CN101799287A - 太阳跟踪偏差检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种太阳跟踪偏差检测装置，其包括光筒(8)，和与光筒(8)同轴相连的且自上而下排列的滤光罩(9)、通光光阑(10)、四象限光电探测元件(7)、四象限光电探测元件座(6)，其中：所述光筒垂直装在光筒支座盒(4)上；所述光筒支座盒，其上表面设有水平泡仪(11)，其盒内设有以支座相连的偏差信号处理电路板(3)，其底部设有密封底板(2)，该底板上设有使光筒支座盒保持水平状态的调节螺栓(1)；所述信号处理电路板(3)，其输入端由导线与四象限光电探测元件输出端相连，其输出端由导线经PC接口端子(12)与计算机的输入端连接。本装置具有结构简单、价格低廉、测量精确和可靠性高等优点。

Description

太阳跟踪偏差检测装置

技术领域

本发明涉及一种光线入射角度测量装置，特别涉及太阳能应用技术领域的一种太阳跟踪设备的跟踪偏差测量装置。

背景技术

提高太阳能发电系统的太阳能利用率、降低发电系统建造成本是太阳能应用领域面临的两个主要难题。聚光太阳能发电技术为解决这一技术难题提供了可能。所谓聚光太阳能发电技术就是在太阳跟踪的基础上，采用聚光技术使太阳光能量聚集，达到提高发电系统入射太阳能量密度，减少系统中价格昂贵的太阳能电池使用量，因而提高系统光电转换效率、降低系统建造成本的新型太阳能发电技术。目前该技术的开发和利用越来越受到重视。

精确的太阳跟踪是保证聚光太阳能发电系统稳定、高效发电的重要前提，精确太阳跟踪就是通过太阳跟踪设备使太阳光线能够始终垂直入射太阳能接受器的表面，例如太阳能电池组件、聚光太阳能组件的聚光透镜表面。影响精确太阳跟踪的因素非常多，例如发电系统受风等外力的作用、系统自身结构刚度、太阳跟踪控制方法、系统的安装与调试等都可能造成太阳光线与太阳能接受器的表面法线之间存在偏角，即太阳跟踪偏差。随着聚光太阳能发电系统聚光倍数不断提高，发电系统规模不断增大，太阳跟踪的偏差控制的要求也不断提高，因此，如何评价和实时监测太阳跟踪偏差具有重要的意义。

目前太阳跟踪偏差检测方法主要有阴影观测法、光电位置传感器(PSD)法、光电成像(CCD)法三种，但是阴影观测法只能定性地判断太阳跟踪的偏差方向，难以实现定量和自动检测；PSD传感器和CCD传感器成本很高，技术十分复杂，目前还只是用于卫星姿态矫正、精确制导等军事领域。为了实现在聚光太阳能发电跟踪过程中实时、定量监测跟踪偏差，开发一种结构简单、价格低廉、测量精确、可靠性高的太阳跟踪偏差装置是十分必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了解决现有技术中存在的问题，提供一种结构简单、价格低廉、测量精确、可靠性高的太阳跟踪偏差检测装置，实现在聚光太阳能发电跟踪过程中实时、定量监测跟踪偏差，为提高太阳能发电效率、改善太阳跟踪设备跟踪精度提供依据。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：包括光筒，和与光筒同轴相连的且自上而下排列的滤光罩、通光光阑、四象限光电探测元件、四象限光电探测元件座。其中：所述光筒垂直装在光筒支座盒上。所述光筒支座盒，其上表面设有水平泡仪，其盒内设有以支座相连的偏差信号处理电路板，其底部设有密封底板，该底板上设有使光筒支座盒保持水平状态的调节螺栓。所述信号处理电路板，其输入端由导线与四象限光电探测元件输出端相连，其输出端由导线经PC接口端子与计算机的输入端连接。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一.采用了四象限光电探测元件作为太阳跟踪偏差的传感元件，因而具有分辨率高、信号线性范围宽、器件刚性好、配套电子线路简单、价格低廉等优点。

其二.采用了镀膜光学玻璃滤光罩和吸光涂层光筒筒身内壁设计，因而降低了背景光等噪声的干扰。

其三.采用了偏差信号处理和计算机接口电路，因而能实时处理和记录太阳跟踪偏差。

其四.结构简单，容易制作。

总之，本发明具有结构简单、价格低廉、测量精确、可靠性高等优点。

附图说明

图1是太阳跟踪偏差检测装置结构图。

图2是太阳跟踪偏差示意图。

图3是四象限光电探测元件偏差测量原理图。

图4是太阳跟踪偏差检测信号处理电路原理框图。

图5是太阳跟踪偏差检测装置I/V转换电路。

图6是太阳跟踪偏差检测装置信号运算电路。

图7是太阳跟踪偏差检测装置在太阳跟踪设备安装示意图。

图8是太阳跟踪偏差检测装置安装局部放大图。

图9是太阳跟踪偏差现场检测结果图。

图中：1.调节螺栓；2.密封底板；3.信号处理电路板；4.光筒支座盒；5.导线；6.四象限光电探测元件座；7.四象限光电探测元件；8.光筒；9.滤光罩；10.通光光阑；11.水平泡仪；12.PC接口端子；13.太阳能接受器表面；14.太阳跟踪偏差检测装置；15.太阳跟踪装置；16.太阳跟踪装置的支架；17.安装座；18.腰形安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供的太阳跟踪偏差检测装置，主要用于实时测量和记录太阳跟踪设备的跟踪偏差，其结构如图1和图3所示：自上而下，光筒8同轴依次设有滤光罩9、通光光阑10、四象限光电探测元件7、四象限光电探测元件座6。光筒8垂直安装在光筒支座盒4上。光筒支座盒4上表面设有水平泡仪11和光筒连接孔，盒内设电路板支座，该支座安装偏差信号处理电路板3，四象限光电探测元件7输出端由导线5与信号处理电路板3的输入端连接，信号处理电路板3的输出端由导线通过安装于光筒支座盒4侧壁上的PC接口端子12与计算机的输入端连接。光筒支座盒4的底部设有密封底板2，该底板上设有安装孔和调节螺栓1，通过调节螺栓1，可以使光筒支座盒保持水平状态，从而保证光筒轴线垂直太阳能接受器表面。

所述光筒8由铝合金材料制造，内壁经氧化形成黑色Al₂O₃吸光层。滤光罩9由镀TiO₂和SiO₂膜的光学玻璃构成，滤光罩9可以使波长400～800nm的太阳光通过，使大于800nm的太阳光反射。通光光阑10通光孔为圆形，直径为5mm，通光面积为四象限光电探测元件有效光敏面积的1/4。

所述四象限光电探测元件7的结构如图3所示：由A、B、C、D四片对称布置、光电特性一致的硅光电池组成，四象限光电探测元件7外形为圆形，有效光敏面直径为10mm。

所述硅光电池可以由市场上购买。

所述四象限光电探测元件7和通光光阑10的外形也可以是方形。

所述信号处理电路板3上装有IV转换电路、信号运算电路、AD转换电路、单片机、偏差实时显示电路和PC接口(图4)，四象限光电探测元件7产生的偏差信号首先由I/V转换电路转换为电压信号，经信号运算电路处理后，再由AD转换电路反馈到单片机处理，通过偏差实时显示电路查看实时偏差数值，或经串口与PC机相连，偏差数值在PC机上实时显示和记录。

I/V转换电路如图5所示。包括：四象限光电探测元件中一个硅光电池D1，运放芯片LM324、偏值电阻Rf，运放芯片LM324由市场上购买，偏值电阻Rf电阻值为1kΩ，其它三个硅光电池I/V转换电路与图5相同。

ΔX方向上(图3)偏差信号运算电路包括加减运算，除法运算电路(图6)。加法运算电路由信号源和各自的输入电阻组成，R1～R4取值1K欧姆，偏置电阻Rf为1K欧姆。补偿电阻R5为200Ω，14端口输出电压UO2D＝-(V1+V2+V3+V4)。U2B是一个减法器，对其同相输入端和反相输入端信号进行差运算，再经过放大处理；U2B加U3A组成除法器，将上面所得差值再除以一个基数U2D输出电压，R6～R12阻值均取1K欧姆，U3A使用SE5535H芯片。偏置电压Uref为1V，此运算电路输出电压Vx＝(Uref+V1+V4-V2-V3)/(V1+V2+V3+V4)。ΔY方向上(图3)偏差信号采用相同的运算电路。

信号I/V转换后，经过信号运算电路处理后，经过ADC0809转换芯片进行AD转换，接入到普通51单片机上，经过LCD1602实时显示出来，或经串口与PC机相连，实时偏差数值在PC机上显示和记录。

本发明提供的太阳跟踪偏差检测装置14，其安装在太阳跟踪装置15的安装座17上。安装座17固定在太阳跟踪装置的支架16上，安装座17上设有腰形安装孔18使其具有调整余量，调整安装座17使其与太阳能接受器表面13平行，通过调节螺栓1，使太阳跟踪偏差检测装置14与安装座17安装面保持水平。如图7和图8所示。

所述太阳跟踪装置15为目前市场上采用的双轴太阳跟踪装置。

当太阳跟踪出现偏差时，太阳光线与太阳能接受器表面13法线之间将存在偏角，如图2所示倾角γ，本发明提供的太阳跟踪偏差检测装置即主要完成该倾角的测量。测量过程包括：倾斜的光线经滤光罩9、通光光阑10后照射到四象限光电探测元件7的表面，由于存在太阳跟踪偏差，因此光斑在四象限光电探测元件7四片对称布置的光电池中的面积各不相同，如图3所示，分别为S1、S2、S3、S4，通过对各个象限光电池输出光电流的归一化处理，得到光斑质心的坐标为：

$\mathrm{\Δx}=\frac{(I_{S1}+I_{S2})-(I_{S3}+I_{S4})}{I_{S1}+I_{S2}+I_{S3}+I_{S4}}\×\frac{d}{2};$ $\mathrm{\Δy}=\frac{(I_{S1}+I_{S4})-(I_{S2}+I_{S3})}{I_{S1}+I_{S2}+I_{S3}+I_{S4}}\×\frac{d}{2},$

因此：倾角 $\mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{\sqrt{{\mathrm{\Δx}}^2+{\mathrm{\Δy}}^2}}{H}\right);$ 式中I_S1、I_S2、I_S3、I_S4分别为各个象限光电池输出光电流；d为通光光阑10孔直径，H为通光光阑10与四象限光电探测元件7表面的距离，本实例中H为35mm。

图9显示了太阳跟踪偏差现场检测结果。测量时，太阳跟踪装置采用的是每等待30秒相同时间间隔后跟踪一次的方法，由图7结果可以看出，测量曲线具有很好的周期性特征，周期为30秒，与设置的跟踪等待时间间隔完全相同；在任一周期内，结果反映出偏差逐渐增大后突然减小的规律性特征，这是由于跟踪系统在跟踪到目标位置后跟踪运动停止并开始等待30秒，在等待过程中由于太阳位置在变化，使偏差逐渐变大，直到等待时间结束，跟踪轴快速转动到下一个目标位置后，消除了跟踪偏差所形成的。测量结果反映出在30秒等待周期中入射太阳光偏差角在0.01～0.12°间变化，这与理论计算最大偏差0.115°十分吻合。说明被检测的跟踪装置具有很高的跟踪精度，而偏差角最小值为0.01°说明被检测的跟踪装置的初始定位尚存在很小的定位误差，测量结果为改善太阳跟踪设备跟踪精度提供了依据。

由偏差现场检测结果同样可以看出，本发明提供的太阳跟踪偏差检测装置具有很好的测量精度和灵敏度，分辨率可以达到0.01°，完全可以适应太阳跟踪偏差的测量。

Claims (9)

1.一种太阳跟踪偏差检测装置，其特征在于包括光筒(8)，和与光筒(8)同轴相连的且自上而下排列的滤光罩(9)、通光光阑(10)、四象限光电探测元件(7)、四象限光电探测元件座(6)，其中：所述光筒垂直装在光筒支座盒(4)上；所述光筒支座盒，其上表面设有水平泡仪(11)，其盒内设有以支座相连的偏差信号处理电路板(3)，其底部设有密封底板(2)，该底板上设有使光筒支座盒保持水平状态的调节螺栓(1)；所述信号处理电路板(3)，其输入端由导线与四象限光电探测元件输出端相连，其输出端由导线经PC接口端子(12)与计算机的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的太阳跟踪偏差检测装置，其特征在于所述四象限光电探测元件(7)由四片对称布置的硅光电池组成，四片硅光电池的光电特性一致。

3.根据权利要求1或2所述的太阳跟踪偏差检测装置，其特征在于所述四象限光电探测元件(7)和通光光阑(10)，其外形均为圆形或方形。

4.根据权利要求3所述的太阳跟踪偏差检测装置，其特征在于所述通光光阑(10)的通光孔面积为四象限光电探测元件(7)有效光敏面积的0.2～0.3。

5.根据权利要求1所述的太阳跟踪偏差检测装置，其特征在于所述滤光罩(9)由镀膜光学玻璃构成，通光波长范围为400～800nm。

6.根据权利要求1所述的太阳跟踪偏差检测装置，其特征在于所述光筒(8)筒身内壁设有吸光层。

7.根据权利要求6所述的太阳跟踪偏差检测装置，其特征在于所述吸光层为黑色涂层或者黑色氧化层。

8.根据权利要求1所述的太阳跟踪偏差检测装置，其特征在于所述偏差信号处理电路板(3)上装有I/V转换电路、信号运算电路、AD转换电路、单片机、偏差实时显示电路和PC接口。

9.根据权利要求8所述的太阳跟踪偏差检测装置，其特征在于四象限光电探测元件(7)产生的偏差信号首先由I/V转换电路转换为电压信号，经信号运算电路处理后，再由AD转换电路反馈到单片机处理，通过偏差实时显示电路查看实时偏差数值，或经串口与PC机相连，偏差数值在PC机上实时显示和记录。

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