專利名稱：太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置。
背景技術：
太陽能的熱能利用和光能利用是其兩個最重要的應用領域，之所以特別引人注 目，是由于太陽能的特殊性所決定的。太陽能具有以下優點(1)存儲量巨大；(2)不會被枯 竭；(3)清潔的能源；(4)不受地域限制。太陽能的缺點是能量密度低、容易受氣象條件的影響，不具備蓄電功能等。如果太 陽能電池板若固定不動，則只有夏季晴天上午9時到下午4時約7小時，日照最充分。但到 了冬季，同樣的地點充分日照時間將降至3小時。由于蓄電池必要的全充電時間需10-15 小時，故需要調節太陽能電池板的傾角，使之得到最大的日照量。此外，由于云層，自然環境 等因素，太陽能電池板均需適時微調。當然，可以定時用人工進行調節，或者通過太陽能自 動跟蹤器進行自動跟蹤。但是現有的太陽能自動跟蹤器有光就動，無光就停，在太陽光能不 足，無法產生足夠電能的情況下進行無謂的跟蹤動作將極大的浪費能源。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提高太陽光電池板光電轉換效率和延長采光時間， 即充分發揮太陽能電池板的效能，避免了傳統的“有光就動，無光就停”的盲目無為工作和 無效的能源浪費。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種太陽光能全自動收尋跟蹤器裝 置，包括機架、太陽能電池板、電池板支架、擺動機構和跟蹤控制單元，太陽能電池板設置在 電池板支架上，電池板支架通過一套擺動機構在機架上擺動，跟蹤控制單元控制擺動機構 擺動來跟蹤太陽光；跟蹤控制單元包括兩個從東西兩個不同方向對太陽光能量等級強弱進 行判別的太陽光線強弱判別器、自動定位判定器和控制單元，太陽光線強弱判別器和自動 定位判定器的信號輸出端分別與控制單元連接，控制單元與擺動機構連接；當其中一個方 向的太陽光線強弱判別器感應到大于設定強度的太陽光線時，太陽光線強弱判別器向控制 單元輸出信號，控制單元控制擺動機構向該方向擺動；當自動定位判定器感應到大于設定 強度的太陽光線時，自動定位判定器向控制單元輸出信號，控制單元迫使擺動機構停止擺 動。該裝置可根據太陽能電池板進行光電轉換時所需的光源強調等級和當時的環境條件對 其預先進行人工設置，只有太陽光強度達到設定的強度，本裝置才動作，這樣就有效地避免 了傳統的“有光就動，無光就停”的盲目無為工作和無效的能源浪費。為最佳利用光源能量，在兩個方向的太陽光線強弱判別器的信號輸出端與控制單 元之間設置能量比較電路，當其中兩個方向的太陽光線強弱判別器感應到大于設定強度的 太陽光線時能量等級高的一路導通，控制擺動機構向太陽光線更強的方向擺動。為了充分提高本裝置的工作效率和減少自身能量消耗，擺動機構采用行星齒輪減 速驅動方式。
具體地，擺動機構包括左右兩個短軸、驅動底板、底罩、驅動電機、主動齒輪、弧形 大齒輪，短軸設置在機架上，為擺動軸心，驅動底板設置在兩個之間，驅動電機安裝在驅動 底板上，主動齒輪安裝在驅動電機上，弧形大齒輪安裝在底罩上，底罩與電池板支架固定， 底罩可擺動地安裝在短軸上，主動齒輪與弧形大齒輪嚙合構成行星齒輪減速器，驅動電機 通過主動齒輪、弧形大齒輪驅動底罩擺動。具體地，電池板支架包括底盤和和托盤，托盤和底盤活動連接，在托盤和底盤之間 具有調節托盤仰角的支持桿。具體地，太陽光線強弱判別器包括光電傳感器，基準信號設定單元和比較單元，比 較單元的輸入端與光電傳感器連接，比較單元的基準信號輸入端基準信號調節單元連接； 自動定位判定器包括光電傳感器、基準信號設定單元和比較單元，比較單元的輸入端與光 電傳感器連接，比較單元的基準信號輸入端基準信號調節單元連接；太陽光線強弱判別器 的比較單元的輸出端與控制單元連接，控制單元與驅動電機連接，控制電機的運轉和轉向， 自動定位判定器的比較單元的輸出端與控制單元連接，控制電機停止運轉。工作自動定位判定光電傳感器對當時直照射到太陽能電池板上的光源強度等級 進行判定，為提高光電傳感器的精度和分辨率，防止周圍干擾光線，在自動定位判定器的光 電傳感器上安裝圓柱筒形遮光罩，為提高太陽光線強弱判別器的靈敏度，在太陽光線強弱 判別器的光電傳感器后安裝拋物面反光物件。由于光線是一種能量，能量的收集需要一定的時間，故設計擺動機構為步進間斷 運轉方式。進一步地，兩只太陽光線強弱判別器的光電傳感器在同一垂直平面內，相互間呈 120度的夾角，各與水平面間呈30度的夾角；自動定位判定器的光電傳感器的中心線與兩 只太陽光線強弱判別器的光電傳感器的中心線各呈60度的夾角。太陽光線強弱判別器的 比較單元為運算放大器，控制單元采用邏輯PLC控制器。由于太陽能電池板是處于室外的工作環境，各種灰塵和物理雜物極有可能吸附或 沾染在電池板的受光表面，影響其對光能的吸收效率。因此在本產品上設有一專門作清掃 灰塵和雜物的清掃裝置。由一專門的清掃驅動電機負責動作，并受控制單元的主控電路中 的定時器控制，實現定時清掃。為保持運行平穩，采用兩條同步皮帶設施傳動。本發明的有益效果是該裝置可根據太陽能電池板進行光電轉換時所需的光源強 調等級和當時的環境條件通過相應的控制電路對其預先進行人工設置，這樣就有效地避免 了傳統的“有光就動，無光就停”的盲目無為工作和無效的能源浪費。為了充分提高本裝置 的實用性，設計中采用了全新的理念和符合太陽能電池板工作條件的設施工況，在控制電 路中采用了較為靈活多變的軟控制電路，以適應各種不同的工作要求。具有新穎性和實用 性。為了充分提高本裝置的可靠性，設計中采用了成熟的控制電路和控制器件，核心控制器 件用邏輯PLC控制器。用較少的器件就可達到傳統上較為復雜控制電路上的功能。為了充 分提高本裝置的工作效率和減少自身能量消耗，設計中采用了高效率、大速比的行星齒輪 減速器和用各種輕型材料制成各個構件。該裝置由于采用了控制功能強大，控制方式靈活 的邏輯PLC控制器，就可以根據PLC控制器的I/O點數和定時器的個數對可控的同類型太 陽光能全自動收尋跟蹤器裝置的數量進行適當的擴展，即用一個主控制電路同時控制數個 太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置。現有的太陽能電池板若采用類似像本案所敘的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，則太陽能光電轉換效率和在現有的基礎上提高20-30%左右。
圖1是本發明的裝置的主視圖；圖2是本發明的裝置的左視圖；圖3是本發明的擺動機構的結構示意圖；圖4是本發明的主視圖；圖5是本發明的太陽光線強弱判別器的工作電路圖；圖6是本發明的自動定位判定器的工作電路圖；圖7是控制單元中邏輯PLC控制器的內部控制電路圖；圖8是控制單元中驅動電機的驅動電路圖；圖9是控制單元中清掃驅動電機的控制電路圖；圖10是能量比較電路的電路圖；圖中1.機架，2.太陽能電池板，3.電池板支架，31.底盤，32.托盤，33.支持桿， 4.擺動機構，41.短軸，42.驅動底板，43.底罩，44.驅動電機，45.主動齒輪，5.太陽光線強 弱判別器，6.自動定位判定器，7.自動清掃裝置。
具體實施例方式如圖1、2、3、4所示，本太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，包括機架1、太陽能電池 板2、電池板支架3、擺動機構4和跟蹤控制單元，太陽能電池板2設置在電池板支架3上， 電池板支架3通過一套擺動機構4在機架1上擺動，跟蹤控制單元控制擺動機構4擺動來 跟蹤太陽光。電池板支架3包括底盤31和和托盤32，托盤32和底盤31活動連接，在托盤 32和底盤31之間具有可根據季節的不同調節托盤仰角的支持桿33。跟蹤控制單元包括兩個從東西兩個不同方向對太陽光能量等級強弱進行判別的 太陽光線強弱判別器5、自動定位判定器6和控制單元，太陽光線強弱判別器5和自動定位 判定器6的信號輸出端分別與控制單元連接，控制單元與擺動機構4連接；當其中一個方向 的太陽光線強弱判別器5感應到大于設定強度的太陽光線時，太陽光線強弱判別器5向控 制單元輸出信號，控制單元控制擺動機構4向該方向擺動；為最佳利用光源能量，在兩個方 向的太陽光線強弱判別器5的信號輸出端與控制單元之間設置能量比較電路，當其中兩個 方向的太陽光線強弱判別器5均感應到大于設定強度的太陽光線時能量等級高的一路導 通，控制擺動機構4向太陽光線更強的方向擺動。在圖5中并未采用能量比較電路，這主要 是因為如果兩只太陽光線強弱判別器5同時搜尋到啟動的強光源時，那么位于兩只太陽光 線強弱判別器5的光電傳感器之間的自動定位判定器6也一定處于強光之下。當自動定位 判定器6感應到大于設定強度的太陽光線時，自動定位判定器6向控制單元輸出信號，控制 單元迫使擺動機構4停止擺動。由于采用了新型的設計理念和結構，該裝置具有光源收集 可靠有效，不作無效的工作運行，采光定位準確，運行平穩高效，結構簡單合理，控制簡單可 靠，外形美觀，安裝調試維護方便，實用性強的特點。太陽光線強弱判別器5包括光電傳感器，基準信號設定單元和比較單元，比較單 元的輸入端與光電傳感器連接，比較單元的基準信號輸入端基準信號調節單元連接；自動定位判定器6包括光電傳感器、基準信號設定單元和比較單元，比較單元的輸入端與光電 傳感器連接，比較單元的基準信號輸入端基準信號調節單元連接；太陽光線強弱判別器5 的比較單元的輸出端與控制單元連接，控制單元與驅動電機44連接，控制驅動電機44的運 轉和轉向，自動定位判定器6的比較單元的輸出端與控制單元連接，控制驅動電機44停止 運轉。太陽光線強弱判別器5的比較單元為運算放大器，控制單元采用邏輯PLC控制器。正常工作時，首先由安裝在托盤32上的兩只各東西方向的太陽光線強弱判別器5 從各自的方向進行采光，兩只太陽光線強弱判別器5的光電傳感器在同一垂直平面內，相 互間呈120°夾角，各與水平面間呈30°夾角，為提高其靈敏度，在每個器件后安裝拋物面 反光物件。由于光電傳感器的靈敏度與太陽能電池板2在光電轉換時的所需能量不匹配， 所以需要對光電傳感器的固有靈敏度從新進行匹配設置，使得光電傳感器收尋到對太陽能 電池板2進行光電轉換有效的能量等級光源。該光電傳感器將收尋到的光能信號與基準 信號設定單元中預先設置好的基準信號同時送入運算放大器進行比較后將結果輸出，其結 果經后續電路控制相應的輸出繼電器觸點作相應的通斷響應，輸出繼電器的觸點作為邏輯 PLC控制器(或其他相應的控制電路)的輸入端，經內部控制電路的控制程序使得相應的內 部繼電器動作(或相應的控制電路的輸出)并輸出以控制驅動電機44運轉和轉向。自動定位判定器6通過光電傳感器對當時直照射到太陽能電池板上的光源強度 等級進行判定，為提高光電傳感器的精度和分辨率，防止周圍干擾光線，在光電傳感器上安 裝圓柱筒形遮光罩。光電傳感器收尋的光源能量等級也可根據需要通過基準信號設定單元 進行人工設置。由于光線是一種能量，能量的收集需要一定的時間，所以收尋是采用步進間 斷方式，其步進間斷運轉方式由電路中的邏輯PLC控制器中的定時器(或循環延時繼電器 和相應的中間繼電器)承擔，驅動電機44的步進間斷運轉模式可根據需要通過PLC的定時 器(或循環延時繼電器和相應的中間繼電器)進行人工預先設置。在正常工作時，裝置的轉速和轉動平穩性顯得十分重要。該裝置采用的是直流微 控電機，屬高轉速、小功率執行機構，而裝置相對來說是需要低轉速大轉矩。本裝置的擺動 機構采用了高效率，大速比的行星齒輪減速器，其速比可達幾百，特點是啟動電流小，運行 平穩，耗能低。結構簡單自重輕，轉動慣量小，無沖擊等。為實現結構簡單自重輕，轉動慣量小，無沖擊等特點。裝置結構的合理布局和巧妙 構思起到了很關鍵的作用。本裝置的所有運動部件的合成中心基本與回轉中心在同一垂直 平面內。驅動電機44固定安裝在驅動底板42，驅動底板42安裝在與回轉中心呈同中心線 的且與機架1相對固定的短軸41上。短軸41通過尾部的圓臺型外表面與機架1相應的圓 臺型內表面配合，短軸41未端設有調整螺釘可進行中心對準和緊固作用。與所有運動部件 相連的底罩43通過自身兩端面上安裝的滾動軸承與短軸41相連，且與運動部件之一的底 盤31固定連接，并將驅動底板42、驅動電機44罩于其內部，即相對固定的驅動底板42、驅 動電機44安裝在呈運動性質的底罩43、底盤31共同圍成的空間內部。驅動電機44上的主 動齒輪45通過固定安裝在底罩43端面上的半圓弧大齒輪帶動底罩43運轉。由于裝置在 整個工作中不需360°旋轉，只需東西方向搖擺轉動，所以只需半圓弧大齒輪就可以了。為 減輕自重和潤滑要求，半圓弧大齒輪采用非金屬材料制成。在本產品上設有一專門作清掃灰塵和雜物的清掃裝置7。由一專門的清掃驅動電 機負責動作，并受控制單元的主控電路中的定時器控制，實現定時清掃。為保持運行平穩，清掃裝置7的清掃板的兩端分別設置在左右兩條同步皮帶上，同步皮帶安裝在上下兩個旋 轉軸總成的旋轉軸上，下旋轉軸通過清掃驅動電機驅動旋轉，在清掃裝置中設置上限位器 xwl和下限位器xw2，當清掃板移動到電池片上端的，觸動上限位器xwl，清掃驅動電機停止 運行，在設定的時間，清掃驅動電機開始反向運動，帶動清掃板向下運動，觸動下限位器xw2
后停止。該裝置的核心控制部件采用了技術成熟，功能強大的邏輯PLC控制器。由于該器 件內部控軟制電路具有非常強大靈活的各種控制功能，使得整個裝置的硬件控制電路顯得 非常簡單可靠。整個裝置僅采用三個光電傳感器、一個驅動電機，使得與其配套的電路也顯 得十分簡單明了可靠。為實現外形美觀，安裝調試維護方便，實用性強的目的，所有具有外形屬性的構件 均采用規則對稱的外形，簡潔大方，安裝拆卸方便。為有效避免自然環境對其的腐蝕影響， 大多數的構件均采用重量輕的非金屬材料制成。通過圖5、6、7、8、9顯示的相關電路圖描述本裝置的工作過程在圖5、7、8中，東西兩個方向的太陽光線強弱判別器5是由兩套完全相同的獨立 系統組成。各自完成對不同的方向進行采光，并將采得的光線能源等級與本系統的基準信 號等級同送入本系統的運算放大器進行比較，然后將比較結果送后續電路。比較結果的不 同就意味著運算放大器輸出不同的電壓信號等級，經后續電路產生相應的開關信號(高電 位或低電位)，進而控制各自相應的輸出繼電器線圈sjl、sj2產生相應的觸點動作(通或 斷)。這兩套獨立系統的基準信號采用相同的等級，即用一個同軸雙聯可變電位器R來作 為本系統的基準信號設定單元。輸出繼電器sjl和sj2的觸電作為邏輯PLC控制器的出入 端。在圖6、7、8中，自動定位判定器6也是由另一套采集系統獨立完成。其基準電位 可由系統內的可變電位器按需要進行人工調節設置。由太陽光線的強弱產生不同的電位， 使得系統內的GB3產生相應的截止或導通狀態，進而控制輸出繼電器線圈fj產生相應的觸 點動作(通或斷)。輸出繼電器fj的觸點同樣作為邏輯PLC控制器的出入端。圖中其它電子元器件均為限位電阻或限流電阻和定向單向二極管、蓄電池、太陽 能電池板等器件。在圖7中，驅動電，44的控制由邏輯PLC控制器的輸出繼電器直接輸出控制，若觸 點電流容量不夠的話，可另外加繼電器放大后輸出。On和off開關也可以用相應的光電管 實施控制，即有光接通，無光關閉。圖7、9顯示的是清掃裝置的控制電路，xwl為上限位器，XW2為下限位器。圖10顯示的是能量比較電路的參考電路最后說明的是以上設施案例僅用以說明本發明的產品及技術方案，盡管參照較 佳設施案例對本發明進行了詳細的說明，本專業內的相關人員應當很容易理解和掌握和仿 照，可以對本發明的技術方案進行某些修改或同等對換，而不脫離本發明的基本概念和框 架，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其特征是包括機架(1)、太陽能電池板(2)、 電池板支架(3)、擺動機構(4)和跟蹤控制單元，太陽能電池板(2)設置在電池板支架(3) 上，所述的電池板支架(3)通過一套擺動機構(4)在機架(1)上擺動，跟蹤控制單元控制擺 動機構(4)擺動來跟蹤太陽光；所述的跟蹤控制單元包括兩個從東西兩個不同方向對太陽光能量等級強弱進行判別 的太陽光線強弱判別器(5)、自動定位判定器(6)和控制單元，太陽光線強弱判別器(5)和 自動定位判定器(6)的信號輸出端分別與控制單元連接，控制單元與擺動機構(4)連接；當其中一個方向的太陽光線強弱判別器(5)感應到大于設定強度的太陽光線時，太陽 光線強弱判別器(5)向控制單元輸出信號，控制單元控制擺動機構(4)向該方向擺動；當自動定位判定器(6)感應到大于設定強度的太陽光線時，自動定位判定器(6)向控 制單元輸出信號，控制單元迫使擺動機構(4)停止擺動。
2.根據權利要求1所述的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其特征是在兩個方向的 太陽光線強弱判別器(5)的信號輸出端與控制單元之間設置能量比較電路，當其中兩個方 向的太陽光線強弱判別器(5)均感應到大于設定強度的太陽光線時能量等級高的一路導 通，控制擺動機構(4)向太陽光線更強的方向擺動。
3.根據權利要求1或2所述的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其特征是所述的擺 動機構(4)采用行星齒輪減速驅動方式。
4.根據權利要求3所述的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其特征是所述的擺動機 構(4)包括左右兩個短軸(41)、驅動底板(42)、底罩(43)、驅動電機(44)、主動齒輪(45) 和弧形大齒輪，短軸(41)設置在機架(1)上，為擺動軸心，驅動底板(42)設置在兩個之間， 驅動電機(44)安裝在驅動底板(42)上，主動齒輪(45)安裝在驅動電機(44)上，弧形大齒 輪安裝在底罩(43)上，底罩(43)與電池板支架(3)固定，底罩(43)可擺動地安裝在短軸 (41)上，主動齒輪(45)與弧形大齒輪嚙合構成行星齒輪減速器，驅動電機(44)通過主動齒 輪(45)和弧形大齒輪驅動底罩(43)擺動。
5.根據權利要求1或2所述的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其特征是所述的電 池板支架(3)包括底盤(31)和托盤(32)，托盤(32)和底盤(31)活動連接，在托盤(32)和 底盤(31)之間具有調節托盤仰角的支持桿(33)。
6.根據權利要求1或2所述的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其特征是所述的太 陽光線強弱判別器(5)包括光電傳感器，基準信號設定單元和比較單元，比較單元的輸入 端與光電傳感器連接，比較單元的基準信號輸入端基準信號調節單元連接；所述的自動定位判定器(6)包括光電傳感器、基準信號設定單元和比較單元，比較單 元的輸入端與光電傳感器連接，比較單元的基準信號輸入端基準信號調節單元連接；太陽光線強弱判別器(5)的比較單元的輸出端與控制單元連接，自動定位判定器(6) 的比較單元的輸出端與控制單元連接。
7.根據權利要求6所述的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其特征是所述的兩只太 陽光線強弱判別器(5)的光電傳感器在同一垂直平面內，相互間呈120度的夾角，各與水平 面間呈30度的夾角；自動定位判定器(6)的光電傳感器的中心線與兩只太陽光線強弱判別 器(5)的光電傳感器的中心線各呈60度的夾角。
8.根據權利要求6所述的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其特征是所述的擺動機構(4)為步進間斷運轉方式。
9.根據權利要求6所述的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其特征是在自動定位判 定器(6)的光電傳感器上安裝圓柱筒形遮光罩，在太陽光線強弱判別器(5)的光電傳感器 后安裝拋物面反光物件，所述的太陽光線強弱判別器(5)的比較單元為運算放大器，控制 單元采用邏輯PLC控制器。
10.根據權利要求1或2或4或7或8或9所述的太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，其 特征是在所述的電池板支架(3)上設置保持電池板表面清潔的自動清掃裝置(10)。
全文摘要
本發明涉及一種太陽光能全自動收尋跟蹤器裝置，包括機架、太陽能電池板、電池板支架、擺動機構、跟蹤控制單元和專門作清掃電池板受光表面的灰塵和雜物的清掃裝置，太陽能電池板設置在電池板支架上，電池板支架通過一套擺動機構在機架上擺動，跟蹤控制單元包括兩個太陽光線強弱判別器、自動定位判定器和控制單元，當其中一個方向的太陽光線強弱判別器感應到大于設定強度的太陽光線時，控制單元控制擺動機構向該方向擺動；當自動定位判定器感應到大于設定強度的太陽光線時，控制單元迫使擺動機構停止擺動。該裝置只有太陽光強度達到設定的強度，本裝置才動作，這樣就有效地避免了傳統的“有光就動，無光就停”的盲目無為工作和無效的能源浪費。
文檔編號H02N6/00GK102004496SQ20101059719
公開日2011年4月6日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者周原 申請人:周原