CN109343577A - 一种太阳能板转动机构及其太阳能追踪方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能板转动机构及其太阳能追踪方法，包括太阳能板、齿条、减速电机、竖向支撑轴、支撑底座、直流电机、第一铰链、第二铰链、水平转动盘、竖向转动轴；所述直流电机固定于支撑底座，所述直流电机的输出轴与竖向转动轴相连，所述水平转动盘固定连接于竖向转动轴顶部；所述第一铰链、减速电机分别设置于水平转动盘上的相对位置，所述太阳能板的背面中部与第一铰链相连，太阳能板的背面顶部通过第二铰链与齿条的顶部相连，所述齿条还与减速电机的输出轴通过齿轮啮合连接。本发明通过改变太阳能板与地面的夹角和朝向的方位角，可以基本覆盖所有太阳光直射的角度范围，本发明设计巧妙、原理科学。

Description

一种太阳能板转动机构及其太阳能追踪方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能板转动机构及其太阳能追踪方法，以提高太阳能利用率，减少资源浪费。

背景技术

自从地球上出现人类以来，人类和能源就发生了不可分割的关系。然而人类一直使用的能源除柴草、动植物油和水力可以再生外，其他如煤和石油等都不可再生，然而柴草和动植物油已远远不能满足当今生产力不断发展的需要，水力的应用也有一定限度，而煤和石油仍然是人类目前主要使用的能源，但是这些能源已经面临枯竭,另外上述所有能源的使用，都会对地球环境造成严重污染或破坏，危害到人类和所有生物的生存。

能源的有效利用当今能源行业的研究热点，当今世界上已经出现了严重的能源危机，因此，世界各主要国家都把目光放在开发可再生清洁能源上，例如太阳能、风能、潮汐能、波浪能、车辆对地面挤压的能量等等。特别是太阳能，是一切能量的根源，然而，对地球来说，太阳能的密度是很低的，大概每平方米面积在最好的条件下只能产生1kw的功率，要实现大规模的利用很困难。世界上开始研究太阳能利用以来，对要求不高的太阳能设备，采光装置一般都固定不动，但太阳能转换效率很低；对要求较高的太阳能设备，采光装置都需要跟踪太阳，以便获得尽可能多的太阳能有。实验表明，太阳能接收系统上是否使用追踪装置，接收太阳能的接受率相差37.1％，因此，使用精确的太阳追踪可使集热器或光伏组件的太阳能接受率大大提高，从而提高设备的太阳能利用率。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种结构合理简单、生产制造容易、使用方便的新型太阳能板转动机构及其太阳能追踪方法。

本发明的第一个目的是提供一种太阳能板转动机构，其特征是，包括太阳能板、齿条、减速电机、支撑底座、直流电机、第一铰链、第二铰链、水平转动盘、竖向转动轴；所述直流电机固定于支撑底座，所述直流电机的输出轴与竖向转动轴相连，所述水平转动盘固定连接于竖向转动轴顶部；所述第一铰链、减速电机分别设置于水平转动盘上的相对位置，所述太阳能板的背面中部与第一铰链相连，太阳能板的背面顶部通过第二铰链与齿条的顶部相连，所述齿条还与减速电机的输出轴通过齿轮啮合连接。

进一步地，所述支撑底座上还设有齿轮箱，所述齿轮箱通过轴与直流电机、竖向转动轴连接。

进一步地，所述减速电机通过固定支架安装在水平转动盘上。

进一步地，所述支撑底座包括两侧的支撑板、底板、顶板连接而成，所述直流电机固定于底板上。

进一步地，该装置还设有竖向支撑轴，所述竖向支撑轴为空心管状结构，其底部通过安装座与支撑底座的顶板固定连接，所述竖向转动轴依次穿过支撑底座的顶板、竖向支撑轴的空腔与水平转动盘的底部固定连接，所述竖向转动轴与竖向支撑轴之间采用转动连接。

进一步地，所述支撑板的横截面为U型结构。

进一步地，所述水平转动盘由螺钉连接在竖向转动轴的顶部，所述直流电机由螺钉固定在支撑底座上。

本发明的第二个目的是提供一种太阳能板转动机构及其太阳能追踪方法，其特征是，包括以下步骤：

1)备好A/D转换器、Arduino芯片，将太阳能板的电压输出端与A/D转换器相连，A/D转换器与Arduino芯片相连，所述Arduino芯片分别通过继电器与减速电机、直流电机控制连接；

2)通过对太阳与地球的相对位置变化情况建立数学模型，得到了任意经纬度及日期时间下太阳光线的高度角与方位角，Arduino芯片根据已建立的数学模型计算得到当前的太阳位置，并通过控制减速电机、直流电机的继电器通断时间，使其转动相应的角度，以驱动太阳能板转动至太阳直射位置；

3)由于累积误差和机械误差原因，太阳能板的位置并非完全垂直太阳光，因此需要进行微调；随着太阳能板与太阳光夹角的变化，太阳能板的输出电压值会发生改变，当光线直射时太阳能板的输出电压值最大；

驱动直流电机或减速电机正转或反转，使太阳能板朝某一方向运行一小段距离；通过A/D转换器将太阳能板输出的模拟电压采集并转换为数字量输入Arduino芯片进行计算；在直流电机或减速电机向某一个方向运行一段距离后，判断此时太阳能板的输出电压是否上升；如果上升，则说明该运动方向为正确方向并继续向该方向前进，如果下降，则说明方向不正确，则反向运动；

4)在确定运动方向后，持续采集电压值并与前次电压值比较，当等于或小于前次电压值时，则说明达到垂直位置，停止电机运行；

5)隔一段时间后，再重复步骤2)-步骤4)，以获得新的太阳能板位置。

进一步地，所述步骤5)中，每隔15分钟，再重复步骤2)-步骤4)，以获得新的太阳能板位置。

进一步地，步骤2)中，所述数学模型包括太阳的高度角H和方位角Z；

所述高度角H的计算公式为：

所述方位角Z的计算公式为：

式中：δ表示真太阳时，L表示当地纬度，σ表示赤纬角。

进一步地，所述赤纬角σ的计算公式如下：

σ＝0.006918-0.399912×cosθ₀+0.070257×sinθ₀-0.006758×cos2θ₀+0.000907×sin2θ₀-0.002679×cos3θ₀+0.00148×sin3θ₀；

其中日角n表示积日；

δ＝北京时+(参考地经度-120)×4÷60+时差÷60；

时差＝229.2×(0.000075+0.001868*cosθ₀-0.032077*sinθ₀-0.014615*cos2θ₀-0.04089*sin2θ₀)。

本发明结构合理简单、生产制造容易、使用方便，通过本发明，针对现有太阳能机构固定式采光率低的问题，在使用时，控制减速电机启停，带动齿条运动，进而通过铰链和铰链带动太阳能板运动，控制其与地面夹角；通过控制直流电机启停，并通过齿轮箱对直流电机的输出轴进行变速及改变方向，带动竖向转动轴的转动，从而带动水平转动盘转动，由于减速电机及太阳能板通过固定支架固定在水平转动盘上，故水平转动盘转动时将改变太阳能板朝向的方位角。该装置可通过Arduino写入的程序控制减速电机、直流电机。

本发明由Arduino芯片进行开环控制，由得到经纬度信息和时间信息后，Arduino通过太阳方位数学模型计算得到实时太阳方位角和高度角，通过比较与上一次位置的差值(包括高度角方向和方位角方向的角度差值)，得出电机通电的时长并驱动电机运行至计算位置，并通过控制减速电机、直流电机的继电器通断时间，使其转动相应的角度，以驱动支架转动至太阳直射位置。

本发明通过改变太阳能板与地面的夹角和朝向的方位角，可以基本覆盖所有太阳光直射的角度范围。本发明设计巧妙、原理科学，具体有益效果如下：

第一、本发明不同于传统固定式太阳能架构装置，采用“二维驱动法”跟踪太阳，通过改变太阳能板与地面的夹角和朝向的方位角，可以基本覆盖所有太阳光直射的角度范围，提高了太阳能利用效率。

第二、本发明可基于Arduino控制，运用类似Processing/Writing开发环境，对Avr-Gcc库二次封装，无需进行底层硬件操作即可实现代码的开发，大大节约了时间的成本，缩短了开发的周期。

第三、本发明结构简单、易于实现，成本投入小，且具有较好的支撑效果，适用于大多数太阳能板应用环境。

附图说明

图1为本发明太阳能板转动机构的主视图；

图2为本发明太阳能板转动机构的左视图；

图3为本发明太阳能板转动机构的太阳能追踪流程图；

图中：1太阳能板、2齿条、3减速电机、4竖向支撑轴、4-1安装座、5支撑底座、5-1支撑板、5-2底板、5-3顶板、6直流电机、7齿轮箱、8第一铰链、9固定支架、10第二铰链、11水平转动盘、12竖向转动轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图中所示，一种太阳能板转动机构，包括太阳能板1、齿条2、减速电机3、竖向支撑轴4、竖向转动轴12、支撑底座5、直流电机6、齿轮箱7、水平转动盘11。

太阳能板1分别通过可动第一铰链8连接在水平转动盘11上，可动第二铰链10连接在齿条2上，减速电机3由固定支架9安装在水平转动盘11上。水平转动盘11由螺钉连接在竖向转动轴11的顶部。直流电机6固定在支撑底座5上，齿轮箱7固定在支撑底座5上并通过轴连接到直流电机6和竖向转动轴12上。

本装置通过控制减速电机3启停，带动齿条2运动，进而通过铰链8和铰链10带动太阳能板运动，控制其与地面夹角。通过控制直流电机6启停，并通过齿轮箱7对直流电机6的输出轴进行变速及改变方向，带动竖向转动轴12的转动，从而带动水平转动盘11转动。由于减速电机3及太阳能板1通过固定支架9固定在水平转动盘11上，故水平转动盘11转动时将改变太阳能板朝向的方位角。

备好A/D转换器、Arduino芯片，将太阳能板的电压输出端与A/D转换器相连，A/D转换器与Arduino芯片相连，所述Arduino芯片分别与减速电机、直流电机控制连接。

Arduino是一款由欧洲开发团队设计的硬件开发平台，其电路设计与开发环境都完全开源，因此成本低廉、无版权隐患。同时，Arduino运用类似Java、C语言的Processing/Writing开发环境，对Avr-Gcc库二次封装，因此无需单片机或汇编语言的基础，无需进行底层硬件操作即可实现代码的开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。

本发明采用的Arduino单元型号为Arduino Uno，其以ATmega328MCU控制器为基础——具备14路数字输入/输出引脚(其中6路可用于PWM输出)、6路模拟输入、一个16MHz陶瓷谐振器、一个USB接口、一个电源插座、一个ICSP接头和一个复位按钮，它采用Atmega16U2芯片进行USB到串行数据的转换。

为了实现机构的运动，Arduino需要控制两组继电器以控制高度角风向和方位角方向两个电机的正反转。每组继电器组包含两个继电器，分别控制电机电源的通断和正反转相序的切换。将Arduino Uno的4个数字量接口连接两组继电器组，将1个模拟量接口连接太阳能板的电压测量模块(A\D转换器)，并连接电源和接地线，即完成了硬件接线。

本发明的技术思路如下：

(1)通过对太阳与地球的相对位置变化情况建模，得到了任意经纬度及日期时间下的太阳光线的高度角与方位角。

(2)将步骤(1)所得数据通过Arduino芯片处理后，对相应的电机进行控制。

(3)通过两个电机的配合转动以满足太阳水平方向(左右方向运动)，俯仰方向(高低方向运动)，水平旋转机构加垂直旋转机构从X轴和Y轴两个方向同时去跟踪太阳的方法。

(4)通过改变太阳能板与地面的夹角和朝向的方位角，可以基本覆盖所有太阳光直射的角度范围。本发明结构简单可靠，原理科学，控制灵活，适用范围广。

本发明中的模型与算法：

由于太阳的是在空间中变化，因此要表示太阳与地面的相对位置需要用到高度角H与方位角Z两个参数。高度角是指太阳光线与参考点地面间形成的水平夹角；而方位角则是指太阳的垂直投影与参考点的连线与正南方向的夹角，以正南方向为0度，自南向西为正方向，自南向东为负方向。

此处引入天文学中的日角θ₀的概念：

其中，n为积日，即一年的第n天。

根据文献可知，一年中太阳高度角周期性变化是由于地球公转时赤道平面与日地平面的相对位置不断变化，即赤纬角σ的变化导致的。赤纬角公式如下(弧度制)：

σ＝0.006918-0.399912×cosθ₀+0.070257×sinθ₀-0.006758×cos2θ₀+0.000907×sin2θ₀-0.002679×cos3θ₀+0.00148×sin3θ₀；

生活中出于实用目的，将地球分为了24个时区，每个时区统一使用该时区中心经线处的时间，此称之为平太阳时。而在太阳方位角计算时，需要用到某处的精确时间，此称之为真太阳时δ(小时制)：

δ＝北京时+(参考地经度-120)×4÷60+时差÷60

其中，时差的计算公式为(弧度制)

时差＝229.2×(0.000075+0.001868*cosθ₀-0.032077*sinθ₀-0.014615*cos2θ₀-0.04089*sin2θ₀)；

设当地纬度为L根据天文公式，可得太阳的高度角H和方位角Z分别为：

通过对太阳方位的建模，可以得到不同日期和时间下的太阳光角度。之后可以通过计算模型数值与上一次的太阳能板实际位置的差值得到角度差，进而分别得出水平及竖直轴电机应运行时间，从而实现太阳能板的转动控制。

本发明的优点和效果在于基于Arduino芯片的视日轨迹太阳能追踪系统，通过数学建模，采用“二维驱动法”跟踪太阳的方法，可使集热器或光伏组件的太阳能接受率大大提高，从而提高设备的太阳能利用率。具体说，主要有如下一些优点：

(1)目前市面上的太阳能光伏组件大多采用固定式安装，存在余弦效应，本系统采用“二维驱动法”跟踪太阳，最大程度利用太阳光。

(2)本方法基于Arduino设计运用类似Java、C语言的Processing/Writing开发环境，对Avr-Gcc库二次封装，无需进行底层硬件操作即可实现代码的开发，大大节约了时间的成本，缩短了开发的周期。

(3)本发明结构简单、易于实现，成本投入小，且具有较好的追踪效果，适用于大多数环境。

通过改变太阳能班与地面的夹角和朝向的方位角，可以基本覆盖所有太阳光直射的角度范围。本发明结构简单可靠，原理科学，控制灵活，适用范围广。

Claims (10)

1.一种太阳能板转动机构，其特征是，包括太阳能板(1)、齿条(2)、减速电机(3)、支撑底座(5)、直流电机(6)、第一铰链(8)、第二铰链(10)、水平转动盘(11)、竖向转动轴(12)；所述直流电机固定于支撑底座，所述直流电机的输出轴与竖向转动轴相连，所述水平转动盘固定连接于竖向转动轴顶部；所述第一铰链、减速电机分别设置于水平转动盘上的相对位置，所述太阳能板的背面中部与第一铰链相连，太阳能板的背面顶部通过第二铰链与齿条的顶部相连，所述齿条还与减速电机的输出轴通过齿轮啮合连接。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能板转动机构，其特征是，所述支撑底座上还设有齿轮箱(7)，所述齿轮箱通过轴与直流电机、竖向转动轴连接。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能板转动机构，其特征是，所述减速电机通过固定支架(9)安装在水平转动盘上。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能板转动机构，其特征是，所述支撑底座包括两侧的支撑板(5-1)、底板(5-2)、顶板(5-3)连接而成，所述直流电机固定于底板上。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能板转动机构，其特征是，该装置还设有竖向支撑轴(4)，所述竖向支撑轴为空心管状结构，其底部通过安装座(4-1)与支撑底座的顶板固定连接，所述竖向转动轴(12)依次穿过支撑底座的顶板、竖向支撑轴的空腔与水平转动盘(11)的底部固定连接，所述竖向转动轴与竖向支撑轴之间采用转动连接。

6.根据权利要求4所述的一种太阳能板转动机构，其特征是，所述支撑板的横截面为U型结构。

7.一种如权利要求1-6中任一项所述的太阳能板转动机构的太阳能追踪方法，其特征是，包括以下步骤：

1)备好A/D转换器、Arduino芯片，将太阳能板的电压输出端与A/D转换器相连，A/D转换器与Arduino芯片相连，所述Arduino芯片分别通过继电器与减速电机、直流电机控制连接；

2)通过对太阳与地球的相对位置变化情况建立数学模型，得到了任意经纬度及日期时间下太阳光线的高度角与方位角，Arduino芯片根据已建立的数学模型计算得到当前的太阳位置，并通过控制减速电机、直流电机的继电器通断时间，使其转动相应的角度，以驱动太阳能板转动至太阳直射位置；

3)由于累积误差和机械误差原因，太阳能板的位置并非完全垂直太阳光，因此需要进行微调；随着太阳能板与太阳光夹角的变化，太阳能板的输出电压值会发生改变，当光线直射时太阳能板的输出电压值最大；

驱动直流电机或减速电机正转或反转，使太阳能板朝某一方向运行一小段距离；通过A/D转换器将太阳能板输出的模拟电压采集并转换为数字量输入Arduino芯片进行计算；在直流电机或减速电机向某一个方向运行一段距离后，判断此时太阳能板的输出电压是否上升；如果上升，则说明该运动方向为正确方向并继续向该方向前进，如果下降，则说明方向不正确，则反向运动；

4)在确定运动方向后，持续采集电压值并与前次电压值比较，当等于或小于前次电压值时，则说明达到垂直位置，停止电机运行；

5)隔一段时间后，再重复步骤2)-步骤4)，以获得新的太阳能板位置。

8.根据权利要求7所述的一种太阳能板转动机构的太阳能追踪方法，其特征是，所述步骤5)中，每隔15分钟，再重复步骤2)-步骤4)，以获得新的太阳能板位置。

9.根据权利要求7所述的一种太阳能板转动机构的太阳能追踪方法，其特征是，步骤2)中，所述数学模型包括太阳的高度角H和方位角Z；

所述高度角H的计算公式为：

所述方位角Z的计算公式为：

式中：δ表示真太阳时，L表示当地纬度，σ表示赤纬角。

10.根据权利要求9所述的一种太阳能板转动机构的太阳能追踪方法，其特征是，所述赤纬角σ的计算公式如下：

σ＝0.006918-0.399912×cosθ₀+0.070257×sinθ₀-0.006758×cos2θ₀+0.000907×sin2θ₀-0.002679×cos3θ₀+0.00148×sin3θ₀；

其中日角n表示积日；

δ＝北京时+(参考地经度-120)×4÷60+时差÷60；

时差＝229.2×(0.000075+0.001868*cosθ₀-0.032077*sinθ₀-0.014615*cos2θ₀-0.04089*sin2θ₀)。