CN103968803B - 一种太阳光入射方向检测与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳光入射方向的检测与控制方法，以圆柱形密闭腔体作为光线入射方向的传感器，在密闭腔体的上面板上设置透光孔，在上面板设有飞缘，采用吸光处理密闭腔体内部桶壁，在密闭腔体的底板纵横向上均匀布置光敏检测元件；光线通过透光孔照射到密闭腔体底板的光敏元件受光面上，接受到光线照射的光敏元件输出状态信息，根据光敏元件的位置及其所输出的状态信息，获得太阳光入射方向与太阳能电池板之间的偏移关系，决定传动机构在水平和前倾后仰方向的运动，以调整太阳能电池板的方位，完成电池板的对光控制。本发明采用光敏三极管实现光点位置检测，确定太阳光入射方向，可以使太阳能电池板实时调节运动，保证太阳能电池板正对太阳光。
Description
技术领域
本发明属于光电检测技术应用领域，具体涉及一种太阳光入射方向检测与控制方法。
背景技术
为了让太阳能电池板获得最大光能，除了采用最大功率点跟踪MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制算法之外，还需要将电池板实施对光控制，以保证太阳能电池板以最大的正对面积正对太阳光线，电池板能够接收到最大的太阳能。
实施太阳能电池板对光控制的方法主要有实时探测太阳光入射角度的被动式跟踪和根据天文知识计算太阳位置的主动式跟踪。前者不受计算误差及节气变更的影响，只要光线检测传感器检测的精度足够高，就可以满足太阳能电池板的对光控制。后者需要进行复杂的数学计算，需要繁复的天文知识支撑，太阳能电池板的控制精度受制于计算结果的精确度，受节气变更的影响比较大，不管天气如何，太阳能电池板均按照其自身的控制轨迹运行，如要进行合适地调整控制，需要辅以其他的控制手段。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种太阳光入射方向检测与控制方法，使其具有良好的屏蔽效果、抗干扰性、防水性等特点，满足使用需求。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种太阳光入射方向的检测与控制方法：以一圆柱形密闭腔体作为光线入射方向的传感器，密闭腔体的上表面设置一透光孔，上表面的面板设有飞缘，容器内部桶壁采用吸光处理，底板纵横向均匀布置光敏检测元件；光线通过透光孔照射到密闭腔体底板的光敏元件受光面上，接受到光线照射的光敏元件输出状态信息，根据光敏元件的位置及其所输出的状态信息，获得太阳光入射方向与太阳能电池板之间的偏移关系，决定传动机构在水平和前倾后仰方向的运动，以调整太阳能电池板的方位，完成电池板的对光控制。
所述的光敏检测元件接收到太阳光照射后产生光电流经过放大后驱动后续的两路放大电路，后续两路放大电路输出低电平，其余没有接受到太阳光照射的光敏元件所对应的后续电路输出高电平；将所有横坐标位置相同的元件，所产生的一路输出x全部相连；将所有纵坐标位置相同的元件，所产生的一路输出y全部相连，则在太阳光照射下，以传感器中心为基准，传感器x方向输出两组状态码，传感器y方向也输出两组状态码，将这四组代码进行逻辑运算后所形成的状态信息便确定太阳能电池板需要调整的控制要求。
所述的以传感器的中心为基准，x轴方向过零点两侧形成的两组状态信息分别进行“与非”运算输出X+、X-，y轴方向过零点上下两侧形成的两组状态信息分别进行“与非”运算输出Y+、Y-，状态X+、X-、Y+、Y-反映太阳能电池板移动的需求，X+表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的右侧近光运动、X-表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的左侧近光运动、Y+表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的上侧近光运动、Y-表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的下侧近光运动。
所述的安装于底板上的光敏检测元件在设置时，确保传感器的上表面入射孔直径大于对角两光敏元件的感光外边距，同时传感器的上表面入射孔直径小于水平或垂直方向相隔的两光敏元件感光外边距。
所述的将检测电路输出的四组信号按照大偏角状态置于高位组合的二进制数作为传动系统相对应电机移动的速度控制信号，保证太阳能电池板大偏角情况下电机移动有比较快的速度，使电池板快速完成对光控制。
所述的为适应大偏角情况下的检测，在传感器上边缘的x轴两侧、y轴两侧各设置一个光敏元件，此处设置为光敏电阻，传感器上边缘设置凸出的飞缘，飞缘的遮光效果保证光线照射到传感器底板边缘时光敏元件受光面接受到太阳光的照射，以保证在入射角较大时装置的准确检测与控制。其输出状态与所对应的状态组进行逻辑运算，构成传动机构运动控制信息，与对应的状态组的最高位进行与非运算作为移动电机速度控制的最高位数决定电机运行控制的速度信息。
本发明借助于传感器底板检测面上均匀布置的光敏元件，实现太阳光入射光点位置的检测，反映太阳入射光与太阳能电池板面之间的角度偏移信息。根据检测电路所确定的太阳入射光与太阳能电池板之间的角度偏移信息，由逻辑电路的输出状态决定太阳能电池板是否实现水平旋转、前倾后仰运动，以保证太阳能电池板正对太阳光，尽可能获得最大光能。为获得太阳光入射方向信息，以传感器中心点为基准点，纵、横向均匀布置多列(行)光敏检测元件，被光线照射的光敏元件形成的光电流经过放大后驱动后接电子放大电路，产生相应的状态信息。检测电路的纵、横向状态输出端口状态反映了入射光形成光点的位置，以此信息为基础通过逻辑运算产生太阳能电池板需要移动的状态控制信息。如果太阳能电池板相对太阳光偏移的位置较大，希望太阳能电池板对光移动控制的执行机构速度快一些，以尽快完成对光控制。为此，将检测电路输出状态信息进行组合，形成二进制数，该数值的大小反映了太阳能电池板偏移太阳入射光角度的程度，偏移角度越大，执行机构运行的速度越快。针对大偏角时该传感器所检测状态信息会出现错误的情况，采用在传感器上表面设置飞缘，光敏检测元件置于飞缘之下，当偏角较大时由该检测元件反映偏角信息。该信息与内部底板上检测电路信息进行逻辑运算，构成太阳能电池板偏移控制信息，并同时构成执行机构运行的速度控制信息。
有益效果：与现有技术相比，本发明的太阳光入射方向检测与控制方法，采用光敏三极管实现光点位置检测，确定太阳光照射到太阳能电池板的入射方向，可以使太阳能电池板准确、可靠地获得正对太阳光的调节运动，保证太阳能电池板正对太阳光，太阳能电池板可以获得最大光能，能满足太阳能电池板对光控制的使用需求，具有很好的实用性。
附图说明
图1是传感器结构示意图；
图2是传感器底部结构示意图；
图3是传感器底板感光元件布置示意图；
图4是光点大小与感光元件之间的关系示意图；
图5是传感器底板感光检测电路示意图；
图6是大偏角情况下太阳光入射形成的光点示意图；
图7是外侧入射光方向检测电路图；
图8是太阳能电池板对光控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步的说明。
一种太阳光入射方向检测与控制方法，为基于光点位置检测的太阳能电池板对光方位检测与控制方法。使用一只在面板上设置透光孔，在底板上均匀布置感光元件的圆形密闭容器构成太阳光入射方向检测的传感器。传感器与太阳能电池板固定连接，且传感器的底板与太阳能电池的板面平行。太阳光通过透射孔照射到底板的感光元件上，与感光元件相连的后续电路反映出感光元件被太阳光照射的情况，被太阳光照射的感光元件所处位置便由其后续电路的输出状态反映出来。根据横向、纵向感光元件所反映的状态信息，通过逻辑电路输出太阳能电池板需要移动的方向信息，并根据太阳光所照射的位置，用检测电路状态反映电池板需要调整的迫切程度，使得调整执行机构在太阳光偏移方向较大的情况下有较快的移动速度，使太阳能电池板的位置尽快地被调整到位，以正对太阳光，最大限度地接受太阳能。
太阳光入射方位检测传感器，如图1所示，为光线入射方位检测传感器的三维立体基本结构，该传感器本体1为一圆柱体密封不透光结构，在其上表面的上面板正中央开有一直径3-5mm的透光孔2，太阳光3可以通过该透光孔2射入腔内。图2为底板4视图，光线通过小孔入射到腔内后投射到底板4上，形成一个光点5。该光点5的位置反映了太阳光的入射方向，若该传感器与太阳能电池板固定连接，按照传感器所检测的太阳光入射方向，可以获得太阳能电池板方位调整的移动需求信息。
在该传感器底板上，按照横向、纵向均匀布置若干个感光元件，如图3所示。为实现太阳能电池板位置的准确检测，底板所布置的感光元件应该紧凑、均匀，保证入射到腔内的太阳光可以照射到底板上的感光元件表面。至于光点直径与感光元件大小之间的关系说明如图4所示。图4中，实线圆表示所布置的感光元件，虚线圆表示光点位置及大小示意。显然，为保证在任意情况下，光点移动时感光元件可以接受到太阳光照射的透光孔直径必须大于对角两光敏元件感光面边缘之间的距离，即传感器的上表面入射孔直径应该大于对角两光敏元件的感光外边距。同时，为提升传感器检测精确度，光点直径不要大于水平或者垂直方向相隔的两感光元件外圆之间的距离，即传感器的上表面入射孔直径应小于水平或垂直方向相隔的两光敏元件感光外边距(即中间间隔一个光敏元件时横向或者纵向两光敏元件外边缘之间的距离)。
传感器底板上各光点的检测电路如图5所示，选择的光敏检测元件为光敏三极管。各光点检测电路包括供电电源母线及电源地线，在母线和地线之间并联有三个分支串联电路，检测分支串联电路由连接至电源的电阻和光敏三极管串联组成，两串联分支放大电路均由连接至电源母线的电阻和晶体三极管串联组成，晶体三极管的发射极接地。当太阳光入射到底板表面时，布置于底板表面的光敏三极管接收到太阳光的照射，形成光电流，该光电流作为光敏三极管的基极驱动电流，经过光敏三极管电流放大，其发射极流出光电流β+1倍的发射极电流(β为光敏三极管的电流放大倍数)，该发射极电流成为后接晶体管的基极驱动电流，使后接晶体管导通，其集电极x、y输出电平由高电平变成低电平，其它没有接受到光线照射的检测单元的晶体管输出状态为高电平。
为实现光点位置的定位检测，将该光点检测电路输出端x与该点横坐标位置相同(垂直方向)的各检测点输出端x相连，则在该点接受到光线照射后，与该点相连的所有垂直方向上各检测点输出端x均被该点拉低电位，共同输出电平“0”(正逻辑)。同样，将该光点检测电路输出端y与该点纵坐标位置相同(沿水平方向)的各检测点输出端y相连，则在该点接受到光线照射后，与该点相连的所有水平方向上各检测点输出端y均被该点拉低电位，共同输出电平“0”(正逻辑)。若只有这一检测点接收到光线照射，该点检测电路输出x＝“0”，y＝“0”，观察图3有：
式(1)表明，检测电路的横向第i列、纵向第j行位置接受到光线的照射，除此之外的所有状态均为高电平“1”。
如果因为要保证在任意情况下光点的位置均能被检测电路所反映，光点的直径总是设置得比光敏元件的受光面直径要大，则在光点移动(入射光移动)过程中，会出现相邻的两个、三个、甚至是相邻的四个光点检测元件接收到入射光的照射，则检测电路输出状态为“0”，其余为“1”。即：
1、横向或者纵向相邻的两个光点检测元件接收到入射光的照射：
或者：
2、相邻的三个、四个光点检测元件接收到入射光的照射：
从图3可见，传感器底板直径越大，底板上设置的检测元件越多，该检测器所能检测光线移动的范围越宽。但是，检测点越多，检测的信号状态也越多，检测电路越复杂，后续电路成本越高。而且，在传感器检测到光线入射角的过程中，因为实际控制跟踪装置的驱动使太阳能电池板跟踪光线移动，电路所需要的检测光点也只是中心点附近变化，除非是因为光线被云层所阻挡，云层移动后太阳光瞬间照射时才会有比较大的入射角变化。因此，传感器底板的直径，即传感器的直径不需要设置得太大。
为方便检测并简化电路，传感器中心点两侧及上下侧设置的检测光点数n≤8，若设置数为8，传感器底板所设置的检测光点将有17行、17列之多，足以实现光线入射角检测。沿纵、横向中心线所布置的检测元件，其检测电路只需要输出一种状态，如位于横轴上的检测元件只需要输出横向位置状态，位于纵轴上的检测元件只需要输出纵向位置状态。此时，以中心点为基准，中心点右侧状态x1x2…x8、中心点左侧状态x-1x-2…x-8、中心点上侧状态y1y2…y8、中心点下侧状态y-1y-2…y-8均为8路输出，水平方向x0处、垂直方向y0处不设置控制输出，仅设置状态完成告示，表示对角控制已经完成，因为x0＝0、y0＝0表示光点位于传感器中心位置，对光控制已经完成，没有调节的需求。如x0＝0，yj＝“1”，j≠0，或者xi＝“1”，y0＝0，i≠0分别表示光点处于过传感器中心点的垂直线和处于过传感器中心点的水平线上，其状态调整的需求在前面的四个状态中均有反映，如式(1)～(4)所示。
按照n＝8设置传感器底板光点检测元件，按图3分析，其水平方向有两组输出信号，为别是：x1x2…x8、x-1x-2…x-8，状态x1x2…x8中有输出为“0”时表示光点位于中心点的右侧，状态x-1x-2…x-8中有输出为“0”时表示光点位于中心点的左侧。垂直方向也有两组输出信号，为别是：y1y2…y8、y-1y-2…y-8，状态y1y2…y8中有输出为“0”时表示光点位于中心点的上侧，状态y-1y-2…y-8中有输出为“0”时表示光点位于中心点的下侧。
设计逻辑电路，对各组的每路输出信号实现“与非”运算，并设状态信号X+、X-、Y+、Y-为：
观察图3可见，X+、X-、Y+、Y-的状态反映了太阳能电池板移动的需求，X+＝“1”表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的右侧近光(向太阳方向移动)运动、X-＝“1”表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的左侧近光运动、Y+＝“1”表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的上侧近光运动、Y-＝“1”表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的下侧近光运动，其逻辑表如表1所示。
表1传感器状态及其输出控制逻辑
值得说明的是，X+、X-、Y+、Y-的状态虽然可以反映太阳能电池板是否偏移太阳光入射方向，可以用作为太阳能电池板移动控制的输入控制信号，但不能反映太阳能电池板偏移太阳入射光角度的大小，即方向偏移的程度，对于对光调整电路的调整需求强度不明确。或者说，虽然检测电路获得了太阳能电池板需要调整的要求，但没有反应太阳能电池板需要调整的迫切性。为此，检测电路还要反映电池板偏移正对位置的程度，偏移程度越大，调整工作越迫切，调整的速度也要求越快。
为此，将各组的检测信号反相后按照脚标从高到低进行组合，构成四组8位二进制数，即：
以此二进制数作为水平旋转移动、仰角移动电机的速度控制信号，使得太阳能电池板在偏角比较大的情况下，两个方向移动电机有比较快的速度，实现电池板的快速对光控制。
如果太阳的入射光偏角比较大，其光点已经超过传感器底板的边缘，照射到传感器的内壁上，若内壁采取吸光处理(采取在内壁表面粘贴表面打毛且凹凸不平的黑色薄海棉进行吸光处理或其他措施)，传感器底板上的感光元件将接收不到光线，无法判定太阳能电池板的偏移方向。如果内壁采用镜面处理，在光线入射角偏移不是很大的情况下(入射光线的延长线在底板上形成的光点已经超过传感器底板边缘)，光线照射的光点仍然在所对应的区域内(图6的第一或第四象限)，如图6的a光线，此时检测电路仍可以反映太阳能电池板的移动需求。但是，若光线的偏角再进一步加大，入射光经过内壁反射后将照射到第二或者第三象限，如图6的b光线，传感器将产生错误的判断，使电池板向反方向偏移，从而减小电池板正对太阳光线的正对面积。为解决该问题，传感器的内壁采取吸光处理，在传感器上边缘的x轴两侧、y轴两侧各设置一个光敏元件，传感器上边缘设置凸出的飞缘，飞缘的遮光效果保证光线照射到传感器底板边缘里侧第二排元件时边缘的光敏元件开始接受到光线照射，光线照射到底板边缘里侧第一排元件时光敏元件受光面全部接受到太阳光的照射，以保证在入射角较大时装置的准确控制。
由于边缘设置的光线检测元件被置于外部环境，有无光线直射时元件表面上均被散射光所照射，因此，边缘光照检测电路采用相对光强检测法，即在x轴两侧布置两对光敏电阻元件(y轴同样布置)，每对元件构成分压检测电路，需要检测的一侧元件置于分压检测电路的上侧，在有光线照射时，分压电路输出向电源电压方向移动，通过检测电路输出状态检测信息。如图7所示。该图表示在入射光线向x+方向偏移时的检测电路，x-、y+、y-方向检测电路相同。
在飞缘的x轴反方向设置两只光敏电阻Rx+、x轴方向设置两只光敏电阻Rx-，y轴反方向设置两只光敏电阻Ry+、y轴方向设置两只光敏电阻Ry-。为实现太阳光向x轴反方向的大角度检测，设置检测电路如图7所示，Rx+一端连至电源母线，另一端连至Rx-和稳压二极管DW负端，Rx-的另一端连至电源地，稳压二极管DW的正端与晶体三极管T4基极相连，该晶体三极管T4的发射极与电源地相连，T4集电极与负载电阻R4相连，给负载电阻R4的另一端与电源母线相连。当太阳光偏向x轴反方向时，Rx+接受到太阳关照射，Rx-被飞缘所遮蔽，Rx+和Rx-串联电路中点的点位上升，当该点位上升到一定数值时，稳压二极管DW击穿，给放大电路送去驱动信号，晶体三极管T4的点位变成“0”(正逻辑)，表示太阳光已经大偏角地偏向x轴反方向。为实现太阳光向x轴方向的大角度检测，设置检测电路也如图7所示，此时，将另一组的Rx+和Rx-的位置对调，后续电路不变，若该电路输出“0”电平，表示太阳光已经大偏角地偏向x轴方向。y轴及y轴反方向的大偏角检测电路与此相同。
当传感器外边缘所布置的光敏元件接收到太阳光照射时，通过图7电路输出检测状态，接受到太阳光照射输出为“0”，否则为“1”，该检测状态与传感器底板检测状态的最高位进行与逻辑运算，使得大偏角情况下，其对应输出的最高位反映入射光的偏移方向，从而实现电池板的对光控制。
在传感器上边缘的x轴两侧、y轴两侧所设置的光敏元件输出状态为x+、x-、y+、y-，分别对应光线偏向传感器中心轴左侧、右侧、上侧、下侧，设置的位置分别为传感器上表面x轴负向边缘、x轴正向边缘、y轴负向边缘、y轴正向边缘。则(5)式修改为：
速度控制信号修改为：
太阳光入射角度检测与调整实际系统以图8方式实现，系统开始运行时，先检测状态X+、X-、Y+、Y-，获得需要运行的方向信息。根据该信息，控制器让水平方向、垂直方向的电机做相关运动，参见表1。相关电机运动的速度由速度控制信号(式7)控制，使太阳光入射角偏角越大，相对应的电机移动的速度越快，太阳能电池板对位控制就越快完成。当X+、X-、Y+、Y-的状态均为“0”时，说明太阳能电池板对光控制已经完成。
Claims (5)
1.一种太阳能电池板方位控制方法，其特征在于：以圆柱形密闭腔体作为检测光线入射方向的传感器，在密闭腔体的上面板上设置透光孔，在上面板设有飞缘，采用吸光处理密闭腔体内部桶壁，在密闭腔体的底板纵横向上均匀布置光敏检测元件；光线通过透光孔照射到密闭腔体底板的光敏元件受光面上，接受到光线照射的光敏元件输出状态信息，根据光敏元件的位置及其所输出的状态信息，获得太阳光入射方向与太阳能电池板之间的偏移关系，决定传动机构在水平和前倾后仰方向的运动，以调整太阳能电池板的方位，完成电池板的对光控制；传感器与太阳能电池板固定连接，且传感器的底板与太阳能电池的板面平行。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池板方位控制方法，其特征在于：所述的光敏检测元件接收到太阳光照射后产生光电流经过放大后驱动后续的两路放大电路，后续两路放大电路输出低电平，其余没有接受到太阳光照射的光敏元件所对应的后续电路输出高电平；将所有横坐标位置相同的元件，所产生的一路输出x全部相连；将所有纵坐标位置相同的元件，所产生的一路输出y全部相连，则在太阳光照射下，以传感器中心为基准，传感器x方向输出两组状态码，传感器y方向也输出两组状态码，将这四组代码进行逻辑运算后所形成的状态信息便确定太阳能电池板需要调整的控制要求。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池板方位控制方法，其特征在于：所述的太阳能电池板方位控制方法以传感器的中心为基准，x轴方向过零点两侧形成的两组状态信息分别进行“与非”运算输出X+、X-，y轴方向过零点上下两侧形成的两组状态信息分别进行“与非”运算输出Y+、Y-，状态X+、X-、Y+、Y-反映太阳能电池板移动的需求，X+＝“1”表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的右侧近光运动、X-＝“1”表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的左侧近光运动、Y+＝“1”表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的上侧近光运动、Y-＝“1”表示太阳能电池板需要实现以中心点为基准的下侧近光运动。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池板方位控制方法，其特征在于：所述的光敏检测元件在设置时，确保传感器的上表面透光孔直径大于相邻对角两光敏元件的最短感光外边距，同时传感器的上表面透光孔直径小于水平或垂直方向相隔一个光敏元件的两光敏元件最短感光外边距。
5.根据权利要求3所述的太阳能电池板方位控制方法，其特征在于：所述的太阳能电池板方位控制方法为适应大偏角情况下的检测，在传感器上边缘的x轴两侧、y轴两侧各设置一个光敏元件，传感器上边缘设置凸出的飞缘，飞缘的遮光效果保证光线照射到传感器底板边缘时光敏元件受光面接受到太阳光的照射，以保证在入射角较大时装置的准确控制；其输出状态与所对应的状态组进行逻辑运算，构成传动机构运动控制信息，与对应的状态组的最高位进行与非运算作为速度控制的最高位数决定电机运行控制的速度信息。
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