CN104316084A - 一种太阳跟踪误差检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明主要应用于太阳能领域，设计了一套太阳跟踪误差检测装置，主要包括1个四棱锥反射体、4组光敏元件(其中，每组两个，共8个光敏元件)、1个遮光筒和1套信号处理电路。四棱锥反射体的4个锥面的中间部分是镜面反射区；遮光筒将入射的阳光均分为4路，分别照射上述4个镜面反射区；8个光敏元件，两两一组，每组光敏元件的感光面对应接收一路反射光线；比较每组内2个光敏元件的输出信号，可计算该自由度上阳光的倾斜程度；综合处理感光面平行的两组光敏元件的输出信号，可进一步提高该自由度上跟踪误差的检测精度及检测可靠性。本发明结构简单，易于规模化生产，相对于4象限检测法，检测精度理论上可提升约1倍。

Description

一种太阳跟踪误差检测装置

技术领域

本发明属于检测技术与自动化装置领域，应用于新能源领域，特别涉及了一种太阳跟踪误差自动检测装置。 

背景技术

作为一种新型清洁能源，太阳能的利用开发具有巨大的市场前景，能够带来很好的社会效益、环境效益和经济效益。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这对太阳能收集系统提出了较高要求。 

太阳能收集系统可分为固定式和跟踪式两种，前者的感光面朝向固定，不随着时间或太阳角度的变化而变化，其发电效率受阳光入射角度的影响，不能充分利用太阳能资源，平均发电效率低下；后者则根据特定规则进行恰当转动，通过调整感光面的指向，尽可能的垂直接受阳光的照射。 

跟踪式太阳能收集系统，其跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪只是在方位角跟踪太阳，高度角作季节性调整；而双轴跟踪是在方位角和高度角两个方向跟踪太阳轨迹。根据控制量产生的规则，又可分为视日运动轨迹跟踪控制、跟踪误差控制、人工控制、混合控制等类型。视日运动轨迹跟踪控制方法主要根据太阳运动轨迹的变化，利用已知经纬度信息和时间信息，计算得到当时、当地的太阳角度，作为控制量；跟踪误差控制方法则利用光学传感器或检测装置，连续检测当时阳光相对于感光面的不垂直程度，以此作为负反馈控制量，调整感光面的角度，使之与阳光保持垂直。混合控制一般结合以上两种控制方法的优点，首先利用视日运动轨迹跟踪控制方法得到太阳的大概位置，然后利用传感器检测阳光并进行控制，在一定的范围内找到一个太阳光强最大的位置，实现控制的优化。 

跟踪误差检测装置是上述跟踪误差控制方法的关键部件，可分为多种类型，其精度、成本、施工维护难度等方面差异较大。公开的产品及文献中，常见的类型有以下两种： 

1.CCD光电传感器类。CCD光电传感器置于太阳集光板上，阳光通过检测光路、滤光片等结构，成像在CCD器件上，通过图像处理可检测成像点对像元区域中心的偏离情况。 

2.两象限或4象限光敏元件类。将2个(或4个)相同规格的光敏元件均匀分布在同一平面的2个(或4个)象限内，当阳光垂直照射该平面时，同一自由度上两个光敏元件输出信号基本相同。当阳光倾斜照射时，同一自由度上2个光敏元件输出信号产生差异，据此处理可得到阳光的倾斜情况。 

发明内容

本专利设计了一套太阳跟踪误差检测装置，主要包括1个四棱锥反射体、4组光敏元件(其中，每组含2个光敏元件，共8个光敏元件)、1个遮光筒和1套信号处理电路，能够实时检测阳光相对于四棱锥反射体底面的不垂直程度，输出两个自由度的跟踪误差。 

所述四棱锥反射体的基本结构，参照图1所示，其具有4个锥面和1个底面，底面为正方形，4个锥面为全等三角形，锥面与底面的夹角均为45度；4个锥面的材料、加工工艺及技术特征具有一致性；经过加工处理，每个锥面外表面的中间部分是光滑、平整的镜面反射区，对入射的阳光能够高效率的反射，外表面其余部分为非反射区，对于阳光具有高吸收率、低反射率。 

所述8个光敏元件，其规格、参数均一致，可采用光敏电阻、光敏二极管、光伏电池等光敏元件；所述8个光敏元件，两两一组，共分为4组，与所述四棱锥反射体的4个锥面一一对应，接收其反射的阳光；每组的2个光敏元件相对固定，紧密接触，朝向一致，感光面平行；安装时，两个光敏元件的接触面与所述四棱锥反射体的底面平行；安装过程中，光敏元件的感光面朝向所述四棱锥反射体的一个锥面，与镜面反射区的水平中线保持平行。 

其基本原理如图2所示，当入射的阳光垂直于所述四棱锥反射体底面时，反射后的阳光能够垂直射向所述两个光敏元件的接触面。对于垂直入射的阳光，每组的2个光敏元件感光量相同，输出信号没有明显差异；感光面平行的两组光敏元件的输出信号也没有明显差异；此种情况太阳跟踪误差为零。 

对于倾斜入射的阳光，每组2个光敏元件的感光量出现差异，输出信号经过对比，可得到阳光倾斜程度；感光面相平行的两组光敏元件的测量结果，反映的是太阳跟踪角误差在同一自由度上的分量，经过信号处理电路的综合处理，可提高太阳跟踪误差检测精度，用于该自由度上的负反馈伺服控制。 

所述遮光筒是阳光的输入通道，其基本结构是一个中空的圆筒，安装在所述四棱锥反射体的上方，其功能是使阳光均匀得照在所述四棱锥反射体的4个镜面反射区上。为此，遮光筒内部设有一个十字形状的挡条，将入射的阳光分为平行且分离的4部分；安装时挡条的四条边分别与所述四棱锥反射体的四条棱共面，使得上述4部分阳光分别照射到所述四棱锥反射体的四个锥面上。 

附图说明

图1四棱锥反射体结构示意图； 

图2太阳跟踪误差检测装置原理示意图； 

图3未加装遮光筒的太阳跟踪误差检测装置实施例； 

图4遮光筒实施例结构图； 

图5加装遮光筒的太阳跟踪误差检测装置实施例； 

具体实施方式

为了更详细地介绍本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明进行进一步的解释和描述。 

图3是未加装遮光筒的太阳跟踪误差检测装置实施例的实物照片，图4是遮光筒实施例的结构示意图；图5是加装遮光筒后太阳跟踪误差检测装置实施例的实物照片。 

工作过程中，阳光照在遮光筒上，部分阳光穿过遮光筒，等分为4份，分别照射到所述四棱锥反射体的4个镜面反射区，沿两个正交自由度、四个方向的反射出去，照射到4组光敏元件上。 

实施过程中，遮光筒的高度应恰当选择，如果过高，会使倾斜入射的阳光被遮光筒内壁遮挡，无法照到四棱锥反射体，进而限制了本装置对阳光角误差的检测范围；遮光筒高度如果过低，周围环境的杂散光可能穿过遮光筒，影响阳光角误差的检测精度。具体高度应对以上两种情况进行折中考虑，图5所示实施例中，遮光筒中心有效高度为2cm。 

具体实施过程中，所述四棱锥反射体镜面反射区的加工可采用抛光、打磨、喷涂、镶嵌等工艺，以保证高质量的镜面反射效果。 

具体实施过程中，应考虑阳光强度与光敏元件感光范围的对应关系，可通过增加/调整遮光片、设计增益调节电路等方法，增大阳光强度的适应性。 

图5所示实施例中，信号处理电路采用运算放大器对光敏元件的信号进行取差运算，具体实施过程中也可利用模数转换电路分别采集为数字信号后进行处理。 

Claims (4)

1. 本发明涉及一种太阳跟踪误差检测装置，主张的权利要求有以下4项：

   1.一种太阳跟踪误差检测装置，其特征是，包括1个四棱锥反射体、4组光敏元件(其中，每组包含2个光敏元件，共8个光敏元件)、1个遮光筒和1套信号处理电路；阳光经过遮光筒，分为4路，分别照射到四棱锥反射体的4个锥面，反射后分别被4组光敏元件接收；信号处理电路对所述8个光敏元件输出信号进行综合处理，得到两个自由度的太阳跟踪误差。
2. 2.根据权利要求1，所述四棱锥反射体特征是，包含4个三角形的锥面和1个正方形底面；4个锥面与底面的夹角均为45度；4个锥面的材料、加工工艺及技术特征具有一致性；每个锥面的中间部分是光滑、平整的镜面反射区，对入射的阳光能够高效率的反射，锥面其余部分为非反射区，对于阳光具有高吸收率、低反射率。
3. 3.根据权利要求1，所述遮光筒的特征是，阳光的入射通道上设有一个十字形状的挡条；工作过程中所述挡条的4条边分别与所述四棱锥反射体的4条棱共面，其功能是将入射的阳光均分为平行的4份，分别照射所述四棱锥反射体的4个锥面反射区上。
4. 4.根据权利要求1，所述4组光敏元件的特征是，每组内2个光敏元件，感光面平行、朝向一致、上下放置、紧密接触，且两者的接触面与所述四棱锥反射体的底面平行；光敏元件的感光面朝向所述四棱锥反射体的一个锥面，与镜面反射区的水平中线保持平行，当入射的阳光垂直于所述四棱锥反射体底面时，反射后的阳光能够垂直射向所述两个光敏元件的接触面。