专利名称：自供电太阳光跟踪传感器装置的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能应用领域，特别涉及一种自供电太阳光跟踪传感器装置，尤其是一种跟踪系统在稳定状态时，整个跟踪系统为O功耗，最大限度地提高太阳能光伏系统效率，适用于太阳能光伏发电系统、太阳灶、太阳能热水器等二维跟踪控制。
背景技术：
在众多的相关设计中，目的都是为了控制太阳能电池板能够跟随太阳光运动的轨迹，控制太阳能电池板的平面能够跟随太阳运动并垂直于太阳光线，即太阳能电池板的法线与太阳光线平行，最大限度地提高光伏效率。但常见的跟踪控制系统都存在缺陷或不
足I、目前国内外大部分使用的太阳光检测器件，不外乎使用光敏电阻或光敏二极管等，这类器件的灵敏度与线性度等指标都已相当不错，可用于仿真人的眼睛。当太阳光强大于500LUX就进入饱和区，光强在100，000LUX以上时，亮电阻急剧下降，导致光敏器件进入深度饱和区，直接影响到测光器件的可靠性，这情景类似于人眼无法直视太阳光。因此，不得不采用种种的遮光减光措施，以避免光电曲线进入饱和区，使得整个系统大为复杂，灵敏度与可靠性也随之下降。2、为此，也有采用硅光电池作为光线检测器件，如CN201392479Y，以及CN201837893U，四片硅光电池处于同一平面上，并借助一十字挡光板或遮光板分隔成四个光线采样区，对角线的两个硅光电池形成一组，对应东西向和俯仰角的变化。以上专利技术，在测光器件的装配技巧上不合理，也不科学，测光器件只能正面受光，无法检测到来自侧面或背面的太阳光，导致测光器件不能随时检测到太阳光，其原因在完成一天的跟踪(即跟随太阳从东到西跟踪一个周期)后，接着天暗了下来，第二天早晨太阳从东边的地平线升起时的光线只能照射到测光器件的背面，是造成不能实现自动回东边的原因之一。其二，如果采取了某种强制回东措施，使得在早晨的太阳能电池板已经转向东边，接着开始下雨，跟踪器停止跟踪，到了下午以后晴天出太阳了，这时候的太阳光只能照射到测光器件的侧面甚至是背面，这也是造成可靠性大大下降依的原因。采用复杂的减光或遮光等结构，只能正面受光，控制系统难以实现自动回东功能或自动搜索太阳光。目前常见的跟踪系统，都是附加了时钟控制、定时器控制、背面测光单元等辅助措施，才能实现回到东边的功能，导致控制系统相当复杂，增加了整个检测与控制电路的电源消耗。3、有的设计是将一年四季太阳运动轨迹的变化算法，编程后固化到单片机，不论晴天下雨，控制器一年四季都忠士地执行固化程序的指令。这种设计存在两个缺陷一是固化程序不适应不同的经纬度；二是跟踪驱动系统在阴雨天，也要进行不必要的跟踪而消耗有限的蓄电池电能，利用跟踪太阳机构好不容易提升的电能，却大量消耗在执行机构上，执行机构运行过于频繁导致整体上的得不偿失。4、有的机构设计成每几分钟将太阳能板朝东西南北四个方向主动调偏一个角度，每偏离一个方向，系统就采样一次光伏值变化的趋势，如果光伏值是下降的趋势，则往相反方向调整如果光伏值是上升的趋势，则继续调整角度，并保持住。这类设计同样存在执行机构运行过于频繁而导致整体光伏效率上得不偿失。
发明内容
本发明的目的是发明一种采用不饱和测光器件，且四个测光器件成一定夹角分布的自供电太阳光跟踪传感器装置。本发明技术方案是这样实现的一种自供电太阳光跟踪传感器装置，包括光线检测部分和判断电路部分，其特征是光线检测部分包括有四片分别对应东西南北方位的硅光电池，四片硅光电池与光线采集面成同一夹角固定在传感器座的东西南北四个方位上，组成类梯形台结构，其中一对边的两片娃光电池检测东西方向的光线，另一对边的两片娃光电池检测南北方向的光线判断电路部分包括有电压采样模块、精度设定模块、比较输出模块和自供电模块；其中硅光电池输出分两路，一路依次经电压采样模块、精度设定模块后接
比较输出模块；另一路接自供电模块，由自供电模块向传感器整体电路提供工作电源。所述传感器座为等腰梯形台结构，腰面与下底面夹角在40-70度之间，每个腰面相同位置上固定一片硅光电池。夹角的度数选择，以能够满足第二天自动回东功能为宜，也即第二天太阳光从地平线升起时，能照射到其中一片上，并在足够光线强度下能自动回东。所述娃光电池为矩形结构,其一边长不大于传感器座的上底边长。 所述传感器座的上底面向上延伸有一遮光方形柱，遮光方形柱的高度不小于娃光电池的长边。利用遮光方形柱在太阳光向西偏移时，在东面硅光电池上产生阴影，加大向阳面与向阴面两硅光电池电压差，提高系统的判断精度。自供电模块为一块四端稳压器PQ05R11，四片硅光电池的输出分别经二极管D5、D6、D7、D8隔离后，送入四端稳压器PQ05R11的第I脚，输入端经一可变电阻RW分压取样后接第4脚，第2脚为输出端，提供电路工作电源。所述四片硅电池分别为El、E2、E3、E4，分别与由二极管和电阻组成的电压采样模块形成回路硅光电池El与二极管Dl和电阻Rl回路；硅光电池E2与二极管D2和电阻R2回路硅光电池E3与二极管D3和电阻R3回路；硅光电池E4与二极管D4和电阻R4回路；在二极管和电阻的串接点提取电压信号，输出给比较输出模块。所述比较输出模块采用一块LM324电压比较器，该芯片内含四个比较器IC1、IC2、IC3、IC4，分别用于比较东西、南北四个方向的光强、并输出相应的跟踪控制电平每个比较器均连接成迟滞型电压比较电路，其中比较器ICl连接的迟滞反馈电阻为R5、比较器IC2连接的迟滞反馈电阻为R6、IC3连接的迟滞反馈电阻为R7、IC4连接的迟滞反馈电阻为R8，所述的电阻R5、R6、R7、R8均为可变电阻，阻值越大，跟踪精度越高由所述的电阻R5、R6、R7、R8构成精度设定模块。本发明太阳光传感器件采用不饱和的测光器件，既解决了传统光敏电阻等传感器件，因光强导致深度饱和，影响太阳光跟踪的精确性，又能为后级功能电路提供工作电源，形成自供电体系，无需额外能耗；而且，本发明特别将四片硅光电池等角度分布在传感器座上的四个面上，对太阳光线的偏移更加敏感，且可拾取到初升太阳光线，实现自动回东功能；再者该太阳光跟踪传感器装置，输出的TTL电平控制信号，可直接驱动多种形式的执行电路，完成对电机的控制，实现设备对太阳光的跟踪，充分利用太阳光。
下面结合具体图例对本发明做进一步说明图I传感器装置示意2传感器装置电路原理框3传感器装置电路原理4传感器装置使用实例正面视5传感器装置使用实例侧面视图其中I-硅光电池2-传感器座 21-遮光方形柱 22-螺栓3-太阳能电池板 4-支架5-水平轴6-垂直轴
具体实施例方式参照图I和图2，自供电太阳光跟踪传感器装置，包括光线检测部分和判断电路部分，其中光线检测部分，如图1，包括有四片分别对应东西南北方位的硅光电池1，四片硅光电池I与光线采集面成同一夹角固定在传感器座2的东西南北四个方位上，组成类梯形台结构，其中一对边的两片娃光电池I检测东西方向的光线，另一对边的两片娃光电池I检测南北方向的光线制作时，将传感器座2加工成等腰梯形台结构，腰面与下底面夹角在40-70度之间，优选角度为60度，可满足第二天太阳光线从东边照射时，其太阳光线能照到东面的硅光电池I上，使得设备能顺利自动回东，在每个腰面相同位置上固定一片硅光电池I。娃光电池I可选择矩形规格的成品，其一边长不大于传感器座2的上底边长。另外，传感器座2的上底面向上延伸有一遮光方形柱21,遮光方形柱21的高度不小于娃光电池I的长边，可利用该遮光方形柱21产生的阴影，遮挡东面，以及南面或者北面的硅光电池，提高东西面和南北电压差值，即使太阳向西偏移一小角度，也能从一对娃光电池的电压差值中反映出来。故而，遮光方形柱21的高度越高，其判断的精确度也越高。遮光方形柱21的设计，较传统采用遮光板方案来得合理，制作也简单；再则，能利用遮光方形柱和传感器座2的内部空间，有机地将电路安装在其中，形成一套完整的传感器装置，以利于各类太阳能设备的配套使用。为此，在传感器座2的底部，可至少设有两个螺栓22，以便利用该螺栓22固定在具有光线采集面的太阳能设备上。本发明采用四片硅光电池作为测光器件，无须减光，可以工作在极端强烈的光强照度下，测光器件也不会饱和，在任意光强度下都可以输出相对应的电流。当四块硅光电池电流相等时，说明传感器装置已经对准了太阳光，本传感器装置输出均为O电平；随着太阳从东到西运动，以及不同季节太阳南北方向的偏移，当照射到四个硅光电池上的光强不相等时，立即输出往光强高的方向跟踪的TTL、5V控制信号。即本传感器装置可以自动寻找光强的最大值，哪个方向太阳光照强，即发出往哪个方向追踪的控制信号。参照图2和图3，判断电路部分包括有电压采样模块、精度设定模块、比较输出模块和自供电模块。四片硅电池分别为El、E2、E3、E4，分别与由二极管和电阻组成的电压采样模块形成回路硅光电池EI与二极管DI和电阻Rl回路；硅光电池E2与二极管D2和电阻R2回路；硅光电池E3与二极管D3和电阻R3回路；硅光电池E4与二极管D4和电阻R4回路在二极管和电阻的串接点提取电压信号，输出给比较输出模块。其中娃光电池El对应朝东面,娃光电池E2对应朝西面，硅光电池E3对应朝南面，硅光电池E4对应朝北面。二极管D1、D2、D3、D4为肖特基二极管，因为只有肖特基二极管的正向压降最小仅O. 15V左右，这个小压降正是为了不让跟踪系统过于灵敏而导致跟踪动作过于频繁，如果采用普通二极管压降都在
O.7V左右，该压降太大就导致跟踪系统过于迟钝而影响精度。实际运用时，用于测光的硅光电池1，可采用规格化成品，以矩形状为佳，也不排除其它形状，如圆形、椭圆形或多边形结构，但以大小不超出等腰梯形台腰面为准。如硅光电池El至E4,选择尺寸为40mmX 60mm,在标准光强下每片短路电流40mA,开路电压7. 5V,即可满足自供电传感器的需要。技术关键点是要求El与E2、E3与E4这两对硅光电池片的光电特性曲线尽可能配对，以满足跟踪精度的需要。自供电模块为一块四端稳压器PQ05R11,四片娃光电池的输出分别经二极管D5、D6、D7、D8隔离后，送入四端稳压器PQ05R11的第I脚，输入端经一可变电阻RW分压取样后接第4脚，第2脚为输出端，提供电路工作电源。比较输出模块采用一块LM324电压比较器，该芯片内含四个比较器IC1、IC2、IC3、IC4，分别用于比较东西、南北四个方向的光强、并输出相应的跟踪控制电平；每个比较器均连接成迟滞型电压比较电路，其中比较器ICl连接的迟滞反馈电阻为R5、比较器IC2连接的迟滞反馈电阻为R6、IC3连接的迟滞反馈电阻为R7、IC4连接的迟滞反馈电阻为R8，所述的电阻R5、R6、R7、R8均为可变电阻，阻值越大，跟踪精度越高，反之亦然；由所述的电阻R5、R6、R7、R8构成精度设定模块。自供电传感器装置工作原理如下由硅光电池El、E2、E3、E4的正极分别通过肖特基二极管D5、D6、D7、D8，进行相互间隔离后送入四端稳压器PQ05R11的输入端第I脚，同时经过电阻RW进行分压取样，取样的电压直接控制四端稳压器的第4脚0N/0FF :调整电阻RW在光照强度=50LUX时，电阻RW活动臂的电压=0. 8V，则四端稳压器PQ05R11停止工作，输出端第2脚为0V，实现阴雨天和夜晚，本传感器及其跟踪控制系统均自动停止工作；当电阻RW的活动臂的电压上升至>1. 4V时，则四端稳压器PQ05R11开始工作，输出端第2脚为5V，向电压比较器LM324供电，说明户外的光强大大增加或者开始旭日东升了，开始白天的跟踪控制。以东西方向为例，硅光电池El的正极到IC2的负端，并通过二极管Dl到ICl的正端；硅光电池E2的正极到ICl的负端，并通过二极管D2到IC2的正端。二极管Dl、D2有两个作用 第一，当对准太阳光的时候，设置IC1、IC2的正端比负端低O. 15V左右，以保证ICU IC2可靠输出O电平；第二，将硅光电池El、E2与迟滞电路隔离开来，保证迟滞电压仅作用在正向输入端，而不影响测光器件的精度。随着太阳由东向西运动的同时，太阳也由南向北移动(即太阳往正午方向运动)，硅光电池E2、E4的电流不断上升，当硅光电池E2、E4分别比E1、E3高出二极管D2、D4的压降O. 15V时，IC2、IC4的输出端out2、out4分别输出5V的高电平，分别控制相应往西和往北的跟踪驱动电机，直至重新达到暂时的平衡即停止跟踪。往东南方向跟踪控制的工作原理，其分析过程相同。本发明的通用型太阳光跟踪传感器装置，其输出的TTL电平控制信号，可直接驱动多种形式的驱动电路其一，继电器型电机驱动电路，特点是跟踪控制系统在暂稳状态下，整个系统的静态功耗为零；其二，电机由半桥驱动集成电路驱动，特点是整个跟踪控制系统在暂稳状态下，功耗仅取决于半桥驱动集成电路的自身功耗。参照图4和图5，为传感器装置使用实例，其可直接固定在太阳能电池板3上方，保持四片硅电池I与太阳能电池板3采集面，也即采集平面具有同一夹角；该太阳能电池板3通过双轴安装在支架4上，其中水平轴5司服南北方向的调节，而垂直轴6即司服东西方向的调节。图5太阳能电池板3的朝向，也可视为对准西落的太阳光线，当第二天太阳能升起，光线总能照射到四片娃光电池I的任一块或者两块上，该片娃光电池I的输出信号，驱动该路电机，带动水平轴5或垂直轴6动作，调节太阳能电池板3的角度，迎接初升的太阳，
达到最大限度采集能量。
权利要求
1.一种自供电太阳光跟踪传感器装置，包括光线检测部分和判断电路部分，其特征是光线检测部分包括有四片分别对应东西南北方位的硅光电池，四片硅光电池与光线采集面成同一夹角固定在传感器座的东西南北四个方位上，组成类梯形台结构，其中一对边的两片硅光电池检测东西方向的光线，另一对边的两片硅光电池检测南北方向的光线；判断电路部分包括有电压采样模块、精度设定模块、比较输出模块和自供电模块；其中硅光电池输出分两路，一路依次经电压采样模块、精度设定模块后接比较输出模块；另一路接自供电模块，由自供电模块向传感器整体电路提供工作电源。
2.根据权利要求I所述的自供电太阳光跟踪传感器装置，其特征是传感器座为等腰梯形台结构，腰面与下底面夹角在40-70度之间，每个腰面相同位置上固定一片硅光电池。
3.根据权利要求I或2所述的自供电太阳光跟踪传感器装置，其特征是硅光电池为矩形结构，其一边长不大于传感器座的上底边长。
4.根据权利要求2所述的自供电太阳光跟踪传感器装置，其特征是传感器座的上底面向上延伸有一遮光方形柱，遮光方形柱的高度不小于娃光电池的长边。
5.根据权利要求I所述的自供电太阳光跟踪传感器装置，其特征是自供电模块为一块四端稳压器PQ05R11，四片硅光电池的输出分别经二极管D5、D6、D7、D8隔离后，送入四端稳压器PQ05R11的第I脚，输入端经一可变电阻RW分压取样后接第4脚，第2脚为输出端，提供电路工作电源。
6.根据权利要求I所述的自供电太阳光跟踪传感器装置，其特征是四片硅电池分别为El、E2、E3、E4，分别与由二极管和电阻组成的电压采样模块形成回路；硅光电池El与二极管Dl和电阻Rl回路；硅光电池E2与二极管D2和电阻R2回路；硅光电池E3与二极管D3和电阻R3回路；硅光电池E4与二极管D4和电阻R4回路；在二极管和电阻的串接点提取电压信号，输出给比较输出模块。
7.根据权利要求I所述的自供电太阳光跟踪传感器装置，其特征是比较输出模块采用一块LM324电压比较器，该芯片内含四个比较器IC1、IC2、IC3、IC4，分别用于比较东西、南北四个方向的光强、并输出相应的跟踪控制电平；每个比较器均连接成迟滞型电压比较电路，其中比较器ICl连接的迟滞反馈电阻为R5、比较器IC2连接的迟滞反馈电阻为R6、IC3连接的迟滞反馈电阻为R7、IC4连接的迟滞反馈电阻为R8，所述的电阻R5、R6、R7、R8均为可变电阻，阻值越大，跟踪精度越高；由所述的电阻R5、R6、R7、R8构成精度设定模块。
8.根据权利要求6所述的自供电太阳光跟踪传感器装置，其特征是二极管D1、D2、D3、D4为肖特基二极管，因为只有肖特基二极管的正向压降最小仅O. 15V左右，这个小压降正是为了不让跟踪系统过于灵敏而导致跟踪动作过于频繁，如果采用普通二极管压降都在O.7V左右，该压降太大就导致跟踪系统过于迟钝而影响精度。
全文摘要
本发明涉及一种自供电太阳光跟踪传感器装置，包括光线检测部分和判断电路部分，其中光线检测部分包括有四片分别对应东西南北方位的硅光电池，四片硅光电池与光线采集面成同一夹角固定在传感器座的东西南北四个方位上，组成类梯形台结构；判断电路部分包括有电压采样模块、精度设定模块、比较输出模块和自供电模块；其中硅光电池输出分两路，一路依次经电压采样模块、精度设定模块后接比较输出模块另一路接自供电模块，由自供电模块向传感器整体电路提供工作电源。太阳光传感器件采用不饱和的测光器件，既可精确跟踪太阳光线，又能提供整个电路工作电源；且具有自动回东功能，输出TTL电平信号，可直接驱动多种形式的执行电路，完成对电机的控制。
文档编号G05D3/12GK102841612SQ20121033339
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月11日 优先权日2012年9月11日
发明者林立生, 杨平, 严希清, 吴巧斌, 叶晓路, 林祥勇 申请人:福建船政交通职业学院