一种基于太阳能自动追光的能源系统及方法

本发明属于太阳能应用领域，具体涉及一种基于太阳能自动追光的能源系统及方法。

背景技术：

随着城市建设进入高峰期，城市建设和建筑使用过程中的能源消耗正在逐年递增，利用新能源代替传统能源为建筑供能势在必行。在当下装配式建筑整体发展态势已基本形成的状态下，要改变建筑业传统粗放型的生产方式，改变高能耗、高污染、高浪费、质量不可控的现状。例如，有研究者提出装配式光伏一体化理念，将光伏发电性能高度融合在建材产品之中，来降低建筑损耗，提升环境友好性。但是现有技术中，建筑上安装的光伏发电效率不高，无法满足建筑用能的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于太阳能自动追光的能源系统及方法，以解决现有技术中，建筑上安装的光伏发电效率不高，无法满足建筑用能的需求的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下方案：

一种基于太阳能自动追光的能源系统，包括外部光照传感器、内部光照传感器、内部红外传感器、控制器、驱动装置、太阳能光伏板、蓄电装置和照明装置；

所述外部光照传感器安装在太阳能光伏板上，所述太阳能光伏板安装在驱动装置上，所述驱动装置连接控制器的信号输出端，所述控制器的信号输入端分别与外部光照传感器、内部光照传感器、内部红外传感器连接；

所述太阳能光伏板连接所述蓄电装置电流输入侧，所述蓄电装置的电流输出侧分别连接所述照明装置和驱动装置。

优选的，还包括辅助照明装置，所述辅助照明装置包括依次连接的采光罩、导光管和漫射器。

优选的，所述太阳能光伏板水平外围边缘与采光罩固定连接，所述采光罩顶面的法线与所述太阳能光伏板的采光面垂直。

优选的，还包括热水装置，所述热水装置包括保温水箱，所述保温水箱内部安装有加热装置、温度传感器和水位传感器；所述温度传感器和水位传感器分别连接所述控制器的信号输入端，所述加热装置连接所述控制器的信号输出端；所述蓄电装置的电流输出侧连接所述加热装置。

优选的，多个所述水位传感器分别布置在所述保温水箱的不同高度处。

优选的，所述蓄电装置经过逆变器分别与所述加热装置和照明装置连接，所述逆变器与照明装置之间设置有继电器。

优选的，所述驱动装置包括水平电机和竖直电机，所述水平电机的输出端连接所述太阳能光伏板，所述水平电机安装在所述竖直电机的输出端上；所述控制器的信号输出端分别与所述水平电机和竖直电机通信连接。

优选的，所述外部光照传感器安装在太阳能光伏板的四周中心位置。

优选的，所述照明装置为led灯，所述led灯通过两个并联的驱动电路与所述控制器以及蓄电装置连接；所述两个并联的驱动电路分别是5v驱动电路和12v驱动电路。

本发明提供的另一个技术方案是：

一种所述基于太阳能自动追光的能源系统的工作方法，包括如下步骤：

太阳能光伏板采集太阳能转换为电能储存在蓄电装置中；设置在太阳能光伏板上的多个外部光照传感器分别采集光照强度数据发送给控制器，控制器根据采集的光照强度数据，控制驱动装置运动，带动太阳能光伏板7朝向光照强度数据最高的外部光照传感器代表的方向；

内部光照传感器采集屋内光照数据发送至控制器，当屋内光照数据低于设定值且内部红外传感器检测到屋内有人时，控制器控制照明装置进行照明。

和现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)本发明实施例提供的能源系统，通过光照传感器追踪光照强度最好的方向，360度全天候自动追光，捕捉太阳能光照强度最大面，经过实例验证，太阳能转化效率提高近33％。

2)本发明实施例提供的能源系统，增加了辅助照明装置，将辅助照明装置所采集到的最大光照通过导光管传输到室内进行照明，通过实地大楼来进行数据测试，导光装置每天可节约0.792w的电力。利用辅助照明装置进行照明时，太阳能光伏板所转化的电力能够全部存储在蓄电装置内。

3)本发明实施例提供的能源系统，当室外存在光照度低以及太阳能热水不达温的情况时，蓄电装置所存储电力供应室内照明以及辅助加热太阳能热水来满足人体需求，经过示例验证，对比传统照明，智能照明节约超过三分之一的电量，热水水温达到标准要求。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的能源系统结构原理图。

图2为本发明实施例提供的能源系统工作原理示意图。

其中：1-外部光照传感器；2-采光罩；3-导光管；4-水平电机；5-竖直电机；6-漫射器；7-照明装置；8-蓄电装置；9-保温水箱；10-加热装置；11-水位传感器；12-温度传感器；13-控制器；14-逆变器；15-继电器；16-内部光照传感器；17-太阳能光伏板；18-内部红外传感器。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

本发明实施例提供了一种基于太阳能自动追光的能源系统及方法，首先通过自动追光装置获取最大太阳辐射能，利用辅助照明装置将其引入室内照明，并利用太阳能光伏板17将最大太阳辐射能转化为电能存储在蓄电装置8中。在室外光照强度低，室内光照度无法满足需求的情况下，利用蓄电装置8中所存储的电能为led灯提供电量。在室外太阳能资源无法满足保温水箱9内热水温度达到人体所需时，此时控制器13将控制加热装置10对保温水箱9内的水进行加热，防止水的温度过低，影响到人的使用，并且在保温水箱9中安装水位传感器11，实时检测水箱内水位，防止出现保温水箱9内无水加热装置10仍在加热的危险。

如图1和2所示，一种基于太阳能自动追光的能源系统，包括外部光照传感器1、内部光照传感器16、内部红外传感器18、控制器13、驱动装置、太阳能光伏板17、蓄电装置8、照明装置7、辅助照明装置和热水装置。

四个外部光照传感器1分别安装在太阳能光伏板17的四条边沿中每条边沿的中心位置上，并且每个光照度传感器与太阳能光伏板17成45度夹角，满足太阳能光伏板17的追光区域和追光精度达到最优。太阳能光伏板17安装在驱动装置上，驱动装置连接控制器13的信号输出端，控制器13的信号输入端分别与外部光照传感器1、内部光照传感器16、内部红外传感器18连接。

太阳能光伏板17连接蓄电装置8电流输入侧，太阳能光伏板17转化的电能储存在蓄电装置8中，在本发明的一个具体实施例中，太阳能光伏板17输出电压反映到三极管的发射结上，取样发射区和集电区上的电压。调节三极管的导通程度，将相应的稳定的12v输出电压供给蓄电装置8，并且通过四电压比较器控制8段贴片led来显示蓄电装置8的实时电量。蓄电装置8的电流输出侧经过逆变器14分别连接照明装置7和驱动装置，逆变器14与照明装置7之间设置有继电器15。

辅助照明装置包括依次连接的采光罩2、导光管3和漫射器6，采光罩2将采集的光照通过漫射器6照射在屋内，实现照明。太阳能光伏板17水平外围边缘与采光罩2固定连接，采光罩2顶面的法线与太阳能光伏板17的采光面垂直，捕捉太阳能最大光照强度面。

热水装置包括保温水箱9，保温水箱9内部安装有加热装置10、温度传感器12和水位传感器11；在本发明的一个具体实施例中，加热装置10采用电加热棒。温度传感器12和水位传感器11分别连接控制器13的信号输入端，加热装置10连接控制器13的信号输出端；蓄电装置8的电流输出侧连接加热装置10。多个水位传感器11分别布置在保温水箱9的不同高度处，采用三态输出的八组缓冲器和总线驱动器将当前液面信息存储起来，保证控制器13随时读出当前水位情况并做出相应控制指令。在本发明的一个具体实施例中，设置了蜂鸣器作为报警装置，温度传感器12检测到保温水箱9内水温达到一定预设值时，蜂鸣器报警，控制器13控制加热装置10停止加热；保温水箱9内水的温度没有达到设定值，控制器13将保持加热装置10持续加热；水位传感器11检测到保温水箱9内水位过高、过低时，蜂鸣器也会报警。

驱动装置包括水平电机4和竖直电机5，水平电机4的输出端连接太阳能光伏板17，水平电机4安装在竖直电机5的输出端上；控制器13的信号输出端分别与水平电机4和竖直电机5通信连接。在本发明的一个具体实施例中，水平电机4的输出轴连接有金属框架，太阳能光伏板17安装在该金属框架上，当水平电机4的输出轴旋转时，带动太阳能光伏板17旋转，竖直电机5的输出轴也安装有一个金属结构，水平电机4、金属框架以及太阳能光伏板17均安装在该金属结构上，当竖直电机5旋转时，带动水平电机4、金属框架以及太阳能光伏板17整体旋转。控制器13来控制水平电机4与竖直电机5的转动，水平电机4和竖直电机5配合旋转，实现太阳能光伏板17在空间上的任意角度摆放。

在本发明的一个具体实施例中，照明装置7为led灯，led灯通过两个并联的驱动电路与控制器13以及蓄电装置8连接；两个并联的驱动电路分别是5v驱动电路和12v驱动电路。

本发明实施例提供的另一个技术方案是：一种基于太阳能自动追光的能源系统的工作方法，包括如下：

辅助照明装置将采光罩2采集的光照通过漫射器6照射在屋内，实现照明。

外部光照传感器1和驱动装置组成自动追光装置设置在太阳能光伏板17上的多个外部光照传感器1分别采集光照强度数据发送给控制器13，控制器13根据采集的光照强度数据，控制驱动装置运动，带动太阳能光伏板7朝向光照强度数据最高的外部光照传感器1代表的方向；太阳能光伏板17采集太阳能转换为电能储存在蓄电装置8中。

内部光照传感器16采集屋内光照数据发送至控制器13，当内部光照传感器16检测到室内光照强度小于30lx且内部红外传感器18的人体红外感应没有触发时，通过控制器13连通相应控制回路开启5v驱动电路驱动led灯进行低功耗基础照明；当内部光照传感器16检测到室内光照强度小于30lx且内部红外传感器18的人体红外感应触发时，通过控制器13连通相应控制回路开启12v驱动电路led灯进行高效能提亮照明；当内部光照传感器16检测到室内光照强度大于30lx小于100lx时，通过控制器13连通相应控制回路开启12v高效能led灯进行室内照明，内部红外传感器18恢复初始状态后延时10s关闭12vled灯。

温度传感器12检测到保温水箱9内水温达到一定预设值时，蜂鸣器报警，控制器13控制加热装置10停止加热；保温水箱9内水的温度没有达到设定值时，控制器13将保持加热装置10持续加热；水位传感器11检测到保温水箱9内水位过高、过低时，蜂鸣器也会报警。

本发明实施例对自动追光装置的发电量、辅助照明装置的节约电量、照明装置的节约电量以及热水装置运行进行了测试。以2020年10月份西安气象数据为条件，结果表明，自动追光装置转化效率比传统固定太阳能光伏板高出33％，辅助照明装置每天节约的电费为4.932元，一个月可减少用电量50.019kw，热水装置可保证水温保持在设定值内。因而本发明在太阳能转化利用方面具有精准高效、灵活利用、全面充分的特点，确实有效的解决建筑能耗中用电能耗占比高的问题。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。