CN102331794B - 太阳方位探测器及其构成的太阳方位自动跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳方位探测和自动跟踪控制技术。本发明针对现有技术的太阳探测器容易受到干扰的缺点，公开了一种太阳方位探测器及其构成的太阳方位自动跟踪装置。本发明的太阳方位探测器，东向传感器、西向传感器和南向传感器、北向传感器之间仅由隔板隔离，距离非常近，可以认为处于完全相同的环境，特别是被遮光板遮挡的相等部分，可以感应相同的漫反射等干扰信号，并相互抵消，极大地提高了探测器的抗干扰能力。本发明的太阳方位自动跟踪装置，采用本发明的太阳方位传感器作为跟踪装置的前端探测器，可以提高太阳跟踪装置可靠性和跟踪精度。本发明可以广泛用于太阳能发电、太阳能热水器等系统中，提高太阳能利用率。

Description

太阳方位探测器及其构成的太阳方位自动跟踪装置

技术领域

本发明涉及太阳能应用领域，特别涉及太阳方位探测和自动跟踪控制技术。

背景技术

太阳能可以说是一种取之不尽用之不竭的清洁能源。太阳能利用是当前炙手可热领域，包括太阳能发电、太阳能热水器、太阳能灶等。这些应用，为了获得最大的太阳能利用率，都需要使太阳能接收装置(如太阳能电池板、集热器、反射器等)时刻正对太阳，这些都离不开太阳跟踪技术。

现有技术的太阳跟踪系统，一般包括太阳方位探测器、控制系统和伺服机构等部分。太阳方位探测器大都由光敏传感器构成，根据接收的太阳能产生控制信号，控制系统根据该信号驱动伺服机构对太阳进行跟踪。现有技术太阳跟踪控制系统，已经从传统的模拟技术发展到今天的数字控制技术。在太阳跟踪控制系统中，太阳方位探测器是最关键的部件，其性能直接影响到跟踪精度，常用的光电式探测器采用光电传感器，如光电池、光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻等，根据感应的太阳光线产生电信号。这种探测器具有结构简单，成本低的特点，但受散射光、云雾衰减等多种因素的干扰，工作不稳定，甚至无法感应。广州中科院工业技术研究院的人员在2010年第一期的《太阳能》期刊上，以《太阳能集热器跟踪传感器》为题，介绍了一种太阳能跟踪传感器。把四个光敏二极管设置在一个圆桶内组成电桥，虽能稳定工作，但不能排除云雾干扰。于是，又在外面设置了两个寻源启动光敏二极管，这两个光敏二极管没有组成电桥电路，这样又降低了抗干扰性能，影响工作的稳定性，难以在产品中使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是针对现有技术的太阳探测器容易受到散射光干扰，特别是云雾产生的衰减、漫反射干扰的缺点，提供一种太阳方位探测器及其构成的自动跟踪装置，提高探测器抗干扰能力和工作稳定性。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，太阳方位探测器，包括分别接收东、西、南、北方向太阳能的东向传感器、西向传感器、南向传感器和北向传感器，所述传感器位于与入射阳光垂直的平面上，其特征在于，所述平面被相互垂直的第一隔板和第二隔板分割为东、西、南、北四个部分；其中，东向传感器和西向传感器分别位于东西部分并对称地位于第一隔板两边，南向传感器和北向传感器分别位于南北部分并对称地位于第二隔板两边；所述隔板上设置有遮光板，所述遮光板与所述平面平行，分别遮挡东向传感器、西向传感器和南向传感器、北向传感器的部分直射光线，并且东向传感器和西向传感器被遮光板遮挡的部分相等，南向传感器和北向传感器被遮光板遮挡的部分相等。

本发明的太阳方位探测器，东向传感器、西向传感器和南向传感器、北向传感器之间仅由隔板隔离，距离非常近，可以认为处于完全相同的环境，特别是被遮光板遮挡的相等部分，可以感应相同的漫反射等干扰信号，并相互抵消，极大地提高了探测器的抗干扰能力。

具体的，所述第一隔板和第二隔板由一张矩形隔板折弯构成。第一隔板和第二隔板为整体结构，便于加工和安装。

具体的，所述传感器均为光电传感器。采用光电传感器作为光信号感应装置，技术成熟，便于后续电路处理。

进一步的，所述东向传感器、西向传感器具有相同型号和参数，所述南向传感器、北向传感器具有相同型号和参数。对应位置的传感器具有相同型号和参数，可以提高探测精度和抗干扰能力。

进一步的，所述东向传感器、西向传感器分别位于电桥的不同桥臂，所述电桥桥臂中点为信号输出端；所述南向传感器、北向传感器分别位于另一电桥的不同桥臂，该另一电桥桥臂中点为信号输出端。采用电桥电路作为信号输出电路，抗干扰能力强，灵敏度高。

进一步的，所述信号输出端反相并联两只三极管，两只三极管的控制端分别连接两个桥臂中点。输出端接入三极管(可以是双极型三极管或场效应三极管)可以对电路进行隔离，降低相互干扰。

更进一步的，所述东向传感器对应位置的背面安装有传感器，用于探测东方初升的太阳。该增加的传感器，可以探测次日东方初升的太阳，为跟踪装置复位、实现无人值守提供条件。

进一步的，所述传感器与东向传感器并联。将增加的传感器与东向传感器并联，可以简化接入电路，降低成本。

本发明的太阳方位自动跟踪装置，包括太阳方位传感器、控制系统和伺服机构，其特征在于，所述控制系统与太阳方位传感器连接，接收太阳方位传感器输出信号驱动所述伺服机构对太阳进行跟踪。采用本发明的太阳方位传感器作为跟踪装置的前端探测器，可以提高太阳跟踪装置可靠性和跟踪精度。

具体的，所述控制系统接收东向传感器和西向传感器输出的信号驱动所述伺服机构对太阳方位角进行跟踪，接收南向传感器和北向传感器输出的信号驱动所述伺服机构对太阳仰角进行跟踪。

本发明的有益效果是，由四个光电传感器提供空间四个方向的感应跟踪，保证任何一个角度的感应，传感器的巧妙配置结合遮光板的作用，能有效地克服在云雾天时所造成的传感器感应不及时或无法感应跟踪的缺点。本发明传感器的结构和控制电路都很简单，成本低廉，安全隐患少，便于推广应用。本发明进一步增加一只光电传感器，可确保次日东升的太阳的光线被感知，从而能够实现全天候全无人值守的自动跟踪。

附图说明

图1是实施例1的立体图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的仰视图；

图4是实施例1的电桥结构示意图；

图5是实施例1的另一电桥结构示意图；

图6是跟踪装置电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明的太阳方位探测器，包括分别接收东、西、南、北方向太阳能的东向传感器、西向传感器、南向传感器和北向传感器。为了能够最大限度地接收太阳能，这4只传感器位于与入射阳光垂直的平面上。这4只传感器被分成2组，分别位于被相互垂直的第一隔板和第二隔板分隔的东、西、南、北四个部分。其中，东向传感器和西向传感器为一组，分别位于东西部分并对称地位于第一隔板两边；南向传感器和北向传感器为一组，分别位于南北部分并对称地位于第二隔板两边。隔板上设置有与所述平面平行的遮光板，分别遮挡两组传感器中两只传感器的相等部分的直射阳光。每一组中，两只传感器处于遮光板的两侧，环境相似，受散射光，温度等干扰因素所产生的干扰信号(电流)是相等的，能够在电路上相互抵消，只有直射阳光在两个传感器上产生的感应信号(电流)才作为有用信号，并被成倍输出(同一组中，一只传感器信号减少，对应的另一只传感器信号增加)。所以本发明的探测器识别能力强，工作稳定性高，传感器的结构以及后续控制电路都很简单，成本低廉，便于推广应用。

实施例1

参见图1、图2和图3。本例太阳方位探测器，包括东向传感器U2、西向传感器U1、南向传感器U3和北向传感器U4，以及东向传感器U2、西向传感器U1对应位置的背面安装的传感器U6、U5。图1中，传感器U1、U4不可见，用虚线表示。传感器U2、U1、U3、U4分别接收东、西、南、北方向太阳光，产生感应信号。其中，传感器U2、U1产生太阳方位角变化的感应信号，用于太阳方位角的跟踪；传感器U3、U4产生太阳仰角变化的感应信号，用于太阳仰角的跟踪；传感器U6用于探测器处于西方时，探测次日东方初升的太阳，主要作用是提供系统复位信号，使探测器由向西复位到向东，以便开始新一天的伺服跟踪。传感器U5用于平衡电路。为了能够最大限度地接收太阳能，提高感应灵敏度，传感器U2、U1、U3、U4布置在与入射阳光垂直的平面1上。这4只传感器被分成2组，分别被相互垂直的第一隔板22和第二隔板21分割为东、西、南、北四个部分。东向传感器U2和西向传感器U1为一组，分别位于东西部分并对称地位于第一隔板22两边；南向传感器U3和北向传感器U4为一组，分别位于南北部分并对称地位于第二隔板21两边。本例第一隔板22和第二隔板21由一张矩形隔板折弯成直角构成，第一隔板22和第二隔板21上设置有与平面1平行的遮光板3，用来分别遮挡两组传感器中两只传感器的相等部分的直射阳光，图2中示出的是遮光板3分别遮挡传感器U2、U1和传感器U3、U4各一半的情况。该被遮挡的部分用于感应干扰信号(如散射光线、温度等)，并通过电路相互抵消，从而提高抗干扰能力。

本例所有传感器(U1、U2、U3、U4、U5、U6)均采用光电传感器，能够将接收的太阳能(太阳光)转换为电压或电流信号(如光敏电阻、光电池等)。本例中,东向传感器U2、西向传感器U1具有相同型号和参数，南向传感器U3、北向传感器U4具有相同型号和参数。图4示出了本例东向传感器U2、西向传感器U1构成的电桥结构，东向传感器U2、西向传感器U1分别位于电桥的不同桥臂，并分别与传感器U6、U5并联，图4中电阻R1、R2分别位于电桥的另外两臂，电阻R1、R2与传感器的连接点为电桥桥臂中点，也是本例的信号输出端，其输出信号反映太阳方位角的变化，用于对太阳方位角进行跟踪。本例的南向传感器U3、北向传感器U4与电阻R3、R4构成的另一电桥结构，参见图5。同样的，南向传感器U3、北向传感器U4分别构成该另一电桥的两桥臂，该另一电桥桥臂中点为信号输出端，其输出信号反映太阳仰角的变化，用于跟踪太阳仰角。本例电桥的信号输出端反相并联两只三极管，见图中4、5、6中的三极管Q1、Q2。三极管Q1控制端(基极)连接桥臂中点A，发射极连接桥臂中点B，集电极C1为输出端；三极管Q2的基极连接桥臂中点B，发射极连接桥臂中点A，集电极C2为输出端。图中三极管Q1、Q2均为NPN三极管，当A点电压高于B点电压时，三极管Q1导通，集电极C1输出B点电压；反之，三极管Q2导通，集电极C2输出A点电压。

本发明的太阳方位自动跟踪装置，包括太阳方位探测器、控制系统和伺服机构，如图6所示。图中虚线左边为太阳方位探测器，其中仅示出了东向传感器U2和西向传感器U1构成的电桥。使用时将太阳方位探测器固定在跟踪设备上，如图6中的反射镜10的上边沿，探测器输出端连接控制系统。调整探测器的方位使反射镜10正对太阳时，平面1的法线指向太阳。这时东向传感器U2和西向传感器U1的感光部分相等，电桥处于平衡状态，桥臂中点A、B电位相等，输出端无输出，随着太阳向西偏移，西向传感器U1感光部分增加，东向传感器U2感光部分减少，电桥失去平衡，三极管Q1导通，从集电极C1输出感应信号，经控制系统处理驱动伺服机构动作，带动反射镜10向西旋转跟踪太阳。当反射镜又对准太阳时，东向传感器U2和西向传感器U1的感光部分又相等，电桥恢复平衡。如此循环，实现东西方向(太阳方位角)的追踪。

给南向传感器U3和北向传感器U4配上相同的电路，就能够实现南北方向(太阳仰角)的跟踪，具体电路参考图6，此处不再详述。

从上面的描述可以看出，因为同一个电桥上的两只光敏元件分别设置在遮光板3的两侧，随着太阳偏移，一个传感器的感光量增加，另一个传感器感光量则减少，一加一减，变化增加一倍，加大了差距，电桥极易失去平衡而输出控制信号，所以本发明控制灵敏度高，跟踪精度也高。

把遮光板3两侧对称设置的两只传感器的差值电流取出来，作为太阳跟踪控制用的检测电路，除上述电桥外还有差分器、比较器等也能达到稳定工作的目的，具体电路属于本领域成熟技术，本发明不再在此详述。

为了在一天的跟踪伺服完成后，次日早上使反射镜能自动返回东方，本发明在东向传感器对应位置的背面安装有传感器U6，用于探测东方初升的太阳。为了平衡，电路中又增加了传感器U5。因为探测器是固定在反射镜上同步运行的，一天的跟踪结束后，反射镜上的探测器是面向西方的。次日东升的太阳照射不到探测器正面的传感器，但它可以照到背面的传感器U6，使三极管Q2导通，集电极C2输出感应信号，驱动反射镜10向东旋转，当转到一定角度，传感器U2开始感应太阳光线，接替传感器U6的工作，保持信号的连续性。当探测器对准东边的太阳，静止片刻后，又开始新一天的跟踪，实现无人值守的全自动跟踪。

Claims (4)

1.太阳方位探测器，包括分别接收东、西、南、北方向太阳能的东向传感器、西向传感器、南向传感器和北向传感器，所述传感器位于与入射阳光垂直的平面上，其特征在于，所述平面被相互垂直的第一隔板和第二隔板分割为东、西、南、北四个部分；其中，东向传感器和西向传感器分别位于东西部分并对称地位于第一隔板两边，南向传感器和北向传感器分别位于南北部分并对称地位于第二隔板两边；所述隔板上设置有遮光板，所述遮光板与所述平面平行，分别遮挡东向传感器、西向传感器和南向传感器、北向传感器的部分直射光线，并且东向传感器和西向传感器被遮光板遮挡的部分相等，南向传感器和北向传感器被遮光板遮挡的部分相等，所述东向传感器、西向传感器分别位于电桥的不同桥臂，所述电桥桥臂中点为信号输出端；所述南向传感器、北向传感器分别位于另一电桥的不同桥臂，该另一电桥桥臂中点为信号输出端，所述信号输出端反相并联两只三极管，两只三极管的控制端分别连接两个桥臂中点；

所述电桥具体包括电源正端、电源负端、第一信号输出端、第二信号输出端、东向传感器、东向传感器背面的传感器、西向传感器、西向传感器背面的传感器、三极管一、三极管二、电阻一以及电阻二；其中：

电源正端接东向传感器的一端、东向传感器背面的传感器的一端、西向传感器的一端、西向传感器背面的传感器的一端；东向传感器的另一端接东向传感器背面的传感器的另一端、三极管一的发射极、三极管二的基极、电阻二的一端；三极管一的基极接西向传感器的另一端、西向传感器背面的传感器的另一端、三极管二的发射极、电阻一的一端；电阻一的另一端接电源负端、电阻二的另一端；三极管一的集电极接第一信号输出端；三极管二的集电极接第二信号输出端。

2.根据权利要求1所述的太阳方位探测器，其特征在于，所述第一隔板和第二隔板由一张矩形隔板折弯构成。

3.根据权利要求1所述的太阳方位探测器，其特征在于，所述传感器均为光电传感器。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的太阳方位探测器，其特征在于，所述东向传感器、西向传感器具有相同型号和参数，所述南向传感器、北向传感器具有相同型号和参数。