基本信息
- 项目名称：
- 智能化太阳跟踪器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本系统采用三块不同位置的硅光电池做为光电传感器件，使用单片机检测其不同的导通情况来确定太阳的方位，控制两个步进电机运动，驱动电池板运动至垂直光线位置，以达到最大的发电效率。
- 详细介绍：
- 智能化太阳跟踪器立足于实际应用性，以提高性价比为根本出发点。尤其是系统独特的机械传动部分，将太阳能电池板的运动分解成水平和竖直两个方向的运动，并将转动轴由中间移至一端，以增加稳定性。电池板的水平运动靠水平电机通过齿轮带动，电机与电池板上的齿轮齿数之比为17:60，从而有效地降低电池板的转动速度，又可以有效地减缓电机突然启动或突然停止给电池板的冲击力。电池板的竖直运动靠另一个电机通过蜗杆带动，蜗杆两端用轴承固定，而电池板与蜗杆上的法兰连接，竖直电机带动蜗杆转动，法兰便相对蜗杆运动，从而带动电池板做竖直方向的翻转，蜗杆的自锁能力极大的增强了系统的稳定性和安全性，也降低了大风对电池板的影响。 另外风力检测装置主要是由小型直流发电机、运算放大芯片LM324及电压比较芯片LM339构成，如果遇到大风天气，扇叶转动，直流电机产生微弱的电信号经LM324约21倍的放大后通过LM339与设定值（3V）比较，一旦大风检测装置产生的电信号比设定值大，就会给处理机构一个中断信号，系统执行中断子程序，使太阳能电池板回到安全位置。 限位开关的使用。由于该系统电池板的升降是靠蜗杆与法兰的相对运动带动的，一旦系统由于某种原因停止对太阳的跟踪而电池板一直上升或下降，那么法兰将离开蜗杆的螺纹部分，损坏传动机构。但当蜗杆两端按上限位开关后，如果出现上述现象，当法兰移动至蜗杆任一端时，碰到限位开关后，电机将停止转动，从而有效地避免了对系统的损坏。 断电数据保护电路是由电可擦除芯片24C02、3300UF电容等组成。由于太阳东升西落光线周期性的照射，要使电池板达到跟踪太阳的目的，太阳电池板就必须有重复转动的能力，这就要求系统能够记住电池板的初始位置。断电数据保护电路很有效的解决了此问题。一旦系统断电，3300UF的大电容放电将为系统供电1.5S左右，同时向处理机构发出中断请求，使系统转而执行中断子程序，将电池板的位置信息保存至24C02中，当来电时直接从24C02中取出数据，从而回到断电前的状态，提高了系统的可靠性。 稳定的直流稳压芯片的使用。该系统的正常运行无需外界提供电源，直接利用太阳电池板发的电。但电池板发电电压在24-26V之间波动，即使经过太阳电池板控制器，电压依然在25V左右，而系统的控制部分5V直流电源供电，因而必须使用稳压降压器。该系统中的输入18-36V输出5Vdc的MGD10-24S5C稳压降压芯片大大提高了输出电压的稳定性，波动范围小于0.1%，为系统的正常稳定运行提供了安全保障。 该系统的光电传感模块采用高线性度（输出电流与光照强度成正比）的硅光电池作为光敏器件，检测太阳光的强度。采用运算放大器放大硅光电池的输出电流，通过与设定值（3.34V）比较作为判断是否有光照的条件，可以精确地为系统的处理机构提供检测信号，使处理机构有效地发出控制信号，继而让执行机构及时地执行相应操作，从而达到高精度的跟踪太阳的目的。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 研究太阳光线跟踪系统，能极大提高太阳能的利用效率，促进太阳能的普及应用，我们设计开发了一种全自动，全天候的太阳跟踪系统。以更低的成本，更简单稳定的结构实现对太阳更大精度的跟踪。 本发明的创新点及技术关键主要有以下七点： 1、进一步提高性价比及实用性 本系统立足于低成本跟踪技术的研究，进一步降低跟踪成本，从多方面提高了其实用性。 2、先进的断电检测及数据保护 能实现对系统断电的准确检测。以应对系统在设备毁坏、完全断电之类突发故障的情况下保护系统的各种重要数据。在下次来电时能准确记忆断电前的位置 。 3、采用独创的、结构新颖且稳定可靠的机械传动部分。在实现灵活反转的同时，也增强了系统在恶劣环境中的稳定性。 4、增加了大风检测功能 当风力超过4级时系统会自动驱动电机使电池板回到水平位置。来抵御大风等恶劣环境，起到对整个装置的保护作用。 5、进一步排除外界散射光对系统光线检测部分的影响。 6、能区分开晚上、多云天及外界偶然阴影对系统的影响。 7、更加节能化的设计。 技术指标 跟踪精度/（°） ＜1 工作温度/(℃) -30～+55 提升发电比例 30﹪ 最大负荷/(㎏) 20 重量/(㎏) 12 尺寸(长*宽*高）/(㎝) 60*50*40 电源/(V) DC24 极限仰角/（°） 75
科学性、先进性
- 目前的跟踪系统一直没有普及应用。其原因主要有：①系统可靠性不能满足要求；②跟踪误差大；③成本过高。 长期以来，我国在太阳跟踪系统方面的研究投入不够，并且，大多数的研究还处于理论层面上，近年来，有关太阳跟踪的论文多不胜数，但其中很多理论与方法在复杂的自然环境下不一定实用，各项理论技术指标及参数与实际情况不符。 本发明立足于实用性，以提高性价比为基本出发点，从而克服了这些缺点，实现了系统稳定可靠、高精度跟踪以及低成本。在一天的工作过程中，始终垂直于太阳光的光伏阵列的发电量要比固定不动的高30﹪左右，而两个电机在一天中转的总圈数只有几十圈，并且在不跟踪的情况下系统会自动断电，大大节省了跟踪系统的自身耗能，凸显了带有跟踪系统的光伏阵列的效率优势。 在本系统的研发过程中，充分考虑了外界实际环境（尤其是复杂的光照条件）与理论上的差别，并在户外经过多次实际试验、操作，确保了系统的实际应用价值。
获奖情况及鉴定结果
- 作品于2011年6月3日在河南省第九届挑战杯终审决赛中参展
作品所处阶段
- 已经在实验室实现了所有预期功能，运行稳定可靠
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 实物、 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 智能化太阳跟踪器立足于实用性，从设计、选材、制作都紧密围绕这个中心。并且充分考虑了系统在实际环境中的应用。经过户外反复的试验得知，本系统的确能安全、稳定、精确地运行，并能达到预期的指标。 大力推广普及使用太阳能是发展的必然趋势，而我国光伏发电才刚刚起步，光伏发电市场基本上是一片空白，存在很大的发展和提升空间。由此可以看出对光伏跟踪系统的研究有很大的使实用价值，其潜在的广阔市场必将为社会带来巨大的经济效益。低廉的成本，精心的设计，精确地跟踪，其实用性将为我国以后光伏系统的并网发电提供一定的参考作用。
同类课题研究水平概述
- 目前，我国的太阳随动系统发展研究基本上还停留在理论研究和试验阶段，已经投入运行的产品也具有不稳定、跟随精度低、成本高等缺点。虽然已经发表过许多关于新型高精度、高稳定性、低成本随动系统设计开发的论文，但并没有生产出来可靠地商品化产品，故，我国在太阳能利用效率上面还有很大的提升空间。 目前的太阳能跟踪控制器跟踪方法主要有以下几种： 第一种是匀速跟踪法，这种方法是让跟踪器在一天的时间内对太阳按照设定值跟踪。此方法带来的后果是，无论有没有太阳，也不管光线够不够强，都会按照固定的模式跟踪，这样存在很大的盲目性，并且造成了能量的巨大浪费。再者，这种方法的调整难度较大，一年四季的每一天中，太阳入射的方位角都有所不同，按照固定的模式跟踪会产生较大误差； 第二种是时空同步法，这种方法是根据经度和纬度不同，按照天体运行的规律来计算每时刻太阳所在的高度角和方位角。天体运行的计算需要运用到大量的浮点、三角、反三角等复杂的运算，要保证计算的精度，普通的单片机需要耗费大量的时间，不能实时地计算。另外，由于蒙气差的存在，蒙气差随着大气密度、温度和压力的变化而变化，不可能很精确地实现太阳跟踪。 第三种是反射聚光跟踪法，这种方法虽然在很多情况下可以排除外界散射光的影响，但是汇聚后的光斑带有巨大能量，尤其是光照强烈的夏季，灼热的光斑会对感光面造成灼伤，毁坏器件，不利于长久的户外工作。 机械传动机构主要有以下两种： 第一种是单轴传动法，这种方法忽略太阳南北方向的移动，将太阳的运动简化到两维，采用这种方法虽然简单，但跟踪精度明显较低，起不到预期的跟踪效果。 第二种是传统的双轴联动法，这种方法的机械构造需要有很大的讲究，传统上的方法是将一个电机固定到另一个电机轴上，来实现整个空间的自由转动。但这种结构很不稳定，尤其是我国的光伏发电系统主要集中在西部地区，那里自然环境恶劣，对跟踪器机械结构的稳定性提出了很高的要求。因此，市场上需求一种全新的、低廉的、稳定的、实用的、性价比高的跟踪器。
