寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器的製作方法
2023-05-09 01:12:36 1
專利名稱：寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器的製作方法
技術領域：
本發明為一種寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，屬於太陽能應用領域，用於太陽 能集熱、採熱系統以及太陽能光伏發電系統的太陽方位的實時動態跟蹤設備的 傳感。
背景技術：
在全球化石能源即將枯竭的今天，太陽能的深度開發應用已被人們所關注。 但以往人們僅在太陽能的低溫應用技術上開發了一些基礎產品，如太陽能熱水 器、太陽能光伏電池等對跟蹤要求不高或無需跟蹤的產品，所以對跟蹤技術沒 有得到足夠重視。今天，人們己深入到太陽能中、高溫應用領域和高倍聚光光 伏應用領域，但由於太陽能的能流密度較低，要產生高溫、高熱和高光強就得 設法將太陽光進行高倍聚光，最常用的聚光手段為折射聚光和反射聚光，而一 旦採用聚光手段，則離不開對太陽的高精度超廣角的適時動態跟蹤，這就對傳 感器提出了很高的要求。
以往的此類傳感器總是難以做到"寬域"與"高靈敏度"兼而得之，往往
是在一個較小的角度範圍內(比如60°內)具有高靈敏度，而一旦檢測角度大 了就難以做到較高靈敏度，甚至由散射光產生光幹擾，引起工作不穩定。現實 的例子上午陰雨，下午3點放晴，此時太陽在天空中的高度角已產生130。位
移，用傳統的傳感器就很難作出正確判斷，常常成了 "睜眼瞎"。因此，設計一 種超廣角的寬域高靈敏度的太陽跟蹤傳感器就顯得十分必要。 發明內容
本發明的目的，就是為聚光太陽能集熱系統以及光伏發電系統提供一種經 濟實用、性能可靠、使用方便、寬域、高靈敏度的傳感器，以保證系統的可靠 工作。
本發明的目的是通過以下方案實現的
用一對參數相同的光電池、 一片雙面反光鏡片和一個等腰三角形支架，構 成一個所述的傳感器，兩片光電池分別裝在等腰三角形支架的兩個斜面上，雙 面反光鏡片裝在兩片光電池外交角的平分線上。
兩片材料、光電參數、形狀、尺寸均相同的光電池的各自輸出端均並聯一 只相,司阻值的負載電阻，其阻值按該光電池的負載特性而定，使得該光電池工 作於光敏特性最佳的工作點上。
兩片光電池可直接以等腰三角形支架的兩個斜面為板基，將光電材料製作 在其上形成一體化，也可以是兩片互為獨立的平板光電池貼於等腰三角形支架 的兩個斜面上。
雙面反光鏡片為金屬或非金屬母材進行拋光或電鍍而成的、對光線有較強 反射能力的不透光的鏡面片材，片材兩鏡面光潔度完全相同、光學性能完全相同。雙面反光鏡片可由同一片鏡面不鏽鋼板裁切成相同形狀並背靠背粘接或焊 接而成。雙面反光鏡片的高度超出等腰三角形支架的頂角之外並延伸出一定高
度，此高度可以是等腰三角形支架斜邊長度的0.5至10倍。
當太陽偏離傳感器的中心位置時，雙面反光鏡片的向陽面能將投射到其上 的陽光反射到與其相向的那片光電池上，使這片光電池受光量增大，輸出的電 壓也增太，而另一片光電池的受光量卻被雙面反光鏡片部份遮擋而大為減弱， 輸出的電壓也大為減小。
等腰三角形支架可由金屬材料如鋁合金、鋅合金、銅等，或高分子材料如 尼龍、ABS、 PP、 PC等經擠壓或注射成形。
等腰三角形支架的頂角a在30° 90°之間，等腰三角形支架上的兩斜面 等寬，等腰三角形支架的底平面上留有安裝孔。
用一個所述的傳感器可組成一維太陽跟蹤系統，用二個所述的傳感器在平 面上互成90。安裝，即可組成二維的太陽跟蹤系統。
產品包含一對參數相同的光電池1、 一片雙面反光鏡片2和一個等腰三角形 支架3組成，兩片光電池1分別裝在等腰三角形支架3的兩個斜面上，雙面反 光鏡片2裝在兩片光電池1外交角的平分線上。
雙面反光鏡片為金屬或非金屬母材進行拋光或電鍍而成的、對光線有較強 反射能力的不透光的鏡面片材，兩鏡面光潔度相同、光學性能相同，可以用以 下方法之一製作
方案之一可由同一片單面鏡面不鏽鋼薄板裁切成兩片相同形狀的小平板
背靠背粘接或焊接而成。
方案之二由雙面鏡面銅板或雙面鏡面不鏽鋼板裁切而成。 方案之三由金屬薄片或其它工程材料電鍍而成。以下結合附圖對本發明進一步說明。 圖l是本發明的主視圖 圖2是本發明的俯視圖 圖3是本發明左主視圖
4是傳感器"光電池"之一放大後的微觀結構圖 閨5是本發明的傳感器在光線偏移後的作用效果圖 圖6是太陽的幅照具有開採利用價值的區間示意圖 圖7是在極限狀況下本發明的工作原理圖 圖8是傳感器之"光電池"與負載電阻並聯的示意圖 圖9是傳感器之"光電池"未並聯負載電阻時的光一電特性圖 圖IO是傳感器之"光電池"並聯負載電阻後的光一電特性圖具體實施方式
本傳感器具有高靈敏度的原理如下
如
圖1所示雙面反光鏡片的高度超出等腰三角形支架的頂角之外並延伸 出一定高度，此高度可以是等腰三角形支架斜邊長度的0.5至10倍，此高度越 大，本傳感器的靈敏度也越高，其原因與光電池的結構特性有關在放大鏡下， 每片光電池是由數個單元光電池串接而成，如圖4所示，以單晶矽光伏電池為 例，在光照強度最大時(100mW/cm2)，每個單元光電池的開路電壓一般為550mV 左右，則一片開路電壓為5V的光電池就是由9個單元光電池串聯而成的，如圖 4中的九個小長方條所示。由於單元光電池在受光發電時呈低阻態，而背光時呈 高阻態，所以，當其中一個單元光電池被雙面反光鏡片2局部遮光後，由串聯 電路的特性知整個串聯迴路均呈高阻態，也即，光電池哪怕只被局部略微遮 光，則其整體輸出電壓就會大幅下降。
所以，雙面反光鏡片2越長，當太陽轉過一個單位角度後，其背光面的遮 光陰影也越長，越容易遮敝單元光電池(如圖5雙面反光鏡片右側的三角形空 白部份所示)，對輸出電壓的影響也就越大。換言之雙面反光鏡片2越長，其 陰影遮敝一個單元光電池所需的太陽偏轉角也越小，本傳感器也就越靈敏。這 就是本發明能達到高靈敏度的原因之一。
如圖5所示當陽光產生微量偏移時，在雙面反光鏡片2的向陽面會將偏 移部份的光線反射到與之相對應的光電池上(如圖5中網眼部分所示)，提高其 光強，使其輸出電壓提升，以便於單片機的識別與正確判斷。這就是本發明能 提高靈敏度的原因之二。
如圖9所示，由於光電池的開路光電特性較硬，即在開路狀態(沒負載電 阻時)和正常日照下，當照度產生一定變化時，其輸出電壓的變化不明顯。而 在負載情況下則不然，並且，與本傳感器對接的單片機或電橋電路或模擬放大 電路往往為高輸入阻抗電路(相當於開路)，所以，為提高光電池對光強微弱變 化的反應靈敏度，必須讓兩片光電池各自帶上一個合適的負載電阻，如圖8所 示，負載電阻的大小應根據所選用的光電池的負載特性而定，使得該光電池工 作於光敏特性最佳的工作點上，比如當選擇開路電壓為5V、功率為5mW的矽 光電池作傳感器，則選擇R=5. l 10kQ的電阻為宜，在帶有合適負載的情況下， 光電池的輸出特性就顯得較"軟"，如圖1)所示，也即當光強有微小變化時， 其輸出電壓就會成線性地產生較大幅度的突化。這就是本發明能達到高靈敏度 的原因之三。當然，上述的負載電阻也可以移至後續的取樣電路中，如單片 機或電橋電路或模擬放大電路的前端，而在本傳感器中省去。
由於以上三種效應同時存在、同時起作用，所以本傳感器的靈敏度較常規 的傳感器提高了一個數量級以上，哪怕在雲層較薄的陰天，也能識別天空中散 射光的明暗差異，對太陽進行準確的跟蹤，對光伏發電系統尤其有利，能可靠地保證太陽能採集設備全天候地對太陽的準確高效跟蹤，以讓其發揮出最大的 效率，這是其它類型的傳感器所無法做到的。
本傳感器能夠實現寬域工作的技術措施及其原理如下
將兩片參數相同的光電池1安放在等腰三角形支架3的兩側斜面上，而等
腰三角形支架的頂角a (圖1所示)可在30。 150°之間選取，此角度越小則 本傳感器的檢測角度越寬，此角度越大則本傳感器的檢測角度越小，經試驗， 在太陽能跟蹤系統應用中，考慮到太陽在天空中高度角的季節性變化和每天氣 候變化的規律，同時考慮到跟蹤機構的響應精度和實際工況，a角選用45°左 右為佳。
經大量測試與統計結果顯示太陽的高度角在東10°與西15°之間時，其
幅照均有開採利用價值，那麼，對傳感器的要求就是其工作域寬必須達到或超 過180° — (10° +15° ) =155° 。
如圖6、圖7所示這裡假設一種最極限的情況假如整個上午均是陰雨天，
來自天空中各方向的散射光是均勻的(這種情況僅在雲層厚度極大時才會發
生)，傳感器始終不動作，設備朝向的高度角為東io。方位，直至傍晚太陽的高
度角為西15°時才放晴，此時太陽在天空中的高度角已產生155°位移，但由 於採光系統面向初陽的初始高度角為東IO。，則由圖7知ZA0D=45° 、ZAOC =22.5° 、 ZBOC二東面初始高度角-IO。，則ZA0B二ZA0C—ZB0C二12.5。 <15° ，也即，即使在傍晚太陽高度角為西15°的情況下，傳感器的向陽面還 能被太陽照到，此時背陽面的那片光電池被雙面反光鏡片2遮擋後完全在浸沒 在陰影中，而向陽面的那片光電池通過太陽直射以及雙面反光鏡片2的映射迭 加(非反射)，仍有較大光強，並足以讓後續的識別電路作出正確判讀，進而通 過跟蹤機構矯正方向，讓採光設備正確偏轉後對準太陽。
由於等腰三角形支架3在結構上的高度穩定性和製造方法所保證的高度對 稱性，使兩片光電池也保證其高度的穩定性和對稱性，因此，保證了本傳感器 在寬域應用上的性能穩定性。
可見，由於本傳感器特殊的結構，構成了高靈敏度與寬域探測兼備的優秀 特性。
本傳感器能自動跟蹤太陽的工作原理如下-
1、當太陽在傳感器的正中央時，光線與鏡片相平行，雙面反光鏡片在等腰 三角形支架上的投影為一條直線，對左右兩片光電池沒有產生遮擋、也沒有產 生光的反射。由於兩片光電池是對稱於分布於雙面反光鏡片左右兩側，對等腰 三角形支架底邊的傾斜角度相同、陽光對其投射的面積也相同，所以兩片光電 池輸出的電壓也相同，此時電壓信號經對應的兩個A/D (A/D1、 A/D2)轉換器變 換後的數值也相同，則如圖8所示，後續的單片機判定為"平衡"，伺服驅動電 路不動作，機構繼續保持平衡。2、當太陽偏離傳感器的中心位置時，雙面反光鏡片的向陽面能將投射到其 上的陽光反射到與其相向的那片光電池工作面上(如圖5的網眼部份)，使這片 光電池受光量增大，輸出的電壓也增太，而另一片光電池的受光量卻被雙面反 光鏡片部份遮擋而大為減弱(如圖5雙面反光鏡片右側的三角形空白部份所示)， 輸出的電壓也大為減小，此時電壓信號經對應的兩個A/D (A/D1、 A/D2)轉換器 變換後其數值也產生相應變化，單片機判定為"不平衡"，遂向伺服驅動電路發 出動作指令，從而使伺服電機對系統做出矯正動作，讓機構重回"平衡"狀態， 傳感器正中央的雙面反光片重新正對太陽，兩A/D轉換器恢復平衡，矯正動作 完成。
以此類堆，每當地球轉過一定角度而使太陽偏離傳感器的中心位置時，本 傳感器便產生兩個不同大小的電壓信號給單片機，於是經過A/D轉換、數據比 較、再推動伺服系統作出正確的矯位動作，使得聚光太陽能集熱器的受光面始 終正對著太陽，保持最大的採光量。
用一個這樣的傳感器，可組成一維太陽跟蹤系統，用二個所述的傳感器在 平面上互成90。安裝，即可組成二維的太陽跟蹤系統。
如圖1、圖2、圖3所示，等腰三角形支座可由金屬材料如鋁合金、鋅合金、 銅等，或高分子材料如尼龍、ABS、 PP、 PC等，經擠壓或注射成形。
如圖l、圖2、圖3所示，等腰三角形支座上的兩斜面等寬，等腰三角形支 座的底面上留有安裝孔，可方便地裝在跟蹤設備上與設備隨動。
兩片光電池可直接以等腰三角形支座的兩個斜面為板基，將光電材料製作 在其上形成一體化，也可以是兩片互為獨立的平板光電池貼於等腰三角形支座 的兩個斜面上。
權利要求1、一種寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵為包含一對參數相同的光電池、一片雙面反光鏡片和一個等腰三角形支架，構成一個所述的傳感器，兩片光電池分別裝在等腰三角形支架的兩個斜面上，雙面反光鏡片裝在兩片光電池外交角的平分線上。
2、 根據權利要求1所述的寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵為兩片 材料、光電參數、形狀、尺寸均相同的光電池的各自輸出端均並聯一隻相同阻 值的負載電阻，其阻值按該光電池的負載特性而定，使得該光電池工作於光敏 特性最佳的工作點上。
3、 根據權利要求1或2所述的寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵為 兩片光電池可直接以等腰三角形支架的兩個斜面為板基，將光電材料製作在其 上形成一體化，也可以是兩片互為獨立的平板光電池貼於等腰三角形支架的兩 個斜面上。
4、 根據權利要求1所述的寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵為雙面 反光鏡片為金屬或非金屬母材進行拋光或電鍍而成的、對光線有較強反射能力 的不透光的鏡面片材，片材兩鏡面光潔度完全相同、光學性能完全相同。
5、 根據權利要求1或4所述的寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵為-雙面反光鏡片可由同一片鏡面不鏽鋼板裁切成相同形狀並背靠背粘接或焊接而 成。
6、 根據權利要求1或4或5所述的寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵 為雙面反光鏡片的高度超出等腰三角形支架的頂角之外並延伸出一定高度， 此高度可以是等腰三角形支架斜邊長度的0.5至10倍。
7、 根據權利要求1或6所述的寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵為 當太陽偏離傳感器的中心位置時，雙面反光鏡片的向陽面能將投射到其上的陽 光反射到與其相向的那片光電池上，使這片光電池受光量增大，輸出的電壓也增太，而另一片光電池的受光量卻被雙面反光鏡片部份遮擋而大為減弱，輸出 的電壓也大為減小。
8、 根據權利要求1所述的寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵為等腰 三角形支架可由金屬材料如鋁合金、鋅合金、銅等，或高分子材料如尼龍、ABS、 PP、 PC等經擠壓或注射成形。
9、 根據權利要求1或8所述的寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵為 等腰三角形支架的頂角a在30G 60Q之間，等腰三角形支架上的兩斜面等寬， 等腰三角形支架的底平面上留有安裝孔。
10、根據權利要求1至9所述的寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，其特徵為用 一個所述的傳感器可組成一維太陽跟蹤系統，用二個所述的傳感器在平面上互 成90G安裝,即可組成二維的太陽跟蹤系統。
專利摘要一種寬域高靈敏度太陽跟蹤傳感器，屬於太陽能應用領域，用於太陽能集熱、採熱系統以及太陽能光伏發電系統的太陽方位的實時動態跟蹤設備的傳感。其特徵為包含一對參數相同的光電池、一片雙面反光鏡片和一個等腰三角形支架，構成一個所述的傳感器，兩片光電池分別裝在等腰三角形支架的兩個斜面上，雙面反光鏡片裝在兩片光電池外交角的平分線上。用一個所述的傳感器可組成一維太陽跟蹤系統，用二個所述的傳感器在平面上互成90°安裝，即可組成二維的太陽跟蹤系統。
文檔編號G01B11/26GK201251432SQ20082010296
公開日2009年6月3日 申請日期2008年7月10日 優先權日2008年7月10日
發明者陳鼎凌 申請人:陳鼎凌