基于非平衡电桥原理的双轴太阳能跟踪系统的制作方法

本实用新型涉及太阳能设备技术领域，具体涉及一种基于非平衡电桥原理的双轴太阳能跟踪系统。

背景技术：

由太阳能电池板的特性可知，接受太阳的直射光可得到太阳的最大光照强度，也就可以得到最大发电量。从当前对太阳能跟踪系统的研究情况来看，按照跟踪方式不同，太阳光线跟踪方式可以分为单轴和双轴两种。单轴太阳跟踪装置结构简单，制造费用低，相对于固定式装置来说，太阳光接收率有较大提高。而双轴太阳跟踪装置相对单轴复杂，但其可对太阳进行精密跟踪，能最大限度提高太阳光的接收率，是当前主流的太阳能跟踪系统。从控制结构方面来说，目前市面上的太阳跟踪器大致有三种类型：一、基于单片机的光电跟踪，该控制结构性能稳定，是当前主流装备，但相对来说电路复杂；二、基于gprs定位系统的光电跟踪，具有精确、稳定、不受环境光照影响等优点，缺点在于其成本相对高；三、靠纯机械的方法操控的跟踪系统，比如液压式、记忆合金式跟踪，该结构具有零能耗、维修方便等优点，缺点在于不够精确，反应不灵敏。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种结构设计合理、结构简单、制造成本低、精度高、体积小、低能耗、性能稳定、反应迅速、灵敏度高且实用性好的基于非平衡电桥原理的双轴太阳能跟踪系统。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种基于非平衡电桥原理的双轴太阳能跟踪系统，包括底座，所述底座上设置有一个用于控制水平角度的水平角电机，所述水平角电机一侧设置有电机电源，所述底座上端面上设置有控制端电源和降压稳压模块，所述电机电源、控制端电源和降压稳压模块随水平角电机的电机轴一起转动；所述水平角电机上方设置有太阳能电池板，所述太阳能电池板中部设置有用于控制垂直角度的高度角电机，所述高度角电机的主轴上设置有工作平台，所述工作平台上设置有t型板；所述电机电源分别与水平角电机和高度角电机连接，并给水平角电机和高度角电机供电；所述控制端电源连接有双轴控制电路；所述工作平台、t型板和太阳能电池板随高度角电机的电机轴一起转动。

本实用新型进一步设置为：所述水平角电机为水平角差速电机，且水平角电机的转速是8转/分。

本实用新型还进一步设置为：所述高度角电机为高度角差速电机，且高度角电机的转速是8转/分。

本实用新型还进一步设置为：所述电机电源和控制端电源均采用充电式锂电池。

本实用新型还进一步设置为：所述水平角电机连接有水平控制电路，所述高度角电机连接有垂直控制电路。

本实用新型还进一步设置为：所述水平控制电路和垂直控制电路中均设置有一对光敏电阻，且光敏电阻分别安装在工作平台上。

本实用新型的优点是：与现有技术相比，本实用新型结构设置更加合理，可以实现光敏电阻对太阳能电池接收效率最大化的精准控制，克服了常规的太阳能跟踪系统电路复杂，成本较高，反应不灵敏，不精确等缺点，结构简单、制造成本低、精度高、体积小、低能耗、性能稳定、反应迅速、灵敏度高且实用性好。

下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例的非平衡电桥测电压原理图；

其中：r1是待测电阻、r4是电阻箱。r2、r3是比较臂；

图3为本实用新型实施例的非平衡电桥控制发光二级管示意图；

其中：r1、r4是同型号同规格的光敏电阻。r2、r3是同型号同规格的电阻；l1、l4是同型号同规格的发光二极管，可以显示当光敏电阻变化时，ab两边的电流方向；

图4为本实用新型实施例光电耦合器内部结构示意图；

图5为本实用新型实施例单轴跟踪系统的控制示意图；

其中：r1、r4是同型号同规格的光敏电阻；r2、r3是同型号同规格的电阻；l1、l2是同型号同规格的光电耦合器，j1、j2是5v的继电器。q1、q2、q3、q4是三极管；

图6为本实用新型实施例太阳能单轴跟踪系统的电机正反转驱动电路图；

其中：j1、j2是5v的继电器；

图7为本实用新型实施例t型板的结构示意图；

其中：①、②、③分别代表t型挡板所隔开的三个空间；r1、r4是同型号同规格的光敏电阻，置于水平控制的电桥电路中；r′1、r'4是同型号同规格的光敏电阻，置于垂直控制的电桥电路中；

图8为本实用新型实施例太阳能双轴跟踪系统的控制示意图；

其中：左右两边控制电路对应的光敏电阻阻值变化时，可以分别实现水平角电机和高度角电路的正反转；

图9为本实用新型实施例双轴跟踪系统的电机正反转驱动电路图；

其中：左右两边控制电路分别控制水平角电机和高度角电路的正反转；

图10为本实用新型实施例太阳能双踪系统逻辑框架图。

具体实施方式

在本实施例的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等，其所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参见图1至图10，本实用新型公开的一种基于非平衡电桥原理的双轴太阳能跟踪系统，包括底座1，所述底座1上设置有一个用于控制水平角度的水平角电机2，所述水平角电机2一侧设置有电机电源4，所述底座1上端面上设置有控制端电源5和降压稳压模块6，所述电机电源4、控制端电源5和降压稳压模块6随水平角电机2的电机轴一起转动；所述水平角电机2上方设置有太阳能电池板9，所述太阳能电池板9中部设置有用于控制垂直角度的高度角电机3，所述高度角电机3的主轴上设置有工作平台7，所述工作平台7上设置有t型板8；所述电机电源4分别与水平角电机2和高度角电机3连接，并给水平角电机2和高度角电机3供电；所述控制端电源5连接有双轴控制电路；所述工作平台7、t型板8和太阳能电池板9随高度角电机3的电机轴一起转动。

作为优选的：所述水平角电机2为水平角差速电机，且水平角电机2的转速是8转/分。

作为优选的：所述高度角电机3为高度角差速电机，且高度角电机3的转速是8转/分。

作为优选的：所述电机电源4和控制端电源5均采用充电式锂电池。

作为优选的：所述水平角电机2连接有水平控制电路，所述高度角电机3连接有垂直控制电路。

作为优选的：所述水平控制电路和垂直控制电路中均设置有一对光敏电阻，且光敏电阻分别安装在工作平台上。

下面对本实施例进行详细说明：

非平衡电桥原理：

如图2所示，当r1r3＝r2r4时，电桥平衡，uab＝0。当r1r3≠r2r4时，电桥不平衡，uab≠0。根据基尔霍夫电压定律和电流定律，可列方程解得：

将r1和r4用相同的光敏电阻替代，r2和r3均用定值电阻r替代。此时电桥的输出电压会出现三种情况：

(1)当r1接收的光强大于r4时，即r1<r4，则uab>0；

(2)当r1接收的光强小于r4时，即r1>r4，则uab<0；

(3)当r1接收的光强等于r4时，即r1＝r4，r1r3＝r2r4，此时电桥平衡，uab＝0。

从上式中看出，uab的大小和r1、r4的关系虽然比较复杂，但总体存在一种趋势：在ucd一定时，r1、r4的阻值差值越大，uab越大。

为了更加形象地显示光敏电阻对a、b两点电压uab的影响情况，我们在a、b两点之间在ab两点接入两个方向相反的发光二极管l1、l2，如图3所示。

(1)光敏电阻r1接受到的光强大于r4时，若uab足够大，则l1发光，l2由于接入反向电压，不发光；

(2)光敏电阻r1接受到的光强小于r4时，若uba足够大，则l2发光，l1不发光。

(3)光敏电阻r1接受到的光强等于r4时，uab＝0，l1、l2均不发光。

当光敏电阻r1接受到的光强不等于r4时，要确保a、b两点的电流(电压)足够大，可以改变继电器的通断状态，从而影响差速电机的正反转动。

利用光电耦合器及三极管实现电流的多极放大：

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种“电→光→电”转换器件。如图4所示，光的信号放大部分主要由电子电路等构成，发光器件的管脚为输入端，而光敏器件的管脚为输出端。工作时把电信号加到输入端，使发光器件的芯体发光，而光敏器件受光照后产生光电流并经电子电路放大后输出，实现“电→光→电”的转换，并实现输入和输出电路隔离。由于光电耦合器输入与输出互相隔离，且电信号在传输时具有单向性等优点，因而光电耦合器具有良好的抗电磁波干扰能力和电绝缘能力。

一般情况下，图3中光敏电阻r1或r4阻值变化时，a、b两点电压uab或uba经过光电耦合器后，仍然较小，还不足以改变继电器的通断状态。因此我们还需要在光电耦合器后再接入2个三极管，进行两次电流放大。这样当r1或r4变化极小时，都可以改变继电器的通断状态，从而实现差速电机正反转的同步控制。

太阳能单轴跟踪系统的控制和实现：当阳光从某个方向(比如从水平西侧)照入时，光敏电阻r1阻值变小，控制水平角的电机顺时针方向转动，光照逐渐朝光敏电阻r2垂直照射，最终使得r1和r2光照一致，此时电机停止转动。反之，则水平角的电机逆时针转动。

如图5所示的太阳光单轴跟踪系统。图5中采用继电器来实现上述目标。继电器是一种电控制器件，是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器，通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。在此，我们可利用继电器控制电流的通断。

太阳光单轴跟踪系统的工作原理流程如下：

(1)当r1接收的光强大于r4时，l1通路，l2截止，继而继电器j1的e1、d1两点连通，即j1吸合，而j2不吸合(即e2、d2不连通)，此时水平电机正转。转动过程中，r4受到的光照逐渐增强。当r4受到的光照等于r1时，j1、j2均断开，路端开路，电机停止转动。

(2)当r1接收的光强小于r4时，l1截止，l2通路，继而继电器j1的e2、d2两点连通，即j2吸合，而j1不吸合(即e1、d1不连通)，此时水平电机反转。转动过程中，r1受到的光照逐渐增强。当r1受到的光照等于r4时，j1、j2均断开，路端开路，电机停止转动。

(3)两者受到光强相同时，e1、d1不连通且e2、d2也不连通，即j1、j2都不吸合，此时电机不转动。

电机正反转驱动电路如图6所示，正常工作条件下，两个继电器只会出现上述三种情况，电机根据继电器的内部情况实现正反转动。

太阳能双轴跟踪系统的控制和实现：

要实现水平和垂直两个维度上对太阳光的自动追踪，需要两套如图5所示的控制电路和两套如图6所示的电机驱动电路。因此，我们首先需要对水平控制电路的光敏电阻r1、r4和垂直控制电路的光敏电阻r′1、r'4进行空间合理搭配，具体设置如图7所示：在与太阳能板面平行的面板上安放一个“t”型挡板，将空间平面分割成1、2、3三个区域。其中，r1放置在区域1，将r4和r′1放置在区域2，r'4放置在区域3。这样，r1和r4可以实现水平方向上的太阳光自动跟踪控制，而r′1和r'4可以实现垂直方向上的太阳光自动跟踪控制，从而可以实现双轴电机对太阳光的自动跟踪。

其次，我们需要两套如图5所示的控制电路和两套如图6所示的电机驱动电路。完整的双轴控制电路如图8所示，电机驱动电路如图9所示。

对垂直方向跟踪系统的工作原理流程作一简要叙述，如图8所示：

(1)当r′1接收的光强大于r'4时，l'1通路，l'2截止，继而继电器j′1的e′1、d′1连通，即j′1吸合，而j′2不吸合，此时电机实现正转。转动过程中，r'4接收的光强逐渐增强，当其光照强度等于r′1时，j′1、j'2均断开，路端开路，电机停止转动。

(2)当r′1接收的光强小于r'4时，l'1截止，l'2通路，继而继电器j'2的e'2、d'2连通，即j'2吸合，而j′1不吸合，此时电机实现反转。转动过程中，r′1接收的光强逐渐增强，当其光照强度等于r'4时，j′1、j'2均断开，路端开路，电机停止转动。

(3)两者受到光强相同时，继电器j′1的e′1、d′1和继电器j'2的e'2、d'2均不连通，此时电机静止。

这样，我们就在水平维度和高度维度互不干扰又完美结合之下，巧妙地实现了设备自动跟踪光信号的这一“智能化”功能。整个双踪控制的逻辑判断流程如图10所示。

本实用新型利用光敏电阻阻值随着光照强度变化而改变这一特征，通过非平衡电桥，输出大小和方向随光照强度变化而改变的电流，再通过光电耦合器、三极管、继电器、差速电机等器件，设置两部相互独立的水平控制角和高度控制角电机，巧妙地实现了设备自动跟踪光信号的这一“智能化”功能。该系统可以实现光敏电阻对太阳能电池接收效率最大化的精准控制，克服了常规的太阳能跟踪系统电路复杂，成本较高，反应不灵敏，不精确等缺点，结构设计合理、结构简单、制造成本低、精度高、体积小、低能耗、性能稳定、反应迅速、灵敏度高且实用性好，在光伏应用等领域具有广阔的推广前景。

上述实施例对本实用新型的具体描述，只用于对本实用新型进行进一步说明，不能理解为对本实用新型保护范围的限定，本领域的技术工程师根据上述实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质的改进和调整均落入本实用新型的保护范围之内。