CN102789237A - 手动调整方位角的太阳光照模拟装置和方法 - Google Patents

Abstract

手动调整太阳光方位角的太阳光照模拟装置和方法，属于太阳跟踪器检测技术领域，本发明的装置：高度调整装置与平面反射镜连接，平面反射镜倾角测量装置与平面反射镜方位角旋转机构连接，平面反射镜通过旋转轴与平面反射镜方位角旋转机构连接，且固定在移动平台的上方，移动平台设置在位移运动导轨上，位移测量装置与位移运动导轨相连接；本发明的方法是：将光线对准平面反射镜；测量小型太阳模拟器的出射光主光轴到待测装置特定元件表面的最短垂直距离d；根据平面反射镜位移测量值y，平面反射镜与铅垂面的夹角β满足

即可得出模拟太阳光的方位角γ为

；由此实现手动调整太阳光方位角的太阳光照模拟。

Description

手动调整方位角的太阳光照模拟装置和方法

技术领域

本发明属于太阳跟踪器检测技术领域，具体涉及手动调整太阳光方位角的太阳光照模拟装置和方法。

背景技术

太阳跟踪装置可自动寻日，在气象监测领域，保证太阳直接辐射、总辐射等测量仪器的主光轴对准太阳。另外，太阳跟踪装置可提高太阳能发电装置接收到的能流密度，广泛用于太阳能发电领域。目前，已经出现了许多可自动寻日的太阳跟踪装置或太阳跟踪器。大部分太阳跟踪装置利用光电二极管、硅光电池、CCD成像器件等光电传感器来测量太阳指向偏差，以闭环的方式自动跟踪太阳。为了调试、试验、检测以闭环方式工作的太阳跟踪设备需要太阳光照环境。

利用自然的太阳光照环境来调试、试验、检测太阳跟踪设备，优点是费用较低，但自然光照条件受地理位置、气候因素、环境因素的广泛影响和制约。

为此，需要太阳光照模拟装置来建立太阳光照环境。

为了模拟出接近真实的太阳光照条件，开发人员常常需要两套分立的太阳光照模拟装置，包括：

（1）方位角可调（维持高度角不变）的太阳光照模拟装置；

（2）高度角可调（维持方位角不变）的太阳光照模拟装置。

如图1的所示，太阳光方位角和高度角的定义如下：

太阳方位角指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正北方的夹角。

太阳高度角指某地太阳光线与该地作垂直于地心的地表切线的夹角。

申请号为201020564644.0，发明名称为“智能型人造太阳实验系统”的专利文件，公开了获取变方位角模拟太阳光的思路是调整太阳模拟器或光源的姿态，例如改变氙灯或太阳模拟器出口元件（对应太阳模拟器，为准直镜）的俯仰角和方位角。但这种运动氙灯或太阳模拟器的方法，会产生一系列的问题，其模拟出的太阳光辐照度、发散角、均匀度、稳定度等各项指标较差，难以满足要求。

发明内容

为了解决现有技术模拟出的太阳光辐照度、发散角、均匀度、稳定度各项指标较差的问题，本发明提出了手动调整方位角的太阳光照模拟装置和方法。采用本发明建立的太阳光照环境直观明显，接近真实的太阳光照条件。

本发明的技术方案是：

手动调整方位角的太阳光照模拟装置，该装置包括小型太阳模拟器，还包括平面反射镜、平面反射镜倾角测量装置、平面反射镜方位角旋转机构、移动平台、位移运动导轨、位移测量装置、高度调整装置；高度调整装置与平面反射镜连接，平面反射镜倾角测量装置与平面反射镜方位角旋转机构连接，平面反射镜通过旋转轴与平面反射镜方位角旋转机构连接，且固定在移动平台的上方，移动平台设置在位移运动导轨上，位移测量装置与位移运动导轨相连接。

手动调整方位角的太阳光照模拟方法，包括下列的步骤：

步骤一：调整小型太阳模拟器出射光束的方向，并通过高度调整装置来调节平面反射镜的高度，使小型太阳模拟器的出射光线方向CD平行于地平面，小型太阳模拟器的出射光主光轴穿过平面反射镜的中心；

步骤二：测量小型太阳模拟器的出射光主光轴到待测装置特定元件表面的最短垂直距离d；

步骤三：手动调整移动平台，使移动平台沿着CD方向在位移运动导轨上做直线运动，通过位移测量装置，获取平面反射镜位移测量值y；

步骤四：手动调整平面反射镜方位角旋转机构，使得平面反射镜绕其轴线AB旋转，AB垂直于地平面，根据平面反射镜倾角测量装置的测量值，使平面反射镜1与铅垂面的夹角β满足

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-0.5\arctan \left(\frac{d}{y}\right)$

模拟太阳光的方位角γ为

$\mathrm{\γ}=\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}.$

本发明的有益效果是：手动调整移动平台，使平面反射镜实现水平移动；手动调整平面反射镜方位角旋转机构，使平面反射镜实现一定倾角的旋转；手动调整高度调整装置的，使平面反射镜中心能够与小型太阳模拟器的出射光对准；因此，可以对小型太阳模拟器的出射光线进行方位角的随时调整，实现手动调整方位角的太阳光照模拟。

附图说明

图1为太阳光方位角和高度角示意图。

图2为本发明手动调整太阳光方位角的太阳光照模拟装置的主视示意图。

图3为本发明手动调整太阳光方位角的太阳光照模拟装置的俯视示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的技术方案。

如图2所示，本发明提供的手动调整方位角的太阳光照模拟装置包括：小型太阳模拟器7，还包括平面反射镜1、平面反射镜倾角测量装置2、平面反射镜方位角旋转机构3、移动平台4、位移运动导轨5、位移测量装置6、高度调整装置8；高度调整装置8与平面反射镜1连接，平面反射镜倾角测量装置2与平面反射镜方位角旋转机构3连接，平面反射镜1通过旋转轴与平面反射镜方位角旋转机构3连接，且固定在移动平台4的上方，移动平台4设置在位移运动导轨5上，位移测量装置6与位移运动导轨5相连接。

平面反射镜1，接收并反射来自太阳模拟器的模拟太阳光。平面反射镜是调整模拟太阳光方位角的核心元件，可将模拟太阳光反射到一个固定的位置，确保模拟的太阳光入射到太阳跟踪设备上光电反馈元件（硅光电池、成像器件等）的视场内。

反射镜倾角测量装置2，用于测量平面反射镜与铅垂面之间的夹角，反射镜方位角可用于精确调整模拟太阳光入射到太阳跟踪装置的方位角。

平面反射镜旋转机构3，用于改变平面反射镜与铅垂面间的夹角。通过运动本旋转机构，使用者可根据要求，在较大的范围内旋转平面反射镜。

移动平台4，其上装载有平面反射镜、平面反射镜方位角旋转机构、平面反射镜方位角测量装置。

位移运动导轨5，直线运动部件。借助位移运动导轨，移动平台可携带反射镜等部件完成直线的位移运动。

位移测量装置6，测量平面反射镜直线位移的组件。可选择直接读数的刻度尺或带有数字显示屏的直线位移测量设备。

小型太阳模拟器7。小型太阳模拟器是太阳光照模拟装置的光源。小型太阳模拟器包括氙灯、聚光镜、滤光片、光学积分器、准直镜等。

高度调整装置8，用于调节平面反射镜1的高度，使其入射到需要的位置。

根据需要的太阳光方位角，手动调整反射镜1在位移运动导轨5上的位移、反射镜1与竖直平面的夹角，从而灵活地改变模拟太阳光的方位角。

结合图2和图3，手动调整方位角的太阳光照模拟方法包括下列步骤：

步骤一：调整小型太阳模拟器7出射光束的方向，并通过高度调整装置8来调节平面反射镜1的高度，使太阳模拟器的出射光线方向CD平行于地平面，确保小型太阳模拟器7的出射光主光轴穿过平面反射镜1的中心。

步骤二：测量小型太阳模拟器7的出射光主光轴到待测装置特定元件表面的最短垂直距离d，如果待测设备为太阳跟踪装置，d为太阳跟踪装置光电反馈元件表面到小型太阳模拟器7的出射光主光轴的最短垂直距离。

步骤三：手动调整移动平台4，使移动平台4沿着CD方向在位移运动导轨5上做直线运动，通过位移测量装置6，获取平面反射镜1位移测量值y。

步骤四：手动调整平面反射镜方位角旋转机构3，使得平面反射镜1绕其轴线AB旋转，AB垂直于地平面。根据平面反射镜倾角测量装置2的测量值，使平面反射镜1与铅垂面的夹角β满足

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-0.5\arctan \left(\frac{d}{y}\right)$

模拟太阳光的方位角γ为

$\mathrm{\γ}=\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}$

经过上面的方法调整后，可令所需方位角模拟太阳光进入待测太阳跟踪设备或太阳跟踪器的光电反馈元件（光电二极管、成像器件等）的视场中。采用本发明建立的模拟太阳光照环境具有光照稳定的特点，模拟太阳光环境贴近真实的太阳光照条件，可以近似无限次地重复，便于开发人员调试、测试太阳跟踪设备。

Claims (2)

1.手动调整方位角的太阳光照模拟装置，该装置包括小型太阳模拟器（7），其特征在于，还包括平面反射镜（1）、平面反射镜倾角测量装置（2）、平面反射镜方位角旋转机构（3）、移动平台（4）、位移运动导轨（5）、位移测量装置（6）、高度调整装置（8）；高度调整装置（8）与平面反射镜（1）连接，平面反射镜倾角测量装置（2）与平面反射镜方位角旋转机构（3）连接，平面反射镜（1）通过旋转轴与平面反射镜方位角旋转机构（3）连接，且固定在移动平台（4）的上方，移动平台（4）设置在位移运动导轨（5）上，位移测量装置（6）与位移运动导轨（5）相连接。

2.手动调整方位角的太阳光照模拟方法，其特征在于，包括下列的步骤：

步骤一：调整小型太阳模拟器（7）出射光束的方向，并通过高度调整装置（8）来调节平面反射镜（1）的高度，使小型太阳模拟器（7）的出射光线方向CD平行于地平面，小型太阳模拟器（7）的出射光主光轴穿过平面反射镜（1）的中心；

步骤二：测量小型太阳模拟器（7）的出射光主光轴到待测装置特定元件表面的最短垂直距离d；

步骤三：手动调整移动平台（4），使移动平台（4）沿着CD方向在位移运动导轨（5）上做直线运动，通过位移测量装置（6），获取平面反射镜（1）位移测量值y；

步骤四：手动调整平面反射镜方位角旋转机构（3），使得平面反射镜（1）绕其轴线AB旋转，AB垂直于地平面，根据平面反射镜倾角测量装置（2）的测量值，使平面反射镜1与铅垂面的夹角β满足

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-0.5\arctan \left(\frac{d}{y}\right)$

模拟太阳光的方位角γ为

$\mathrm{\γ}=\mathrm{\π}-2\mathrm{\β}$ 。

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