一種基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器及其位置傳感器的製作方法

2023-09-18 02:40:25 2

本發明屬於位置傳感器技術領域，尤其涉及一種基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器及其位置傳感器。

背景技術：

目前，槽式聚光集熱器的位置傳感，主要包括使用傾角傳感器、採用脈衝或電機轉動量累計等方法。該位置傳感器可以為槽式集熱器傳動系統的跟蹤控制提供控制信號。其中基於電容式技術的傾角傳感器對集熱器的傾斜角度進行測量，並同時通過太陽位置對目標角度進行計算，通過當前位置與目標角度之差進行對比並確定驅動器的運動方向與運動量，以實現聚光器對太陽的追蹤，該方法所使用的傾角傳感器受系統周邊電磁環境影響較大，因此會影響集熱器跟蹤精度。基於脈衝及電機轉動量累計的集熱器跟蹤方式，則存在掉電失憶、累積誤差等問題，跟蹤精度不高。

有鑑於此，確有必要提供一種基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器及其位置傳感器，其基於柵格光電感應效應，直接對焦平面實時光斑分布特性進行測量與反演分析，並與理論光斑進行對比分析計算，計算實時位置偏差，獲得集熱器的跟蹤策略，避免了外界因素對跟蹤精度的影響，提高系統跟蹤精度。

技術實現要素：

本發明的目的之一在於：針對現有技術的不足，而提出一種基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器，其基於柵格光電感應效應，直接對焦平面實時光斑分布特性進行測量與反演分析，並與理論光斑進行對比分析計算，計算實時位置偏差，獲得集熱器的跟蹤策略，避免了外界因素對跟蹤精度的影響，提高系統跟蹤精度。

為了達到上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器，包括雙面柵格光電感應器、電流/電壓放大器、數據採集與處理器、微控制器及外接插頭，所述雙面柵格光電感應器通過所述微控制器與所述電流/電壓放大器連接，所述電流/電壓放大器通過所述數據採集與處理器與所述外接插頭連接。

作為本發明基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器的一種改進，所述雙面柵格光電感應器包括上層光電感應面、下層光電感應面和設置於所述上層光電感應面與所述下層光電感應面之間的絕緣隔熱層，所述上層光電感應面與所述下層光電感應面均由若干個柵格點排列而成，每個所述柵格點獨立地通過微控制器連接導線束和所述微控制器與所述電流/電壓放大器相連，為所述數據採集與處理器提供電壓電流陣列信號。

作為本發明基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器的一種改進，所述雙面柵格光電感應器的中點位置處的所述柵格點為零位柵格，以所述零位柵格為中心的寬度為D的柵格區域形成光斑核心區，所述光斑核心區的兩側分別形成左光斑外延區和右光斑外延區。

作為本發明基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器的一種改進，所述左光斑外延區和所述右光斑外延區的寬度均大於D。

作為本發明基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器的一種改進，所述微控制器的型號為C8051FO2O。

作為本發明基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器的一種改進，所述絕緣隔熱層的材料為陶瓷纖維、玻璃纖維、石棉或巖棉。

相對於現有技術，本發明中，雙面柵格光電感應器感應投射在其表面的光強，並通過光電效應轉化為電流(電壓)信號，來自各個柵格點的電流電壓信號傳輸給電流/電壓放大器，並經過數據採集與處理器處理並反演獲得光斑分布情況，根據計算所得的光斑分布特徵與精確跟蹤下光斑分布特徵的偏差，計算出傳動系統的運動方向與運動補償量，並輸出控制型號給傳動設備，驅動集熱器至目標位置。也就是說，本發明通過直接對焦平面實時光斑分布特性進行測量與反演分析，並與理論光斑進行對比分析計算，計算實時位置偏差，獲得集熱器的跟蹤策略，避免了外界因素對跟蹤精度的影響，提高系統跟蹤精度。

本發明的另一個目的在於提供一種基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器，包括槽式聚光器主體和安裝於所述槽式聚光器主體上的位置傳感器，所述位置傳感器為本發明所述的基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器，並且所述雙面柵格光電感應器安裝於所述槽式聚光器主體的焦平面上且與所述槽式聚光器主體的開口平面平行。

作為本發明基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器的一種改進，所述雙面柵格光電感應器的上層光電感應面朝外，所述雙面柵格光電感應器的下層光電感應面朝向所述槽式聚光器主體的反射面。

作為本發明基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器的一種改進，所述零位柵格的安裝位置與所述槽式聚光器主體的軸線重合，所述光斑核心區還連接有吸熱管。

本發明的集熱器由於採用了本發明所述的位置傳感器，可以避免外界因素對跟蹤精度的影響，提高系統跟蹤精度，提高了聚光器跟蹤的準確性，並減少了角度測量類傳感器受外界環境幹擾而造成跟蹤精度不高及信號波動等問題。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的結構示意圖。

圖2為本發明實施例1中雙面柵格光電感應器的結構原理圖。

圖3為本發明實施例1中雙面柵格光電感應器的原理圖的俯視圖。

圖4為本發明實施例2的結構示意圖。

具體實施方式

以下將結合具體實施例對本發明及其有益效果作進一步詳細的描述，但是，本發明的具體實施方式並不限於此。

實施例1

如圖1至圖3所示，本發明提供的一種基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器，包括雙面柵格光電感應器1、電流/電壓放大器4、數據採集與處理器3、微控制器5及外接插頭2，雙面柵格光電感應器1通過微控制器5與電流/電壓放大器4連接，電流/電壓放大器4通過數據採集與處理器3與外接插頭2連接。

雙面柵格光電感應器1感應投射在其表面的光強，並通過光電效應轉化為電流(電壓)信號，來自各個柵格點11的電流電壓信號傳輸給電流/電壓放大器4，並經過數據採集與處理器3處理並反演獲得光斑分布情況，為驅動系統提供控制策略。外接插頭2為數據採集與處理模塊3與傳動控制系統進行信號傳輸的連接接頭，根據通信協議與方式進行設計。數據採集與處理模塊3的型號為TMS320。

雙面柵格光電感應器1包括上層光電感應面6、下層光電感應面9和設置於上層光電感應面6與下層光電感應面9之間的絕緣隔熱層7，即雙面柵格光電感應器1具有三明治結構，絕緣隔熱層7可以避免兩層間的電流(電壓)幹擾，上層光電感應面6與下層光電感應面9均由若干個柵格點11排列而成，每個柵格點11可感應照射在其上的光強，並轉換為電流(電壓)信號，每個柵格點11獨立地通過微控制器連接導線束8和微控制器5與電流/電壓放大器4相連，為數據採集與處理器3提供電壓電流陣列信號。上層光電感應面6、下層光電感應面9均為窄帶狀柵格式光電感應材料(如聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺、聚噻吩)，上層光電感應面6直接面向太陽，測試非聚光條件下太陽輻照情況，下層光電感應面9面向槽式聚光器的反射面，通過柵格光電感應器1對聚光器發射光線在不同位置上的分布特徵進行測試。各柵格點11的寬度根據測試精度要求及加工工藝進行確定，減小柵格寬度，可以提升光斑的離散化數量，並提升測量精度。

雙面柵格光電感應器1的中點位置處的柵格點為零位柵格10，以零位柵格10為中心的寬度為D的柵格區域形成光斑核心區13，光斑核心區13的兩側分別形成左光斑外延區12和右光斑外延區14。左光斑外延區12和右光斑外延區14用於判斷實際光斑偏離核心區13的計算校核區。

左光斑外延區12和右光斑外延區14的寬度均大於D，以滿足雙面柵格光電感應器1對光斑的捕捉以及對光斑特徵與位置的判斷。

微控制器的型號為C8051FO2O。該型號的微控制器有如下優點：64個I/O口，高速、流水線結構，全速、非侵入式的系統調試接口，8位8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關，兩個12位DAC，具有可編程數據更新方式，可尋址64K字節地址空間的外部數據存儲器接口，5個通用的16為定位器，具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列，並設置有看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器。

絕緣隔熱層7的材料為陶瓷纖維、玻璃纖維、石棉或巖棉。

電流/電壓放大器4將獲得的電流信號進行放大，傳遞給數據採集與處理器3，數據採集與處理器3對雙面柵格光電感應器1上各個柵格點11的電流分布進行計算，並通過積分計算，對雙面柵格光電感應器1表面的光斑分布與位置進行反演，分析當前光斑與當前理論光斑的分布差別，以及光斑核心區13能流佔比等，為傳動系統提供跟蹤運動策略。本發明直接通過光斑分布分析獲得集熱器跟蹤策略，提高了聚光器跟蹤的準確性，並減少了角度測量類傳感器受外界環境幹擾而造成跟蹤精度不高及信號波動等問題。

實施例2

本實施例提供了一種基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器，包括槽式聚光器主體17和安裝於槽式聚光器主體17上的位置傳感器，位置傳感器為本發明的基於柵格光電感應效應的槽式太陽能集熱器位置傳感器，並且雙面柵格光電感應器1安裝於槽式聚光器主體17的焦平面上且與槽式聚光器主體17的開口平面18平行。

雙面柵格光電感應器1的上層光電感應面6朝外，面朝太陽，獲得實時表面太陽輻照量，用於測試當前傾斜角度下傾斜面的太陽輻照，其可以對當前太陽輻照情況進行評估，並作為集熱器跟蹤策略制定與下層光電感應面9光斑分布分析的參考判據，其參數可以用於下層光電感應面9獲得的聚光器反射光斑分布特徵計算中的總能進行校核和修正，提高傳感器精度。同時，也可以根據外側面感應器整體信號的強弱，判定當聚光器位置與目標位置偏離較遠時的偏離方向，判斷當前集熱器跟蹤位置與目標位置的差距與移動方向。雙面柵格光電感應器1的下層光電感應面9朝向槽式聚光器主體17的反射面。下層光電感應面9截獲聚光器反射光線，接收來自槽式聚光器主體17的反射面的反射光線，槽式聚光器主體17的反射面的反射光線在下層光電感應面9形成光斑，下層光電感應面9的各柵格點11的電流電壓信號直接反應了該節點處的光強情況，數據採集與處理器3接收來自下層光電感應面9離散化的電流電壓信號，可以反演當前焦平面上的光強分布情況與位置，並結合當前理論光斑的特徵，計算集熱器當前位置與理想位置的差距，並向傳動系統發出跟蹤動作信號，調整集熱器向目標位置轉動。

零位柵格10的安裝位置與槽式聚光器主體17的軸線重合，光斑核心區13還連接有吸熱管15。

在光電作用下，每一個柵格點11實現電流(電壓)輸出，並通過電流(電壓)放大器輸送給數據採集與處理器3，數據採集與處理器3獲得各柵格11位置的電流(電壓)信號，並反演出焦平面上的光斑分布特徵，根據計算所得的光斑分布特徵與精確跟蹤下光斑分布特徵的偏差，計算出傳動系統的運動方向與運動補償量，並輸出控制型號給傳動設備，驅動集熱器至目標位置。

本發明的集熱器由於採用了本發明的位置傳感器，可以避免外界因素對跟蹤精度的影響，提高系統跟蹤精度，提高了聚光器跟蹤的準確性，並減少了角度測量類傳感器受外界環境幹擾而造成跟蹤精度不高及信號波動等問題。

根據上述說明書的揭示和教導，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行適當的變更和修改。因此，本發明並不局限於上面揭示和描述的具體實施方式，對本發明的一些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護範圍內。此外，儘管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，並不對本發明構成任何限制。