菲涅尔透镜采光能发电吗

1本实用新型属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种基于菲涅尔透镜和自动跟光模块的光伏发电装置。

背景技术：

2菲涅尔透镜太阳能利用装置早有应用，其最大的优点就是聚光强化，增大光强，提高光伏发电电池转化率，减小电池板面积，降低成本，但很少出现能同时实现太阳能跟踪功能，这在一定程度上影响了对太阳能的充分利用。

3在一天中太阳光的照射角度是不同的，据推算，当光伏组件与太阳光线存在25度的角度偏差时，会导致垂直入射的太阳光散射能增加，使光伏组件的效率降低。如果可以改变接收太阳光平面的水平角和高度角，使得接收平面始终和太阳光线垂直，可以提高太阳能设备的平均效率达30％左右。然而市面上的自动跟光装置比较笨重，实际使用效果不好。

4因此，有必要设计一种能够充分利用太阳能的光伏发电装置。

技术实现要素：

5本实用新型所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于菲涅尔透镜和自动跟光模块的光伏发电装置，能够充分利用太阳能，提高光伏电池板的发电效率。

6本实用新型采用的技术方案如下：

7一种基于菲涅尔透镜和自动跟光模块的光伏发电装置，包括光检测系统、光伏电池板、支架和电机驱动系统；

8所述光检测系统和光伏电池板分别设置在接收平面和光伏平面上；所述接收平面和光伏平面平行固定连接；

9所述光检测系统包括菲涅尔镜、光敏电阻和灰度摄像头；所述菲涅尔透镜和灰度摄像头均放置于接收平面上，灰度摄像头放置于接收平面的中央；n个光敏电阻分别放置于接收平面的n个边缘，分别用于检测接收平面各个方向的光照强度；

10所述光伏电池板始终位于菲涅尔透镜的焦点部位附近；

11所述光伏平面安装在支架上；所述电机驱动系统的输入端与光检测系统的输出端相连，输出端通过电机与支架相连，用于调节固定在支架上的光伏平面的倾斜角度。

12进一步的，所述接收平面和光伏平面均为对称的n边形；所述支架包括n个底座、n 个立柱和n根伸缩杆；n根伸缩杆的一端分别连接光伏平面的n个角，另一端分别连接n 个立柱；n个立柱分别固定在n个底座上；所述伸缩杆通过电机来自动调节其伸缩的程度，从而调节光伏平面的倾斜角度。

13进一步的，所述伸缩杆与光伏平面的连接方式为通过万向节连接，使伸缩杆在使用过程中与光伏平面的接触具有较好的灵活性，使调节伸缩杆时可以带动光伏平面和接收平面朝各个方向旋转，提高装置利用光能效率的精度，实现全方位大角度的补偿机构。

14进一步的，所述立柱与底座通过焊接方式固定。

15进一步的，所述接收平面和光伏平面通过n根支撑杆连接；接收平面和光伏平面的n 个角上分别有n个固定连接孔，每根支撑杆的两端分别与接收平面和光伏平面相应位置的固定连接孔通过螺纹连接，使接收平面与光伏平面平行安装且保持固定。

16进一步的，所述n为偶数；

17所述电机驱动系统包括电机、控制器、a/d转换器和电压比较器；

18电源vcc依次经光敏电阻rx和下拉电阻接地；将光敏电阻rx和下拉电阻之间连接点的电压作为光敏电阻rx对应的电压信号，x＝1,2,

…

,n；

19n个电压比较器的正相输入端和反相输入端分别接入n个光敏电阻对应的电压信号和阈值电压信号，电压比较器输出信号通过n输入与非门，并输出相应结果至控制器，实现阴晴检测；

20在晴天，控制器通过a/d转换器读取各个光敏电阻的输出电压，通过比较器分别比较各组方向相对的光敏电阻对应的电压信号的大小，若方向相对的光敏电阻对应的电压信号不相等，则通过控制电机调节相应的伸缩杆长度，直至方向相对的光敏电阻对应的电压信号的大小相等；

21在阴天，控制器通过灰度摄像头连续拍摄天空图像，并通过电机控制各伸缩杆上升和下降，直至最新采集到的图像中最亮区域的中心点(太阳所在点为白色点，白色点灰度值为255，黑色点灰度值为0，点的灰度值越大，亮度越大)与图像中心点重合，即设采集的图像中最亮区域的中心点坐标值为(x1,y1)，图像中心点坐标值为(x2,y2)，根据两者差值(

△

x,

△ y)驱动电机控制各伸缩杆上升和下降，直至

△

x＝

△

y＝0。

22有益效果：

23本实用新型通过菲涅尔透镜对入射光线进行聚焦，减少入射光线向外辐射能量，以较小的体积，实现了与经典透镜近似相同的折射效果，成本比凸透镜成本低；同时基于光检测系统和电机驱动系统实现了阴晴天两种追光方式的结合，即晴天采用光电追踪法，阴天采用灰度摄像头的追光，通过调节伸缩杆改变接收平面与光伏平面的倾角，使得接收平面与光伏平面实时自动跟踪太阳的照射角度，使得太阳光线始终保持着垂直入射到菲涅尔透镜上，减少光线向外辐射，阴晴天的不同工作模式更加准确实现了自动跟光，从而提高了光伏电池板的发电效率。本实用新型兼具可靠性和有效性，整个装置具有体积小，效率高的特点，符合当前光伏市场需求。

附图说明

24图1为本实用新型实施例提出的光伏发电装置总体结构示意图；

25图2为本实用新型实施例提出的万向节细节图；

26图3为本实用新型实施例提出的阴晴检测电路的电路图；

27图4为本实用新型实施例提出的笛卡尔坐标系示意图；

28图5为本实用新型实施例提出的控制器控制原理图；

29图6为本实用新型实施例提出的系统工作流程图；

30附图标记说明：

31a、b、c、d、伸缩杆，1为接收平面，2为菲涅尔透镜，3为光伏平面，4为光伏电池板，5、6、7、8为支撑杆，9、10、11、12为立柱，13、14、15、16为底座，17为灰度摄像头，18、19、20、21为

万向节。

具体实施方式

32下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细、完整地说明。

33如图1所示，本实施例提供一种基于菲涅尔透镜和自动跟光模块的光伏发电装置，包括光检测系统、光伏电池板、支架和电机驱动系统；

34本实用新型中，n＝4，接收平面和光伏平面均为长方形；

35所述光检测系统和光伏电池板分别设置在接收平面和光伏平面上；所述接收平面和光伏平面平行固定连接；

36所述光检测系统包括菲涅尔透镜2、光敏电阻和灰度摄像头17；所述菲涅尔透镜和灰度摄像头平行放置于接收平面1的中央；四个性能相同的光敏电阻r1、r2、r3和r4分别放置于接收平面的四周，分别位于接收平面的东、南、西、北四个方向上，用于检测接收平面四个方向的光照强度；

37所述光伏电池板放置在光伏平面的中央，光伏电池板始终位于菲涅尔透镜的焦点部位附近；光伏电池板4可以聚焦的太阳光能转换成电能，并储存、输出。

38所述光伏平面安装在支架上；所述电机驱动系统的输入端与光检测系统的输出端相连，输出端通过电机与支架相连，用于调节固定在支架上的光伏平面的倾斜角度。

39具体地，所述接收平面和光伏平面3通过四根支撑杆(5、6、7、8)连接；接收平面和光伏平面的四个角上分别有四个固定连接孔，每根支撑杆的两端分别与接收平面和光伏平面相应位置的固定连接孔通过螺纹连接，使接收平面与光伏平面平行安装且保持固定；接收平面和光伏平面上相应位置的固定连接孔之间的连接方式为：支撑杆的两端通过外螺丝分别连接到接收平面和光伏平面的固定连接孔的内螺丝，光伏平面能一直跟随接收平面运动。

40四根伸缩杆的一端分别连接光伏平面的四个角，另一端分别连接四个立柱(9、10、11、 12)；四个立柱分别固定在四个底座(13、14、15、16)上；本实施例中四个底座分布成 90cm

×

60cm的长方形；四个立柱与四个底座的连接方式使用焊接方式，使得该装置的稳定性能好。

41所述电机驱动系统包括电机、控制器(可采用mcu，如c51单片机，通过编程并烧录程序可以实现控制电机的功能)和电压比较器；控制器控制电机的启动与关闭，电机则控制每根支柱上的伸缩杆的上升和下降。

42系统工作流程图如图4所示。首先，由阴晴检测电路检测天气情况。阴晴检测电路利用光敏电阻的电阻值随光照强度变化而变化的原理，通过电压比较器可以判断天气是阴天还是晴天，将结果传送至mcu，mcu根据不同的天气状况采用不同的追踪方式，晴天采用光电追踪方法，而阴天采用基于灰度摄像头的追光方法。

43阴晴检测电路的电路图如图2所示，r5为一个47千欧的定值电阻，r6为一个10千欧的滑动变阻器，使用4个如图2所示阴晴检测电路，光敏电阻分别为r1、r2、r3、r4，当光敏电阻的阻值随着光照强度增强而减小，r5所分得的电压变大，电压比较器lm324的输出为高电平，将四个电压比较器lm324的输出通过一个四输入与非门，若输出为高电平，则判断是晴天，采用光电追踪方法来控制伸缩杆(自动调节杆)。当光敏电阻的阻值随着光照强度减

弱而增大，r5所分得的电压变小，将四个电压比较器lm324的输出通过一个四输入与非门，若输出为低电平，则判断是阴天，采用基于灰度摄像头的追光方法来控制伸缩杆。

44电机控制的工作原理为：mcu基于阴晴检测电路(四输入与非门)的输出信号判断阴天或者晴天后，通过控制电机调节相应的伸缩杆长度。在本实施例中由程序预先设定三种输出(“00”代表电机正转，即驱动伸缩杆上升；“11”代表电机反转，即驱动伸缩杆下降；“01”代表电机停止)，根据读入的四个光敏电阻对应的电压信号比较情况和烧录的程序来选择性驱动相应电机，进而控制电机，电机调节控制其对应的伸缩杆进行适当伸缩，使平面倾斜一定角度，直至太阳光线与接收平面垂直，相对方向的电阻输出电压相同。

45采用光电追踪方法时的工作原理为：当太阳光垂直照射在接收平面上时，相对两个方向的光敏电阻(如光敏电阻r1和光敏电阻r3)接收光照强度相同，阻值(阻值变化率) 相同，四个相同大小的恒流源分别通过四个电阻输出电压信号相同，则控制四个输出引脚均输出“01”，四个电机均不转动；当太阳照射光与接收平面不垂直时，相对方向的两个光敏电阻所受光强不同，阻值(电阻变化率)不同，对应的电压信号不相同，mcu根据四个光敏电阻的输出电压大小组合来控制四个输出引脚，进而驱动四个电机工作，相应的三个伸缩杆缓缓下降，直至倾斜至一定角度，让光线垂直入射平板。当太阳下山时，任意一个光敏电阻两端的电压都较大。若阴晴检测电路输出为低电平，同时灰度摄像头拍摄照片中未出现最亮点(太阳坐标点)，说明已是夜晚，此时mcu控制控制相应的伸缩杆的电机工作(已下降的伸缩杆上升)，使接收平面恢复初始状态，即接收平面水平。

46采用基于灰色摄像头的追光方法工作原理如下：灰度摄像头拍摄天空图像，针对采集的图像建立笛卡尔坐标系，得到图像上每一个点(x

i

,y

i

)的灰度值。若图像中存在最亮的区域，即为太阳所在区域，定义图像中最亮区域的中心点的坐标值(x1,y1)与图像中心坐标值(x2,y2) 的差值为(

△

x,

△

y)。当太阳光垂直入射时，

△

x＝

△

y＝0。当太阳照射光与接收平面不垂直时，根据不同的

△

x和

△

y组合方式，mcu驱动不同电机工作，从而控制相应的三个伸缩杆缓缓下降，直到倾斜至一定角度，使

△

x＝

△

y＝0，此时太阳光线垂直入射平面。如果灰度图像不存在最亮的区域，判断为天黑，mcu控制电机反转使已下降的伸缩杆上升至接收平面恢复初始状态。

47具体地：

48当光敏电阻r1、光敏电阻r2感光的强度大于光敏电阻r3、光敏电阻r4时，光敏电阻r1 和光敏电阻r2对应的电压信号较大，通过mcu控制伸缩杆c、伸缩杆d、伸缩杆a缓缓下降，直至光敏电阻r1与光敏电阻r3、光敏电阻r2与光敏电阻r4感光相同，mcu控制电机停止，伸缩杆保持当前位置不变，此时太阳光线垂直入射；阴天时采用基于灰度摄像头的追光方法，当

△

x<0且

△

y>0，通过mcu控制伸缩杆c、伸缩杆d、伸缩杆a缓缓下降，直至

△

x＝

△

y＝0，mcu 控制电机停止，伸缩杆保持当前位置不变，此时太阳光线垂直入射。

49当光敏电阻r2、光敏电阻r3感光的强度大于光敏电阻r4、光敏电阻r1时，光敏电阻 r2和光敏电阻r3对应的电压信号较大，通过mcu控制伸缩杆d、伸缩杆b、伸缩杆c缓缓下降，直至光敏电阻r1与光敏电阻r3、光敏电阻r2与光敏电阻r4感光相同，mcu控制电机停止，伸缩杆保持当前位置不变，此时太阳光线垂直入射；阴天时采用基于灰度摄像头的追光方法，当

△

x>0且

△

y>0，通过mcu控制伸缩杆d、伸缩杆b、伸缩杆c缓缓下降，直至

△

x＝

△

y＝0，mcu控制电机停止，伸缩杆保持当前位置不变，此时太阳光线垂直入射。

50当光敏电阻r3、光敏电阻r4感光的强度大于光敏电阻r1、光敏电阻r2时，光敏电阻 r3和光敏电阻r4对应的电压信号较大，通过mcu控制伸缩杆a、伸缩杆b、伸缩杆c缓缓下降，直至光敏电阻r1与光敏电阻r3、光敏电阻r2与光敏电阻r4感光相同，mcu控制电机停止，伸缩杆保持当前位置不变，此时太阳光线垂直入射；阴天时采用基于灰度摄像头的追光方法，当

△

x>0且

△

y<0，通过mcu控制伸缩杆a、伸缩杆b、伸缩杆c缓缓下降，直至

△

x＝

△

y＝0，mcu控制电机停止，伸缩杆保持当前位置不变，此时太阳光线垂直入射。

51当光敏电阻r1、光敏电阻r4感光的强度大于光敏电阻r2、光敏电阻r3时，光敏电阻 r1和光敏电阻r4对应的电压信号较大，通过mcu控制伸缩杆a、伸缩杆b、伸缩杆d缓缓下降，直至光敏电阻r1与光敏电阻r3、光敏电阻r2与光敏电阻r4感光相同，mcu控制电机停止，伸缩杆保持当前位置不变，此时太阳光线垂直入射；阴天时采用基于灰度摄像头的追光方法，当

△

x<0且

△

y<0，通过mcu控制伸缩杆a、伸缩杆b、伸缩杆d缓缓下降，直至

△

x＝

△

y＝0，mcu控制电机停止，伸缩杆保持当前位置不变，此时太阳光线垂直入射。

52当太阳下山之后，任意一个光敏电阻对应的电压信号均非常微弱，阴晴检测电路输出为低电平。处理灰度摄像头拍摄的照片，如果没有找到太阳坐标点，使mcu控制已下降的伸缩杆上升至接收平面恢复初始状态。

53表1晴天阴天系统工作方式判断

[0054][0055]

本实用新型基于菲涅尔透镜和自动跟光模块，能够充分利用太阳能，提高光伏电池板的发电效率。

再多了解一些

完整全部详细技术资料下载

声光延时开关知道吧，可以参考那个电路做前级，输出高低电平给单片机驱动电路控制电机。

如果单片机带AD就更简单了，直接采光敏电阻上的电压，超过阀值就控制电机动作。

电机用4相5线的好控制正反转，一片2003就能驱动；2相4线的话一般用L298驱动；

程序没什么难的，把思路方法想通了相信你一天就能搞定。 动手做出实物才是耗时耗力的难点。

#include<reg51h>

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit DQ=P3^7;//ds18b20与单片机连接口

sbit RS=P3^0;

sbit RW=P3^1;

sbit EN=P3^2;

unsigned char code str1[]={"temperature: "};

unsigned char code str2[]={" "};

uchar data disdata[5];

uint tvalue;//温度值

uchar tflag;//温度正负标志

/lcd1602程序/

void delay1ms(unsigned int ms)//延时1毫秒（不够精确的）

{unsigned int i,j;

for(i=0;i<ms;i++)

for(j=0;j<100;j++);

}

void wr_com(unsigned char com)//写指令//

{ delay1ms(1);

RS=0;

RW=0;

EN=0;

P2=com;

delay1ms(1);

EN=1;

delay1ms(1);

EN=0;

}

void wr_dat(unsigned char dat)//写数据//

{ delay1ms(1);;

RS=1;

RW=0;

EN=0;

P2=dat;

delay1ms(1);

EN=1;

delay1ms(1);

EN=0;

}

void lcd_init()//初始化设置//

{delay1ms(15);

wr_com(0x38);delay1ms(5);

wr_com(0x08);delay1ms(5);

wr_com(0x01);delay1ms(5);

wr_com(0x06);delay1ms(5);

wr_com(0x0c);delay1ms(5);

}

void display(unsigned char p)//显示//

{

while(p!='\0')

{

wr_dat(p);

p++;

delay1ms(1);

}

}

init_play()//初始化显示

{ lcd_init();

wr_com(0x80);

display(str1);

wr_com(0xc0);

display(str2);

}

/ds1820程序/

void delay_18B20(unsigned int i)//延时1微秒

{

while(i--);

}

void ds1820rst()/ds1820复位/

{ unsigned char x=0;

DQ = 1; //DQ复位

delay_18B20(4); //延时

DQ = 0; //DQ拉低

delay_18B20(100); //精确延时大于480us

DQ = 1; //拉高

delay_18B20(40);

}

uchar ds1820rd()/读数据/

{ unsigned char i=0;

unsigned char dat = 0;

for (i=8;i>0;i--)

{ DQ = 0; //给脉冲信号

dat>>=1;

DQ = 1; //给脉冲信号

if(DQ)

dat|=0x80;

delay_18B20(10);

}

return(dat);

}

void ds1820wr(uchar wdata)/写数据/

{unsigned char i=0;

for (i=8; i>0; i--)

{ DQ = 0;

DQ = wdata&0x01;

delay_18B20(10);

DQ = 1;

wdata>>=1;

}

}

read_temp()/读取温度值并转换/

{uchar a,b;

ds1820rst();

ds1820wr(0xcc);//跳过读序列号/

ds1820wr(0x44);//启动温度转换/

ds1820rst();

ds1820wr(0xcc);//跳过读序列号/

ds1820wr(0xbe);//读取温度/

a=ds1820rd();

b=ds1820rd();

tvalue=b;

tvalue<<=8;

tvalue=tvalue|a;

if(tvalue<0x0fff)

tflag=0;

else

{tvalue=~tvalue+1;

tflag=1;

}

tvalue=tvalue(0625);//温度值扩大10倍，精确到1位小数

return(tvalue);

}

//

void ds1820disp()//温度值显示

{ uchar flagdat;

disdata[0]=tvalue/1000+0x30;//百位数

disdata[1]=tvalue%1000/100+0x30;//十位数

disdata[2]=tvalue%100/10+0x30;//个位数

disdata[3]=tvalue%10+0x30;//小数位

if(tflag==0)

flagdat=0x20;//正温度不显示符号

else

flagdat=0x2d;//负温度显示负号:-

if(disdata[0]==0x30)

{disdata[0]=0x20;//如果百位为0，不显示

if(disdata[1]==0x30)

{disdata[1]=0x20;//如果百位为0，十位为0也不显示

}

}

wr_com(0xc0);

wr_dat(flagdat);//显示符号位

wr_com(0xc1);

wr_dat(disdata[0]);//显示百位

wr_com(0xc2);

wr_dat(disdata[1]);//显示十位

wr_com(0xc3);

wr_dat(disdata[2]);//显示个位

wr_com(0xc4);

wr_dat(0x2e);//显示小数点

wr_com(0xc5);

wr_dat(disdata[3]);//显示小数位

}

/主程序/

void main()

{ init_play();//初始化显示

while(1)

{read_temp();//读取温度

ds1820disp();//显示

}

}

这个是测温度的（18b20），你可以参考一下啊！！！！

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