太陽跟蹤偏差檢測裝置的製作方法

2023-12-11 08:01:17 2

專利名稱：太陽跟蹤偏差檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光線入射角度測量裝置，特別涉及太陽能應用技術領域的一種太 陽跟蹤設備的跟蹤偏差測量裝置。
背景技術：
提高太陽能發電系統的太陽能利用率、降低發電系統建造成本是太陽能應用領域 面臨的兩個主要難題。聚光太陽能發電技術為解決這一技術難題提供了可能。所謂聚光太 陽能發電技術就是在太陽跟蹤的基礎上，採用聚光技術使太陽光能量聚集，達到提高發電 系統入射太陽能量密度，減少系統中價格昂貴的太陽能電池使用量，因而提高系統光電轉 換效率、降低系統建造成本的新型太陽能發電技術。目前該技術的開發和利用越來越受到 重視。精確的太陽跟蹤是保證聚光太陽能發電系統穩定、高效發電的重要前提，精確太 陽跟蹤就是通過太陽跟蹤設備使太陽光線能夠始終垂直入射太陽能接受器的表面，例如太 陽能電池組件、聚光太陽能組件的聚光透鏡表面。影響精確太陽跟蹤的因素非常多，例如發 電系統受風等外力的作用、系統自身結構剛度、太陽跟蹤控制方法、系統的安裝與調試等都 可能造成太陽光線與太陽能接受器的表面法線之間存在偏角，即太陽跟蹤偏差。隨著聚光 太陽能發電系統聚光倍數不斷提高，發電系統規模不斷增大，太陽跟蹤的偏差控制的要求 也不斷提高，因此，如何評價和實時監測太陽跟蹤偏差具有重要的意義。目前太陽跟蹤偏差檢測方法主要有陰影觀測法、光電位置傳感器(PSD)法、光電 成像(CCD)法三種，但是陰影觀測法只能定性地判斷太陽跟蹤的偏差方向，難以實現定量 和自動檢測；PSD傳感器和CCD傳感器成本很高，技術十分複雜，目前還只是用於衛星姿態 矯正、精確制導等軍事領域。為了實現在聚光太陽能發電跟蹤過程中實時、定量監測跟蹤偏 差，開發一種結構簡單、價格低廉、測量精確、可靠性高的太陽跟蹤偏差裝置是十分必要的。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是為了解決現有技術中存在的問題，提供一種結構 簡單、價格低廉、測量精確、可靠性高的太陽跟蹤偏差檢測裝置，實現在聚光太陽能發電跟 蹤過程中實時、定量監測跟蹤偏差，為提高太陽能發電效率、改善太陽跟蹤設備跟蹤精度提 供依據。本發明解決其技術問題採用的技術方案是包括光筒，和與光筒同軸相連的且自 上而下排列的濾光罩、通光光闌、四象限光電探測元件、四象限光電探測元件座。其中所述 光筒垂直裝在光筒支座盒上。所述光筒支座盒，其上表面設有水平泡儀，其盒內設有以支座 相連的偏差信號處理電路板，其底部設有密封底板，該底板上設有使光筒支座盒保持水平 狀態的調節螺栓。所述信號處理電路板，其輸入端由導線與四象限光電探測元件輸出端相 連，其輸出端由導線經PC接口端子與計算機的輸入端連接。 本發明與現有技術相比具有以下主要的優點
其一.採用了四象限光電探測元件作為太陽跟蹤偏差的傳感元件，因而具有分辨 率高、信號線性範圍寬、器件剛性好、配套電子線路簡單、價格低廉等優點。其二 .採用了鍍膜光學玻璃濾光罩和吸光塗層光筒筒身內壁設計，因而降低了背 景光等噪聲的幹擾。其三.採用了偏差信號處理和計算機接口電路，因而能實時處理和記錄太陽跟蹤偏差。其四.結構簡單，容易製作。總之，本發明具有結構簡單、價格低廉、測量精確、可靠性高等優點。



圖1是太陽跟蹤偏差檢測裝置結構圖。圖2是太陽跟蹤偏差示意圖。圖3是四象限光電探測元件偏差測量原理圖。圖4是太陽跟蹤偏差檢測信號處理電路原理框圖。圖5是太陽跟蹤偏差檢測裝置I/V轉換電路。圖6是太陽跟蹤偏差檢測裝置信號運算電路。圖7是太陽跟蹤偏差檢測裝置在太陽跟蹤設備安裝示意圖。圖8是太陽跟蹤偏差檢測裝置安裝局部放大圖。圖9是太陽跟蹤偏差現場檢測結果圖。圖中1.調節螺栓；2.密封底板；3.信號處理電路板；4.光筒支座盒；5.導線； 6.四象限光電探測元件座；7.四象限光電探測元件；8.光筒；9.濾光罩；10.通光光闌； 11.水平泡儀；12. PC接口端子；13.太陽能接受器表面；14.太陽跟蹤偏差檢測裝置；15.太 陽跟蹤裝置；16.太陽跟蹤裝置的支架；17.安裝座；18.腰形安裝孔。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。本發明提供的太陽跟蹤偏差檢測裝置，主要用於實時測量和記錄太陽跟蹤設備的 跟蹤偏差，其結構如圖1和圖3所示自上而下，光筒8同軸依次設有濾光罩9、通光光闌10、 四象限光電探測元件7、四象限光電探測元件座6。光筒8垂直安裝在光筒支座盒4上。光 筒支座盒4上表面設有水平泡儀11和光筒連接孔，盒內設電路板支座，該支座安裝偏差信 號處理電路板3，四象限光電探測元件7輸出端由導線5與信號處理電路板3的輸入端連 接，信號處理電路板3的輸出端由導線通過安裝於光筒支座盒4側壁上的PC接口端子12 與計算機的輸入端連接。光筒支座盒4的底部設有密封底板2，該底板上設有安裝孔和調節 螺栓1，通過調節螺栓1，可以使光筒支座盒保持水平狀態，從而保證光筒軸線垂直太陽能 接受器表面。所述光筒8由鋁合金材料製造，內壁經氧化形成黑色Al2O3吸光層。濾光罩9由鍍 TiO2和SiO2膜的光學玻璃構成，濾光罩9可以使波長400 SOOnm的太陽光通過，使大於 SOOnm的太陽光反射。通光光闌10通光孔為圓形，直徑為5mm，通光面積為四象限光電探測 元件有效光敏面積的1/4。
所述四象限光電探測元件7的結構如圖3所示由A、B、C、D四片對稱布置、光電特性一致的矽光電池組成，四象限光電探測元件7外形為圓形，有效光敏面直徑為10mm。所述矽光電池可以由市場上購買。所述四象限光電探測元件7和通光光闌10的外形也可以是方形。所述信號處理電路板3上裝有IV轉換電路、信號運算電路、AD轉換電路、單片機、偏差實時顯示電路和PC接口(圖4)，四象限光電探測元件7產生的偏差信號首先由I/V轉 換電路轉換為電壓信號，經信號運算電路處理後，再由AD轉換電路反饋到單片機處理，通過偏差實時顯示電路查看實時偏差數值，或經串口與PC機相連，偏差數值在PC機上實時顯 示禾口記錄。I/V轉換電路如圖5所示。包括四象限光電探測元件中一個矽光電池D1，運放芯 片LM324、偏值電阻Rf，運放晶片LM324由市場上購買，偏值電阻Rf電阻值為Ik Ω，其它三 個矽光電池I/V轉換電路與圖5相同。Δ X方向上(圖3)偏差信號運算電路包括加減運算，除法運算電路(圖6)。加法 運算電路由信號源和各自的輸入電阻組成，Rl R4取值IK歐姆，偏置電阻Rf為IK歐姆。 補償電阻R5為200 Ω，14埠輸出電壓U02D = - (V1+V2+V3+V4)。U2B是一個減法器，對其 同相輸入端和反相輸入端信號進行差運算，再經過放大處理；U2B加U3A組成除法器，將上 面所得差值再除以一個基數U2D輸出電壓，R6 Rl2阻值均取IK歐姆，U3A使用SE5535H芯 片。偏置電壓Uref為IV，此運算電路輸出電壓Vx = (Uref+Vl+V4_V2_V3) / (V1+V2+V3+V4)。 Δ Y方向上(圖3)偏差信號採用相同的運算電路。信號I/V轉換後，經過信號運算電路處理後，經過ADC0809轉換晶片進行AD轉換， 接入到普通51單片機上，經過IXD1602實時顯示出來，或經串口與PC機相連，實時偏差數 值在PC機上顯示和記錄。本發明提供的太陽跟蹤偏差檢測裝置14，其安裝在太陽跟蹤裝置15的安裝座17 上。安裝座17固定在太陽跟蹤裝置的支架16上，安裝座17上設有腰形安裝孔18使其具 有調整餘量，調整安裝座17使其與太陽能接受器表面13平行，通過調節螺栓1，使太陽跟蹤 偏差檢測裝置14與安裝座17安裝面保持水平。如圖7和圖8所示。所述太陽跟蹤裝置15為目前市場上採用的雙軸太陽跟蹤裝置。當太陽跟蹤出現偏差時，太陽光線與太陽能接受器表面13法線之間將存在偏角， 如圖2所示傾角Y，本發明提供的太陽跟蹤偏差檢測裝置即主要完成該傾角的測量。測量 過程包括傾斜的光線經濾光罩9、通光光闌10後照射到四象限光電探測元件7的表面，由 於存在太陽跟蹤偏差，因此光斑在四象限光電探測元件7四片對稱布置的光電池中的面積 各不相同，如圖3所示，分別為Sl、S2、S3、S4，通過對各個象限光電池輸出光電流的歸一化 處理，得到光斑質心的坐標為formula see original document page 5
因此formula see original document page 5;式中IS1、IS2、IS3、Is4分別為各個象限光電池輸出光電流；d為通光光闌10孔直徑，H為通光光闌10與四象限光電探測元件7表面的距離， 本實例中H為35mm。
圖9顯示了太陽跟蹤偏差現場檢測結果。測量時，太陽跟蹤裝置採用的是每等待 30秒相同時間間隔後跟蹤一次的方法，由圖7結果可以看出，測量曲線具有很好的周期性 特徵，周期為30秒，與設置的跟蹤等待時間間隔完全相同；在任一周期內，結果反映出偏差 逐漸增大後突然減小的規律性特徵，這是由於跟蹤系統在跟蹤到目標位置後跟蹤運動停止 並開始等待30秒，在等待過程中由於太陽位置在變化，使偏差逐漸變大，直到等待時間結 束，跟蹤軸快速轉動到下一個目標位置後，消除了跟蹤偏差所形成的。測量結果反映出在30 秒等待周期中入射太陽光偏差角在0.01 0. 12°間變化，這與理論計算最大偏差0. 115° 十分吻合。說明被檢測的跟蹤裝置具有很高的跟蹤精度，而偏差角最小值為0.01°說明被 檢測的跟蹤裝置的初始定位尚存在很小的定位誤差，測量結果為改善太陽跟蹤設備跟蹤精度提供了依據。由偏差現場檢測結果同樣可以看出，本發明提供的太陽跟蹤偏差檢測裝置具有很 好的測量精度和靈敏度，解析度可以達到0.01°，完全可以適應太陽跟蹤偏差的測量。
權利要求
一種太陽跟蹤偏差檢測裝置，其特徵在於包括光筒(8)，和與光筒(8)同軸相連的且自上而下排列的濾光罩(9)、通光光闌(10)、四象限光電探測元件(7)、四象限光電探測元件座(6)，其中所述光筒垂直裝在光筒支座盒(4)上；所述光筒支座盒，其上表面設有水平泡儀(11)，其盒內設有以支座相連的偏差信號處理電路板(3)，其底部設有密封底板(2)，該底板上設有使光筒支座盒保持水平狀態的調節螺栓(1)；所述信號處理電路板(3)，其輸入端由導線與四象限光電探測元件輸出端相連，其輸出端由導線經PC接口端子(12)與計算機的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的太陽跟蹤偏差檢測裝置，其特徵在於所述四象限光電探測元 件(7)由四片對稱布置的矽光電池組成，四片矽光電池的光電特性一致。
3.根據權利要求1或2所述的太陽跟蹤偏差檢測裝置，其特徵在於所述四象限光電探 測元件(7)和通光光闌(10)，其外形均為圓形或方形。
4.根據權利要求3所述的太陽跟蹤偏差檢測裝置，其特徵在於所述通光光闌(10)的通 光孔面積為四象限光電探測元件(7)有效光敏面積的0. 2 0. 3。
5.根據權利要求1所述的太陽跟蹤偏差檢測裝置，其特徵在於所述濾光罩(9)由鍍膜 光學玻璃構成，通光波長範圍為400 800nm。
6.根據權利要求1所述的太陽跟蹤偏差檢測裝置，其特徵在於所述光筒(8)筒身內壁 設有吸光層。
7.根據權利要求6所述的太陽跟蹤偏差檢測裝置，其特徵在於所述吸光層為黑色塗層 或者黑色氧化層。
8.根據權利要求1所述的太陽跟蹤偏差檢測裝置，其特徵在於所述偏差信號處理電路 板⑶上裝有I/V轉換電路、信號運算電路、AD轉換電路、單片機、偏差實時顯示電路和PC接口。
9.根據權利要求8所述的太陽跟蹤偏差檢測裝置，其特徵在於四象限光電探測元件 (7)產生的偏差信號首先由I/V轉換電路轉換為電壓信號，經信號運算電路處理後，再由AD 轉換電路反饋到單片機處理，通過偏差實時顯示電路查看實時偏差數值，或經串口與PC機 相連，偏差數值在PC機上實時顯示和記錄。
全文摘要
本發明是一種太陽跟蹤偏差檢測裝置，其包括光筒(8)，和與光筒(8)同軸相連的且自上而下排列的濾光罩(9)、通光光闌(10)、四象限光電探測元件(7)、四象限光電探測元件座(6)，其中所述光筒垂直裝在光筒支座盒(4)上；所述光筒支座盒，其上表面設有水平泡儀(11)，其盒內設有以支座相連的偏差信號處理電路板(3)，其底部設有密封底板(2)，該底板上設有使光筒支座盒保持水平狀態的調節螺栓(1)；所述信號處理電路板(3)，其輸入端由導線與四象限光電探測元件輸出端相連，其輸出端由導線經PC接口端子(12)與計算機的輸入端連接。本裝置具有結構簡單、價格低廉、測量精確和可靠性高等優點。
文檔編號G01C1/00GK101799287SQ20101010248
公開日2010年8月11日 申請日期2010年1月26日 優先權日2010年1月26日
發明者廖錦城, 張清傑, 李鵬, 楊培環, 翟鵬程 申請人:武漢理工大學