专利名称：一种自动-手动组合跟踪太阳的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及太阳光跟踪利用技术，特别是指一种可应用于光伏组件、太阳能 热水器、太阳灶、太阳光收集器、太阳观测设备等太阳能利用系统的自动一手动组合跟踪对 准太阳的装置。
背景技术：
现今，由于矿物燃料逐步枯竭和大量的二氧化碳排放，清洁可再生能源的利用日 益受到重视。研究表明，平板式太阳光/热收集转换系统(Flat Plate Solar Light and Thermal Collection-Conversion System, FPSLTCCS)被认为是很有前途的绿色可再生 能源系统，可广泛应用于人们的生活、生产。事实上，从平板式太阳光/热收集转换系统 (FPSLTCCS)中输出的光能取决于接收到的太阳辐射。随着地球绕太阳的运行，FPSLTCCS必 须调整其姿态来确保它总能对准太阳，才能输出尽可能多的光/能。公知的，太阳在东_西 方向运转的时角为15°，这意味着太阳在此方向上的方位变化明显。为了使FPSLTCCS尽 可能多地获得太阳光/能，在这个方向上的连续跟踪是必要的。然而，太阳每天以不到 16'的角度在南-北回归线之间运行，这表明太阳每天在南-北方向上的方位变化不明显， FPSLTCCS在南-北方向上连续跟踪对提高太阳能的利用效率不明显。基于上述太阳跟踪在 东_西以及南_北方向上的差异，现有的太阳方位双轴跟踪装置结构非常复杂，技术难度 大，设备造价高，但是跟踪太阳提高的效益不明显，而且可靠性不高。
实用新型内容本实用新型之目的是为了克服现有技术存在的不足，而提供一种成本低、可靠性 高、太阳光/热利用效率提高明显的一种自动_手动组合跟踪太阳的装置。为实现上述目的，本实用新型的技术方案是包含机械跟踪总成、步进电机、控制步 进电机转动的控制器以及电源。所述的机械跟踪总成包括有竖直支撑旋转轴、手动连杆以 及安装于支撑旋转轴上并与支撑旋转轴同步转动的框架，所述的手动连杆沿其长度方向可 滑移地设置于支撑旋转轴上，所述的框架在相对于支撑旋转轴的顶点上设置有与手动连杆 头端联动配合的仰角调整轴，通过本设置，该旋转轴支撑着用于安装平板式太阳光/热收 集转换系统(FPSLTCCS)等工件的框架。步进电动机由控制器来驱动，通过步进电机的旋转 带着垂直支撑旋转轴的转动来改变框架上的工件相对太阳的方位角。手动连杆用于手动 调节框架上的工件相对太阳的俯仰角。在本实用新型中，采用了方位——仰角跟踪机制，因 为FPSLTCCS支撑框架的设计比较容易，并且在垂直支撑轴的平面上能够承受支撑框架的 重量。单轴东-西方向的跟踪是由单片机控制步进电机运行驱动FPSLTCCS对准太阳；而 南_北方向的跟踪则可以在一段比较长的时间内用手动调整FPSLTCCS相对太阳的俯仰角 来实现，而不是连续运行来跟踪太阳。进一步设置是所述的控制器包括有单片机以及控制连接于单片机上的控制信号 电路，该电路的控制信号输出端连接有强弱电隔离放大电路，该强/弱电隔离放大电路经过功率放大电路与步进电机匹配连接。进一步设置是所述的控制器还包括有连接于单片机上的接口电路，该接口电路上 连接有输入键盘以及显示数码管。进一步设置是与单片机和步进电机连接的自动开关电路和过流保护电路。进一步设置是所述的手动连杆上设置有标尺。进一步设置是所述的步进电机通过变速箱与垂直支撑旋转轴联动配合。本实用新型的优点在于可根据太阳早起晚落的方位、地理位置来设置单片机的 脉冲及频率，调节手动连杆驱动FPSLTCCS对准太阳。通过计算和实验表明，该装置成本低， 比固定的FPSLTCCS的效率提高30%以上。下面结合说明书附图和具体实施方案对本实用新型作进一步介绍。
图1本实用新型结构示意图；图2本实用新型框架的仰角调整示意图；图3本实用新型电路系统原理框图；图4本实用新型输入键盘及显示数码管电路图；图5本实用新型单片机、光电信号处理、弱强电隔离/放大、电机驱动电路原理 具体实施方式
在本实用新型中，采用了方位角——俯仰角跟踪机制，因为FPSLTCCS支撑框架的 设计比较容易，并且在垂直支撑轴的平面上能够承受支撑框架的重量。
以下结合附图15对 本发明的具体实施方案作进一步的说明。如图1—5所示的本实用新型，包含机械跟踪总成1、步进电机2、控制步进电机 转动的控制器以及电源。所述的机械跟踪总成1包括有支撑旋转轴11、手动连杆12以及支 撑安装于支撑旋转轴11上并与该轴11同步转动的框架13，所述的手动连杆12沿其长度方 向可滑移地设置于支撑旋转轴11上，所述的框架13在相对于支撑旋转轴11的顶点位置设 置有与手动连杆12上端联动配合的仰角调整轴131，该框架13可通过焊接或者螺钉固定 在仰角调整轴131的外套同上，如图1所示。本实施例所述的手动连杆12上设置有标尺， 本实用新型的支撑旋转轴11支撑着用于安装FPSLTCCS等工件的框架13。所述的步进电 机2通过变速箱与支撑旋转轴11联动配合。步进电动机2由控制器来驱动，通过步进电机 2的旋转带着垂直支撑旋转轴11的转动来改变框架13上的工件相对太阳的俯仰角。手动 连杆12用于手动调节框架上的工件相对太阳的俯仰角(Θ)，如图2所示。仰角调整轴的中 点131与支撑旋转轴的顶端通过螺旋件配合连接，可绕该轴的顶点旋转，但不能滑移；仰角 调整轴131的一端通过螺旋件与手动连杆12上端配合联动，该手动连杆12倾斜穿过支撑 旋转轴11的小孔，可由螺栓固定在支撑轴上。通过手动滑移手动连杆12，就能调整θ。各 地可根据所在具体地理位置、一年内不同季节的太阳方位、仰角调整轴及连杆的尺寸计算 出对应的θ值，并标记在手动连杆12上，称为标尺连杆。在不同季节的一定时间内手动改 变标尺连杆与支撑旋转轴的相对位置，就相当于调整了俯仰角(Θ)。这就可以在一段比较长的时间内通过手动调整FPSLTCCS在南-北方向的俯仰角来对准太阳，而不是连续追踪。 东_西方向方位角的单轴跟踪是由单片机控制步进电机运行驱动FPSLTCCS对准太阳。此外，本实施例所述的控制器系统(如图3所示)包括有单片机以及控制连接于 单片机上的控制信号电路，该控制信号电路的控制信号输出端连接有强/弱电隔离放大电 路，该强/弱电隔离放大电路经过功率放大电路与步进电机匹配连接。本实施例所述的单 片机可以根据需要采用如AT89C2051、AT89C5等型号的单片机。在FPSLTCCS运行过程中，要求其采光面始终垂直太阳光线，入射角偏差不超过 5°，因此需要对太阳进行实时跟踪。本实用新型采用方位——仰角跟踪机制，FPSLTCCS固 定在框架平面上，水平转动相当于改变收集转换器的方位轴，由一台步进电机驱动，绕垂直 于当地水平面的支撑轴旋转，用以跟踪太阳的方位角，其控制流程为单片机脉冲一步进电 机一减速器一支撑轴旋转。例如，假设减速器的传动比为1 120，步进电机转动120°时 支柱轴旋转1°，太阳光/热收集转换器相应转动1°。以步进电机0.36°的步距角计算， 当FPSLTCCS平板框架转动1°时，控制步进电机的单片机发出120/0. 36个脉冲。由此可以 计算FPSLTCCS平板框架方位角变化为α时单片机发出的脉冲数为120 α/0.36个。步进电机的选择。根据FPSLTCCS平板框架的重量等参数可计算出等效转动惯量 和负载转矩，得到步进电机的最大静转矩。为了使步进电机获得良好的启动能力和较快的 响应速度，转动惯量和转矩匹配条件分别为Jel/Jm ( 4, Tel/Tfflax ( 0. 5，式中Jel为负载转动 惯量，单位kg ·πι2，Jffl为步进电机自身的转动惯量，Tel为负载等效力矩，单位N ·πι，Tfflax为步 进电机的最大静转矩。本实用新型因为包含弱电和强电两部分，需要两种电源电压。可采用集成稳压器 (如CW7805等)和输出电压可变的三端可调整集成稳压器(如LM317等)来分别提供+5V 和1. 25 37V电源。两电源不共地，其中+5V给单片机供电，另1. 25 37V给步进电机供 电。本实用新型也可以直接使用蓄电池供电。本实用新型采取了强/弱电隔离方案，不是直 接把单片机产生的控制信号传输给步进电机，因为步进电机的大功率、高电平会对单片机 产生比较严重的干扰。实际运用中，一般采用电子开关方法或光电隔离方法进行强/弱电 隔离。由于步进电机工作需要较大的功率，所以通常需要使用功率放大器来提供步进电机 工作时需要的功率，将隔离器送来的弱电信号变为强电信号，可以采用集成功放，也可以采 用分立元件。本实用新型可采用成本低、电路简单且可靠性高的光电耦合器(如TPL521-1 等)和功率管(如ΤΙΡ122，ΝΡΝ型功率达林顿晶体管，IC 5A/VCE0彡100V)等)来分别 实现隔离和放大的两大功能。通过选择合适的技术参数的耦合器和功率管完全可以满足该 设计对于隔离和放大的需要。此外，本实施例所述的控制器还包括有连接于单片机上的接口电路，该接口电路 上连接有输入键盘以及显示数码管。本实施例实用新型采用可编程键盘/显示器接口芯片 (如8279等)，在完成单片机系统键盘输入及LED数字显示的同时，还可利用其剩余资源扩 展系统的中断源接口，如图4所示。用数码管显示输入的参数，并在工作时显示剩下的转矩 数。可运用2块7407芯片等作为4位数码管的驱动电路。步进电机驱动器电路原理如图5所示。本实用新型采用成本低、电路简单且可靠 性高的直流固态继电器(dc SSR，如JGXEL等)来同时实现隔离和放大的两大功能。通过比 较主要技术参数可以发现，直流固态继电器完全可以满足隔离和放大的需要。强/弱电隔离放大耦合后，由功率管(如TIP122等)将脉冲信号进行功率放大，驱动步进电机的各相 绕组(L4等)。使步进电机随着不同的脉冲信号分别作正转、反转、加速、减速和停止等动 作。单片机选用频率为22MHz的晶振，选用较高晶振频率之目的是为了减小单片机对上位 机脉冲信号周期的影响。此外，本实施例所述的控制器还包括与单片机和步进电机连接的自动开关电路和 过流保护电路。该自动开关机电路包括钟控开机、限位和快速返回三部分。在传动齿轮上 固定两个限位开关，分别控制东、西方向极限位置点(针对不同区域的实际情况，定期(一 月或一季度)调整极限位置点位置)。当早上太阳升至一定高度角(一般为5° )时，钟控 电路自发启动发出开机信号，接通电路的电源，装置开始跟踪。下午，当太阳落至一定高度 角为(一般为5° )时，齿轮上的挡板触动西方向限位开关，发出快速返回信号，当方阵板快 速返回至东方向限位点时，齿轮上的挡板触动开关，发出停机信号，断开定时和电源，装置 停止跟踪。直至第二天早晨，钟控电路再次发出开机信号，重新开始新一天的控制过程。本实用新型适用的FPSLTCCS，包括光伏组件、太阳能热水器、太阳灶、太阳光收集 器、太阳观测设备等跟踪对准太阳的大多数场合，各地可根据太阳早起晚落的方位、地理位 置来设置单片机的脉冲及频率驱动步进电机，并调节连杆使FPSLTCCS对准太阳。通过计算 和实验表明，该装置成本低，技术相对简单，比固定FPSLTCCS的效率提高30%以上，比传统 双轴自动跟踪的系统具有更高的可靠性。
权利要求一种自动 手动组合跟踪太阳的装置，其特征在于包含机械跟踪总成、步进电机、驱动步进电机运转的控制器以及电源，所述的机械跟踪总成包括支撑旋转轴、手动连杆以及支撑安装于竖直支撑旋转轴上并与支撑旋转轴同步转动的框架，所述的手动连杆沿其长度方向可滑移地设置于支撑旋转轴上，所述的框架在相对于支撑旋转轴的支撑点位置设置有与手动连杆头端联动配合的仰角调整轴。
2.根据权利要求1所述的一种自动-手动组合跟踪太阳的装置，其特征在于所述的 控制器包括有单片机以及连接于单片机上的控制信号电路，它的输出端连接有强/弱电隔 离放大电路，该强/弱电隔离放大电路经过功率放大电路与步进电机匹配连接，驱动步进 电机带着机械跟踪总成旋转，跟踪太阳。
3.根据权利要求2所述的所述的一种自动_手动组合跟踪太阳的装置，其特征在于 所述的控制器还包括连接于单片机上的接口电路，该接口电路上连接有输入键盘以及显示 数码管。
4.根据权利要求3所述的一种自动-手动组合跟踪太阳的装置，其特征在于所述的 控制器还包括与单片机和步进电机连接的自动开关电路和过流保护电路。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的所述的一种自动_手动组合跟踪太阳的装置， 其特征在于所述的手动连杆上设置有标尺。
6.根据权利要求5所述的一种自动-手动组合跟踪太阳的装置，其特征在于所述的 步进电机通过变速箱与竖直支撑旋转轴配合联动。
专利摘要本实用新型公开了一种自动-手动组合跟踪太阳的装置，包括有机械跟踪总成、步进电机、控制步进电机转动的控制器以及电源，所述的机械跟踪总成包括支撑旋转轴轴、手动连杆以及支撑安装支撑旋转轴轴上并支撑旋转轴轴的同步转动的框架，所述的手动连杆沿其长度方向可滑移地设置支撑旋转轴轴上，所述的框架在相对支撑旋转轴轴的支撑点位置设置有与手动连杆头端联动配合的仰角调整轴。本实用新型的优点在于可根据太阳早起晚落的方位、地理位置来设置单片机的脉冲及频率驱动步进电机，并调节手动连杆使平板型太阳光/热收集转换器对准太阳。通过计算和实验表明，该装置成本低，技术相对简单，可靠性更高，比固定的平板型太阳光/热收集转换器的效率提高30％以上。
文档编号G05D3/00GK201765512SQ201020295530
公开日2011年3月16日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者韦文生 申请人:温州大学