一种低能耗光伏发电自动跟踪装置的制作方法

本实用新型属于光伏发电的技术领域，尤其涉及一种低能耗光伏发电自动跟踪装置。

背景技术：

以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用太阳能等可再生能源越来越收到诸多国家的重视。利用洁净的太阳光能源，以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术有着十分广阔的应用前景。光伏发电系统的效率与光照强度有着直接的关系，但目前我国牧区、海岛等偏远地区多采用无跟踪的光伏发电系统，系统中的光伏发电电池板面以固定角度朝向某一固定方向，光伏发电组件的发电效率会受光照强度、角度变化影响，不能充分利用太阳能资源，发电效率较低。在光伏发电技术上采用太阳光源跟踪技术可以提高太阳辐射能量的采集率，提高光伏发电效率，但目前所用跟踪技术存在大量有消耗的无用跟踪，效率总体偏低。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述问题，克服现有技术中光伏发电装置效率较低以及跟踪光源过程中能耗较大的问题，提供一种低能耗光伏发电自动跟踪装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种低能耗光伏发电自动跟踪装置，包括光电传感器、信号转换电路、控制系统、电机驱动电路和步进电机；

所述光电传感器分别分布于光伏发电电池面板的中心位置以及对称分布于光伏发电面板的四周，所述光电传感器均与所述信号转换电路连接，所述信号转换电路与所述控制系统连接；当太阳光线发生偏转时，所述光电传感器接收到的光照强度发生变化，所述光电传感器通过所述信号转换电路将变化后的信号传输至控制系统；

所述控制系统与所述电机驱动电路连接，所述电机驱动电路与所述步进电机连接；所述控制系统接收所述信号转换电路传输的信号进行分析，并且根据分析结果通过所述电机驱动电路驱动所述步进电机工作；

所述步进电机包括横向步进电机和纵向步进电机，所述横向步进电机驱动光伏发电电池面板在水平方向上转动，所述纵向步进电机驱动光伏发电电池面板在垂直方向上进行角度的调整。

进一步的，一种低能耗光伏发电自动跟踪装置还包括光伏电源，所述光伏电源分别与所述控制系统、所述电机驱动电路以及所述步进电机连接，为所述控制系统、所述电机驱动电路以及所述步进电机供电。

进一步的，所述光电传感器采用光敏电阻。所述光敏电阻内部的光电效应和电极无关，可以使用直流电源，所述光敏电阻灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关，因太阳光源的波长均是固定的，因此使用的光敏电阻灵敏度不变，光敏电阻采用环氧树脂胶封装、可靠性好、体积小、灵敏度高、反应速度快、光谱特性好。

进一步的，所述光敏电阻的数量为5个，分别将一个光敏电阻设置于光伏发电电池面板的中心位置，两个光敏电阻对称设置于光伏发电电池面板的上端面与下端面，两个光敏电阻对称设置于光伏发电电池面板的左端面与右端面。

进一步的，所述控制系统采用低功耗的控制装置，所述横向步进电机和所述纵向步进电机分别通过通信接口与所述控制系统连接，将所述横向步进电机和所述纵向步进电机的数据反馈至所述控制系统，所述控制装置可采用单片机或PLC等。

进一步的，所述光伏电源与所述控制系统之间设置DC电路。

进一步的，所述控制系统与通信模块连接，所述控制系统将其数据信息发送至所述通信模块，通过所述通信模块将数据信息无线发送至控制室，便于地面人员及时掌握整个装置的工作情况。

进一步的，所述电机驱动电路包括第一电机驱动电路，所述第一电机驱动电路的输入端与所述控制系统连接，所述第一电机驱动电路的输出端与所述横向步进电机连接，所述控制系统通过第一电机驱动电路控制所述横向步进电机驱动光伏发电电池面板垂直方向上进行角度的调整；

进一步的，所述电机驱动电路包括第二电机驱动电路，所述第二电机驱动电路的输入端与所述控制系统连接，所述第二电机驱动电路的输出端与所述纵向步进电机连接，所述控制系统通过第二电机驱动电路控制所述纵向步进电机驱动光伏发电电池面板在水平方向上转动。

进一步的，所述电机驱动电路采用低功耗、高集成的混合式步进电机驱动芯片，进一步降低低能耗光伏发电自动跟踪装置的能量损耗。

本实用新型的工作原理：

一种低能耗光伏发电自动跟踪装置提供了一种通过低功耗控制装置进行控制、步进电机驱动的光伏发电电池板自动跟踪装置，该装置通过光电传感器监测光源位置，驱动步进电机，能够自动跟踪太阳光的运动，保证太阳能装置的能量转换部分所在的平面始终与太阳光保持垂直，使太阳能装置能够最大限度的利用太阳能；

控制系统采用闭环控制，在阴雨天和多云等不满足发电的天气里，由于光照强度达不到光电传感器设定好的阈值，从而没有信号传输至控制系统，控制系统不驱动电机转动；

在检测到光强满足要求后，通过光电传感器采集到的信号经过信号转换电路将检测信号传输给控制系统，所述控制系统检测到跟踪信号后判断当前电池板的方位和实际检测到的太阳方位的位置差，再根据这个差值的正负去驱动步进电机正反转。这样无需在每晚回到初始位置等候太阳，避免每天傍晚以后系统多做无用的跟踪，而是随时根据光电传感器检测太阳的方位，从而将整个装置运行功耗降到最低，并减少整个装置的机械磨损。

所述控制系统的控制策略采用分级跟踪控制，在控制系统中设置光照强度的上限值与下限值，当光电传感器采集到的光照强度达到上限值时，实行密跟踪；当光电传感器采集到的光照强度达到下限值时，停止跟踪；而当光电传感器采集到的光照强度在上限值与下限值的中间状态时实行疏跟踪，放慢跟踪幅度。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型提供了一种通过低功耗控制装置进行控制、步进电机驱动的光伏发电电池板自动跟踪装置，该装置通过光电传感器监测光源位置，驱动步进电机，能够自动跟踪太阳光的运动，保证太阳能装置的能量转换部分所在的平面始终与太阳光保持垂直，使太阳能装置能够最大限度的利用太阳能；

2.本实用新型优化步进电机控制方式，根据不同光照强度采用分级跟踪，减少了步进电机的启动次数，不仅避免无效的跟踪，还降低了电机的损耗，从而降低系统整体运行功耗。

3.本实用新型结构简单，自主控制操作，大幅提高了太阳能的利用率，同时降低了跟踪装置的能耗，提高的使用寿命；本实用新型可大规模推广，有效促进了太阳能的开发，对节约能源、保护环境也有重大的意义。

附图说明

图1为本实用新型整体的结构示意图；

图2为本实用新型工作原理示意图；

其中，1-光敏电阻，2-信号转换电路，3-控制系统，4-第一电机驱动芯片，5-第二电机驱动芯片，6-横向步进电机，7-纵向步进电机，8-通信模块，9-光伏电源，10-DC电路。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

一种低能耗光伏发电自动跟踪装置，如图1所示，包括由光敏电阻1组成的光源检测电路、信号转换电路2、控制系统3、由第一电机驱动芯片4组成的第一电机驱动电路、由第二电机驱动芯片5组成的第二电机驱动电路、横向步进电机6、纵向步进电机7、通信模块8、光伏电源9和DC电路10；

所述光敏电阻1分别分布于光伏发电电池面板的中心位置以及对称分布于光伏发电面板的四周，所述光敏电阻1均与所述信号转换电路2连接，所述信号转换电路2与所述控制系统3连接；当太阳光线发生偏转时，所述光敏电阻1接收到的光照强度发生变化，所述光敏电阻1通过所述信号转换电路2将变化后的信号传输至控制系统3；

所述控制系统3分别与所述由第一电机驱动芯片4组成的第一电机驱动电路和由第二电机驱动芯片5组成的第二电机驱动电路连接，所述第一电机驱动电路与所述横向步进电机6连接，所述第二电机驱动电路与所述纵向步进电机7连接；所述控制系统3接收所述信号转换电路2传输的信号进行分析，并且根据分析结果分别通过所述第一电机驱动电路与第二电机驱动电路驱动所述横向步进电机6与纵向步进电机7工作；

所述光伏电源9分别与所述控制系统3、所述由第一电机驱动芯片4组成的第一电机驱动电路、由第二电机驱动芯片5组成的第二电机驱动电路以及所述横向步进电机6、纵向步进电机7连接，为其供电。所述光伏电源9与所述控制系统3之间设置DC电路10。

光源检测电路：

所述光源检测电路由5个光敏电阻1组成，一个光敏电阻1设置于光伏发电电池面板的中心位置，两个光敏电阻1对称设置于光伏发电电池面板的上端面与下端面，两个光敏电阻1对称设置于光伏发电电池面板的左端面与右端面。左端面与右端面上的两个光敏电阻1负责检测太阳转动的位置，即检测太阳的水平移动；上端面与下端面上的两个光敏电阻1负责检测太阳高度的变化，即检测太阳的垂直移动；中心位置的光敏电阻1负责校准太阳光是否与采光部分的垂直，同时检测光线，提供复位触发。光伏发电电池面板有两个转动角度，分别为水平方向和垂直仰角，由两个横向步进电机6和纵向步进电机7带动。

信号转换电路：

当阳光垂直射入时，照射不到光伏发电电池面板四周的光敏电阻1，只有阳光光线发生倾斜即光伏发电电池面板不对准太阳时才有可能使光线射到四周的光敏电阻1。当太阳的水平或垂直位置发生偏移时，光伏发电电池面板四周的光敏电阻1中必有一个受阳光照射，通过光敏电阻1采集信号，信号经过信号转换电路2的运算放大器放大，由信号转换电路2的输出端连接到控制系统3，通过控制系统3中的模数转换模块将采集到的模拟信号量转化为数字信号量，进行分析计算，这样就可确认太阳运动的方向了。

控制系统：

所述控制系统3采用低功耗的控制装置，在本实施例中所述控制系统3中采用功耗较低的ATmega16单片机。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。所述横向步进电机和所述纵向步进电机分别通过通信接口与所述控制系统连接，将所述横向步进电机和所述纵向步进电机的数据反馈至所述控制系统，所述控制装置可采用单片机或PLC等。所述控制系统与通信模块连接，所述控制系统将其数据信息发送至所述通信模块，通过所述通信模块将数据信息无线发送至控制室，便于地面人员及时掌握整个装置的工作情况。

步进电机：

所述步进电机包括横向步进电机和纵向步进电机，所述横向步进电机驱动光伏发电电池面板在水平方向上转动，所述纵向步进电机驱动光伏发电电池面板在垂直方向上进行角度的调整。

在本实施例中横向步进电机6和纵向步进7电机均采用五相混合式步进电机，具有步距角小、动较小，振动小，运行平稳，起动、停止的频率更加可靠稳定等优点，特别适合光伏发电跟踪系统。

电机驱动电路：

所述电机驱动电路包括第一电机驱动电路，所述第一电机驱动电路的输入端与所述控制系统连接，所述第一电机驱动电路的输出端与所述横向步进电机连接，所述控制系统通过第一电机驱动电路控制所述横向步进电机驱动光伏发电电池面板垂直方向上进行角度的调整；所述电机驱动电路包括第二电机驱动电路，所述第二电机驱动电路的输入端与所述控制系统连接，所述第二电机驱动电路的输出端与所述纵向步进电机连接，所述控制系统通过第二电机驱动电路控制所述纵向步进电机驱动光伏发电电池面板在水平方向上转动。

所述电机驱动电路采用低功耗、高集成的混合式步进电机驱动芯片，进一步降低低能耗光伏发电自动跟踪装置的能量损耗。在本实施例中，步进电机驱动芯片采用低功耗、高集成混合式两相THB6016H步进电机驱动芯片。每相额定电流2.5A、最大峰值3.5A，最大工作电压40V、最小4.5V，具有双全桥MOSFET驱动，还具有1/2细分、1/4细分、1/8细分、1/16细分运行方式可供选择，内置温度保护及过流保护，采用HZIP25-P-1.27封装，外围电路简单、工作可靠、使用方便。

斩波频率说明：

电容值：450P

慢衰减：2细分斩波时间：40us占空比(高—低)：4—36

快衰减：16细分斩波时间：40us占空比(高—低)：20—20

电容值：150P

慢衰减：2细分斩波时间：15us占空比(高—低)：1.5—13.5

快衰减：16细分斩波时间：15us占空比(高—低)：7.5—7.5。

控制原理：

控制系统3采用闭环控制，在阴雨天和多云等不满足发电的天气里，由于光照强度达不到光敏电阻1设定好的阈值，从而没有信号传输至控制系统3，控制系统3不驱动横向步进电机6或纵向步进7转动；

在检测到光强满足要求后，通过光敏电阻1采集到的信号经过信号转换电路2将检测信号传输给控制系统3，所述控制系统3检测到跟踪信号后判断当前电池板的方位和实际检测到的太阳方位的位置差，再根据这个差值的正负去驱动横向步进电机6或纵向步进7正反转。这样无需在每晚回到初始位置等候太阳，避免每天傍晚以后系统多做无用的跟踪，而是随时根据光电传感器检测太阳的方位，从而将整个装置运行功耗降到最低，并减少整个装置的机械磨损。

所述控制系统3的控制策略采用分级跟踪控制，在控制系统中设置光照强度的上限值与下限值，当光电传感器采集到的光照强度达到上限值时，实行密跟踪；当光电传感器采集到的光照强度达到下限值时，停止跟踪；而当光电传感器采集到的光照强度在上限值与下限值的中间状态时实行疏跟踪，放慢跟踪幅度。不同光照强度采用分级跟踪，减少了五相混合式步进电机的启动次数，不仅避免无效的跟踪，还降低了电机的损耗，从而降低系统整体运行功耗。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。