CN101625232A

CN101625232A - 宽域高灵敏度太阳跟踪传感器

Info

Publication number: CN101625232A
Application number: CN200810071374A
Authority: CN
Inventors: 陈鼎凌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2008-07-10
Publication date: 2010-01-13

Abstract

一种宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，属于太阳能应用领域，用于太阳能集热、采热系统以及太阳能光伏发电系统的太阳方位的实时动态跟踪设备的传感。其特征为：包含一对参数相同的光电池、一片双面反光镜片和一个等腰三角形支架，构成一个所述的传感器，两片光电池分别装在等腰三角形支架的两个斜面上，双面反光镜片装在两片光电池外交角的平分线上。用一个所述的传感器可组成一维太阳跟踪系统，用二个所述的传感器在平面上互成90°安装，即可组成二维的太阳跟踪系统。

Description

宽域高灵敏度太阳跟踪传感器

所属技术领域

本发明为一种宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，属于太阳能应用领域，用于太阳能集热、采热系统以及太阳能光伏发电系统的太阳方位的实时动态跟踪设备的传感。

背景技术

在全球化石能源即将枯竭的今天，太阳能的深度开发应用已被人们所关注。但以往人们仅在太阳能的低温应用技术上开发了一些基础产品，如太阳能热水器、太阳能光伏电池等对跟踪要求不高或无需跟踪的产品，所以对跟踪技术没有得到足够重视。今天，人们已深入到太阳能中、高温应用领域和高倍聚光光伏应用领域，但由于太阳能的能流密度较低，要产生高温、高热和高光强就得设法将太阳光进行高倍聚光，最常用的聚光手段为折射聚光和反射聚光，而一旦采用聚光手段，则离不开对太阳的高精度超广角的适时动态跟踪，这就对传感器提出了很高的要求。

以往的此类传感器总是难以做到“宽域”与“高灵敏度”兼而得之，往往是在一个较小的角度范围内(比如60°内)具有高灵敏度，而一旦检测角度大了就难以做到较高灵敏度，甚至由散射光产生光干扰，引起工作不稳定。现实的例子比如：上午阴雨，下午3点放晴，此时太阳在天空中的高度角已产生130°位移，用传统的传感器就很难作出正确判断，常常成了“睁眼瞎”。因此，设计一种超广角的宽域高灵敏度的太阳跟踪传感器就显得十分必要。

发明内容

本发明的目的，就是为聚光太阳能集热系统以及光伏发电系统提供一种经济实用、性能可靠、使用方便、宽域、高灵敏度的传感器，以保证系统的可靠工作。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

产品包含一对参数相同的光电池1、一片双面反光镜片2和一个等腰三角形支架3组成，两片光电池1分别装在等腰三角形支架3的两个斜面上，双面反光镜片2装在两片光电池1外交角的平分线上(如图1、图2、图3)。

双面反光镜片为金属或非金属母材进行抛光或电镀而成的、对光线有较强反射能力的不透光的镜面片材，两镜面光洁度相同、光学性能相同，可以用以下方法之一制作：

方案之一：可由同一片单面镜面不锈钢薄板裁切成两片相同形状的小平板背靠背粘接或焊接而成。

方案之二：由双面镜面铜板或双面镜面不锈钢板裁切而成。

方案之三：由金属薄片或其它工程材料电镀而成。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的主视图

图2是本发明的俯视图

图3是本发明左主视图

图4是传感器“光电池”之一放大后的微观结构图

图5是本发明的传感器在光线偏移后的作用效果图

图6是太阳的幅照具有开采利用价值的区间示意图

图7是在极限状况下本发明的工作原理图

图8是传感器之“光电池”与负载电阻并联的示意图

图9是传感器之“光电池”未并联负载电阻时的光-电特性图

图10是传感器之“光电池”并联负载电阻后的光-电特性图

具体实施方式

本传感器具有高灵敏度的原理如下：

如图1所示：双面反光镜片的高度超出等腰三角形支架的顶角之外并延伸出一定高度，此高度可以是等腰三角形支架斜边长度的0.5至10倍，此高度越大，本传感器的灵敏度也越高，其原因与光电池的结构特性有关：在放大镜下，每片光电池是由数个单元光电池串接而成，如图4所示，以单晶硅光伏电池为例，在光照强度最大时(100mW/cm²)，每个单元光电池的开路电压一般为550mV左右，则一片开路电压为5V的光电池就是由9个单元光电池串联而成的，如图4中的九个小长方条所示。由于单元光电池在受光发电时呈低阻态，而背光时呈高阻态，所以，当其中一个单元光电池被双面反光镜片2局部遮光后，由串联电路的特性知：整个串联回路均呈高阻态，也即，光电池哪怕只被局部略微遮光，则其整体输出电压就会大幅下降。

所以，双面反光镜片2越长，当太阳转过一个单位角度后，其背光面的遮光阴影也越长，越容易遮敝单元光电池(如图5双面反光镜片右侧的三角形空白部份所示)，对输出电压的影响也就越大。换言之：双面反光镜片2越长，其阴影遮敝一个单元光电池所需的太阳偏转角也越小，本传感器也就越灵敏。这就是本发明能达到高灵敏度的原因之一。

如图5所示：当阳光产生微量偏移时，在双面反光镜片2的向阳面会将偏移部份的光线反射到与之相对应的光电池上(如图5中网眼部分所示)，提高其光强，使其输出电压提升，以便于单片机的识别与正确判断。这就是本发明能提高灵敏度的原因之二。

如图9所示，由于光电池的开路光电特性较硬，即在开路状态(没负载电阻时)和正常日照下，当照度产生一定变化时，其输出电压的变化不明显。而在负载情况下则不然，并且，与本传感器对接的单片机或电桥电路或模拟放大电路往往为高输入阻抗电路(相当于开路)，所以，为提高光电池对光强微弱变化的反应灵敏度，必须让两片光电池各自带上一个合适的负载电阻，如图8所示，负载电阻的大小应根据所选用的光电池的负载特性而定，使得该光电池工作于光敏特性最佳的工作点上，比如：当选择开路电压为5V、功率为5mW的硅光电池作传感器，则选择R＝5.1～10k Ω的电阻为宜，在带有合适负载的情况下，光电池的输出特性就显得较“软”，如图10所示，也即：当光强有微小变化时，其输出电压就会成线性地产生较大幅度的变化。这就是本发明能达到高灵敏度的原因之三。当然，上述的负载电阻也可以移至后续的取样电路中，如：单片机或电桥电路或模拟放大电路的前端，而在本传感器中省去。

由于以上三种效应同时存在、同时起作用，所以本传感器的灵敏度较常规的传感器提高了一个数量级以上，哪怕在云层较薄的阴天，也能识别天空中散射光的明暗差异，对太阳进行准确的跟踪，对光伏发电系统尤其有利，能可靠地保证太阳能采集设备全天候地对太阳的准确高效跟踪，以让其发挥出最大的效率，这是其它类型的传感器所无法做到的。

本传感器能够实现宽域工作的技术措施及其原理如下：

将两片参数相同的光电池1安放在等腰三角形支架3的两侧斜面上，而等腰三角形支架的顶角α(图1所示)可在30°～150°之间选取，此角度越小则本传感器的检测角度越宽，此角度越大则本传感器的检测角度越小，经试验，在太阳能跟踪系统应用中，考虑到太阳在天空中高度角的季节性变化和每天气候变化的规律，同时考虑到跟踪机构的响应精度和实际工况，α角选用45°左右为佳。

经大量测试与统计结果显示：太阳的高度角在东10°与西15°之间时，其幅照均有开采利用价值，那么，对传感器的要求就是其工作域宽必须达到或超过180°-(10°+15°)＝155°。

如图6、图7所示：这里假设一种最极限的情况：假如整个上午均是阴雨天，来自天空中各方向的散射光是均匀的(这种情况仅在云层厚度极大时才会发生)，传感器始终不动作，设备朝向的高度角为东10°方位，直至傍晚太阳的高度角为西15°时才放晴，此时太阳在天空中的高度角已产生155°位移，但由于采光系统面向初阳的初始高度角为东10°，则由图7知：∠AOD＝45°、∠AOC＝22.5°、∠BOC＝东面初始高度角＝10°，则∠AOB＝∠AOC-∠BOC＝12.5°＜15°，也即，即使在傍晚太阳高度角为西15°的情况下，传感器的向阳面还能被太阳照到，此时背阳面的那片光电池被双面反光镜片2遮挡后完全在浸没在阴影中，而向阳面的那片光电池通过太阳直射以及双面反光镜片2的映射迭加(非反射)，仍有较大光强，并足以让后续的识别电路作出正确判读，进而通过跟踪机构矫正方向，让采光设备正确偏转后对准太阳。

由于等腰三角形支架3在结构上的高度稳定性和制造方法所保证的高度对称性，使两片光电池也保证其高度的稳定性和对称性，因此，保证了本传感器在宽域应用上的性能稳定性。

可见，由于本传感器特殊的结构，构成了高灵敏度与宽域探测兼备的优秀特性。

本传感器能自动跟踪太阳的工作原理如下：

1、当太阳在传感器的正中央时，光线与镜片相平行，双面反光镜片在等腰三角形支架上的投影为一条直线，对左右两片光电池没有产生遮挡、也没有产生光的反射。由于两片光电池是对称于分布于双面反光镜片左右两侧，对等腰三角形支架底边的倾斜角度相同、阳光对其投射的面积也相同，所以两片光电池输出的电压也相同，此时电压信号经对应的两个A/D(A/D1、A/D2)转换器变换后的数值也相同，则如图8所示，后续的单片机判定为“平衡”，伺服驱动电路不动作，机构继续保持平衡。

2、当太阳偏离传感器的中心位置时，双面反光镜片的向阳面能将投射到其上的阳光反射到与其相向的那片光电池工作面上(如图5的网眼部份)，使这片光电池受光量增大，输出的电压也增太，而另一片光电池的受光量却被双面反光镜片部份遮挡而大为减弱(如图5双面反光镜片右侧的三角形空白部份所示)，输出的电压也大为减小，此时电压信号经对应的两个A/D(A/D1、A/D2)转换器变换后其数值也产生相应变化，单片机判定为“不平衡”，遂向伺服驱动电路发出动作指令，从而使伺服电机对系统做出矫正动作，让机构重回“平衡”状态，传感器正中央的双面反光片重新正对太阳，两A/D转换器恢复平衡，矫正动作完成。

以此类堆，每当地球转过一定角度而使太阳偏离传感器的中心位置时，本传感器便产生两个不同大小的电压信号给单片机，于是经过A/D转换、数据比较、再推动伺服系统作出正确的矫位动作，使得聚光太阳能集热器的受光面始终正对着太阳，保持最大的采光量。

用一个这样的传感器，可组成一维太阳跟踪系统，用二个所述的传感器在平面上互成90°安装，即可组成二维的太阳跟踪系统。

如图1、图2、图3所示，等腰三角形支座可由金属材料如铝合金、锌合金、铜等，或高分子材料如尼龙、ABS、PP、PC等，经挤压或注射成形。

如图1、图2、图3所示，等腰三角形支座上的两斜面等宽，等腰三角形支座的底面上留有安装孔，可方便地装在跟踪设备上与设备随动。

两片光电池可直接以等腰三角形支座的两个斜面为板基，将光电材料制作在其上形成一体化，也可以是两片互为独立的平板光电池贴于等腰三角形支座的两个斜面上。

Claims

1、一种宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：包含一对参数相同的光电池、一片双面反光镜片和一个等腰三角形支架，构成一个所述的传感器，两片光电池分别装在等腰三角形支架的两个斜面上，双面反光镜片装在两片光电池外交角的平分线上。

2、根据权利要求1所述的宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：两片材料、光电参数、形状、尺寸均相同的光电池的各自输出端均并联一只相同阻值的负载电阻，其阻值按该光电池的负载特性而定，使得该光电池工作于光敏特性最佳的工作点上。

3、根据权利要求1或2所述的宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：两片光电池可直接以等腰三角形支架的两个斜面为板基，将光电材料制作在其上形成一体化，也可以是两片互为独立的平板光电池贴于等腰三角形支架的两个斜面上。

4、根据权利要求1所述的宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：双面反光镜片为金属或非金属母材进行抛光或电镀而成的、对光线有较强反射能力的不透光的镜面片材，片材两镜面光洁度完全相同、光学性能完全相同。

5、根据权利要求1或4所述的宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：双面反光镜片可由同一片镜面不锈钢板裁切成相同形状并背靠背粘接或焊接而成。

6、根据权利要求1或4或5所述的宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：双面反光镜片的高度超出等腰三角形支架的顶角之外并延伸出一定高度，此高度可以是等腰三角形支架斜边长度的0.5至10倍。

7、根据权利要求1或6所述的宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：当太阳偏离传感器的中心位置时，双面反光镜片的向阳面能将投射到其上的阳光反射到与其相向的那片光电池上，使这片光电池受光量增大，输出的电压也增太，而另一片光电池的受光量却被双面反光镜片部份遮挡而大为减弱，输出的电压也大为减小。

8、根据权利要求1所述的宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：等腰三角形支架可由金属材料如铝合金、锌合金、铜等，或高分子材料如尼龙、ABS、PP、PC等经挤压或注射成形。

9、根据权利要求1或8所述的宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：等腰三角形支架的顶角α在30°～60°之间，等腰三角形支架上的两斜面等宽，等腰三角形支架的底平面上留有安装孔。

10、根据权利要求1至9所述的宽域高灵敏度太阳跟踪传感器，其特征为：用一个所述的传感器可组成一维太阳跟踪系统，用二个所述的传感器在平面上互成90°安装，即可组成二维的太阳跟踪系统。