CN101149259B - 太阳方位探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳方位探测器，包括：顶部具有能够透光的缝隙的壳体以及第一光电探测部件。第一光电探测部件包括在光敏材料基片上形成的形状相同的第一和第二光电探测元件，第一和第二光电探测元件能够各自响应于通过所述缝隙入射的太阳光而提供电信号。本发明的太阳方位探测器输出的信号与电池板的方位角具有特定数值关系，从而提高了太阳能电池板角度调节系统对太阳能电池板进行调节的精度。另外，通过本发明，能得到受外部太阳光的强弱变化的影响较小的差分相对值的处理信号，从而改进太阳能电池板角度调节系统的可靠性。

Description

太阳方位探测器

技术领域

本发明涉及一种太阳方位探测器，尤其涉及一种具有能够响应于太阳方位而输出连续信号的光电探测部件的太阳方位探测器。

背景技术

在各种利用太阳能资源的装置(例如，太阳能发电设备)中，越来越多地使用光电转换的太阳能电池板。为了提高光电转换效率，除了改进硅光电池的制造工艺之外，另外一种方法是对太阳能电池板的角度进行调节。下面的公式示出了光电转换太阳能电池板表面获得的光照度E(即，光能量)：

E＝E₀cosθ

其中，θ为入射光线与被照表面的法线之间的夹角，E₀表示θ为0(即太阳光垂直入射)时太阳能电池板表面所获得的光照度。光照度越大，能够获得的光电流也就越大。

根据上述公式可知，如果将θ的变化控制在±5°之内，E的下降不超过0.5％；但如果θ的变化达到±30°，则E的下降会达到14％，这会使得光电转换效率损失严重。因此，需要一种能够对太阳能电池板的角度进行调节的系统，该系统的结构在图1中以框图的形式示意性地示出。如图1所示，太阳能电池板角度调节系统1包括太阳方位探测器2、系统控制器3和转角执行机构4。太阳方位探测器2测量入射太阳光线相对于太阳能电池板法线的方位，并将测量信号提供给系统控制器3进行处理。系统控制器3响应于由太阳方位探测器输出的表示太阳方位的信号，向转角执行机构4输出控制信号。最后，转角控制机构4根据所接收的控制信号对太阳能电池板5的角度进行调节。

目前已有的能够提供太阳方位信号的太阳方位探测器如图2所示，这是一种点阵式太阳方位探测器2’。该点阵式太阳方位探测器2’的主要功能部件是由五个光敏元件11～15构成的探测单元。点阵式太阳方位探测器2’以这样的方式安装在太阳能电池板5上，即，太阳方位探测器2’的法线与太阳能电池板5的法线重合。当太阳光以垂直于电池板的方向入射时，只有中心处的光敏元件11能够接收阳光从而输出电信号。当太阳的入射方向与电池板表面的法线具有倾角时，外围的四个光敏元件12～15中的其中之一将接收入射阳光而输出电信号。通过判断五个光敏元件中哪一个具有输出信号，可得知太阳光相对于法线的倾斜方向。

但是，这种点阵式的太阳方位探测器2’提供的信号是非连续的，这使得根据其所输出的信号进行的调节精度有限。并且，在阳光入射位置位于中心光敏元件11与其外围的光敏元件之间的部分时，太阳方位探测器2’无输出信号，这时无法判断太阳的方位，从而使得对太阳能电池板的角度调节不够准确。

发明内容

为了克服上述现有的太阳方位探测器的缺点，本发明提供了一种能够以连续的信号来表示太阳方位的太阳方位探测器。

根据本发明的一个实施方案，提供了一种太阳方位探测器，包括：壳体，其顶部具有能够透光的缝隙；以及第一光电探测部件，该第一光电探测部件包括在光敏材料基片上形成的形状相同的第一和第二光电探测元件，第一和第二光电探测元件能够各自响应于通过所述缝隙入射的太阳光而提供电信号。

光敏材料基片可为矩形，第一和第二光电探测元件可为矩形区域的对角线划分而形成的两个直角三角形区域。在光敏材料基片为矩形的情况下，第一和第二光电探测元件响应于入射太阳光而提供的电信号分别为I₁和I₂，入射太阳光的光面与第一光电探测部件的法平面之间的夹角α_i可通过以下公式来确定：

tgα_i＝[(I₁-I₂)/(I₁+I₂)]*C

其中，C是与所述太阳方位探测器有关的常数，其可根据所述缝隙与所述第一光电探测部件之间的距离、以及所述第一和第二光电探测元件的形状来确定。

光敏材料基片可为圆形，第一和第二光电探测元件可为圆形区域的直径划分而形成的两个半圆形区域。

根据本发明的一个实施方案，太阳方位探测器可进一步包括位于壳体侧面上的辅助探测器，辅助探测器内设置有第二光电探测部件，太阳光能够通过辅助探测器入射到所述第二光电探测部件上，第一光电探测部件与第二光电探测部件的探测视场互有交叠。

根据本发明的一个实施方案，第一光电探测部件可进一步包括第三和第四光电探测元件，第三和第四光电探测元件可分别位于第一和第二光电探测元件形成的区域的上侧和下侧。

与现有的太阳方位探测器不同，由本发明的太阳方位探测器输出的信号与电池板的方位角具有特定数值关系，从而提高了太阳能电池板角度调节系统对太阳能电池板进行调节的精度。另外，由本发明的太阳方位探测器提供给系统控制器的光电信号经处理后所得到的信号是一个差分相对值，该信号受外部太阳光的强弱变化的影响较小，因而能够改进太阳能电池板角度调节系统的可靠性。

附图说明

下面将根据附图详细描述本发明的具体实施方案，其中：

图1示出了太阳能电池板角度调节系统的结构框图；

图2示出了一种公知的太阳方位探测器的俯视图；

图3示出了根据本发明一个实施方案的太阳方位探测器的光电探测部件的俯视图；

图4示出了太阳光入射到图3所示的光电探测部件上的光路立体图；

图5是与图4相对应的光路平面图；

图6示出的是入射太阳光在图3所示的光电探测部件上形成的光带的俯视图；

图7示出了根据本发明一个实施例的太阳方位探测器的立体图；

图8示出了根据本发明另一实施例的太阳方位探测器的立体图；

图9示出了根据本发明另一实施方案的太阳方位探测器的探测范围的示意图；

图10示出了根据本发明的另一实施方案的太阳方位探测器的光电探测部件的俯视图；

图11和12示出了根据本发明的另一实施方案的太阳方位探测器的光电探测部件的俯视图。

具体实施方式

以下将结合附图详细描述本发明的太阳方位探测器。

图3所示的是根据本发明的一个实施方案的太阳方位探测器的光电探测部件200a。光电探测部件200a包括在同一基片的光敏材料上刻出的两个光电探测元件201和202。如图4所示，基片为矩形，光电探测元件201和202分别为矩形区域的对角线划分形成的形状相同的两个直角三角形部分，倾斜角为θ。元件201和202受到阳光照射而产生的电信号分别为I₁和I₂，I₁和I₂的值与元件201或202受阳光照射的面积成正比。

光电探测部件200a设置在一壳体内部，该壳体可为长方体形状，其顶部具有缝隙，阳光能够透过缝隙入射到壳体内部。光电探测部件200a可如下设置：其与壳体顶面平行，壳体的缝隙在光电探测部件200a上的正投影垂直于光电探测部件200a的矩形区域的两边，并与矩形区域的中线重合。

图4示出的是太阳光穿过壳体的缝隙入射到图3所示的光电探测部件200a上的立体图。其中，阳光垂直于光电探测部件200a入射形成的光面与实际入射阳光形成的光面之间的夹角为α_i。图5示出了与图4相对应的平面图，其中，线h是光电探测部件200a平面的法线，入射光线l与h之间的夹角为α_i。

公式(1)表示了入射光线l与h之间的夹角α_i与光电探测元件201、202所产生的电信号I₁、I₂的关系：

tgα_i＝[(I₁-I₂)/(I₁+I₂)]*C    (1)

其中，C为常数，它的值与太阳方位探测器的结构尺寸有关。由公式(1)可以看出，通过确定的光电探测部件，如果已知I₁和I₂的值，就能够计算出α_i的大小。

图5示出的是不同方位的入射太阳光在光电探测部件200a上形成的光带的俯视图。

如图6所示，线a、a’分别与光电探测元件201、202形成的矩形区域的左右两边重合，线e为元件201和202形成的矩形的中线，而b表示入射太阳光的在光电探测部件200a上所形成的光带。当光带b与线e重合时，元件201、202受阳光照射的面积相等，因此元件201、202输出电信号I₁和I₂相等。根据公式(1)可知，α_i为0，即，阳光垂直于太阳能电池板入射。当光带b从线e向线a或a’移动时，通过测量输出的电信号I₁和I₂，可根据公式(1)计算出对应的α_i值，该区域为有效测量区域。当光带b超出线a或a’时，元件201和202均无输出电信号。

假设光带b与线a或a’重合时，入射光线1与法线h的夹角为+γ或-γ，此时，太阳方位探测器处于边缘状态。可适当调节壳体的缝隙与光电探测部件200a之间的距离以及元件201或202的倾斜角θ，从而调节公式(1)中的C值，并进而改变γ的值。

再次参照图1，如上所述，太阳方位探测器2的输出信号经系统控制器3处理后提供给转角执行机构4。这里定义转角执行机构4的控制精度±β，即，当入射光线l与法线h的夹角α_i达到±β时，转角控制机构4就能立刻根据系统控制器3的命令对太阳能电池板的角度进行调节，使得此时的入射光线l与法线h重合。为了使得本发明的太阳方位探测器总能输出有效信号，应该使γ远大于β，以使得光带b总是处于有效测量范围内。

图7示出了其中设置有如上所述的光电探测部件200a的太阳方位探测器的一个实施例。如图7所示，太阳方位探测器的壳体包括外壳21、光拦板22、光学码盘(未示出)，此外，太阳方位探测器还包括安装部件23以及电接口24。壳体的作用在于保护其内部的光电探测部件，并形成能够透过阳光的缝隙，使得阳光入射到光电探测部件200a(图中未示出)上。

外壳21通常由重量较轻的金属(例如铝)制成。外壳21与可由与外壳相同材料制成的光拦板22接合(通常采用卡合和粘合相结合的方式)用以对其内部部件形成保护。外壳21上部具有与光拦板22相接合的开口，而光拦板22具有槽25，以使得太阳光能够进入太阳方位探测器内部，同时阻挡杂散光的干扰。为了保证内部的部件正常工作，通常需要对外壳21和光拦板22的内表面进行处理(例如，超黑处理)，以使得光线不能透过外壳21进入内部，以及避免通过光拦板22进入内部的光线漫反射以减少或避免出现噪声信号。另外，由于太阳方位探测器通常长期在露天环境下工作，容易被空气氧化或被雨水腐蚀，因此需对外壳21和光拦板22的外表面进行防氧化腐蚀的处理。

太阳方位探测器的光学码盘(图中未示出)位于光拦板22的下方，由防辐照光学玻璃制成，并具有与光拦板的槽25相对应的光缝。光学码盘的光缝通过光刻形成，使得太阳光线能够穿过。

太阳方位探测器可通过安装部件23固定在太阳能电池板上的任何位置处，只要光电探测部件平面与太阳能电池板平面相平行即可。如图所示，安装部件23可为外壳上形成的多个凸缘，各个凸缘上具有至少一个用以将太阳能方位探测器固定于太阳能电池板的孔。本领域技术人员可以理解，在太阳能电池板的相应位置形成有与凸缘上的孔相对应的孔，使得能够通过螺钉使二者相结合。凸缘可与外壳一体形成，作为一种选择，其也可通过焊接等其它方式固定至外壳。安装部件可具有本领域公知的其它形式，而不应受限于本发明实施方案的特定公开。

可采用任意一种体积小、可靠性高的电连接器(例如，航空密封插接件)来将太阳方位探测器的输出电信号提供给系统控制器。太阳方位探测器具有与所采用的电连接器相对应的电接口24。为了降低环境因素的不利影响，通常需要对电接口和电连接器进行处理，例如，防潮处理。本领域技术人员可以理解，应该将电接口24设置在太阳方位探测器外壳的朝向地面的一侧，以避免雨水通过电接口进入外壳内部。

在实际应用中，太阳能电池板角度调节系统通常在傍晚日落之后驱动太阳能电池板向东移动，使其对准第二天的日出方位。但是，如果由于天气原因，早上的阳光很弱，但到下午时天晴，因为根据本发明第一实施方案的光电探测部件200a的探测范围(如上所述，相对于太阳能电池板的法线h具有±γ的探测范围)有限，有可能出现太阳光无法入射到光电探测部件200a的有效测量区域内。这时，由于太阳方位探测器无输出信号，因此，太阳能电池板角度调节系统无法驱动太阳能电池板对准太阳，从而造成太阳能的浪费。

为了能够在上述天气情况下充分利用太阳能，可采用本发明的第二实施方案，参见图8-9，在根据第一实施方案的光电探测部件200a基础上加上另一光电探测部件200b，使二者协同工作。这时，可在根据本发明一个实施例的太阳方位探测器朝西的一侧上加设辅助探测器27，其中容纳有光电探测部件200b，如图8所示。虽然图8中示出的辅助探测器27为中空柱状结构，但本领域技术人员能够理解，其它多种形状和结构也是可行的。太阳光能够通过辅助探测器27的开口入射到其内的光电探测部件200b上。光电探测部件200b可设置为其表面与光电探测部件200a的平面彼此垂直，但这种设置方式并非必要，也可采取其它设置方式。当由于太阳所在的位置偏西而超出了光电探测部件200a的探测范围时，由于朝西的光电探测部件200b能够接受阳光照射，因而具有电信号输出至系统控制器，系统控制器可输出相应信号以驱动太阳能电池板向西运动，使得光电探测部件200a能够接收阳光照射。

如上所述，光电探测部件200a能够响应于与光电探测部件200a的法线h的夹角在±γ内的入射光线而产生输出电信号。参见图9，光电探测部件200b能够响应于与光电探测部件200b的法线h’的夹角在±φ内的入射光线而产生输出电信号。优选地，光电探测部件200a与200b的探测视场应该有交叠，即具有夹角ω，以确保由光电探测部件200a和200b构成的太阳方位探测器能够在任何时间检测到太阳的方位。

对于设置在地面上确定位置处的太阳能电池板而言，太阳相对于地球东西方向的角度变化较大，而相对于地球南北方向的角度变化较小。例如，对于赤道位置而言，太阳在地球南北方向上的角度变化约为±23.5°。当太阳在南北方向上的移动而使得光带b位置出现如图10所示的偏移时，由光电探测部件200a输出的电信号无法准确表示太阳方位。这时，可在根据本发明第一实施方案的光电探测部件200a的上下侧各增加一个长条形光电探测元件203和204，如图10所示。当光带b出现图中所示的偏移时，由于光电探测元件204受到阳光照射而元件203未受阳光照射，从而元件204产生输出电信号，而元件203不产生输出电信号。通过这种方式，系统控制器可根据对元件203、204有无输出电信号的检测，向转角执行机构输出驱动太阳能电池板调节俯仰角度的相应信号。优选地，通过调节太阳能电池板的俯仰角度，使得元件203、204输出的电信号相等。

以上所述的光电探测部件200a为矩形，但也可以是其它形状，例如圆形。图11示出了根据本发明另一实施方案的光电探测部件200a’，其为圆形，包括由一直径d划分而成的两个半圆形光电探测元件201’和202’。虚线g表示的是壳体的缝隙的垂直投影，可以看出，当阳光垂直于光电探测部件200a’入射时，所形成的光带应通过圆心，并与直径d具有夹角θ’。如图所示，虚线f和f’是通过直径d的两个端点、并与虚线g平行的线。当光带从线g向线f或f’移动时，元件201’和202’受阳光照射的面积发生变化，因而其各自输出的电信号I₁’和I₂’也发生相应变化。通过所得到的电信号I₁’和I₂’，能够计算获得入射阳光相对于光电探测部件200a’平面的法线的倾斜角。与如图10所示的情况类似，可在光电探测部件200a’的上下侧各增加一个光电探测元件203’和204’，如图12所示。当然，元件203’和204’的形状和大小并非固定，只要能够通过其有无输出电信号判断出入射阳光是否由于俯仰角度而产生偏移即可。

虽然以上出于描述性的目的给出了本发明的具体实施方案，但是本领域的普通技术人员应该认识到，在不背离本发明的精神和范围下，可对这些实施方案进行各种修改和替换。

Claims (8)

1.一种太阳方位探测器，包括：

壳体，其顶部具有能够透光的缝隙；以及

第一光电探测部件，

其中，所述第一光电探测部件包括在矩形的光敏材料基片上形成的形状相同的第一和第二光电探测元件，所述第一和第二光电探测元件为所述矩形的对角线划分而形成的两个直角三角形区域，所述第一和第二光电探测元件能够各自响应于通过所述缝隙入射的太阳光而提供连续的电信号，

所述第一光电探测部件设置为与所述壳体顶面平行，所述壳体的缝隙在所述第一光电探测部件上的正投影垂直于所述第一光电探测部件的矩形的两边且与所述矩形的中线重合，

所述太阳方位探测器还包括位于所述壳体侧面上的辅助探测器，所述辅助探测器内设置有第二光电探测部件，太阳光能够通过所述辅助探测器入射到所述第二光电探测部件上。

2.如权利要求1所述的太阳方位探测器，其特征在于，所述第一和第二光电探测元件响应于入射太阳光而提供的电信号分别为I₁和I₂，所述入射太阳光的光面与所述第一光电探测部件的法平面之间的夹角α_i通过以下公式来确定：

tgα_i＝[(I₁-I₂)/(I₁+I₂)]*C

其中，C是与所述太阳方位探测器有关的常数。

3.如权利要求2所述的太阳方位探测器，其特征在于，所述常数C的值根据所述缝隙与所述第一光电探测部件之间的距离、以及所述第一和第二光电探测元件的形状来确定。

4.如权利要求1所述的太阳方位探测器，其特征在于，所述第一光电探测部件与所述第二光电探测部件的探测视场互有交叠。

5.如权利要求1所述的太阳方位探测器，其特征在于，所述第一光电探测部件进一步包括第三和第四光电探测元件，所述第三和第四光电探测元件分别位于所述第一和第二光电探测元件所形成的区域的上侧和下侧。

6.一种太阳方位探测器，包括：

壳体，其顶部具有能够透光的缝隙；以及

第一光电探测部件，

其中，所述第一光电探测部件包括在圆形的光敏材料基片上形成的形状相同的第一和第二光电探测元件，所述第一和第二光电探测元件为所述圆形的一直径划分而形成的两个半圆形区域，所述第一和第二光电探测元件能够各自响应于通过所述缝隙入射的太阳光而提供连续的电信号，

所述第一光电探测部件设置为与所述壳体顶面平行，所述壳体的缝隙在所述第一光电探测部件上的正投影通过所述圆形的圆心且与所述直径具有夹角，

所述太阳方位探测器还包括位于所述壳体侧面上的辅助探测器，所述辅助探测器内设置有第二光电探测部件，太阳光能够通过所述辅助探测器入射到所述第二光电探测部件上。

7.如权利要求6所述的太阳方位探测器，其特征在于，所述第一光电探测部件与所述第二光电探测部件的探测视场互有交叠。

8.如权利要求6所述的太阳方位探测器，其特征在于，所述第一光电探测部件进一步包括第三和第四光电探测元件，所述第三和第四光电探测元件分别位于所述第一和第二光电探测元件所形成的区域的上侧和下侧。

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