專利名稱：一種用于太陽能跟蹤支架的光電傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種傳感器，特別涉及一種用于太陽能跟蹤支架的光電傳感器， 屬太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能光伏發(fā)電作為太陽能利用的重要方式，發(fā)展前景非常廣闊，已成為未來解決能源危機(jī)的一種重要途徑。但是，由于太陽能的能量密度低，且隨著季節(jié)和天氣變化而變化，使得太陽能不易搜集，導(dǎo)致光伏發(fā)電的效率比較低，發(fā)電成本較高，限制了太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用和發(fā)展。解決這一問題的一種有效途徑是進(jìn)行太陽方位自動跟蹤?，F(xiàn)有技術(shù)中有一種太陽光跟蹤傳感器，該傳感器的整個受光面上被有一根或多跟帶有吸光層的光纖， 在太陽光彩及裝置中設(shè)有一個不透明圓柱筒體，筒體上端有中央為空的不透明環(huán)形蓋，上述傳感器設(shè)于該筒體下端與環(huán)蓋內(nèi)徑相等的對稱位置上。這種傳感器感光面僅為幾個受光點(diǎn)，而不是一個全方位受光面，必然會存在受光盲區(qū)，不能全面、完整、精確地對太陽光進(jìn)行探測，因此很難使采集裝置全方位對太陽光跟蹤控制，影響對太陽光的有效采集利用。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種用于太陽能跟蹤支架的光電傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、能夠充分提高太陽能利用率。本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的一種用于太陽能跟蹤支架的光電傳感器，包括外殼和底座，所述外殼安裝在底座上，所述外殼內(nèi)部底座的中心位置設(shè)置有四象限光電探測器；所述外殼頂部開有一圓形光孔，所述光孔的圓心位于四象限光電探測器的中心軸上； 所述外殼的側(cè)面與四象限光電探測器對應(yīng)的安裝有四個光強(qiáng)傳感器；所述四象限光電探測器和光強(qiáng)傳感器分別引出一組信號輸出端，并與信號處理電路相連接、信號處理電路通過 A/D通道與控制單元連接，控制單元的輸出端連接執(zhí)行單元的輸入端，控制單元的輸入端還連接有向其發(fā)出時間信息的外部時鐘芯片。本實用新型工作時，外部時鐘芯片向控制單元提供年、月、日、時、分、秒等時間信息，控制單元讀取日期信號d、時間信號t，借助天文學(xué)公式求出當(dāng)天的日出時間和日落時間，屬于成熟技術(shù)。如果當(dāng)前時間t在當(dāng)日的日出時間之后且在日落時間之前，則驅(qū)動跟蹤裝置轉(zhuǎn)至起始位置，開始太陽方位跟蹤，否則不跟蹤。所謂起始位置就是跟蹤開始時刻太陽光線垂直入射至光孔的位置。為了進(jìn)一步擴(kuò)大跟蹤范圍，提高跟蹤精度，本實用新型在外殼的側(cè)面與四象限光電探測器對應(yīng)的安裝有四個光強(qiáng)傳感器，作為粗略跟蹤部分。當(dāng)太陽光線照射在光強(qiáng)傳感器上時，信號處理電路將光強(qiáng)傳感器的光電流信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號， 并進(jìn)行放大處理后輸入到控制單元的A/D通道?？刂茊卧治鎏幚聿杉降墓鈴?qiáng)傳感器的信號，并根據(jù)外部時鐘芯片提供的年、月、日、時、分、秒等時間信息，結(jié)合太陽方位跟蹤算法，控制跟蹤裝置實現(xiàn)太陽方位粗略跟蹤。對于精確跟蹤部分，本實用新型在外殼內(nèi)部底座的中心位置設(shè)置有四象限光電探測器，四象限光電探測器由四個光電探測器構(gòu)成，每個探測器一個象限，并分別引出一組信號輸出端。當(dāng)太陽光線通過光孔照射在四象限探測器的光敏面上時，利用太陽入射光斑在其光敏面上四個象限內(nèi)分布面積的變化而引起的四個象限輸出光電流信號的變化，來檢測太陽方位的精確偏移情況。太陽方位偏移是指當(dāng)太陽相對于四象限光電探測器移動時，當(dāng)前太陽方位相對于先前太陽光線垂直入射時太陽方位的偏移。整個光電傳感器固定在跟蹤裝置上，跟蹤裝置為二維跟蹤裝置，主要由裝置底座、 支架和兩套機(jī)械傳動在機(jī)構(gòu)構(gòu)成，屬于成熟技術(shù)。該跟蹤裝置的兩套機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)能夠分別帶動太陽光跟蹤傳感器在水平方向上旋轉(zhuǎn)和在與水平方向垂直的方向上俯仰。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是1.通過光電跟蹤方式的閉環(huán)控制功能消除了積累誤差，提高了跟蹤精度，可實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；2.由粗略跟蹤和精確跟蹤兩部分組成，有利于提高太陽方位檢測的準(zhǔn)確性；3.采用四象限光電傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光纖傳感器，其光敏面為全方位受光面，而不是簡單的幾個受光點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全面、完整、精確地對太陽光進(jìn)行探測。為了將照射到四象限光電探測器光敏面上的太陽直射光線轉(zhuǎn)換為近似圓形的光斑同時在一定程度上屏蔽環(huán)境光的干擾，所述光孔處最好設(shè)有圓形透明防護(hù)玻璃。防護(hù)玻璃的半徑小于四象限探測器的光敏面的半徑。現(xiàn)有技術(shù)中的太陽光跟蹤傳感器的外殼為圓柱筒體，只有當(dāng)太陽光垂直入射或者入射角較小時，才能照射在四象限探測器的光敏面上。而本實用新型的外殼呈圓錐臺狀，直徑沿中心線從上到下逐漸增大。假設(shè)外殼的頂部夾角為β，那么當(dāng)入射角小于β/2時，四象限探測器的光敏面均可感受到偏差信號，擴(kuò)大了精確跟蹤范圍，提高了跟蹤精度。入射角是指太陽光線的入射方向與本實用新型中心軸線的夾角。所述外殼的側(cè)面與四象限光電探測器對應(yīng)的分布有四個凹槽，所述光強(qiáng)傳感器安裝在凹槽內(nèi)，可使得光強(qiáng)傳感器更牢固可靠的安裝在外殼的側(cè)面上。為了保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，同時使得本實用新型具有較高的跟蹤精度，所述光孔的直徑最好為3-6毫米，光孔中心到四象限光電探測器中心的高度為30-40毫米。作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述四象限光電探測器為四象限光電池或四象限光敏元件陣列，并相對于光敏面的中心對稱分布，分別對應(yīng)直角坐標(biāo)系的一個象限。作為本實用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述光強(qiáng)傳感器為如硅光電池或光電二極管，可以把光信號轉(zhuǎn)換為電信號。所述信號處理電路為常用的運(yùn)算放大電路，能夠?qū)⑺南笙薰怆娞綔y器和光強(qiáng)傳感器輸出的光電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并進(jìn)行一定的放大處理，屬于成熟技術(shù)。所述外部時鐘芯片采用接口簡單、價格低廉、帶RAM的實時時鐘電路，可以通過串行通訊向控制單元提供年、月、日、時、分、秒等時間信息。

圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實用新型電路原理框圖。圖3為本實用新型工作流程圖。圖4為光強(qiáng)傳感器的粗略跟蹤示意圖。[0020]圖5為四象限光電探測器的精確跟蹤示意圖。圖6為光斑僅在X軸正向偏移Δ χ的定位原理圖。圖7為光斑僅在Y軸正向偏移Δ y的定位原理圖。圖8為光線在高度角方向上的角度偏移示意圖。圖中1外殼；2底座；3四象限光電探測器；4光孔；5光強(qiáng)傳感器；6防護(hù)玻璃；7凹槽。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖1所示，為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，一種用于太陽能跟蹤支架的光電傳感器，包括外殼1和底座2，外殼1安裝在底座2上，外殼1內(nèi)部底座的中心位置設(shè)置有四象限光電探測器3 ；外殼1頂部開有一圓形光孔4，光孔4的圓心位于四象限光電探測器3的中心軸上；外殼1的側(cè)面與四象限光電探測器3對應(yīng)的安裝有四個光強(qiáng)傳感器5 ；四象限光電探測器3和光強(qiáng)傳感器5分別引出一組信號輸出端，并與信號處理電路相連接、信號處理電路通過A/D通道與控制單元連接，控制單元的輸出端連接執(zhí)行單元的輸入端，控制單元的輸入端還連接有向其發(fā)出時間信息的外部時鐘芯片，其電路原理框圖如圖2所示。光孔4 處設(shè)有圓形透明防護(hù)玻璃6。外殼1呈圓錐臺狀，直徑沿中心線從上到下逐漸增大。外殼1 的側(cè)面與四象限光電探測器3對應(yīng)的分布有四個凹槽7，光強(qiáng)傳感器5安裝在凹槽7內(nèi)。光孔4的直徑為3-6毫米，光孔4中心到四象限光電探測器3中心的高度為30-40毫米。四象限光電探測器3為四象限光電池或四象限光敏元件陣列。光強(qiáng)傳感器5為硅光電池或光電二極管。執(zhí)行單元為二維跟蹤裝置，整個光電傳感器固定在跟蹤裝置上，其主要由裝置底座、支架和兩套機(jī)械傳動在機(jī)構(gòu)構(gòu)成，屬于成熟技術(shù)。該跟蹤裝置的兩套機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)能夠分別帶動本實用新型在水平方向上旋轉(zhuǎn)和在與水平方向垂直的方向上俯仰。如圖3所示，為本實用新型工作流程圖。外部時鐘芯片向控制單元提供年、月、日、 時、分、秒等時間信息，控制單元讀取日期信號d、時間信號t，借助天文學(xué)公式求出當(dāng)天的
日出時間各和日落時間4，屬于成
熟技術(shù)。如果當(dāng)前時間t在當(dāng)日的日出時間&之后且在日落時間^之前，則驅(qū)動跟蹤裝置轉(zhuǎn)
至起始位置，開始太陽方位跟蹤，否則不跟蹤，并重新采集時間信息。當(dāng)時間信息滿足跟蹤條件，控制單元分析處理從四個象限采集的光強(qiáng)傳感器的信號，比較X軸或者Y軸上相對的兩個光強(qiáng)傳感器的電流輸出值，初步判斷太陽方位，并向執(zhí)行單元發(fā)出粗略跟蹤信號。如圖4所示，假設(shè)外殼1的頂部夾角為β，當(dāng)太陽光線入射角為士(180° -β/2)時，光強(qiáng)傳感器均可感受到偏差信號，所以本實用新型的粗略跟蹤范圍為 (360° -β)。在粗略調(diào)整到位之后，控制單元采集四象限光電探測器3傳來的信號，檢測有無偏差，有偏差則向執(zhí)行單元發(fā)出精確跟蹤信號。如圖5所示，為四象限光電探測器3的定位原理示意圖。太陽直射光線通過光孔4在四象限光電探測器3的光敏面上形成近似于圓形
的光斑。太陽移動時，光斑在四個象限A、B、C、D上的分布面積Sa、瑪、S￡、Sd發(fā)生變化，引起四象限光電探測器3的四個象限輸出光電流的變化，太陽方位偏移的情況也隨之確定。 圖4中X軸對應(yīng)東西方向，Y軸對應(yīng)南北方向，Δ χ和Δ y分別為太陽光線在方位角和高度角方向的位置偏移。四象限光電探測器3的四個輸入端與直流電源相連，四個輸出端分別與信號處理電路相連，構(gòu)成四個對稱的信號處理支路。假設(shè)四個象限A、B、C、D的輸出光電流值為i；、
厶、4、厶，一般的光功率密度在短時間內(nèi)可以看作固定值，所以輸出光電流的值與光照面積成正比。利用四象限加減算法計算光斑在X軸和Y軸上的位置偏移Δ χ和Ay。設(shè)％ 和馬分別為光斑在X軸和Y軸上的面積偏移，則Ex=S^Sd-Si-Se(1)E7=S^Si-Si-S,(2)為了消除光線強(qiáng)度的影響，進(jìn)行歸一化處理
(3)
(4) 由于Ie2、厶、Zf、厶分別與Sc、與、&、&成正比，公式(3 )和(4)可分別等價為公
式(5)和(6)。根據(jù)檢測到的4、A、4、/.就可以計算出筆和蔦
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πτ 4ΛνHy =(10)
Τ上述公式中r為光斑的半徑，也即光孔4的半徑。由于光斑的偏移可分解為在X 軸和Y軸上的偏移，如圖5中光斑的偏移情況可分解為圖6和圖7中的兩種情況。圖6和圖7分別描述了光斑僅在X軸正向偏移Δ χ和僅在Y軸正向偏移Δ y的情況，0和0’分別代表四象限光電探測器3和光斑的圓心。根據(jù)公式(9)和(10)的變換結(jié)果，即可解得Δ χ和Ay的值，I Δχ| ^r, | Δγ| ^γ,Δχ > 0時代表太陽在方位角方向上向西偏移，反之向東；Ay > 0時，代表太陽在高度角方向上向北偏移，反之向南。進(jìn)一步將位置偏移Δ X和Δ y轉(zhuǎn)換為太陽光線在X軸和y軸方向上的角度偏移。 如圖8所示，設(shè)H為光孔4中心到四象限光電探測器3中心的高度，θ和δ分別為太陽光線在高度角和方位角方向上的角度偏移，那么
權(quán)利要求1.一種用于太陽能跟蹤支架的光電傳感器，其特征在于，包括外殼和底座，所述外殼安裝在底座上，所述外殼內(nèi)部底座的中心位置設(shè)置有四象限光電探測器；所述外殼頂部開有一圓形光孔，所述光孔的圓心位于四象限光電探測器的中心軸上；所述外殼的側(cè)面與四象限光電探測器對應(yīng)的安裝有四個光強(qiáng)傳感器；所述四象限光電探測器和光強(qiáng)傳感器分別引出一組信號輸出端，并與信號處理電路相連接、信號處理電路通過A/D通道與控制單元連接，控制單元的輸出端連接執(zhí)行單元的輸入端，控制單元的輸入端還連接有向其發(fā)出時間信息的外部時鐘芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光跟蹤傳感器，其特征在于，所述光孔處設(shè)有圓形透明防護(hù)玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光跟蹤傳感器，其特征在于，所述外殼呈圓錐臺狀，直徑沿中心線從上到下逐漸增大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光跟蹤傳感器，其特征在于，所述外殼的側(cè)面與四象限光電探測器對應(yīng)的分布有四個凹槽，所述光強(qiáng)傳感器安裝在凹槽內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光跟蹤傳感器，其特征在于，所述光孔的直徑為3- 6 毫米，光孔中心到四象限光電探測器中心的高度為30 - 40毫米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光跟蹤傳感器，其特征在于，所述四象限光電探測器為四象限光電池或四象限光敏元件陣列。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的太陽光跟蹤傳感器，其特征在于，所述光強(qiáng)傳感器為硅光電池或光電二極管。
專利摘要本實用新型公開了一種用于太陽能跟蹤支架的光電傳感器，旨在提供一種能夠全面、完整、精確地對太陽光進(jìn)行跟蹤探測的光電傳感器。它包括外殼和底座，外殼安裝在底座上，外殼內(nèi)部底座的中心設(shè)置有四象限光電探測器；外殼頂部開有一圓形光孔，光孔的圓心位于四象限光電探測器的中心軸上；外殼的側(cè)面與四象限光電探測器對應(yīng)的安裝有四個光強(qiáng)傳感器；四象限光電探測器和光強(qiáng)傳感器分別引出一組信號輸出端，并與信號處理電路相連接、信號處理電路通過A/D通道與控制單元連接，控制單元的輸出端連接執(zhí)行單元的輸入端，控制單元的輸入端還連接有向其發(fā)出時間信息的外部時鐘芯片，本實用新型可用于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域能有效提高太陽能利用率。
文檔編號G01J1/42GK202255421SQ20112036099
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者周金龍, 戴君, 朱冬宏, 田群 申請人:金海新源電氣江蘇有限公司