CN101692445A - 光伏巡日探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光伏巡日探测器，包括壳体，壳体的顶部具有能够透光的缝隙，包括第一光电探测部件、第二光电探测部件和第三光电探测部件，其中，第一、第二光电探测部件都包括在光敏材料基片上形成的两个形状相同的光电探测元件，所述的两个形状相同的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的电信号，壳体侧面上还设有辅助探测器，所述的第三光电探测部件位于辅助探测器内，太阳光能够通过所述辅助探测器入射到所述第三光电探测部件上。本发明的光伏巡日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。

Description

光伏巡日探测器
技术领域
本发明涉及一种光伏巡日探测器，具体地说，涉及一种能够响应太阳方位而输出连续信号的光电探测部件的光伏巡日探测器。
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与之外，另外一种方法是对太阳能电池板的角度进行调节。下面的公式表示出了光电转换太阳能电池板表面获得光照度E(即，光能量)：E＝E0cos ，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光照度。光照度越大，能够获得的光电流也越大。
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％；但是如果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’包括光伏巡日探测器2’、系统控制器3’和转角执行机构4’。光伏巡日探测器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进行处理，系统控制器响应于由光伏巡日探测器输出的表示太阳方位的信号，向转角执行机构输出控制信号。最后，转角控制机构根据所接收的控制信号对太阳能电池板的角度进行调节。
目前已有的能够提供太阳方位信号的光伏巡日探测器如图2所示，这是一种点阵式光伏巡日探测器2’。该点阵式光伏巡日探测器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。点阵式光伏巡日探测器2’以这样的方式安装在太阳能电池板5上，即，光伏巡日探测器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。当太阳光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，这种点阵式的光伏巡日探测器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，光伏巡日探测器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精确。
目前，也有一种光伏巡日探测器，见公开号为CN101149259的专利申请，其壳体内只有一个光电探测部件，也可以在壳体侧面上再设有一个辅助探测器，辅助探测器内有一个光电探测部件。这种光伏巡日探测器的测量精度要好于点阵式的光伏巡日探测器，但是还不能完全满足实际需要。
发明内容
为了克服上述现有的光伏巡日探测器的缺点，本发明提供一种能够以连续信号来表示太阳方位并且测量精度更高的光伏巡日探测器。
本发明的光伏巡日探测器，包括壳体，壳体的顶部具有能够透光的缝隙，包括第一光电探测部件、第二光电探测部件和第三光电探测部件，其中，第一、第二光电探测部件都包括在光敏材料基片上形成的两个形状相同的光电探测元件，所述的两个形状相同的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的电信号，壳体侧面上还设有辅助探测器，所述的第三光电探测部件位于辅助探测器内，太阳光能够通过所述辅助探测器入射到所述第三光电探测部件上。
所述的第一和第二光电探测部件的光敏材料基片为矩形，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的区域；
所述的第一和第二光电探测部件的光敏材料基片为圆形，所述第一和第二光电探测元件为所述圆形的直径划分而形成的两个半圆形的区域；
所述的第一和第二光电探测部件的光敏材料基片为菱形，所述第一和第二光电探测元件为所述菱形的对角线划分而形成的两个三角形的区域；
所述的第一和第二光电探测部件的光敏材料基片为椭圆形，所述第一和第二光电探测元件为所述椭圆形的轴划分而形成的两个半椭圆形的区域；
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于所述第一或第二光电探测元件的法平面之间的夹角通过以下公式来表述：Tgα＝[(I1-I2)/(I1+I2)]*C，其中，C是所述光伏巡日探测器的常数。
所述的第三光电探测部件的探测视场与第一、第二光电探测部件的探测视场均有交叠；
所述的第一光电探测部件包括第一、第二光电探测元件，第二光电探测部件包括第三和第四光电探测元件，所述的第三和第四光伏探测器元件位于第一和第二光电探测元件所形成的区域的旁侧。
所述的第三探测部件位于第一和第二光电探测部件的旁侧。
与点阵式光伏巡日探测器不同，由本发明的光伏巡日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，由本发明的光伏巡日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。
与公开号为CN101149259中的光伏巡日探测器相比，本发明的测量精度更高，总视场范围更广，大大提高了产品的应用范围。
附图说明
下面结合附图和具体实施方案对本实用新型做进一步地详细说明。
图1为太阳能电池板角度调节系统的结构示意图；
图2为点阵式的光伏巡日探测器的俯视图；
图3为本发明的实施例1的光伏巡日探测器的立体图；
图4是实施例1中的第一、第二光电探测部件的俯视图；
图5为光入射到图4所示的第一光电探测部件上的光路立体图；
图6是与图5相对应的光路平面图；
图7是太阳光穿过壳体的缝隙入射到图3所示的第一光电探测部件101上的形成的光带的俯视图；
图8为实施例1中光伏巡日探测器的探测范围示意图；
图9为实施例2中的第一、第二光电探测部件的俯视图；
图10为入射太阳光在图9所示的第一光电探测部件101上的光带的俯视图；
图11为实施例3的第一、第二光电探测部件的俯视图；
图12为实施例4的第一、第二光电探测部件的俯视图。
其中，1为外壳，2为光拦板，3为安装部件，4为电接口，5为光拦板的槽，6为辅助探测器，101为第一光电探测部件，101a、101b分别为第一光电探测部件的第一、第二光电探测元件，102为第二光电探测部件，102a、102分别为第二光电探测部件的第三、第四光电探测元件，103为第三光电探测部件，11、12、13、14、15为光敏元件，1’为太阳能电池板角度调节系统，2’为光伏巡日探测器，3’为系统控制器，4’为转角执行机构。
具体实施方式
实施例1
如图3、图4所示，本发明的光伏巡日探测器包括壳体，壳体的顶部具有两道能够透光的缝隙，还包括第一光电探测部件101和第二光电探测部件102，每个光电探测部件都包括在同一光敏材料基片上刻出的两个形状相同的光电探测元件，第一光电探测部件包括第一、第二光电探测元件101a、101b，第二光电探测部件包括第三和第四光电探测元件102a、102b，第三和第四光伏探测器元件102a、102b，位于第一和第二光电探测元件101a、101b所形成的区域的旁侧。
光敏材料基片为矩形，每个光电探测元件为相应的矩形基片的对角线划分而形成的两个形状相同的直角三角形的部分，倾斜角为θ，每个光电探测元件能够各自响应于通过缝隙入射的太阳光而提供的电信号，电信号的值与第一光电探测元件或相应的第二探测元件受阳光照射的面积成正比。
第一、第二光电探测部件101、102都设置在壳体内部，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，第一、第二光电探测部件的设置方式为：其与壳体顶面平行，壳体的缝隙在每个光电探测部件上的正投影垂直于相应的光电探测部件的矩形区域的两边，并与矩形区域中的中线重合。
如图3所示，壳体包括外壳1，光拦板2，光学码盘(图3中未示出)，安装部件3和电接口4。壳体的作用在于保护其内部的光电监测部件，并形成两个能够透过阳光的缝隙，使得阳光能够入射到壳体内的第一光电探测部件101和第二光电探测部件102上(图3中未示出)。
外壳1和光拦板2通常由重量较轻的金属(如铝)制成，外壳1与光拦板2接合(通常采用卡合或粘合的方式)用以对其内部部件形成保护。外壳1上部具有与光拦板2相接合的开口，而光拦板2具有槽5，以使得太阳光能够进入光伏巡日探测器的内部，通常需要对外壳1和光拦板2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1进入内部，以及避免通过光拦板2进入内部的光线漫反射以减少或避免出现噪声信号。另外，由于光伏巡日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，因此需要对外壳1和光拦板2的外表面进行防氧化腐蚀的处理。
光伏巡日探测器的光学码盘(图3中未示出)位于光拦板2的下方，由防辐射光学玻璃制成，并具有与光拦板2的槽5相对应的光缝。光学码盘的光缝通过光刻形成，使得太阳光线能够通过。
光伏巡日探测器可通过安装部件3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3所示，安装部件3可为外壳1上形成的多个凸缘，各个凸缘上具有至少一个用以将光伏巡日探测器固定于太阳能电池板的孔。本领域的技术人员可以理解，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两者结合。凸缘可与外壳1一体形成，作为一种选择，其也可通过焊接等其他方式固定至外壳。安装部件可具有本领域公知的其他形式，而不受限于本发明实施例的特定公开。
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)来将光伏巡日探测器的输出电信号提供给系统控制器。光伏巡日探测器具有与所采用的电连接器相对应的电接口4，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。本领域的技术人员可以理解，应该将电接口4设置在光伏巡日探测器外壳的朝向地面的一侧，以避免雨水通过电接口4进入到外壳1内。
第一光电探测部件101与第二光电探测部件102的形状相同，且都位于同一平面上，因此，两者光路图是相同的，因此本说明书中仅提供第一光电探测部件101的相关的光路图。
如图5、图6所示，阳光垂直于第一光电探测部件101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，虚线h是第一光电探测部件101平面的法线，因此，入射光线1与h之间的夹角是α。
第一光电探测部件101的第一和第二光电探测元件101a、101b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或第二光电探测部件的法平面之间的夹角通过以下公式来表述：Tgα＝[(I1-I2)/(I1+I2)]*C，其中，C是光伏巡日探测器的常数。
从公式中可以看出，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的大小。
如图7所示，线a和a’分别与第一光电探测部件101的第一、第二光电探测元件101a、101b形成的矩形区域的左右两端重合，线e为元件101a和101b形成的矩形的中线，而线b则表示入射太阳光在光电探测部件101上所形成的光带，当光带b与线e重合时，元件101a和101b受阳光照射的面积相等，因此元件101a和101b的输出电信号I1和I2相等，根据公式可知，α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值该区域为有效测量区域，当光带b超出线a或a’时，元件101a和101b均无输出信号。
如图3所示，本实施例的光伏巡日探测器中的壳体侧面上还设有辅助探测器6，辅助探测器6内设置有第三光电探测部件103，太阳光能够通过辅助探测器6入射到第三光电探测部件103上。第三光电探测部件103的探测视场与第一、第二光电探测部件101、102的探测视场均有交叠。第三探测部件103位于第一和第二光电探测部件101、102的旁侧。
在实际应用中，太阳能电池板的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，但是下午天气放晴，有可能出现太阳所在位置超出了第一和第二光电探测部件101、102的探测范围时，此时第三探测部件103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运动，使得第一或第二光电探测部件101、102能够接收阳光照射。
如图8所示，第一光电探测部件101能够响应于与第三探测部件103的法线h’的夹角在±φ内的入射光线而产生输出电信号。第三光电探测部件103的探测视场与第一、第二光电探测部件101、102的探测视场均有交叠，即具有夹角ω，以确保光伏巡日探测器能够在任何时间检测到太阳的方位。
实施例2
与实施例1相比，本实施例中的第一、第二光学探测部件101、102的光敏材料基片为圆形，如图9所示，相应的第一和第二光电探测元件为圆形的直径d划分而形成的两个半圆形的区域。虚线g表示的是壳体的缝隙垂直投影。如图10所示，当阳光垂直于光电探测部件101入射时，所形成的光带应通过圆心，并与直径d形成夹角θ，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101a和101b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I1和I2能够计算获得入射光线相对于光电探测部件101平面的法线的倾斜角。
实施例3
与实施例1相比，本实施例中光学探测部件的光敏材料基片为菱形。如图11所示，第一和第二光电探测元件为菱形的对角线划分而形成的两个三角形的区域。
实施例4
与实施例1相比，本实施例中光学探测部件的光敏材料基片为椭圆形。如图12所示，第一和第二光电探测元件为椭圆形的轴划分而形成的两个半椭圆形的区域。
本发明与点阵式光伏巡日探测器以及公开号为CN101149259的光伏巡日探测器在性能上的参数对比，如下表所示：
表1本发明与现有产品的性能参数对照表
  总视场范围   测量精确度   发电效率提高值   自身能耗值
  本发明实施例1   300°   ≤0.1°   56％   ≤4瓦
  本发明实施例2   290°   ≤0.15°   50％   ≤4瓦
  本发明实施例3   295°   ≤0.15°   55％   ≤4瓦
  本发明实施例4   290°   ≤0.15°   50％   ≤4瓦
  点阵式的光伏巡日探测器 180° 4° 35％ 10～15瓦
  公开号CN101149259的光伏巡日探测器 210° 2.5° 40％ ≤10瓦

Claims (9)

1.一种光伏巡日探测器，包括壳体，壳体的顶部具有能够透光的缝隙，其特征在于，包括第一光电探测部件、第二光电探测部件和第三光电探测部件，其中，第一、第二光电探测部件都包括在光敏材料基片上形成的两个形状相同的光电探测元件，所述的两个形状相同的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的电信号，壳体侧面上还设有辅助探测器，所述的第三光电探测部件位于辅助探测器内，太阳光能够通过所述辅助探测器入射到所述第三光电探测部件上。
2.根据权利要求1所述的光伏巡日探测器，其特征在于，所述的第一和第二光电探测部件的光敏材料基片为矩形，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的区域。
3.根据权利要求1所述的光伏巡日探测器，其特征在于，所述的第一和第二光电探测部件的光敏材料基片为圆形，所述第一和第二光电探测元件为所述圆形的直径划分而形成的两个半圆形的区域。
4.根据权利要求1所述的光伏巡日探测器，其特征在于，所述的第一和第二光电探测部件的光敏材料基片为菱形，所述第一和第二光电探测元件为所述菱形的对角线划分而形成的两个三角形的区域。
5.根据权利要求1所述的光伏巡日探测器，其特征在于，所述的第一和第二光电探测部件的光敏材料基片为椭圆形，所述第一和第二光电探测元件为所述椭圆形的轴划分而形成的两个半椭圆形的区域。
6.根据权利要求2或3或4或5所述的光伏巡日探测器，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于所述第一或第二光电探测元件的法平面之间的夹角通过以下公式来表述：
Tg α＝[(I1-I2)/(I1+I2)]*C
其中，C是所述光伏巡日探测器的常数。
7.根据权利要求1所述的光伏巡日探测器，其特征在于，所述的第三光电探测部件的探测视场与第一、第二光电探测部件的探测视场均有交叠。
8.根据权利要求2或3或4或5所述的光伏巡日探测器，其特征在于，所述的第一光电探测部件包括第一、第二光电探测元件，第二光电探测部件包括第三和第四光电探测元件，所述的第三和第四光伏探测器元件位于第一和第二光电探测元件所形成的区域的旁侧。
9.根据权利要求7所述的光伏巡日探测器，其特征在于，所述的第三探测部件位于第一和第二光电探测部件的旁侧。
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