基本信息
- 項目名稱：
- 智能化太陽跟蹤器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本系統(tǒng)采用三塊不同位置的硅光電池做為光電傳感器件，使用單片機檢測其不同的導(dǎo)通情況來確定太陽的方位，控制兩個步進電機運動，驅(qū)動電池板運動至垂直光線位置，以達到最大的發(fā)電效率。
- 詳細介紹：
- 智能化太陽跟蹤器立足于實際應(yīng)用性，以提高性價比為根本出發(fā)點。尤其是系統(tǒng)獨特的機械傳動部分，將太陽能電池板的運動分解成水平和豎直兩個方向的運動，并將轉(zhuǎn)動軸由中間移至一端，以增加穩(wěn)定性。電池板的水平運動靠水平電機通過齒輪帶動，電機與電池板上的齒輪齒數(shù)之比為17:60，從而有效地降低電池板的轉(zhuǎn)動速度，又可以有效地減緩電機突然啟動或突然停止給電池板的沖擊力。電池板的豎直運動靠另一個電機通過蝸桿帶動，蝸桿兩端用軸承固定，而電池板與蝸桿上的法蘭連接，豎直電機帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，法蘭便相對蝸桿運動，從而帶動電池板做豎直方向的翻轉(zhuǎn)，蝸桿的自鎖能力極大的增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，也降低了大風對電池板的影響。 另外風力檢測裝置主要是由小型直流發(fā)電機、運算放大芯片LM324及電壓比較芯片LM339構(gòu)成，如果遇到大風天氣，扇葉轉(zhuǎn)動，直流電機產(chǎn)生微弱的電信號經(jīng)LM324約21倍的放大后通過LM339與設(shè)定值（3V）比較，一旦大風檢測裝置產(chǎn)生的電信號比設(shè)定值大，就會給處理機構(gòu)一個中斷信號，系統(tǒng)執(zhí)行中斷子程序，使太陽能電池板回到安全位置。 限位開關(guān)的使用。由于該系統(tǒng)電池板的升降是靠蝸桿與法蘭的相對運動帶動的，一旦系統(tǒng)由于某種原因停止對太陽的跟蹤而電池板一直上升或下降，那么法蘭將離開蝸桿的螺紋部分，損壞傳動機構(gòu)。但當蝸桿兩端按上限位開關(guān)后，如果出現(xiàn)上述現(xiàn)象，當法蘭移動至蝸桿任一端時，碰到限位開關(guān)后，電機將停止轉(zhuǎn)動，從而有效地避免了對系統(tǒng)的損壞。 斷電數(shù)據(jù)保護電路是由電可擦除芯片24C02、3300UF電容等組成。由于太陽東升西落光線周期性的照射，要使電池板達到跟蹤太陽的目的，太陽電池板就必須有重復(fù)轉(zhuǎn)動的能力，這就要求系統(tǒng)能夠記住電池板的初始位置。斷電數(shù)據(jù)保護電路很有效的解決了此問題。一旦系統(tǒng)斷電，3300UF的大電容放電將為系統(tǒng)供電1.5S左右，同時向處理機構(gòu)發(fā)出中斷請求，使系統(tǒng)轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷子程序，將電池板的位置信息保存至24C02中，當來電時直接從24C02中取出數(shù)據(jù)，從而回到斷電前的狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性。 穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓芯片的使用。該系統(tǒng)的正常運行無需外界提供電源，直接利用太陽電池板發(fā)的電。但電池板發(fā)電電壓在24-26V之間波動，即使經(jīng)過太陽電池板控制器，電壓依然在25V左右，而系統(tǒng)的控制部分5V直流電源供電，因而必須使用穩(wěn)壓降壓器。該系統(tǒng)中的輸入18-36V輸出5Vdc的MGD10-24S5C穩(wěn)壓降壓芯片大大提高了輸出電壓的穩(wěn)定性，波動范圍小于0.1%，為系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行提供了安全保障。 該系統(tǒng)的光電傳感模塊采用高線性度（輸出電流與光照強度成正比）的硅光電池作為光敏器件，檢測太陽光的強度。采用運算放大器放大硅光電池的輸出電流，通過與設(shè)定值（3.34V）比較作為判斷是否有光照的條件，可以精確地為系統(tǒng)的處理機構(gòu)提供檢測信號，使處理機構(gòu)有效地發(fā)出控制信號，繼而讓執(zhí)行機構(gòu)及時地執(zhí)行相應(yīng)操作，從而達到高精度的跟蹤太陽的目的。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 研究太陽光線跟蹤系統(tǒng)，能極大提高太陽能的利用效率，促進太陽能的普及應(yīng)用，我們設(shè)計開發(fā)了一種全自動，全天候的太陽跟蹤系統(tǒng)。以更低的成本，更簡單穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對太陽更大精度的跟蹤。 本發(fā)明的創(chuàng)新點及技術(shù)關(guān)鍵主要有以下七點： 1、進一步提高性價比及實用性 本系統(tǒng)立足于低成本跟蹤技術(shù)的研究，進一步降低跟蹤成本，從多方面提高了其實用性。 2、先進的斷電檢測及數(shù)據(jù)保護 能實現(xiàn)對系統(tǒng)斷電的準確檢測。以應(yīng)對系統(tǒng)在設(shè)備毀壞、完全斷電之類突發(fā)故障的情況下保護系統(tǒng)的各種重要數(shù)據(jù)。在下次來電時能準確記憶斷電前的位置 。 3、采用獨創(chuàng)的、結(jié)構(gòu)新穎且穩(wěn)定可靠的機械傳動部分。在實現(xiàn)靈活反轉(zhuǎn)的同時，也增強了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中的穩(wěn)定性。 4、增加了大風檢測功能 當風力超過4級時系統(tǒng)會自動驅(qū)動電機使電池板回到水平位置。來抵御大風等惡劣環(huán)境，起到對整個裝置的保護作用。 5、進一步排除外界散射光對系統(tǒng)光線檢測部分的影響。 6、能區(qū)分開晚上、多云天及外界偶然陰影對系統(tǒng)的影響。 7、更加節(jié)能化的設(shè)計。 技術(shù)指標 跟蹤精度/（°） ＜1 工作溫度/(℃) -30～+55 提升發(fā)電比例 30﹪ 最大負荷/(㎏) 20 重量/(㎏) 12 尺寸(長*寬*高）/(㎝) 60*50*40 電源/(V) DC24 極限仰角/（°） 75
科學性、先進性
- 目前的跟蹤系統(tǒng)一直沒有普及應(yīng)用。其原因主要有：①系統(tǒng)可靠性不能滿足要求；②跟蹤誤差大；③成本過高。 長期以來，我國在太陽跟蹤系統(tǒng)方面的研究投入不夠，并且，大多數(shù)的研究還處于理論層面上，近年來，有關(guān)太陽跟蹤的論文多不勝數(shù)，但其中很多理論與方法在復(fù)雜的自然環(huán)境下不一定實用，各項理論技術(shù)指標及參數(shù)與實際情況不符。 本發(fā)明立足于實用性，以提高性價比為基本出發(fā)點，從而克服了這些缺點，實現(xiàn)了系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、高精度跟蹤以及低成本。在一天的工作過程中，始終垂直于太陽光的光伏陣列的發(fā)電量要比固定不動的高30﹪左右，而兩個電機在一天中轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)只有幾十圈，并且在不跟蹤的情況下系統(tǒng)會自動斷電，大大節(jié)省了跟蹤系統(tǒng)的自身耗能，凸顯了帶有跟蹤系統(tǒng)的光伏陣列的效率優(yōu)勢。 在本系統(tǒng)的研發(fā)過程中，充分考慮了外界實際環(huán)境（尤其是復(fù)雜的光照條件）與理論上的差別，并在戶外經(jīng)過多次實際試驗、操作，確保了系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 作品于2011年6月3日在河南省第九屆挑戰(zhàn)杯終審決賽中參展
作品所處階段
- 已經(jīng)在實驗室實現(xiàn)了所有預(yù)期功能，運行穩(wěn)定可靠
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、 現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 智能化太陽跟蹤器立足于實用性，從設(shè)計、選材、制作都緊密圍繞這個中心。并且充分考慮了系統(tǒng)在實際環(huán)境中的應(yīng)用。經(jīng)過戶外反復(fù)的試驗得知，本系統(tǒng)的確能安全、穩(wěn)定、精確地運行，并能達到預(yù)期的指標。 大力推廣普及使用太陽能是發(fā)展的必然趨勢，而我國光伏發(fā)電才剛剛起步，光伏發(fā)電市場基本上是一片空白，存在很大的發(fā)展和提升空間。由此可以看出對光伏跟蹤系統(tǒng)的研究有很大的使實用價值，其潛在的廣闊市場必將為社會帶來巨大的經(jīng)濟效益。低廉的成本，精心的設(shè)計，精確地跟蹤，其實用性將為我國以后光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電提供一定的參考作用。
同類課題研究水平概述
- 目前，我國的太陽隨動系統(tǒng)發(fā)展研究基本上還停留在理論研究和試驗階段，已經(jīng)投入運行的產(chǎn)品也具有不穩(wěn)定、跟隨精度低、成本高等缺點。雖然已經(jīng)發(fā)表過許多關(guān)于新型高精度、高穩(wěn)定性、低成本隨動系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的論文，但并沒有生產(chǎn)出來可靠地商品化產(chǎn)品，故，我國在太陽能利用效率上面還有很大的提升空間。 目前的太陽能跟蹤控制器跟蹤方法主要有以下幾種： 第一種是勻速跟蹤法，這種方法是讓跟蹤器在一天的時間內(nèi)對太陽按照設(shè)定值跟蹤。此方法帶來的后果是，無論有沒有太陽，也不管光線夠不夠強，都會按照固定的模式跟蹤，這樣存在很大的盲目性，并且造成了能量的巨大浪費。再者，這種方法的調(diào)整難度較大，一年四季的每一天中，太陽入射的方位角都有所不同，按照固定的模式跟蹤會產(chǎn)生較大誤差； 第二種是時空同步法，這種方法是根據(jù)經(jīng)度和緯度不同，按照天體運行的規(guī)律來計算每時刻太陽所在的高度角和方位角。天體運行的計算需要運用到大量的浮點、三角、反三角等復(fù)雜的運算，要保證計算的精度，普通的單片機需要耗費大量的時間，不能實時地計算。另外，由于蒙氣差的存在，蒙氣差隨著大氣密度、溫度和壓力的變化而變化，不可能很精確地實現(xiàn)太陽跟蹤。 第三種是反射聚光跟蹤法，這種方法雖然在很多情況下可以排除外界散射光的影響，但是匯聚后的光斑帶有巨大能量，尤其是光照強烈的夏季，灼熱的光斑會對感光面造成灼傷，毀壞器件，不利于長久的戶外工作。 機械傳動機構(gòu)主要有以下兩種： 第一種是單軸傳動法，這種方法忽略太陽南北方向的移動，將太陽的運動簡化到兩維，采用這種方法雖然簡單，但跟蹤精度明顯較低，起不到預(yù)期的跟蹤效果。 第二種是傳統(tǒng)的雙軸聯(lián)動法，這種方法的機械構(gòu)造需要有很大的講究，傳統(tǒng)上的方法是將一個電機固定到另一個電機軸上，來實現(xiàn)整個空間的自由轉(zhuǎn)動。但這種結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，尤其是我國的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要集中在西部地區(qū)，那里自然環(huán)境惡劣，對跟蹤器機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提出了很高的要求。因此，市場上需求一種全新的、低廉的、穩(wěn)定的、實用的、性價比高的跟蹤器。
