CN101788337B - 自动跟日系统中太阳光信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
一种自动跟日系统中太阳光信号采集装置，包括安装在聚光器接收太阳光平面上的基准板，在基准板上设置有二组均为四个性能参数完全相同的光电传感器，该两组光电传感器被垂直固定在基准板上的校正筒分为内外两组，内外两组光电传感器沿同一圆心以上下左右对称布置，且在内组的四个光电传感器上还分别设置有内校正筒。本发明通过二组光电传感器的位置分布及组合，对采集的信号分别处理后实现太阳光自动跟踪过程中粗调和细调功能，从而保证低成本高精度的太阳能自动跟踪系统的实现。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能应用中自动跟踪太阳光的装置，特别涉及一种高精度跟踪情况下的自动跟日系统中太阳光信号采集装置。
技术背景
开发利用以太阳能为代表的新能源已经成为人类解决能源危机的有效方法之一，也已作为我国可持续发展战略的能源基本决策。尽管世界各国先后都在投入大量的人力物力对此进行研究，但是至今除了在太阳能热水器为代表的低温度区段得到一定应用外，其它方面应用并未有大的进展。究其原因，制约太阳能推广应用主要因素有二个：其一是能量的分散性(每平方米约1千瓦的功率)；其二是时变性，即能量大小及方向随着时间做周期性变化。虽然通过聚光方式提高太阳能密度也不是什么新技术，而且在自动控制技术发展到今天，实现自动跟踪太阳光并非难事。但是，由于自动跟踪系统及传动机构所处的室外恶劣的工作环境，要在低成本条件下保证其工作可靠性则是有很大困难的。然而如果试想将1000W/m2的太阳能行效的汇聚在碗口大的平面范围内，则相当于1000W电炉的能量，那么不管是光伏或者光热发电还是烧水煮饭等，使用起来都是很方便的。所以研制具有自动跟踪功能和实用价值的太阳能聚光器是推广太阳能应用的重要途径，有效的提高太阳能密度意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种低成本、高精度的自动跟日系统中太阳光信号采集装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括安装在聚光器接收太阳光平面上的基准板，在基准板上设置有二组均为四个性能参数完全相同的光电传感器，该两组光电传感器被垂直固定在基准板上的校正筒分为内外两组，内外两组光电传感器沿同一圆心以上下左右对称布置，且在内组的四个光电传感器上还分别设置有内校正筒。
本发明的基准板与聚光器接收太阳光平面平行；四个内校正筒以相同的角度向外倾斜，其倾斜角小于4°；校正筒和内校正筒的内外表面均为黑色；校正筒的顶部还设置有与基准板平行的圆环形的盖板，该盖板的内圆与内组的四个园形光电传感器外切，盖板的外沿圆周直径和外组的四个园形光电传感器外切。
本发明通过二组光电传感器的位置分布及组合，对采集的信号分别处理后实现太阳光自动跟踪过程中粗调和细调功能，从而保证低成本高精度的太阳能自动跟踪系统的实现。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，2，本发明由二组性能参数完全一致的光电传感器以及相应的校准筒和基准板组成。其中二组共八个性能相同的光电传感器(1-8)在基准板上的分布如图1中所示，二组光电传感器被垂直固定在基准板上的校正筒10隔离成内外二组，其中外组的1-4四个光电传感器用来大范围寻找太阳光-粗调的信号采集，而内组的5-8四个光电传感器用来在小范围提供太阳光偏离的信号-细调信号的采集。内外两组光电传感器均以上下左右对称结构固定于基准板12上，而且安装在聚光器接收太阳光平面上的基准板12安装要求必须和接受太阳光平面平行；其中实现“细调”功能的内组四个光电传感器5-8外侧分别安装有内校正筒11，处于同一圆周上的4个内校正筒11则以相同的α角度向外倾斜，其倾角大小与跟踪精度以及系统可靠性等因素有关(一般α＜4°)。校正筒10和内校正筒11的内外表面全部为具有强吸收太阳光功能的黑颜色，以尽量减少侧面反射光对光电传感器的影响，使得仅直接接受垂直射入的太阳光，以提高光电传感器感光的精度，防止单片机作出错误判断。另外还有专门设置的固定在校正筒10顶部的圆环形盖板9，其平面平行于基准板且内圆与在同一园周上的内组四个5-8的光电感器外切，其目的是保证在太阳光正对射入由盖板9和校正筒10形成的内部空间时，内组级5-8四个光电传感器能够被垂直入射的太阳光覆盖相同的面积，而且又处于其照射面的边缘位置；同样，盖板9的外沿和在同一圆周上的1-4四个光电传感器外切，以保证1-4四个光电传感器都能够被垂直入射的太阳光全部覆盖，而且位置处于其照射面的边缘。
其工作过程如下：
首先把太阳光的强度通过光电传感器变换成电信号后分为0-255的256个级别，并且0对应无光照，255为最强的光照。而且认为在正对太阳光的同一时刻，8个传感器所处区域面积内太阳光强度相同，即相互对称的二个光电传感器输出信号差为零；只有当入射太阳光偏离接收平面法线时相应的输出信号差作为有效的跟踪信号。
在太阳光垂直于基准板12照射时，由于所有8个光电传感器的光照强度和受光面积相同，所以四个对称结构中每一组中的二个输出电信号一定相同，这时单片机经过处理判断后，结论是聚光器接收面正对着太阳光，处于理想状态。但是一旦当太阳由于运动而变换位置时，例如太阳光相对于聚光器偏左偏上很小角度时(例如上午太阳升起过程中)，由于校正筒10内外的光电传感器情况所处情况不同而结果相异。对于内组的5-8四个光电传感器来说，这种位置相对变化导致光电传感器5和光电传感器8光照增强而光电传感器6和光电传感器7的光照减弱，单片机这时根据每组对称结构中信号差别和位置判断，将发出自动跟踪的指令。在这里可根据光电传感器8输出信号大于光电传感器6而发出左转的指令，同样，可根据光电传感器5输出信号大于光电传感器7而发出向上转的指令。因为单片机是根据所检测的对称二个光电传感器的信号差而发出自动跟踪指令的，所以这种向相反方向倾斜α角度的结构设计，使得二个光电传感器5和8、7和6恰好一个信号增强的同时，另一个减小，实现了信号差(有效信号)的倍增效应。
实际应用中因为天气的变化无常，例如在白天某一个时刻，太阳光被云层遮挡期间，一般情况下为了节省能源，停止跟踪，但是在一个小时后太阳又重新出来了，这时依靠校正筒10内组的四个光电传感器寻找太阳位置是根本无法实现的，这是因为太阳光的偏离程度早已经超出了它的检测范围，(即细调信号采集范围)。但是对于外组的1-4四个光电传感器来说，虽然这时太阳光偏离角度很大，校正筒10因为其具有的高度形成的阴影只能影响其中二个光电传感器的的输出信号，而其他二个光电传感器仍然受到太阳光的正常照射，从而依然能够输出电压差信号而驱动自动跟踪系统工作，直到基本对准太阳光后，再由校正筒10内的内组5-8四个光电传感器组成的细调信号完成高精度准确跟踪(例如跟踪误差＜0.1°立体角)。例如下午2点太阳光被云层遮挡后，自动跟踪系统停止工作，直到下午3点太阳又重新出来照射。那么1小时内太阳绕地球仅在东西方向转过了360/24＝＝15°，而且其仰角也在变小。所以一旦在3点太阳出来后光电传感器4和3仍然能够接受到太阳光，而光电传感器2则根本上没有太阳光照射，光电传感器5可能还能够接受部分太阳光照射(与校正筒10的高度等因素有关)。但是左右和上下对称光电传感器输出的信号差的存在仍然准确反映了太阳光与聚光器偏离的方向，从而发出跟踪指令驱动聚光器实施自动跟踪功能。直到基本对准太阳光后，再由校正筒10内的内组的5-8四个光电传感器组成的细调信号完成高精度准确跟踪功能。
实际应用中，根据具体要求通过设定左右或者上下对称的二个光电传感器输出的电压差值超过某一范围后才发出跟踪指令，所以此数值范围很大程度决定了跟踪精度。另外，通过校正筒10内组的光电传感器信号(细调)和外组的光电传感器信号(粗调)的有机组合，即当没有细调信号时(实际上差分信号处于一个很小范围时)，表明这时太阳光偏离聚光器很大角度，所以此时粗调信号优先执行；而一旦细调信号大于粗调信号时，表明聚光器已经基本对准太阳光，此时则细调信号优先执行；这样通过单片机内设置执行程序的优先级别的方法，从而完美的实现了高精度自动跟踪系统中太阳光信号的有效采集。
Claims (1)
1.一种自动跟日系统中太阳光信号采集装置，其特征在于：包括安装在聚光器接收太阳光平面上的与聚光器接收太阳光平面平行的基准板(12)，在基准板(12)上设置有二组均为四个性能参数完全相同的光电传感器，该两组光电传感器被垂直固定在基准板(12)上的校正筒(10)分为内外两组，内外两组光电传感器沿同一圆心以上下左右对称布置，且在内组的四个光电传感器上还分别设置有内校正筒(11)，四个内校正筒(11)以相同的角度向外倾斜，其倾斜角小于4°，校正筒(10)和内校正筒(11)的内外表面均为黑色，校正筒(10)的顶部还设置有与基准板(12)平行的圆环形的盖板(9)，该盖板(9)的内圆与内组的四个圆形光电传感器外切，盖板(9)的外沿圆周和外组的四个圆形光电传感器外切。
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