CN104075687A - 一种数字式太阳位置测角传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字式太阳位置测角传感器，以数字量的形式输出太阳实时位置的角度参数，测角精度高，具备远程通信接口。它包括由五块光电池构成的光电池阵列、模拟开关电路、电流电压转换电路、A/D电路、CPU和存储器，其特征在于，所述光电池阵列有一块受光面朝上水平放置的电池板、四块受光面分别朝东、西、南、北竖直放置的电池板，该光电池阵列将光信号转换成五路电流信号，模拟开关通过CPU控制将所述五路电流信号分时传输到电流电压转换电路，该转换电路将电流信号转换为电压信号并进行放大和滤波处理，CPU通过A/D转换器将转换电路的输出信号读入并进行计算得到太阳实时位置的方位角和高低角。

Description

一种数字式太阳位置测角传感器

技术领域

本发明涉及一种太阳位置传感器，尤其涉及一种光电式太阳位置传感器。 

背景技术

太阳光线跟踪是提高太阳能电池输出功率的主要方法，用于检测太阳位置的光电传感器是太阳能跟踪系统的核心部件。目前用于太阳能跟踪系统的传感器以四象限光电传感器为主，该传感器虽然灵敏度较高，但由于只能输出与光线偏差所对应的模拟量，不能定量输出太阳的位置参数，所以只能作为反馈元件用于闭环的太阳能跟踪系统中，与相应的机电装置相配合，才能追踪太阳光线，无法独立测量太阳位置参数，也无法将太阳位置参数传输到上位机；除此之外，四象限传感器的测角范围非常小，大概为30°，使用受到很大的限制。除了四象限传感器之外，另外已经存在的传感器虽然测角范围较大，但由于存在着分辨率低、结构复杂、输出信号接口不成熟、成本高等缺陷而没有被大范围投入使用。 

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供了一种数字式太阳位置测角传感器，以数字量的形式输出太阳实时位置的角度参数，测角精度高，具备远程通信接口。 

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种数字式太阳位置测角传感器，包括由五块光电池构成的光电池阵列、模拟开关电路、电流电压转换电路、A/D电路、CPU和存储器，所述光电池阵列有一块受光面朝上水平放置的电池板、四块受光面分别朝东、西、南、北竖直放置的电池板，该光电池阵列将光信号转换成五路电流信号，模拟开关通过CPU控制将所述五路电流信号分时传输到电流电压转换电路，该转换电路将电流信号转换为电压信号并进行放大和滤波处理，CPU通过A/D转换器将转换电路的输出信号读入并进行计算得到太阳实时位置的方位角和高低角。 

测角原理根据照度公式(1)所示，平面上某一点的照度E与光强I成正比，与光线和平面法线的夹角余弦成正比，与光源与被照点之间的距离的平方 成反比。 

$E=\frac{I\cos \mathrm{\θ}}{r^2}---\left(1\right)$

太阳光可以等效为均匀平行光，所以某一时刻，相对于地面的某一较小位置而言，I和r都可以看成常数，设所以有公式(2)： 

E＝I_Ccosθ           (2) 

若E₁、E₂、E₃分别为太阳光线同时照射在三块相互正交的光电池上时的照度，η、ω、β分别为太阳光线与其在三块相互正交的光电池所在平面上的投影的夹角，则有： 

E₁＝I_Csinη             (3) 

E₂＝I_Csinω             (4) 

E₃＝I_Csinβ             (5) 

${\sin }^2\mathrm{\η}=\frac{{E_1}^2}{{I_C}^2}---\left(6\right)$

${\sin }^2\mathrm{\ω}=\frac{{E_2}^2}{{I_C}^2}---\left(7\right)$

${\sin }^2\mathrm{\β}=\frac{{E_3}^2}{{I_C}^2}---\left(8\right)$

因为三块光电池相互正交，所以有：sin²η+sin²ω+sin²β＝1，则 

I_C ²＝E₁ ²+E₂ ²+E₃ ²   (9) 

根据公式(6)、(7)、(8)、(9)得： 

$\sin \mathrm{\η}=\sqrt{\frac{{E_1}^2}{{E_1}^2+{E_2}^2+{E_3}^2}}---\left(10\right)$

$\sin \mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{{E_2}^2}{{E_1}^2+{E_2}^2+{E_3}^2}}---\left(11\right)$

$\sin \mathrm{\β}=\sqrt{\frac{{E_3}^2}{{E_1}^2+{E_2}^2+{E_3}^2}}---\left(12\right)$

设i_sc、i_ec、i_hc分别为光电池的短路电流，因为光电池短路电流的大小与光通量成正比，且三块光电池具有相同的工艺和表面积，所以具有相同的比例常数k_ei，则有： 

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ec}}=k_{\mathrm{ei}}{E}_2\\ i_{\mathrm{hc}}=k_{\mathrm{ei}}{E}_3\\ i_{\mathrm{sc}}=k_{\mathrm{ei}}{E}_1\end{array}\right.---\left(13\right)$ $\left\{\begin{array}{c}{E}_1=\frac{i_{\mathrm{sc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\\ E_2=\frac{i_{\mathrm{ec}}}{k_{\mathrm{ei}}}\\ E_3=\frac{i_{\mathrm{hc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\end{array}\right.---\left(14\right)$

将公式(14)带入公式(10)、(11)、(12)得： 

$\sin \mathrm{\η}=\frac{\sqrt{{E_1}^2}}{\sqrt{{E_2}^2+{E_1}^2+{E_3}^2}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{i_{\mathrm{sc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2}}{\sqrt{{\left(\frac{i_{\mathrm{ec}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2+{\left(\frac{i_{\mathrm{sc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2+{\left(\frac{i_{\mathrm{hc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2}}=\frac{i_{\mathrm{sc}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}---\left(15\right)$

$\sin \mathrm{\ω}=\frac{\sqrt{{E_2}^2}}{\sqrt{{E_2}^2+{E_1}^2+{E_3}^2}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{i_{\mathrm{ec}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2}}{\sqrt{{\left(\frac{i_{\mathrm{ec}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2+{\left(\frac{i_{\mathrm{sc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2+{\left(\frac{i_{\mathrm{hc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2}}=\frac{i_{\mathrm{ec}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}---\left(16\right)$

$\sin \mathrm{\β}=\frac{\sqrt{{E_3}^2}}{\sqrt{{E_2}^2+{E_1}^2+{E_3}^2}}=\frac{\sqrt{{\left(\frac{i_{\mathrm{hc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2}}{\sqrt{{\left(\frac{i_{\mathrm{ec}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2+{\left(\frac{i_{\mathrm{sc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2+{\left(\frac{i_{\mathrm{hc}}}{k_{\mathrm{ei}}}\right)}^2}}=\frac{i_{\mathrm{hc}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}---\left(17\right)$

计算出η、ω、β的值分别为： 

$\mathrm{\η}=\arcsin \left(\frac{i_{\mathrm{sc}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)---\left(18\right)$

$\mathrm{\ω}=\arcsin \left(\frac{i_{\mathrm{ec}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)---\left(19\right)$

$\mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{i_{\mathrm{hc}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)---\left(20\right)$

根据式(18)、式(19)、式(20)可知，只要测出三块光电池的短路电流i_sc、i_ec、i_hc，就能测出太阳的角度参数。为了实现用单片机测量光电池的短路电流，需要将电流信号转换为电压信号并放大。若转换放大电路的放大倍数为k，令 

V_sc＝ki_sc

V_ec＝ki_ec

V_hc＝ki_hc

于是有： 

$\mathrm{\η}=\arcsin \left(\frac{i_{\mathrm{sc}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{ki}}_{\mathrm{sc}}}{k\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)=\arcsin \left(\frac{\sqrt{{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{sc}}\right)}^2}}{\sqrt{{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{ec}}\right)}^2+{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{sc}}\right)}^2+{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{hc}}\right)}^2}}\right)---\left(21\right)$

$=\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{sc}}}{\sqrt{{V_{\mathrm{sc}}}^2+{V_{\mathrm{ec}}}^2+{V_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)$

$\mathrm{\ω}=\arcsin \left(\frac{i_{\mathrm{ec}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{ki}}_{\mathrm{ec}}}{k\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)=\arcsin \left(\frac{\sqrt{{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{ec}}\right)}^2}}{\sqrt{{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{ec}}\right)}^2+{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{sc}}\right)}^2+{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{hc}}\right)}^2}}\right)---\left(22\right)$

$=\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{ec}}}{\sqrt{{V_{\mathrm{ec}}}^2+{V_{\mathrm{sc}}}^2+{V_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)$

$\mathrm{\β}=\arcsin \left(\frac{i_{\mathrm{hc}}}{\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)=\arcsin \left(\frac{{\mathrm{ki}}_{\mathrm{hc}}}{k\sqrt{{i_{\mathrm{ec}}}^2+{i_{\mathrm{sc}}}^2+{i_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)=\arcsin \left(\frac{\sqrt{{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{hc}}\right)}^2}}{\sqrt{{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{ec}}\right)}^2+{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{sc}}\right)}^2+{\left({\mathrm{ki}}_{\mathrm{hc}}\right)}^2}}\right)---\left(23\right)$

$=\arcsin \left(\frac{V_{\mathrm{hc}}}{\sqrt{{V_{\mathrm{ec}}}^2+{V_{\mathrm{sc}}}^2+{V_{\mathrm{hc}}}^2}}\right)$

如果用三块光电池可以测出上午的太阳位置参数，那么再加两块光电池，就可以测出全天的太阳位置参数了。在晴天的时候，相对的两块电池(东和西、南和北)一阴一阳，输出电流差别很大，阴天的时候，由于相对的两块电池都没有阳光照射，所以照度差不多，输出电流的大小差不多，所以可以通过比较相对两块电池的电流大小就可以判断出天气的阴晴。 

本发明的有益效果是，在得到太阳光线与其在三块相互正交的光电池所在平面上的投影的三个夹角之后，经过换算，就可以得到太阳实时位置的高度角和方位角，本发明以数字量的形式输出太阳实时位置的角度参数，测角范围为5°-175°之间，方位角重复测量精度为0.9°，高低角重复测量精度为0.5°， 

同时具备远程通信接口。 

附图说明

图1是光电池阵列俯视图；图2是数字式太阳位置测角传感器组成框图；图3是主程序流程图；图4是太阳位置参数计算程序流程图；图5是天气状况判断程序流程图。 

图中：1-光电池阵列；2-模拟开关电路；3-电流电压转换电路；4-A/D电路；5-CPU；6-存储器；7-北向电池板；8-南向电池板；9-东向电池板；10-西向电池板；11-水平向电池板；12-安装底板。 

具体实施方式

图1为光电池阵列俯视图，东向电池板9、南向电池板8、西向电池板10、北向电池板7、水平向电池板11分别为受光面朝东、南、西、北和水平向上的光电池，在安装时要求水平向电池板11严格水平，东向电池板9、南向电池板8、西向电池板10、北向电池板7严格垂直于水平向电池板11受光面，且严格朝向东、南、西、北，而且相互之间不能遮挡阳光。 

数字式太阳位置测角传感器组成框图如图2所示。光电池阵列1与模拟开关电路2的五路输入相连接，模拟开关电路2的控制输入端接CPU5控制信号，模拟开关电路2的输出与电流电压转换电路3的输入相连接，电流电压转换电路3将电流信号转换为电压信号并通过A/D电路4送到CPU5，本发明通过模拟开关电路2分时处理五路信号，由于CPU5切换通道速度很快，所以效果和五路同时处理是一样的，但消除了电路参数不一致的问题，同时简化了电路，降低了成本；CPU5将电流电压转换电路3的输出电压通过A/D电路4读入，并进行太阳位置参数计算；存储器6用于存储程序和数据。 

图3为主程序流程图，在上电后先对CPU5进行初始化，接着输出模拟开关控制量，从电流电压转换电路3读取电压信号，为了保证精度，每一个量读10次取平均值做为有效值，将五路信号全部读入后计算太阳的高低角和方位角及天气状况。 

图4是太阳位置参数计算程序流程图，V_E、V_S、V_W、V_N分别为受光面朝东、南、西、北的四块光电池的经处理后读入单片机的电压信号。V_H为水平光电池经处理后由单片机读入的电压信号。某一时刻，V_E、V_W中只有较大的一个信号有效，因为同一时刻两块电池板一个迎光，一个背光。同理，同一时刻V_S、V_N中也只有较大的信号有效，令V_SC取V_S、V_N中较大的一个，令V_EC取V_E、V_W中较大的一个，将V_sc、V_ec及V_hc带入到公式(21)、(22)、(23)中计算出η、ω、β。 

图5为天气状况判断流程图。分别计算V_N、V_S的差的绝对值V_NS和V_E、V_W的差的绝对值V_EW，将较大的一个作为有效值赋给变量V，将V和实验标定常数V_C进行比较，如果V大于V_C则为晴天，否则为阴天。 

Claims (1)

1.一种数字式太阳位置测角传感器，包括由五块光电池构成的光电池阵列、模拟开关电路、电流电压转换电路、A/D电路、CPU和存储器，其特征在于，所述光电池阵列有一块受光面朝上水平放置的电池板、四块受光面分别朝东、西、南、北竖直放置的电池板，该光电池阵列将光信号转换成五路电流信号，模拟开关通过CPU控制将所述五路电流信号分时传输到电流电压转换电路，该转换电路将电流信号转换为电压信号并进行放大和滤波处理，CPU通过A/D转换器将转换电路的输出信号读入并进行计算得到太阳实时位置的方位角和高低角。