CN102252648A - 用于太阳跟踪的角度测量方法及太阳方位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于太阳跟踪的角度测量方法及太阳方位传感器，属于太阳能应用领域。所述太阳方位传感器为金字塔型布局，包括金字塔型结构、四个对称配置的光电传感器、接线插座。所述角度测量方法利用照度余弦法则，使太阳入射的平行光照射到方位传感器的金字塔型壳体对称斜面配置的一组光电传感器上，通过测量这组光电传感器的输出信号差值，经反正弦计算求得入射光与金字塔壳体中心轴线之间的角度。所述跟踪控制系统包括信号处理电路、功率放大电路、脉冲振荡电路、开关控制电路、步进电机驱动器、步进电机及云台。本发明的方位传感器的视场范围宽，角度计算方法简单，与跟踪控制系统配合，可实现对太阳目标进行宽视场范围的自动粗跟踪。

Description

用于太阳跟踪的角度测量方法及太阳方位传感器

技术领域

本发明涉及太阳能应用领域，特别涉及一种用于太阳跟踪的角度测量方法及太阳方位传感器。

背景技术

众所周知，支撑人类文明发展的能源问题日益突出。随着石油、煤炭、天然气等化石能源的逐渐紧缺和生态环境的日益恶化，太阳能作为一种可再生的清洁能源，已被公认为是未来最有竞争力的能源之一，其有效开发利用对于减缓全球能源危机、应对气候变化具有十分重要的意义。

太阳跟踪是提高太阳能接收效率的有效方法，研究表明，太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收效率相差大约37.7％。所谓跟踪，就是时刻保持太阳能板的感光面与太阳的入射光线垂直。现有的太阳跟踪系统所采用的太阳方位传感器普遍存在视场范围偏小、有时丢失目标的问题，并且跟踪控制系统电路复杂、成本偏高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种用于太阳跟踪的太阳方位传感器，解决现有的太阳跟踪系统所采用的太阳方位传感器普遍存在视场范围偏小、有时丢失目标的问题。

用于太阳跟踪的太阳方位传感器，其呈金字塔型布局，结构包括金字塔型壳体1、光电传感器2、接线插座3、感光斜面4及底面5，其中，金字塔型壳体1的内部密闭，实现防水、防尘及防杂散光的目的，且其具有四个感光斜面4及一个底面5；金字塔型壳体1的感光斜面4与底面5之间的夹角大于0°而小于90°，以45°角最佳，既扩大了方位传感器的视场范围，又合理兼顾了光电传感器的测光灵敏度；四个光电传感器2分别设置在金字塔型壳体1的感光斜面4的中心点上；接线插座3固定于金字塔型壳体1的底面5上。

所述的金字塔型壳体1的对称感光斜面4上设置的光电传感器2参数相同，构成一组同时工作的光电测量单元；其中左侧面与右侧面的一组光电传感器测量太阳水平方向入射光线的角度，上侧面与下侧面的一组光电传感器测量太阳俯仰方向入射光线的角度。

所述的金字塔型壳体为中空的具有塔尖部分的四面锥体型、中空的无塔尖部分的四面锥台型或中空的圆锥体型。

所述的太阳方位传感器的视场范围为0°～270°。

所述的感光斜面4及底面5由不透光的材料构成。

所述的光电传感器2为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池或热电偶等能够实现光电转换的器件。

本发明的用于太阳跟踪的金字塔型布局的太阳方位传感器工作流程如下：

太阳入射的平行光照射到金字塔型太阳方位传感器的四个感光面4上，位于感光面4中心点的光电传感器2接收光照度信号，同时将光照度信号转换为输出信号值P1、P2。

在水平方向，当金字塔型壳体1左侧光电传感器输出的信号P1大于右侧光电传感器输出的信号P2，即P1＞P2时，所测水平偏移的角度α＞0，这时，跟踪控制系统使得云台水平方向的执行机构逆时针方向转动，直到P1≈P2；当太阳入射的平行光垂直于金字塔型壳体的中心轴线时，光电传感器输出信号P1≈P2，所测水平偏移的角度α≈0，这时，跟踪控制系统使得云台水平方向的执行机构停止转动；当金字塔右侧光电传感器输出的信号P2大于左侧光电传感器输出的信号P1，即P1＜P2时，所测水平偏移的角度α＜0，这时，跟踪控制系统使得云台水平方向的执行机构顺时针方向转动，直到P1≈P2。

在俯仰方向，当金字塔型壳体1下侧光电传感器输出的信号P3大于上侧光电传感器输出的信号P4，即P3＞P4时，所测俯仰偏移的角度β＞0，这时，跟踪控制系统使得云台俯仰方向的执行机构逆时针方向转动，直到P3≈P4；当太阳入射的平行光垂直于金字塔的中心轴线时，光电传感器输出信号P3≈P4，所测俯仰偏移的角度β≈0，这时，跟踪控制系统使得云台俯仰方向的执行机构停止转动；当金字塔上侧光电传感器输出的信号P4大于下侧光电传感器输出的信号P3，即P3＜P4时，所测俯仰偏移的角度β＜0，这时，跟踪控制系统使得云台俯仰方向的执行机构顺时针方向转动，直到P3≈P4。

本发明的目的之二在于提供一种基于金字塔型布局的太阳方位传感器的用于太阳跟踪的角度测量方法，解决现有空间移动发光目标检测技术存在的视场偏小等问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

用于太阳跟踪的基于金字塔型布局的太阳方位传感器的角度测量方法，包括如下步骤：

步骤1、在使用同一个光源、光电传感器输出信号处于线性工作区间、一组光电传感器经挑选参数一致的条件下，采用万用表或示波器测量平行光垂直入射到光电传感器感光面时，该光电传感器的输出信号值P0；

步骤2、在与上述测量条件、测量仪器相同的条件下，测量平行光以角度α入射到安装于金字塔对称斜面的上述两个光电传感器时所述传感器的输出信号值P1、P2；

步骤3、由下列关系式得到：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{P1-P2}{\sqrt{2}*P0}$

当P1＞P2时，α＞0；当P1＝P2时，α＝0；当P1＜P2时，α＜0。

本发明的目的之三，在于提供一种基于金字塔型布局的太阳方位传感器的太阳跟踪控制系统，控制系统中的太阳方位传感器完成太阳水平方向和俯仰方向两个光电测量单元输出信号差值的测量；信号处理电路实现差值信号的变换、放大与滤波，增加信号灵敏度并消除信号噪声干扰；功率放大电路用来完成开关器件的通断控制；开关控制电路完成电机驱动脉冲的切换功能；脉冲振荡电路用来产生方波脉冲控制步进电机的转速。

本发明所述用于太阳自动跟踪控制系统的具体结构是：

包括太阳方位传感器、水平信号处理电路、俯仰信号处理电路、水平功率放大电路、俯仰功率放大电路、脉冲振荡电路、水平开关控制电路、俯仰开关控制电路、水平步进电机驱动器、俯仰步进电机驱动器、水平步进电机、俯仰步进电机及云台，其中所述的太阳方位传感器输出信号分别与水平信号处理电路及俯仰信号处理电路相连；所述水平信号处理电路与水平功率放大电路相连，该水平功率放大电路与水平开关控制电路相连，该水平开关控制电路与脉冲振荡电路相连并与水平步进电机驱动器相连，该水平步进电机驱动器与水平步进电机相连，该水平步进电机与云台机构连接实现二维转动；所述俯仰信号处理电路与俯仰功率放大电路相连，该俯仰功率放大电路与俯仰开关控制电路相连，该俯仰开关控制电路与脉冲振荡电路相连并与俯仰步进电机驱动器相连，该俯仰步进电机驱动器与俯仰步进电机相连，该俯仰步进电机与云台机构连接实现二维转动。

本发明所述用于太阳自动跟踪控制系统的工作流程是：

在有阳光直射或散射光足够强的条件下，启动电源开关，控制系统开始进行太阳跟踪。

系统首先检测金字塔四个斜面上的4个光电传感器是否有阳光照射，如果检测到某个光电传感器所对应的输出信号高于与其对称的传感器的输出信号，就说明这个光电传感器受到了光照。这时，信号处理电路会将两个传感器输出信号的差值进行处理，经放大、滤波、功率放大，驱动对应的开关控制电路动作，接通步进电机的正向转动或反向转动脉冲信号，步进电机带动云台的二维执行机构转动，直到对称斜面的两个光电传感器均受到光照且两个光电传感器输出的信号基本相同时，入射光平行于金字塔中心轴线，电机停止转动，方位传感器对准太阳目标。云台水平和俯仰两个方向的步进电机同时动作，就可以自动完成太阳目标的跟踪过程控制。

在太阳目标不停地移动过程中，金字塔对称斜面上的光照度的强弱不断地交替变化，步进电机不断地执行转动-停止、转动-停止的动作，就能够保证金字塔的塔尖始终对准太阳。这样，与金字塔安装在一个平面上的太阳电池板就始终垂直于太阳入射的平行光，最终实现了提高转化效率的目标，也实现了本发明的目的。

本发明具有如下优点：

1、本发明的太阳方位传感器与现有的太阳方位传感器相比，视场范围大，容易捕获太阳目标，解决现有太阳方位传感器器丢失目标的问题；

2、控制系统结构简单，无需微处理器即可实现太阳宽视场实时自动跟踪，大幅提高太阳能转换效率。

附图说明

图1为本发明用于太阳跟踪的太阳方位传感器的俯视图；

图2为本发明用于太阳跟踪的太阳方位传感器的主视图；

图3为本发明用于太阳跟踪的角度测量方法原理图；

图4为本发明用于太阳跟踪的跟踪控制系统原理框图。

图5为照度余弦法则示意图，图中，P0为光线垂直照射光电传感器感光面时，传感器的输出信号值。当光源与感光面相连的直线与感光面的法线之间构成Q角时，照度减小到入射光垂直照射时照度的COSQ倍，即P＝PO*COSQ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

参见图1及图2，本发明的用于太阳跟踪的金字塔型布局的太阳方位传感器，其结构包括金字塔型壳体1、光电传感器2、接线插座3、感光斜面4及底面5，其中，金字塔型壳体1的内部密闭，实现防水、防尘及防杂散光的目的，且具有四个感光斜面4及一个底面5；金字塔型壳体1的感光斜面4与底面5之间的夹角大于0°而小于90°，以45°角最佳，既扩大了方位传感器的视场范围，又合理兼顾了光电传感器的测光灵敏度；四个光电传感器2分别设置在金字塔型壳体1的感光斜面4的中心点上；接线插座3固定于金字塔型壳体1的底面5上。

所述的金字塔型壳体1的对称感光斜面4上设置的光电传感器2参数相同，构成一组同时工作的光电测量单元；其中左侧面与右侧面的一组光电传感器测量太阳水平方向入射光线的角度，上侧面与下侧面的一组光电传感器测量太阳俯仰方向入射光线的角度。

所述的金字塔型壳体为中空的具有塔尖部分的四面锥体型、中空的无塔尖部分的四面锥台型或中空的圆锥体型。

所述的太阳方位传感器的视场范围为0°～270°。

所述的感光斜面4及底面5由不透光的材料构成。

所述的光电传感器2为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池或热电偶等能够实现光电转换的器件。

本发明的用于太阳跟踪的金字塔型布局的太阳方位传感器的工作流程如下：

太阳入射的平行光照射到金字塔型太阳方位传感器的四个感光面4上，位于感光面4中心点的光电传感器2接收光照度信号，同时将光照度信号转换为输出信号值P1、P2。

在水平方向，当金字塔型壳体1左侧光电传感器输出的信号P1大于右侧光电传感器输出的信号P2，即P1＞P2时，所测水平偏移的角度α＞0，这时，跟踪控制系统使得云台水平方向的执行机构逆时针方向转动，直到P1≈P2；当太阳入射的平行光垂直于金字塔型壳体的中心轴线时，光电传感器输出信号P1≈P2，所测水平偏移的角度α≈0，这时，跟踪控制系统使得云台水平方向的执行机构停止转动；当金字塔右侧光电传感器输出的信号P2大于左侧光电传感器输出的信号P1，即P1＜P2时，所测水平偏移的角度α＜0，这时，跟踪控制系统使得云台水平方向的执行机构顺时针方向转动，直到P1≈P2。

在俯仰方向，当金字塔型壳体1下侧光电传感器输出的信号P3大于上侧光电传感器输出的信号P4，即P3＞P4时，所测俯仰偏移的角度β＞0，这时，跟踪控制系统使得云台俯仰方向的执行机构逆时针方向转动，直到P3≈P4；当太阳入射的平行光垂直于金字塔的中心轴线时，光电传感器输出信号P3≈P4，所测俯仰偏移的角度β≈0，这时，跟踪控制系统使得云台俯仰方向的执行机构停止转动；当金字塔上侧光电传感器输出的信号P4大于下侧光电传感器输出的信号P3，即P3＜P4时，所测俯仰偏移的角度β＜0，这时，跟踪控制系统使得云台俯仰方向的执行机构顺时针方向转动，直到P3≈P4。

实施例2：

本发明的用于太阳跟踪的基于金字塔型布局的太阳方位传感器的角度测量方法，是利用照度余弦法则并通过金字塔型太阳跟踪方位传感器实现的。其基本测量原理如图3所示，测量水平方向太阳入射平行光角度的方法的基本步骤如下：

已知方位传感器的金字塔型壳体1的感光斜面4与底面5之间的夹角为45°，两个参数相同的光电传感器2分别置于金字塔型壳体1的对称感光斜面4的中心点上；

在使用同一个光源、光电传感器输出信号处于线性工作区间、一组光电传感器经挑选参数一致的条件下，采用万用表或示波器测量平行光垂直入射到光电传感器感光面时，该光电传感器的输出信号值P0；

在与上述测量条件、测量仪器相同的条件下，测量平行光以角度α入射到安装于金字塔对称斜面的上述两个光电传感器时所述传感器的输出信号值P1、P2；

由几何关系可以得到：

P1＝P0*cos(45°-α)      (1)

P2＝P0*cos(45°+α)      (2)

于是，得到入射光的角度函数，即：

通过求解公式(3)的反正弦，即可求得入射光的角度值：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{P1-P2}{\sqrt{2}*P0}---\left(4\right)$

参见图3及图5，当太阳入射的平行光位于金字塔型壳体的左侧时，P1＞P2，α＞0；当太阳入射的平行光垂直于金字塔型壳体的轴线时，P1＝P2，α＝0；当太阳入射的平行光位于金字塔型壳体的右侧时，P1＜P2，α＜0。

同理，可以采用同样的方法测量太阳俯仰方向的入射光角度。

本发明的用于太阳跟踪的角度测量方法的主要特征是：方法简单、视场范围大，最大可达270°。

实施例3：

参见图4，本发明的基于金字塔型布局的太阳方位传感器的太阳跟踪控制系统，控制系统中的太阳方位传感器完成太阳水平方向和俯仰方向两个光电测量单元输出信号差值的测量；信号处理电路实现差值信号的变换、放大与滤波，增加信号灵敏度并消除信号噪声干扰；功率放大电路用来完成开关器件的通断控制；开关控制电路完成电机驱动脉冲的切换功能；脉冲振荡电路用来产生方波脉冲控制步进电机的转速。

本发明所述用于太阳自动跟踪控制系统的具体结构是：

包括太阳方位传感器、水平信号处理电路、俯仰信号处理电路、水平功率放大电路、俯仰功率放大电路、脉冲振荡电路、水平开关控制电路、俯仰开关控制电路、水平步进电机驱动器、俯仰步进电机驱动器、水平步进电机、俯仰步进电机及云台，其中所述的太阳方位传感器输出信号分别与水平信号处理电路及俯仰信号处理电路相连；所述水平信号处理电路与水平功率放大电路相连，该水平功率放大电路与水平开关控制电路相连，该水平开关控制电路与脉冲振荡电路相连并与水平步进电机驱动器相连，该水平步进电机驱动器与水平步进电机相连，该水平步进电机与云台机构连接实现二维转动；所述俯仰信号处理电路与俯仰功率放大电路相连，该俯仰功率放大电路与俯仰开关控制电路相连，该俯仰开关控制电路与脉冲振荡电路相连并与俯仰步进电机驱动器相连，该俯仰步进电机驱动器与俯仰步进电机相连，该俯仰步进电机与云台机构连接实现二维转动；

本发明所述用于太阳自动跟踪控制系统的工作流程是：

在有阳光直射或散射光足够强的条件下，启动电源开关，控制系统开始进行太阳跟踪。

系统首先检测金字塔四个斜面上的4个光电传感器是否有阳光照射，如果检测到某个光电传感器所对应的输出信号高于与其对称的传感器的输出信号，就说明这个光电传感器受到了光照。这时，信号处理电路会将两个传感器输出信号的差值进行处理，经放大、滤波、功率放大，驱动对应的开关控制电路动作，接通步进电机的正向转动或反向转动脉冲信号，步进电机带动云台的二维执行机构转动，直到对称斜面的两个光电传感器均受到光照且两个光电传感器输出的信号基本相同时，入射光平行于金字塔中心轴线，电机停止转动，方位传感器对准太阳目标。云台水平和俯仰两个方向的步进电机同时动作，就可以自动完成太阳目标的跟踪过程控制。

在太阳目标不停地移动过程中，金字塔对称斜面上的光照度的强弱不断地交替变化，步进电机不断地执行转动-停止、转动-停止的动作，就能够保证金字塔的塔尖始终对准太阳。这样，与金字塔安装在一个平面上的太阳电池板就始终垂直于太阳入射的平行光，最终实现了提高转化效率的目标，也实现了本发明的目的。

Claims (9)

1.一种用于太阳跟踪的太阳方位传感器，其特征在于：金字塔型壳体(1)的内部密闭，且具有四个感光斜面(4)及一个底面(5)，金字塔型壳体(1)的感光斜面(4)与底面(5)之间的夹角大于0°而小于90°，四个光电传感器(2)分别设置在金字塔型壳体(1)的感光斜面(4)的中心点上；接线插座(3)固定于金字塔型壳体(1)的底面(5)上。

2.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的太阳方位传感器，其特征在于：所述感光斜面(4)与底面(5)之间的夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的太阳方位传感器，其特征在于：所述金字塔型壳体(1)的对称感光斜面(4)上设置的光电传感器(2)参数相同，构成一组同时工作的光电测量单元；其中左侧面与右侧面的一组光电传感器测量太阳水平方向入射光线的角度，上侧面与下侧面的一组光电传感器测量太阳俯仰方向入射光线的角度。

4.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的太阳方位传感器，其特征在于：所述的金字塔型壳体(1)为中空的四面锥体型、中空的四面锥台型或中空的圆锥体型。

5.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的太阳方位传感器，其特征在于：所述的太阳方位传感器的视场范围为0°～270°。

6.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的太阳方位传感器，其特征在于：所述的感光斜面(4)及底面(5)由不透光的材料构成。

7.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的太阳方位传感器，其特征在于：所述的光电传感器(2)为光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池或热电偶。

8.一种基于用于太阳跟踪的太阳方位传感器的角度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、在使用同一个光源、光电传感器输出信号处于线性工作区间、一组光电传感器参数一致的条件下，采用万用表或示波器测量平行光垂直入射到光电传感器感光面时，该光电传感器的输出信号值P0；

步骤2、在与上述测量条件、测量仪器相同的条件下，测量平行光以角度α入射到安装于金字塔对称斜面的上述两个光电传感器时所述传感器的输出信号值P1、P2；

步骤3、由下列关系式得到：

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{P1-P2}{\sqrt{2}*P0}$

当P1＞P2时，α＞0；当P1＝P2时，α＝0；当P1＜P2时，α＜0。

9.一种基于用于太阳跟踪的的太阳方位传感器的太阳跟踪控制系统，其特征在于：包括太阳方位传感器、水平信号处理电路、俯仰信号处理电路、水平功率放大电路、俯仰功率放大电路、脉冲振荡电路、水平开关控制电路、俯仰开关控制电路、水平步进电机驱动器、俯仰步进电机驱动器、水平步进电机、俯仰步进电机及云台，其中所述的太阳方位传感器输出信号分别与水平信号处理电路及俯仰信号处理电路相连；所述水平信号处理电路与水平功率放大电路相连，该水平功率放大电路与水平开关控制电路相连，该水平开关控制电路与脉冲振荡电路相连并与水平步进电机驱动器相连，该水平步进电机驱动器与水平步进电机相连，该水平步进电机与云台机构连接实现二维转动；所述俯仰信号处理电路与俯仰功率放大电路相连，该俯仰功率放大电路与俯仰开关控制电路相连，该俯仰开关控制电路与脉冲振荡电路相连并与俯仰步进电机驱动器相连，该俯仰步进电机驱动器与俯仰步进电机相连，该俯仰步进电机与云台机构连接实现二维转动。

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