本發(fā)明涉及太陽跟蹤傳感器，尤其涉及一種基于光纖導(dǎo)光的太陽跟蹤傳感。

背景技術(shù)：

隨著化石能源的不斷消耗，使得地球上原本有限的能源量變得越來越緊迫，在所有可再生能源中，太陽能因具有數(shù)量大、能量強(qiáng)、清潔無污染等特點(diǎn)成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要開發(fā)內(nèi)容之一，但是太陽還有分布不均勻、強(qiáng)度不均勻等特點(diǎn)，這使的對太陽的開發(fā)和利用變得比較困難。

隨著人類對太陽能的研究不斷的深入與廣泛，目前研制成功的太陽能產(chǎn)品如熱水器、太陽能光伏發(fā)電等設(shè)備已成功投入生產(chǎn)使用，并為人類的生活帶來了極大的方便，同時(shí)也節(jié)約了大量的能源。然而這些均為固定式太陽能產(chǎn)品，相對于地球作不斷運(yùn)動的太陽來說，真正被利用的能量微乎其微。所以現(xiàn)階段涌現(xiàn)了大量對太陽實(shí)時(shí)跟蹤的研究熱潮。香港大學(xué)教授通過研究太陽角度與太陽采光率的關(guān)系得出結(jié)論，固定式太陽設(shè)備與跟蹤式太陽設(shè)備的太陽光采集率差了37.7％。所以跟蹤式太陽設(shè)備的開發(fā)研究具有重要的意義。用于太陽跟蹤的傳感器使用最多的就是光電式傳感，常用的有隔板式、金字塔式、鏡筒式等。前兩者精度不高穩(wěn)定性差，而鏡筒式精度得到提高的同時(shí)卻限制了跟蹤范圍。有研究者提出將光纖和光電傳感元件結(jié)合的辦法提高傳感器的性能，如中國專利申請?zhí)枺?00910264755，名稱為：一種太陽敏感器及其測量方法的專利，公開了利用光纖的導(dǎo)光功能將四個(gè)方位上的太陽光線傳送給光感元件，而一根光纖直接接受太陽光比較弱，且受到數(shù)值孔徑的限制，需要外加gps定位先進(jìn)行粗定位后才能利用光纖進(jìn)行精確定位，控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，維護(hù)成本也比較高，理論上并不理想。

目前太陽跟蹤常用的高精度跟蹤方法是二級跟蹤，包括精定位和粗定位，兩者相互獨(dú)立，通常需要采集八路信號或者另外使用時(shí)鐘跟蹤模塊、gps全球定位等結(jié)合使用才能實(shí)現(xiàn)完整的跟蹤，所以系統(tǒng)的控制就相對比較復(fù)雜，成本較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種基于光纖導(dǎo)光的太陽跟蹤傳感器，通過采用精定位與粗定位相結(jié)合的定位方法，擴(kuò)大傳感器的跟蹤范圍，提高傳感器的跟蹤精度，降低系統(tǒng)的成本。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

一種基于光纖導(dǎo)光的太陽跟蹤傳感器，包括采光模塊和信號采集模塊，所述采光模塊主要包括精定位采光模塊和粗定位采光模塊，所述信號采集模塊包括光電元件和采集電路，所述精定位采光模塊包括凸透鏡、鏡筒、光纖固定管和四根精定位光纖，凸透鏡安裝于鏡筒的頂端，四根精定位光纖的入射端通過光纖固定管固定于凸透鏡的正下方，四根精定位光纖的中心連線為正方形，定義四根精定位光纖(41-44)所處的方位分別為a、b、c、d四個(gè)方向，所述鏡筒的中心軸線與四根精定位光纖的端面垂直；

所述粗定位采光模塊包括四個(gè)沿圓周方向均布在鏡筒側(cè)面上的粗定位光纖組，四個(gè)所述粗定位光纖組分別位于a、b、c、d四個(gè)方向上，每個(gè)粗定位光纖組中的粗定位光纖數(shù)量相同，所述粗定位光纖的入射端面從鏡筒內(nèi)穿過鏡筒的表面，每個(gè)粗定位光纖組中的粗定位光纖的入射端從上到下依次排列，并且粗定位光纖的入射端面的垂線與鏡筒中心軸線的夾角大于αmax，所述αmax為粗定位光纖的最大入射角；

所述信號采集模塊包括四個(gè)光電池、暗盒和電路板，所述鏡筒位于暗盒的上表面，暗盒內(nèi)設(shè)有四個(gè)暗格，四個(gè)光電池分別置于四個(gè)暗格內(nèi)，且四個(gè)光電池分別處于a、b、c、d四個(gè)方向上，所述電路板設(shè)于暗盒內(nèi)部底面，且所述光電池均集成在電路板上；

位于a和c方向上的精定位光纖的中心線、粗定位光纖的中心線以及光電池的中心點(diǎn)均位于同一平面內(nèi)，位于b和d方向上的精定位光纖的中心線、粗定位光纖的中心線以及光電池的中心點(diǎn)均位于同一平面內(nèi)；

四根精定位光纖和四個(gè)粗定位光纖組組成四個(gè)采光組，每個(gè)采光組包括一根精定位光纖和一個(gè)粗定位光纖組，并且所述精定位光纖和一個(gè)粗定位光纖的導(dǎo)出端均穿過暗盒的上表面進(jìn)入暗盒中，四個(gè)光電池分別與一個(gè)采光組連接，每個(gè)光電池與和其位于同一方向上的精定位光纖的導(dǎo)出端相連，并且與位于所述光電池對面方向上的粗定位光纖組的導(dǎo)出端相連接。

優(yōu)選地，太陽光正入射時(shí)，凸透鏡(1)聚焦光斑在四根精定位光纖的入射端面上形成的光斑半徑d滿足：r’為精定位光纖纖芯的半徑。

優(yōu)選地，所述四根精定位光纖的入射端面與凸透鏡中心的距離為l，其中，r為凸透鏡的半徑，f為凸透鏡的焦距。

優(yōu)選地，所述每個(gè)粗定光纖組中有n(n≥2)根粗定位光纖，從上到下第i根粗定位光纖的入射端面垂線與鏡筒中心軸線夾角定義為ηi，ηi滿足：2αmax>ηi-ηi-1>0，這里n≥i>1。

優(yōu)選地，每個(gè)粗定光纖組中從上到下第1根粗定位光纖的入射端面垂線與鏡筒中心軸線夾角η1滿足：η1≤αmax+β，所述β滿足：h為太陽光正入射時(shí)，經(jīng)凸透鏡聚焦到達(dá)精定位光纖的入射端面時(shí)的光斑半徑。

優(yōu)選地，每個(gè)粗定光纖組中從上到下第n根粗定位光纖的入射端面的垂線與鏡筒的中心軸線的夾角ηn滿足：ηn+αmax≥90°。

優(yōu)選地，所述粗定位光纖和精定位光纖上均涂有紫外固化膠。

優(yōu)選地，所述凸透鏡的半徑r與精定位光纖纖芯的半徑r’之比滿足：15≥r/r’≥5。

優(yōu)選地，所述鏡筒包括第一鏡筒和第二鏡筒，所述第一鏡筒為圓柱形，凸透鏡和光纖固定管均置于第一鏡筒中，所述光纖固定管的底端與第一鏡筒的底端平齊，所述第二鏡筒為圓臺形，第二鏡筒連接第一鏡筒和暗盒，所述粗定位光纖組沿圓周方向均布在第二鏡筒側(cè)面上。

優(yōu)選地，所述四個(gè)光電池均為硅光電池。

本發(fā)明的有益效果：

1)本發(fā)明太陽發(fā)生小角度偏移時(shí)，聚焦在精定位光纖入射端面上的光斑會靈敏的發(fā)生一定位移的偏移，位于對角方向上的兩根精定位光纖接受到的光強(qiáng)差值變化更為明顯，極大的提高了傳感器的跟蹤精度，同時(shí)也提高了靈敏度。

2)本發(fā)明設(shè)有粗定位采光模塊，當(dāng)太陽偏角大于精定位采光模塊的跟蹤范圍角，則由粗定位采光模塊對太陽光進(jìn)行跟蹤定位，由于粗定位采光模塊可以在寬角度范圍內(nèi)均能采集到太陽光，擴(kuò)大了本發(fā)明傳感器的跟蹤范圍角。

3)本發(fā)明采用精定位采光與粗定位采光相結(jié)合的定位方法，減少了光電池的數(shù)量，從而簡化了電路板的設(shè)計(jì)，降低了成本。

4)本發(fā)明的光電池集成在電路板上，提高了傳感器的集成度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述基于光纖導(dǎo)光的太陽跟蹤傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述精定位光纖與粗定位光纖的排布示意圖。

圖3為本發(fā)明所述基于光纖導(dǎo)光的太陽跟蹤傳感器的精定位工作原理圖。

圖4為本發(fā)明一根精定位光纖的光通量及對應(yīng)光電池的輸出信號的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。

圖5為本發(fā)明所述基于光纖導(dǎo)光的太陽跟蹤傳感器的粗定位工作原理圖。

圖6為本發(fā)明粗定位在位于對角方向上的兩個(gè)光電池輸出電流信號數(shù)據(jù)圖。

其中：

1.透鏡；101.濾光片；2.鏡筒；3.光纖固定管；41～44.精定位光纖；45～48.粗定位光纖；5.暗盒；61～64.光電池；7.電路板；.l.透鏡到導(dǎo)光光纖端面的距離；f.透鏡的焦距。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1所示，本發(fā)明所述的一種基于光纖導(dǎo)光的太陽跟蹤傳感器，包括采光模塊和信號采集模塊，所述采光模塊包括精定位采光模塊和粗定位采光模塊，所述精定位采光模塊包括凸透鏡1、鏡筒2、光纖固定管3和四根精定位光纖41-44，鏡筒2包括第一鏡筒和第二鏡筒，所述第一鏡筒為圓柱形，所述第二鏡筒為圓臺形，第一鏡筒與第二鏡筒的一端連接。

凸透鏡1安裝于第一鏡筒的頂端，濾光片101安裝于凸透鏡1的上方，用于過濾掉可見光之外的光波，四根精定位光纖41-44的入射端通過光纖固定管3固定于凸透鏡1的正下方，四根精定位光纖41-44的中心連線為正方形，定義四根精定位光纖41-44所處的方位分別為a、b、c、d四個(gè)方向，所述鏡筒2的中心軸線與精定位光纖41-44的入射端面垂直；所述四根精定位光纖41-44的入射端面與凸透鏡中心的距離為其中r為凸透鏡1的半徑，f為凸透鏡1的焦距，該表達(dá)式得到的l值使得太陽光正入射時(shí)，經(jīng)凸透鏡1聚焦到達(dá)光纖入射端面時(shí)的光斑半徑

凸透鏡1的半徑r與精定位光纖纖芯的半徑r’之比滿足：15≥r/r’≥5。為了保證精定位光纖識別到太陽光，凸透鏡1聚焦光斑在四根精定位光纖41-44的入射端面上形成的光斑半徑d滿足：

所述粗定位采光模塊包括四個(gè)沿圓周方向均布在第二鏡筒側(cè)面上的粗定位光纖組45-48，四個(gè)所述粗定位光纖組45-48分別位于a、b、c、d四個(gè)方向上，本實(shí)施例中每個(gè)粗定位光纖組中有兩根粗定位光纖，粗定位光纖上涂有紫外固化膠，以濾除包層光。所述粗定位光纖的入射端面由鏡筒2內(nèi)穿過鏡筒2的表面，每個(gè)粗定位光纖組中的粗定位光纖的入射端從上到下依次排列，并且每個(gè)粗定位光纖組中從上到下第i根粗定位光纖的入射端面垂線與鏡筒2中心軸線夾角定義為ηi，ηi滿足：2αmax>ηi-ηi-1>0，這里n≥i>1。其中，第一根粗定位光纖的入射端面垂線與鏡筒2中心軸線夾角定義為η1滿足：η1≤αmax+β，所述β滿足：h為太陽光正入射時(shí)，經(jīng)凸透鏡1聚焦到達(dá)精定位光纖41-44的入射端面時(shí)的光斑半徑。第2根粗定位光纖的入射端面垂線與鏡筒2中心軸線夾角定義為η2滿足：η2+αmax≥90°。

所述信號采集模塊包括四個(gè)光電池61-64、暗盒5和電路板7，第二鏡筒的另一端與暗盒5的上表面連接，暗盒5內(nèi)設(shè)有四個(gè)暗格，四個(gè)光電池61-64分別置于四個(gè)暗格內(nèi)，且四個(gè)光電池61-64分別處于a、b、c、d四個(gè)方向上，所述電路板7設(shè)于暗盒5內(nèi)部底面，且所述光電池61-64均集成在電路板7上，暗盒5是由黑體材料制成，可以擋住光線使光電池在完全黑暗的空間中，從而保證光電池接收光時(shí)互不干擾。

位于a和c方向上的精定位光纖的中心線、粗定位光纖的中心線以及光電池的中心點(diǎn)均位于同一平面內(nèi)，位于b和d方向上的精定位光纖的中心線、粗定位光纖的中心線以及光電池的中心點(diǎn)均位于同一平面內(nèi)。

四根精定位光纖41-44和四個(gè)粗定位光纖組45-48組成四個(gè)采光組，每個(gè)采光組中包括一根精定位光纖和一個(gè)粗定位光纖組，并且所述精定位光纖和粗定位光纖的導(dǎo)出端均穿過暗盒5的上表面進(jìn)入暗盒5中，如圖2所示，四個(gè)光電池61-64分別與一個(gè)采光組連接，每個(gè)光電池與和其位于同一方向上的精定位光纖的導(dǎo)出端相連，并與和其對面方向上的粗定位光纖組的導(dǎo)出端相連接。

如圖3所示，當(dāng)太陽光角度落在精定位范圍內(nèi)時(shí)，凸透鏡1將太陽光聚焦到精定位光纖的入射端面，當(dāng)太陽光光線與鏡筒2中心軸線呈一夾角時(shí)，凸透鏡1聚焦后的光斑也發(fā)生偏移，導(dǎo)致不同精定位光纖中的聚光能量不同，由此可判斷太陽光偏移方向。太陽光光線與鏡筒2中心軸線平行時(shí)，精定位光纖中聚光能量相同。在粗定位角度范圍和精定位角度范圍的重疊區(qū)域內(nèi)，粗定位光纖仍然可能收集到光。但是，一方面由于其集光面遠(yuǎn)小于凸透鏡1，因而收集到的光強(qiáng)遠(yuǎn)弱于精定位光纖；另一方面，由于四個(gè)采光組中的光電池均采集處于對角方向上的精定位光纖和粗定位光纖組所導(dǎo)出的太陽光，因此，同一時(shí)間內(nèi)處于對角方向上的粗定位光纖組與精定位光纖均導(dǎo)出太陽光，或者只有粗定位光纖組導(dǎo)出太陽光，因而，設(shè)置粗定位光纖組不影響精定位光纖對太陽光偏移方向的判斷。

凸透鏡1的半徑應(yīng)適宜，從而為光電池提供能量大小范圍合適的太陽光。為避免凸透鏡1聚焦的太陽光照射到精定位光纖的側(cè)面，對精定位光纖41-44加紫外固化膠，加以保護(hù)和避免太陽光進(jìn)入光纖中。凸透鏡1也可采用具有同樣功能的菲涅耳透鏡來替代。

太陽光正入射時(shí)，凸透鏡1所聚焦的光在精定位光纖41-44的入射端面上形成的光斑半徑d滿足：即上述光斑最大能夠剛好覆蓋四根精定位光纖41-44的入射端面，通過調(diào)節(jié)l值的大小來調(diào)節(jié)的光斑覆蓋面的范圍，但正入射時(shí)，光斑覆蓋面最小能夠保證四根精定位光纖41-44的入射端面均可收到光。理想情況下，經(jīng)凸透鏡1聚焦到達(dá)四根精定位光纖41-44的入射端面時(shí)的光斑半徑應(yīng)為即正入射時(shí)，光斑邊緣與四個(gè)精定位光纖的41-44的邊緣均有兩個(gè)交點(diǎn)，并且每個(gè)光纖上的兩個(gè)交點(diǎn)連線為該光纖導(dǎo)入端面的直徑，當(dāng)太陽光產(chǎn)生小角度偏差時(shí)，同樣的角度偏差，這種光斑將引起最大的采光面積變化，因而可以獲得更為明顯光強(qiáng)差，提高追蹤精度。

如圖4所示為處于對角方向上的兩個(gè)光電池的輸出電流差與模擬光源偏角的關(guān)系以及對應(yīng)的精定位光纖的光通量差與模擬光源偏角的關(guān)系。由圖可以看出，精定位光纖的光通量差的變化與光電池的輸出信號差的變化趨勢是一致的，實(shí)驗(yàn)證明精定位方案是可行的。試驗(yàn)中選擇的凸透鏡參數(shù)分別為直徑為17mm，焦距為25mm，光斑半徑為2.38mm，距離l為28mm。光纖直徑為2mm，長度為100mm。此時(shí)的光斑正好覆蓋四根精定位光纖的入射端面，而跟蹤精度由精定位光纖導(dǎo)入端面的光斑面積變化率與光電池的光電轉(zhuǎn)換率決定，

控制部分的電路板7若采用12位精度的a/d轉(zhuǎn)換器，那么光電池可識別的光強(qiáng)為4.88lux，實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明傳感器在陰天光強(qiáng)下可以達(dá)到4.5°的跟蹤精度，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到10⁵lux時(shí)，精度達(dá)0.02°，而夏季正午的太陽光強(qiáng)可達(dá)10⁹lux，精度可達(dá)0.001°以上。而本發(fā)明的理想狀態(tài)下，光斑半徑為時(shí)，h比實(shí)驗(yàn)所得的光斑半徑更小，在太陽移動過程中處于對角方向上的兩根精定位光纖的導(dǎo)光量差變化更大，系統(tǒng)分辨率更高，精度也會變高。

由于粗定位光纖的數(shù)值孔徑有限，為保證粗定位光纖可以在寬角度范圍內(nèi)均能采集到太陽光，可以采用多根粗定位光纖以不同的角度排布在同一方向上，且這多根光纖與鏡筒2的中軸線在同一平面內(nèi)。位于同一粗定位光纖組中的粗定位光纖的入射角范圍之間可以有一定的重疊，其與鏡筒中心軸線的夾角范圍可達(dá)90°以上。如圖2和圖5所示，為每粗定位光纖組有兩根光纖，分別與鏡筒中軸線成60°和30°，光纖的最大入射角為30°，每組兩根光纖的入射角范圍之間重疊了30°，可實(shí)現(xiàn)90°的集光角，所以位于對角方向上的粗定位光纖組的集光角范圍可達(dá)180°。而且在粗定位階段太陽在任何角度時(shí)只能使在位于對角方向上的其中一個(gè)粗定位光纖組上產(chǎn)生有效入射光，而另一個(gè)粗定位光纖組則接收不到光線，由此位于對角方向上的光電池接受到的光強(qiáng)差就比較明顯，可以快速的識別太陽的偏角情況。本發(fā)明采用封閉的鏡筒2將光纖包在其內(nèi)，除粗定位光纖的入射端面外，光纖均在鏡筒2內(nèi)部，從而避免環(huán)境雜散光的影響，為避免透鏡聚焦的太陽光直接照射到光電池，采用暗盒5的方式，使得光電池只能接收光纖導(dǎo)出的光。

如圖6所示，為粗定位組模擬光源偏角從-90°到0°的對應(yīng)光電池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該實(shí)驗(yàn)中的傳感器上只設(shè)置了一個(gè)對角方向上的粗定位光纖組，由圖6可以看到這組光電池產(chǎn)生的電流輸出完全符合理論猜想。當(dāng)光源偏角為0°時(shí)兩個(gè)光電池的電流輸出相同，與理論值一致。在0°到90°之間實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之對稱，這里不再介紹。

由于粗定位光纖直接接受太陽光的輻射，難免受到干擾光的影響，精度自然不會高。所以把四根精定位與四組粗定位結(jié)合使用，既可以實(shí)現(xiàn)大范圍跟蹤，也可實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)定運(yùn)行。本系統(tǒng)也可以在三個(gè)方向以及更多方向上同時(shí)采集光線號可以到達(dá)同樣的跟蹤效果，本發(fā)明介紹的僅僅是4個(gè)方向的采光設(shè)計(jì)，較為精簡可觀。

此傳感器結(jié)構(gòu)簡單，精度高，靈敏度高，成本低，適合各種太陽能設(shè)備，可以在民用方面推廣普及。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。