方向和垂直仰角，由兩個橫向步進(jìn)電機6和縱向步進(jìn)電機7帶動。

信號轉(zhuǎn)換電路：

當(dāng)陽光垂直射入時，照射不到光伏發(fā)電電池面板四周的光敏電阻1，只有陽光光線發(fā)生傾斜即光伏發(fā)電電池面板不對準(zhǔn)太陽時才有可能使光線射到四周的光敏電阻1。當(dāng)太陽的水平或垂直位置發(fā)生偏移時，光伏發(fā)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采集信號，信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路2的運算放大器放大，由信號轉(zhuǎn)換電路2的輸出端連接到控制系統(tǒng)3，通過控制系統(tǒng)3中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬信號量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號量，進(jìn)行分析計算，這樣就可確認(rèn)太陽運動的方向了。

控制系統(tǒng)：

所述控制系統(tǒng)3采用低功耗的控制裝置，在本實施例中所述控制系統(tǒng)3中采用功耗較低的ATmega16單片機。ATmega16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。所述橫向步進(jìn)電機和所述縱向步進(jìn)電機分別通過通信接口與所述控制系統(tǒng)連接，將所述橫向步進(jìn)電機和所述縱向步進(jìn)電機的數(shù)據(jù)反饋至所述控制系統(tǒng)，所述控制裝置可采用單片機或PLC等。所述控制系統(tǒng)與通信模塊連接，所述控制系統(tǒng)將其數(shù)據(jù)信息發(fā)送至所述通信模塊，通過所述通信模塊將數(shù)據(jù)信息無線發(fā)送至控制室，便于地面人員及時掌握整個裝置的工作情況。

步進(jìn)電機：

所述步進(jìn)電機包括橫向步進(jìn)電機和縱向步進(jìn)電機，所述橫向步進(jìn)電機驅(qū)動光伏發(fā)電電池面板在水平方向上轉(zhuǎn)動，所述縱向步進(jìn)電機驅(qū)動光伏發(fā)電電池面板在垂直方向上進(jìn)行角度的調(diào)整。

在本實施例中橫向步進(jìn)電機6和縱向步進(jìn)7電機均采用五相混合式步進(jìn)電機，具有步距角小、動較小，振動小，運行平穩(wěn)，起動、停止的頻率更加可靠穩(wěn)定等優(yōu)點，特別適合光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)。

電機驅(qū)動電路：

所述電機驅(qū)動電路包括第一電機驅(qū)動電路，所述第一電機驅(qū)動電路的輸入端與所述控制系統(tǒng)連接，所述第一電機驅(qū)動電路的輸出端與所述橫向步進(jìn)電機連接，所述控制系統(tǒng)通過第一電機驅(qū)動電路控制所述橫向步進(jìn)電機驅(qū)動光伏發(fā)電電池面板垂直方向上進(jìn)行角度的調(diào)整；所述電機驅(qū)動電路包括第二電機驅(qū)動電路，所述第二電機驅(qū)動電路的輸入端與所述控制系統(tǒng)連接，所述第二電機驅(qū)動電路的輸出端與所述縱向步進(jìn)電機連接，所述控制系統(tǒng)通過第二電機驅(qū)動電路控制所述縱向步進(jìn)電機驅(qū)動光伏發(fā)電電池面板在水平方向上轉(zhuǎn)動。

所述電機驅(qū)動電路采用低功耗、高集成的混合式步進(jìn)電機驅(qū)動芯片，進(jìn)一步降低低能耗光伏發(fā)電自動跟蹤裝置的能量損耗。在本實施例中，步進(jìn)電機驅(qū)動芯片采用低功耗、高集成混合式兩相THB6016H步進(jìn)電機驅(qū)動芯片。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(qū)動，還具有1/2細(xì)分、1/4細(xì)分、1/8細(xì)分、1/16細(xì)分運行方式可供選擇，內(nèi)置溫度保護(hù)及過流保護(hù)，采用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(xì)分?jǐn)夭〞r間：40us占空比(高—低)：4—36

快衰減：16細(xì)分?jǐn)夭〞r間：40us占空比(高—低)：20—20

電容值：150P

慢衰減：2細(xì)分?jǐn)夭〞r間：15us占空比(高—低)：1.5—13.5

快衰減：16細(xì)分?jǐn)夭〞r間：15us占空比(高—低)：7.5—7.5。

控制原理：

控制系統(tǒng)3采用閉環(huán)控制，在陰雨天和多云等不滿足發(fā)電的天氣里，由于光照強度達(dá)不到光敏電阻1設(shè)定好的閾值，從而沒有信號傳輸至控制系統(tǒng)3，控制系統(tǒng)3不驅(qū)動橫向步進(jìn)電機6或縱向步進(jìn)7轉(zhuǎn)動；

在檢測到光強滿足要求后，通過光敏電阻1采集到的信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路2將檢測信號傳輸給控制系統(tǒng)3，所述控制系統(tǒng)3檢測到跟蹤信號后判斷當(dāng)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(jù)這個差值的正負(fù)去驅(qū)動橫向步進(jìn)電機6或縱向步進(jìn)7正反轉(zhuǎn)。這樣無需在每晚回到初始位置等候太陽，避免每天傍晚以后系統(tǒng)多做無用的跟蹤，而是隨時根據(jù)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，并減少整個裝置的機械磨損。

所述控制系統(tǒng)3的控制策略采用分級跟蹤控制，在控制系統(tǒng)中設(shè)置光照強度的上限值與下限值，當(dāng)光電傳感器采集到的光照強度達(dá)到上限值時，實行密跟蹤；當(dāng)光電傳感器采集到的光照強度達(dá)到下限值時，停止跟蹤；而當(dāng)光電傳感器采集到的光照強度在上限值與下限值的中間狀態(tài)時實行疏跟蹤，放慢跟蹤幅度。不同光照強度采用分級跟蹤，減少了五相混合式步進(jìn)電機的啟動次數(shù)，不僅避免無效的跟蹤，還降低了電機的損耗，從而降低系統(tǒng)整體運行功耗。

上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式進(jìn)行了描述，但并非對本實用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)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(hù)范圍以內(nèi)。