CN103034248A - 复合凸透镜采光结合四象限感光器的阳光追踪探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合凸透镜与四象限感光器结合的阳光追踪探测装置，包括小凸透镜、大凸透镜、遮光筒体和四象限感光器；大凸透镜上部中间有圆形槽，在圆形槽中镶嵌小凸透镜，小凸透镜底面向下镶嵌在大凸透镜的圆形槽内；遮光筒体为上下开口的圆形筒体；大凸透镜底面朝下固定在遮光筒体的上端开口处；四象限感光器位于大凸透镜正下方，四象限感光器与大凸透镜下表面平行，且其感光面朝上固定在遮光筒体的底部；小凸透镜和大凸透镜的球心与四象限感光器的中心处于同一条竖直线上。本发明能够有效克服现有的四象限太阳光跟踪传感器存在的太阳光与平凸透镜平行时无法聚焦的问题实现阳光追踪与精确定位，以实现太阳能利用率的最大化。

Description

复合凸透镜采光结合四象限感光器的阳光追踪探测装置

技术领域

本发明涉及阳光追踪技术，具体涉及一种复合凸透镜采光结合四象限感光器的阳光追踪探测装置。

背景技术

在现有四象限感光器太阳光跟踪装置的技术中，所用元件主要包括平凸透镜和四象限感光器以及不透光筒体，四个感光象限区各焊接出一根引线。其结构是平凸透镜安装在不透光筒体的上端，四象限感光器固定在不透光筒体内部。现有的四象限太阳光跟踪传感器可以采集到大部分时段的太阳光，但是当太阳光与平凸透镜的法线夹角过大时，平凸透镜聚焦效果差，形成的光斑较分散，无法准确及时地完成太阳光的追踪，尤其是当太阳光水平入射时，平凸透镜无法聚焦，则无法完成太阳光的跟踪。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种复合凸透镜采光结合四象限感光器的阳光追踪探测装置，该装置通过复合凸透镜与四象限感光器的结合，能够有效克服现有的四象限太阳光跟踪传感器存在的太阳光与平凸透镜平行时无法聚焦的问题，该装置可以实际应用在太阳能追光系统的阳光光线追踪与定位，以实现太阳能利用率的最大化。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种复合凸透镜与四象限感光器结合的阳光追踪探测装置，包括小凸透镜、大凸透镜、遮光筒体和四象限感光器；所述大凸透镜为半球形，大凸透镜上部中间有圆形槽；在圆形槽中镶嵌小凸透镜，小凸透镜为曲率小于大凸透镜的球面镜，小凸透镜底面向下镶嵌在大凸透镜的圆形槽内，小凸透镜、大凸透镜组成复合凸透镜；遮光筒体为上下开口的圆形筒体，其截面圆的内径与大凸透镜底面直径相等；大凸透镜底面朝下固定在遮光筒体的上端开口处；四象限感光器位于大凸透镜正下方，四象限感光器与大凸透镜下表面平行，且其感光面朝上固定在遮光筒体的底部；小凸透镜和大凸透镜的球心与四象限感光器的中心处于同一条竖直线上。

优选的，所述四象限感光器采用圆形的太阳能硅光电池板，在其正面有以其圆心为中心的由激光割出的“十”字形沟道，太阳能硅光电池板的四个象限各焊接一根引线引出。

优选的，所述复合凸透镜与四象限感光器需同时满足以下三个条件：

1）大凸透镜与小凸透镜的半径满足：

$\frac{1}{3}{R}_2\≤R_1\≤\frac{1}{2}{R}_2$ （式1）

2）小凸透镜嵌入大凸透镜的深度H₁满足：

$\frac{1}{3}{R}_2\≤H_1\≤\frac{2}{3}{R}_2$ （式2）

3）四象限感光器与大凸透镜之间的距离H₂满足：

$0\≤H_2\≤\frac{1}{3}{R}_2$ （式3）

式1～式3中，R₁为小凸透镜的半径；R₂为大凸透镜的半径，取1～1.5cm；H₁为小凸透镜嵌入大凸透镜的深度；H₂为四象限感光器与大凸透镜之间的距离。

优选的，所述大凸透镜的半径R₂为1.5cm，小凸透镜的半径R₁为0.9cm，小凸透镜嵌入大凸透镜的深度H₁为0.6cm，四象限感光器与大凸透镜之间的距离H₂为0.5cm，小凸透镜曲率为大凸透镜曲率的三分之一至三分之二。

优选的，所述大凸透镜的半径R₂为1.2cm，小凸透镜的半径R₁为0.6cm，小凸透镜嵌入大凸透镜的深度H₁为0.5cm，四象限感光器与大凸透镜之间的距离H₂为0.3cm，小凸透镜曲率为大凸透镜曲率的三分之一。

一种利用上述阳光追踪探测装置进行阳光追踪的太阳能发电装置，包括底座、安装在底座上的竖直转轴、安装在竖直转轴上的支架、安装在支架上的水平转轴、安装在水平转轴上的太阳能电池板、安装在底座中的竖直转轴驱动电机、安装在支架上的水平转轴驱动电机、安装在底座中的单片机和阳光追踪探测装置，其中，水平转轴驱动电机与水平转轴之间、竖直转轴驱动电机和竖直转轴之间的传动方式采用齿轮传动；阳光追踪探测装置安装在太阳能电池板的正面用于追踪太阳光，使得太阳光始终垂直照射在太阳能电池板上；阳光追踪探测装置的四象限感光器的四个象限引出的引线分别与单片机的输入端连接，竖直转轴驱动电机和水平转轴驱动电机分别与单片机的输出端连接。

与现有技术相比，本发明的阳光追踪探测装置具有如下优点：

（1）本发明采用采用大凸透镜中嵌入小凸透镜组成复合透镜作为采光器件，大凸透镜用于采集180°全方位入射的太阳光，克服了现有技术中采用平凸透镜无法在阳光入射角度过大时进行准确追踪的问题，实现最大范围内的光线聚焦，单日追光时间长；小凸透镜用来对阳光实现进一步聚焦，在四象限探测仪上得到光强强度较大的光斑，大大提高了太阳光追踪的精度，工作效率高。

（2）采用复合凸透镜和四象限感光器结合，能够实现各个方位内阳光的追踪并能够进一步对太阳光线准确定位，实现太阳能利用率的最大化，使太阳能追光系统运行效率的高低不受限于太阳能追光系统的安装位置。

（3）本发明结构简单，应用方便，只要将复合凸透镜向上垂直安装在太阳能转换装置上，即可实现太阳能利用率的最大化。

附图说明

图1为本发明的阳光追踪探测装置的结构示意图。

图2为本发明的阳光追踪探测装置的工作原理示意图。

图3为实施例1中本发明的阳光追踪探测装置应用在太阳能发电装置上的结构示意图。

图中各标号含义：1-小凸透镜、2-大凸透镜、3-遮光筒体、4-底座、5-竖直转轴、6-支架、7-太阳能电池板、8-水平转轴驱动电机、9-阳光追踪探测装置。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

在追光装置中，为了实时获得准确的阳光照射角度，不但要选用有效的阳光采光器件和感光器件，并且要考虑采光器件与感光器件的安装位置关系以保证追光装置工作的稳定性与精确度。发明人在现有技术的基础上，采取复合凸透镜和四象限感光器相结合的方式，以复合凸透镜中的大凸透镜将180°范围内任意角度入射的阳光聚焦到四象限感光器表面形成光斑，初步确定入射角度进而调整入射角度，并用小凸透镜对入射到自身的光线进一步汇聚形成光强强度较大的光斑，以小凸透镜汇聚到四象限感光器表面的光斑的光强信号对阳光照射角度进一步精确定位。

本发明的阳光追踪探测装置可适用于多种太阳能利用装置如太阳能发电装置、隧道日光照明装置、太阳能灶，以为这些太阳能利用装置追踪精确的太阳光照射角度，具体应用时，直接将本发明的阳光追踪探测装置安装在太阳能利用装置的安装面（如太阳能发电装置中的太阳能电池板、隧道日光照明采光装置中的反射镜面、太阳能炉灶中的太阳能电池板）上即可。

参见图1和图2，本发明的复合凸透镜与四象限感光器结合的阳光追踪探测装置，包括小凸透镜1、大凸透镜2、遮光筒体3和四象限感光器；所述大凸透镜2为半球形，大凸透镜2上部中间有圆形槽；在圆形槽中镶嵌小凸透镜1，小凸透镜1为曲率小于大凸透镜2的球面镜，其曲率较优的范围为大凸透镜2曲率的三分之一至三分之二，小凸透镜1底面向下镶嵌在大凸透镜2的圆形槽内，小凸透镜1、大凸透镜2组成复合凸透镜。

四象限感光器采用圆形的太阳能硅光电池板，在其正面有以其圆心为中心的由激光割出的“十”字形沟道；太阳能硅光电池板的四个象限各焊接一根引线引出。

遮光筒体3为上下开口的圆形筒体，其截面圆的内径与大凸透镜2底面直径相等；大凸透镜2底面朝下固定在遮光筒体3的上端开口处；四象限感光器位于大凸透镜2正下方，四象限感光器与大凸透镜2下表面平行，且其感光面朝上固定在遮光筒体3的底部；小凸透镜1和大凸透镜2的球心与四象限感光器的“十”字形沟道的中心处于同一条竖直线上。

为了实现太阳光的准确追踪，复合凸透镜与四象限感光器需同时满足以下三个条件：

1）大凸透镜2与小凸透镜1的半径满足：

$\frac{1}{3}{R}_2\≤R_1\≤\frac{1}{2}{R}_2$ （式1）

2）小凸透镜嵌入大凸透镜的深度H₁满足：

$\frac{1}{3}{R}_2\≤H_1\≤\frac{2}{3}{R}_2$ （式2）

3）四象限感光器与大凸透镜之间的距离H₂满足：

$0\≤H_2\≤\frac{1}{3}{R}_2$ （式3）

式1～式3中，R₁为小凸透镜的半径；R₂为大凸透镜的半径，取1～1.5cm；H₁为小凸透镜嵌入大凸透镜的深度（即圆形槽的深度）；H₂为四象限感光器与大凸透镜之间的距离（即遮光筒体3的高度）。

复合凸透镜中大小凸透镜的配合基于几何光学汇聚聚焦原理，大凸透镜曲率大，焦距短，能够使接近水平入射的光线汇聚在下方的四象限仪上，形成能够反映出入射光线信息的光斑；根据几何光学原理，大曲率凸透镜在平行光垂直入射时，无法准确的在四象限仪上形成有效的合理光斑。因此，配合设置小凸透镜，其曲率小，焦距长，在阳光接近垂直入射时能够在四象限仪上形成有效的光斑，从而实现精确定位。

以下是发明人提供的实施例，以对本发明的技术方案作进一步详细解释说明。

实施例1：

参考图1至图3，该实施例的阳光追踪探索装置9应用于太阳能发电装置中，该太阳能发电装置该太阳能发电装置包括底座4、安装在底座4上的竖直转轴5、安装在竖直转轴5上的支架6、安装在支架6上的水平转轴、安装在水平转轴上的太阳能电池板7、安装在底座4中的竖直转轴驱动电机、安装在支架6上的水平转轴驱动电机8和安装在底座4中的单片机，其中，各电机与转轴之间的传动方式采用齿轮传动。在遵循本发明技术方案的基础上，该实施例的阳光追踪探索装置的复合凸透镜的规格如下：大凸透镜的半径R₂为1.5cm，小凸透镜1的半径R₁为0.9cm，小凸透镜嵌入大凸透镜的深度H₁为0.6cm，四象限感光器与大凸透镜之间的距离H₂为0.5cm，小凸透镜1的曲率为大凸透镜2曲率的一半。该实施例中的单片机可选用PIC18F系列型号。

该实施例的阳光追踪探测装置9安装在太阳能电池板7的正面用于追踪太阳光，使得太阳光始终垂直照射在太阳能电池板7上，整套装置的电连接关系为：四象限感光器的四个象限引出的引线分别与单片机的输入端连接，两个驱动电机分别与单片机的输出端连接。整个太阳能发电装置的工作原理为：

当太阳能电池板7正面未正对阳光时，阳光以一定的角度照射在阳光追踪装置9上部的复合凸透镜上，太阳光光线在复合凸透镜作用下聚焦的光斑分为两个部分：在阳光入射角度较大时，大凸透镜将光斑聚焦至四象限感光器上形成明显光斑，在阳光入射角度较小时，小凸透镜聚焦形成明显的光斑，四象限感光器上四个象限的光强信息接收到的光强不同，单片机将四个象限的光强信息分别按水平和垂直方向分为两组，使用单片机中集成的比较电路对光强信息进行比较：由于阳光未直射时四个象限的光照不均匀，光强信息有误差，当四个象限中任意象限的水平或者垂直方向的误差大于水平方向误差阈值Ex或竖直方向误差阈值Ey时，单片机根据四个象限的光强信息进行计算，得到水平和竖直方向应调整的角度，接着控制两个电机驱动竖直轴和水平轴转动进而对太阳能电池板7与入射光的角度进行较大范围的调整，使得太阳能电池板7向着阳光直射的方向转动，该过程中大凸透镜2底面法线与阳光夹角逐渐变小，小凸透镜聚焦的光强逐渐增强，为单片机提供更为准确的光强信息，单片机继续对四个象限的光强信息进行比对进行进一步细调，如果不相等，则实时进行多次比对，直到最终四个象限的光强大致相等，四个象限水平方向和竖直方向的误差阈值均满足设定的阈值Ex和Ey时，可认为四个象限的光照分布均匀，此时，太阳光直射复合凸透镜，也即直射太阳能电池板7，实现太阳方位角和高度角的实时跟踪。为了保证系统工作稳定，在实际工作中，Ex和Ey的大小根据精度的要求进行设定。本实施例中，Ex和Ey均为5%。综上，实现了精确追踪阳光，使得太阳能电池板7最大限度的对阳光进行采集，发电效率高。

实施例2：

该实施例中的阳光追踪探测装置应用于太阳能灶，具体安装在太阳能灶的太阳能电池板上，在遵循本发明的技术方案的基础上，该实施例中复合凸透镜的规格如下：大凸透镜的半径R₂为1.2cm，小凸透镜1的半径R₁为0.6cm，小凸透镜嵌入大凸透镜的深度H₁为0.5cm，四象限感光器与大凸透镜之间的距离H₂为0.3cm，小凸透镜1的曲率为大凸透镜2曲率的三分之一。

Claims (6)

1.一种复合凸透镜与四象限感光器结合的阳光追踪探测装置，其特征在于，包括小凸透镜（1）、大凸透镜（2）、遮光筒体（3）和四象限感光器；所述大凸透镜（2）为半球形，大凸透镜（2）上部中间有圆形槽；在圆形槽中镶嵌小凸透镜（1），小凸透镜（1）为曲率小于大凸透镜（2）的球面镜，小凸透镜（1）底面向下镶嵌在大凸透镜（2）的圆形槽内，小凸透镜（1）、大凸透镜（2）组成复合凸透镜；遮光筒体（3）为上下开口的圆形筒体，其截面圆的内径与大凸透镜（2）底面直径相等；大凸透镜（2）底面朝下固定在遮光筒体（3）的上端开口处；四象限感光器位于大凸透镜（2）正下方，四象限感光器与大凸透镜（2）下表面平行，且其感光面朝上固定在遮光筒体（3）的底部；小凸透镜（1）和大凸透镜（2）的球心与四象限感光器的中心处于同一条竖直线上。

2.如权利要求1所述的复合凸透镜与四象限感光器结合的阳光追踪探测装置，其特征在于，所述四象限感光器采用圆形的太阳能硅光电池板，在其正面有以其圆心为中心的由激光割出的“十”字形沟道，太阳能硅光电池板的四个象限各焊接一根引线引出。

3.如权利要求1所述的复合凸透镜与四象限感光器结合的阳光追踪探测装置，其特征在于，所述复合凸透镜与四象限感光器需同时满足以下三个条件：

1）大凸透镜与小凸透镜的半径满足：

$\frac{1}{3}{R}_2\≤R_1\≤\frac{1}{2}{R}_2$ （式1）

2）小凸透镜嵌入大凸透镜的深度H₁满足：

$\frac{1}{3}{R}_2\≤H_1\≤\frac{2}{3}{R}_2$ （式2）

3）四象限感光器与大凸透镜之间的距离H₂满足：

$0\≤H_2\≤\frac{1}{3}{R}_2$ （式3）

式1～式3中，R₁为小凸透镜的半径；R₂为大凸透镜的半径，取1～1.5cm；H₁为小凸透镜嵌入大凸透镜的深度；H₂为四象限感光器与大凸透镜之间的距离。

4.如权利要求1所述的复合凸透镜与四象限感光器结合的阳光追踪探测装置，其特征在于，所述大凸透镜（2）的半径R₂为1.5cm，小凸透镜（1）的半径R₁为0.9cm，小凸透镜嵌入大凸透镜的深度H₁为0.6cm，四象限感光器与大凸透镜之间的距离H₂为0.5cm，小凸透镜（1）的曲率为大凸透镜（2）曲率的三分之一至三分之二。

5.如权利要求1所述的复合凸透镜与四象限感光器结合的阳光追踪探测装置，其特征在于，所述大凸透镜（2）的半径R₂为1.2cm，小凸透镜（1）的半径R₁为0.6cm，小凸透镜嵌入大凸透镜（2）的深度H₁为0.5cm，四象限感光器与大凸透镜之间的距离H₂为0.3cm，小凸透镜（1）曲率为大凸透镜（2）曲率的三分之一。

6.一种利用权利要求1所述的阳光追踪探测装置进行阳光追踪的太阳能发电装置，其特征在于，包括底座（4）、安装在底座（4）上的竖直转轴（5）、安装在竖直转轴（5）上的支架（6）、安装在支架（6）上的水平转轴、安装在水平转轴上的太阳能电池板（7）、安装在底座（4）中的竖直转轴驱动电机、安装在支架（6）上的水平转轴驱动电机（8）、安装在底座（4）中的单片机和阳光追踪探测装置（9），其中，水平转轴驱动电机（8）与水平转轴之间、竖直转轴驱动电机和竖直转轴（5）之间的传动方式采用齿轮传动；阳光追踪探测装置（9）安装在太阳能电池板（7）的正面用于追踪太阳光，使得太阳光始终垂直照射在太阳能电池板（7）上；阳光追踪探测装置（9）的四象限感光器的四个象限引出的引线分别与单片机的输入端连接，竖直转轴驱动电机和水平转轴驱动电机（8）分别与单片机的输出端连接。

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