一種用於太陽自動跟蹤的太陽方位檢測裝置的製作方法

2023-05-19 06:04:11

專利名稱：一種用於太陽自動跟蹤的太陽方位檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種檢測裝置，特別是用於太陽自動跟蹤的太陽方位檢測裝置，
具體是用於檢測太陽光線強度和入射方位的變化。
背景技術：
太陽能光伏發電作為太陽能利用的重要方式，發展前景非常廣闊，已成為未來全 球解決能源危機的一種重要途徑。但是，由於太陽能的能量密度低，且隨著季節和天氣變化 而變化，使得太陽能不易搜集，導致太陽能發電的效率比較低，發電成本較高，限制了太陽 能發電的應用和發展。解決這一問題的一種可行的途徑是進行太陽方位自動跟蹤。目前， 太陽能發電中常用的一種太陽方位自動跟蹤方法是光電跟蹤方法，該方法通過太陽方位檢 測裝置檢測太陽的運動方向，控制跟蹤裝置追蹤太陽的運行。 國內現有的太陽方位檢測裝置多採用矽光電池、光敏電阻、光電二極體等光敏元
件作為檢測傳感器，主要分為兩大類採用遮光板的敞開式檢測裝置和採用通光筒的密閉
式檢測裝置。前者利用遮光板在光照下產生陰影，使受光面和背光面的光敏元件因受到光
照情況的不同而產生偏差信號，以檢測太陽方位的偏轉情況。這種檢測裝置的機構簡單、容
易實現，但因對外敞開而導致檢測裝置易受環境中雜散光的幹擾，不利於檢測裝置穩定、準
確地運行。後者利用上端開孔的通光筒將多個對稱分布的光敏元件密封起來，根據太陽入
射光斑在各光敏元件上分布面積的不同而引起的輸出信號的偏差，來檢測太陽方位的偏轉
情況。這種檢測裝置在一定程度上解決了光敏元件易受環境中雜散光幹擾的問題，但由於
通光筒內的各光敏元件的光電特性存在差異，導致了太陽方位的檢測精度較低。 此外，這兩類檢測裝置，直接根據檢測到的反映太陽方位偏移的電壓信號來驅動
太陽方位跟蹤機構反覆調整多次，直到檢測到的電壓信號為零。這樣需要多次調整才能使
太陽方位跟蹤系統帶動太陽能電池板對準太陽，效率比較低，而且容易造成跟蹤機構來回震蕩。

發明內容本實用新型的目的就是針對現有技術的不足，提供一種能夠將檢測到的太陽方位 偏移情況直觀地轉換為太陽在高度角和方位角方向上的角度偏移、檢測靈敏度高、能夠屏 蔽環境光幹擾的太陽方位檢測裝置，為太陽方位跟蹤提供檢測依據。 本實用新型的檢測裝置包括通光筒、光強傳感器、防護玻璃、四象限光電探測器、 信號處理電路、計算機、外部時鐘晶片。通光筒為中空的圓柱體，側壁封閉不透光，頂部中心 開有圓孔，圓孔處設有一個圓形透明的防護玻璃。光強傳感器放置在通光筒的頂部、防護玻 璃的旁邊。四象限光電探測器設置於通光筒內，且位於通光筒的底部的中心。四象限光電 探測器的光敏面的半徑大於防護玻璃的半徑。光強傳感器和四象限光電探測器分別與信號 處理電路相連接，信號處理電路通過計算機的A/D通道與計算機連接，信號處理電路將光 強傳感器和四象限光電探測器輸出的光電流信號轉換為電壓信號，並進行放大處理後輸入到計算機的A/D通道。計算機與外部時鐘晶片和跟蹤裝置連接。 整個太陽方位檢測裝置固定在跟蹤裝置上，與跟蹤裝置上的太陽能電池板安裝在 同一平面內，且隨著跟蹤裝置的轉動而轉動。 四象限光電探測器由一個圓形光敏面和四個光電特性一致的光電二極體構成。四 個光電二極體被封裝在光敏面的下面，並相對於光敏面的中心對稱分布，分別對應直角坐 標系的一個象限。 光強傳感器可以是矽光電池、光電二極體等可以把光信號轉換為電信號的常用光 敏元件。 信號處理電路為常用的運算放大電路，能夠將四象限光電探測器和光強傳感器輸
出的光電流信號轉換為電壓信號並進行一定的放大處理，屬於成熟技術。 計算機採用具有標準計算機功能的設備，含有CPU及其主板、內存、R0M、通信接口
等，可以是商用、民用計算機、伺服器、工控機、單片機等。 外部時鐘晶片採用接口簡單、價格低廉、帶RAM的實時時鐘電路，可以通過串行通 訊向計算機提供年、月、日、時、分、秒等信息。 跟蹤裝置為二維跟蹤裝置，主要由底座、支架和兩套機械傳動機構組成，屬於成熟 技術。該跟蹤裝置的兩套機械傳動機構能夠分別帶動太陽能電池板在水平方向上旋轉和在 與水平方向垂直的方向上俯仰。 本實用新型，一方面通過光強傳感器檢測太陽的光照強度，計算機對檢測數據分 析計算，以確定當前的天氣狀況，便於太陽方位跟蹤系統針對不同的天氣狀況選擇不同的 跟蹤模式。另一方面，通光筒底部的四象限光電探測器利用太陽入射光斑在其光敏面上四 個象限內的分布面積的變化而引起的四個象限對應的光電二極體輸出光電流的變化，來檢 測太陽方位的偏移情況。計算機對採集到的四象限光電探測器的檢測信號進行轉換處理 後，得到太陽在高度角方向和方位角方向的偏移角度(該偏移角度是相對於太陽光線垂直 照射到四象限光電探測器時的方位而言的)。計算機根據天氣狀況，並依據太陽運動軌跡的 理論計算值和檢測到的偏移角度，控制跟蹤裝置進行太陽方位跟蹤。 本實用新型通過對太陽光照強度和太陽方位變化的在線檢測和處理，獲取天氣情 況和太陽的方位偏移信息。該裝置採用能夠精確定位的四象限光電探測器，提高了檢測精 度；另外，通過使用通光筒，解決了太陽方位檢測裝置易受環境光幹擾而導致檢測信號不穩 定的問題。整個檢測裝置結構簡單，易於維護，能夠採集、處理、分析檢測信號。

圖1為本實用新型的結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種用於太陽自動跟蹤的太陽方位檢測裝置包括通光筒1、光強傳感 器2、防護玻璃3、四象限光電探測器4、信號處理電路5、計算機6、外部時鐘晶片7。通光筒 1為中空的圓柱體，側壁封閉不透光，頂部中心開有圓孔，圓孔處設有一個圓形透明的防護 玻璃3。光強傳感器2放置在通光筒1的頂部、防護玻璃3的旁邊。四象限光電探測器4設 置於通光筒內，且位於通光筒1的底部的中心。四象限光電探測器4的光敏面的半徑大於防護玻璃3的半徑。光強傳感器2和四象限光電探測器4分別與信號處理電路5相連接，信 號處理電路5通過計算機的A/D通道與計算機6連接，信號處理電路5將光強傳感器2和 四象限光電探測器4輸出的光電流信號轉換為電壓信號，並進行放大處理後輸入到計算機 的A/D通道。計算機6與外部時鐘晶片7和跟蹤裝置8連接。外部時鐘晶片7向計算機6 提供年、月、日、時、分、秒等時間信息，計算機讀取日期信號d、時間信號t，藉助天文學公式 求出當天的日出時間tr和日落時間ts。整個太陽方位檢測裝置固定在跟蹤裝置上，通光筒 1的頂面與跟蹤裝置上的太陽能電池板的平面平行，且朝向相同，可以隨著跟蹤裝置的轉動 而轉動。計算機6分析處理採集到的光強信號和四象限光電探測器的檢測信號，得到當前 的天氣情況和太陽的方位偏移信息，並根據太陽方位跟蹤算法，控制跟蹤裝置8做相應調 整，最終實現太陽方位跟蹤。 通光筒頂部的圓形透明防護玻璃用於將太陽直射光線轉換為近似於圓形的光斑 照射到四象限光電探測器的光敏面上，同時在一定程度上屏蔽了環境光的幹擾。四象限光 電探測器的光敏面下面封裝了四個光電特性一致的光電二極體，每個光電二極體對應直角 坐標系的一個象限。四象限光電探測器利用太陽入射光斑在其光敏面上四個象限內的分 布面積的變化而引起的四個象限對應的光電二極體輸出光電流信號的變化，來檢測太陽方 位的偏移情況。太陽方位偏移是指當太陽相對於四象限光電探測器移動時，當前太陽方位 相對於先前太陽光線垂直入射時太陽方位的偏移。信號處理電路將光強傳感器和四象限 光電探測器輸出的光電流信號轉換為電壓信號，並進行放大處理後輸入到計算機的A/D通 道。計算機分析處理採集到的光強傳感器和四象限光電探測器的信號，利用太陽方位跟蹤 算法，控制跟蹤裝置實現太陽方位跟蹤。跟蹤裝置為二維跟蹤裝置，主要由底座、支架和兩 套機械傳動機構組成，屬於成熟技術。該跟蹤裝置的兩套機械傳動機構能夠分別帶動太陽 能電池板在水平方向上旋轉和在與水平方向垂直的方向上俯仰。 該裝置的具體工作過程是 (1)判斷時間 計算機根據外部時鐘晶片提供的日期信號d、時間信號t以及已知的當地地理經 度V和緯度小，通過天文學公式求出當天的日出時間tr和日落時間ts。將當前時間信號 t與計算出的tr、ts比較，當tr < t 11。且 入〈e。，則說明晴朗天氣，光電跟蹤有效，繼續進行太陽方位檢測；若5〉u。且A ^e。，則 說明為多雲天氣，若H《u。且A 〈e。，則為陰雨天氣，這兩種天氣情況下光電跟蹤失效，暫 不進行太陽方位檢測。
(3)採集四象限光電探測器的檢測信號 天氣晴朗時，計算機採集四象限光電探測器的檢測信號。當太陽光線垂直照射到 檢測裝置上時，入射光斑在四象限光電探測器光敏面的四個象限上的分布面積相等，四個相應的光電二極體的輸出電流信號相等；當太陽因移動而導致入射光斑的分布面積發生變
化時，四個光電二極體的輸出信號相應變化，太陽方位偏移的情況也隨之確定。 將四象限光電探測器四個光電二極體的負端與直流電源(電壓5V 15V)相連，
正端分別接入信號處理電路，其輸出電壓與各象限的光照面積和太陽光照強度成正比，分
別記為ua、 ub、 u。、 ud。這些電壓信號通過計算機的A/D通道將這些電壓信號採集到計算機中。
(4)計算太陽方位的偏移情況 計算機根據採集到的電壓信號ua、 ub、 Uc、 ud，利用四象限加減算法計算出光斑在東 西方向和南北方向上的位置偏移x。和y。(x。和y。分別反映了太陽在方位角和高度角方向的 偏移情況，x。 > 0時，代表太陽在方位角方向上向西偏移，反之向東；y。 > 0時，代表太陽在 高度角方向上向北偏移，反之向南)。計算機根據通光筒的高度l，進一步將位置偏移x。和 y。轉換為太陽在方位角和高度角方向上的角度偏移a和P，公式如下
formula see original document page 6 (5)根據偏移角度，進行光電跟蹤 計算機將太陽在方位角和高度角方向上的角度偏移a和13分別與相應的閾值^ 和e2比較(ei、 e2可依據太陽跟蹤系統對跟蹤精確度的要求來設定)。當計算值大於閾值 時，計算機控制跟蹤裝置分別按照角度a和|3在相應的方向上進行調整，以實現對太陽方 位的光電跟蹤(在實際應用中，計算機可以將光電跟蹤和與其他跟蹤方式相結合，已實現 全天候的太陽方位跟蹤)。 [OO33] (6)設定延時 通過上述步驟，即可完成一次光強和太陽方位偏移的檢測以及光電跟蹤。每完成 一次檢測和跟蹤，需要延時一段時間td。其取值範圍為0 < td《40min，可以根據跟蹤裝 置所在地的季節變化、太陽輻射條件以及對太陽方位檢測跟蹤精度的要求來設定。由計算 機內部的定時器來實現跟蹤延時。由計算機6內部的定時器來實現跟蹤延時。 (7)判斷是否該停止工作 每完成一次檢測和跟蹤，就進行一次時間判斷。計算機讀取外部時鐘晶片提供的 當前時間值t，由於t 一定是在日出時間tr之後，所以僅將當前時間t與日落時間ts比較。 若t〈ts，進入下一次循環，重複步驟(2) (6);若t^ts，說明日落時間已到，檢測裝置
停止工作。
權利要求一種用於太陽自動跟蹤的太陽方位檢測裝置，包括通光筒、光強傳感器、防護玻璃、四象限光電探測器、信號處理電路、計算機、外部時鐘晶片，其特徵在於所述的通光筒為中空的圓柱體，側壁封閉不透光，頂部中心開有圓孔，圓孔處設有一個圓形透明的防護玻璃；光強傳感器放置在通光筒的頂部、防護玻璃的旁邊；四象限光電探測器設置於通光筒內，且位於通光筒的底部的中心，四象限光電探測器的光敏面的半徑大於防護玻璃的半徑；光強傳感器和四象限光電探測器分別與信號處理電路相連接，信號處理電路通過計算機的A/D通道與計算機連接，計算機與外部時鐘晶片和跟蹤裝置連接。
專利摘要本實用新型涉及一種用於太陽自動跟蹤的太陽方位檢測裝置。現有裝置的檢測精度較低。本實用新型中的通光筒為中空的圓柱體，頂部中心開有圓孔，圓孔處設有防護玻璃。光強傳感器放置在通光筒的頂部、防護玻璃的旁邊，四象限光電探測器設置在通光筒底部的中心。光強傳感器和四象限光電探測器分別與信號處理電路相連接，信號處理電路通過計算機的A/D通道與計算機連接，計算機與外部時鐘晶片和跟蹤裝置連接。本實用新型提高了檢測精度，並解決了太陽方位檢測裝置易受環境光幹擾而導致檢測信號不穩定的問題。本實用新型結構簡單、易於維護。
文檔編號G01J1/42GK201488725SQ20092019680
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月18日 優先權日2009年9月18日
發明者吳開華, 徐靜, 遊黎瓊, 馬莉 申請人:杭州電子科技大學;浙江環球光伏科技有限公司