CN104991570A - 基于一维psd的太阳跟踪传感器 - Google Patents

Abstract

基于一维PSD的太阳跟踪传感器，一维PSD安装在传感器外壳底部中心位置；自限温电热保温器设置在一维PSD的正下方；传感器外壳内壁设有螺纹，从下至上依次安装有透镜搁架a、图形光阑搁架、透镜搁架b；透镜安装在透镜搁架a或透镜搁架b上，且透镜(4)的焦距大于透明保护顶盖与一维PSD之间的距离；图形光阑放置于图形光阑搁架上，定位划线垂直于一维PSD的探测方向，V形透光孔的V型开口指向一维PSD的探测正方向；四只光敏器件安装于透镜搁架a顶部并以周向对称方式布置；该太阳跟踪传感器可以判断当前太阳位置并实现太阳位置偏差的补偿式跟踪，且成本低廉。

Description

基于一维PSD的太阳跟踪传感器

技术领域

本发明涉及非成像目标跟踪领域，更准确的说本发明涉及基于PSD传感器的太阳位置高精度跟踪装置。

背景技术

高倍聚光光伏发电系统具有目前光伏发电系统中最高的转换效率，使用越高倍数的聚光透镜，发电量也就越高，同时电池板也需要更高精度的太阳跟踪。当聚光倍数为1000倍时，0.15°以上的跟踪偏差，就会使系统的发电量下降10％以上，因此高倍聚光光伏发电系统所需的太阳跟踪精度必须达到0.1°以上。太阳跟踪系统的工作方式通常有3种：开环、闭环以及二者相结合的方式。开环工作方式通过天文历算法，结合当前时间、位置、海拔等信息计算出当前太阳的准确位置，理论精度可达0.001°以上，但由于蒙气差和时钟误差等因素，实际精度在0.1～0.2°之间，且存在累积误差。闭环工作方式通过光电传感器，实时测量跟踪太阳位置，目前，可达0.1°以上精度的传感器有面阵CCD、二维PSD、四象限光电探测器等，但此类传感器价格奇高，并且输出较为复杂，增加了后续数据采集和处理的难度，增加了传感器整体的成本。

使用2只一维PSD也可以实现太阳位置的探测，但此种方法增加了系统成本，以及后续数据采集和处理的难度，并且必须2只一维PSD同时正常才可工作，降低了系统稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本的基于一维PSD的高精度太阳跟踪传感器。

本发明采取的技术方案如下：

基于一维PSD的太阳跟踪传感器，该太阳跟踪传感器包括透明保护顶盖(1)、单色滤光片(2)、图形光阑(3)、透镜(4)、传感器外壳(5)、一维PSD(6)、光敏器件(7)、自限温电热保温器(8)、透镜搁架a(9)、透镜搁架b(12)、图形光阑搁架(11)；

透镜搁架a(9)内壁设有透镜高度调节螺纹a(10)；透镜搁架b(12)内设有透镜高度调节螺纹b(13)；

一维PSD(6)安装在传感器外壳(5)底部中心位置；一维PSD(6)的探测方向是探测窗口(16)矩形长边所在的方向，并以一维PSD(6)上的缺口位置指出探测正方向；自限温电热保温器(8)设置在一维PSD(6)的正下方；传感器外壳(5)内壁设有螺纹，从下至上依次安装有透镜搁架a(9)、图形光阑搁架(11)、透镜搁架b(12)；根据太阳跟踪精度要求，调整图形光阑搁架(11)与一维PSD(6)间的距离；透镜(4)用于提升太阳光图形的锐度，安装在透镜搁架a(9)或透镜搁架b(12)上，且透镜(4)的焦距大于透明保护顶盖(1)与一维PSD(6)之间的距离；

图形光阑(3)放置于图形光阑搁架(11)上，通过调整图形光阑(3)在图形光阑搁架(11)上的位置，使图形光阑(3)的中心与一维PSD(6)的中心重合，并且使定位划线(15)垂直于一维PSD(6)的探测方向，V形透光孔(14)的V型开口指向一维PSD(6)的探测正方向；四只光敏器件(7)安装于透镜搁架a(12)顶部并以周向对称方式布置；透明保护顶盖(1)设置在单色滤光片(2)顶部，透明保护顶盖(1)、单色滤光片(2)通过螺纹配合安装在传感器外壳(5)顶部并起到密封作用。

图形光阑(3)上设置有V形透光孔(14)和定位划线(15)；V形透光孔(14)透光，图形光阑(3)上的其余部分不透光；V形透光孔(14)为轴对称图形，并且只有一个对称轴；太阳光照下图形光阑(3)在一维PSD(6)的探测窗口上呈现特定图形，太阳位置使该得特定图形处于一维PSD(6)探测窗口的不同位置，令一维PSD(6)输出不同的位置关系信号，实现太阳位置的判断。

传感器外壳(5)的材质是铝合金或钢，外壁为银白色并经过防腐蚀处理；传感器外壳(5)内壁除一维PSD(6)安装位置和螺纹位置外，其余部位进行粗糙化处理并覆盖有一层光吸收材料；

透明保护顶盖(1)的材质是光学玻璃或超白钢化玻璃，加入了可于强光下分解的溴化银粉末；透明保护顶盖(1)的厚度为5～15mm；

四只光敏器件(7)的光电特性完全相同，并且光谱响应介于300～1100nm；

单色滤光片(2)的材质为玻璃，厚度为2～7mm；

透镜(4)的材质为光学玻璃；

自限温电热保温器(8)通电后的温度限制范围为55℃～80℃之间，温度控制精度为±0.1℃，用于减少一维PSD(6)的温漂，使得温漂误差小于0.005°。

实际应用中使用由一维PSD(6)差分正向输出(18)和差分负向输出(20)构成的差分信号，差分信号由A/D转换器配合单片机系统采集。单片机系统包含有GPS模块，用于太阳位置的辅助计算。

另外，太阳跟踪传感器的位置可以微调，用以实现使用中零点位置的校准，提升校准精度。

本发明的工作原理是：将一维PSD安装在图形光阑下方，太阳位置使得图形处于PSD探测窗口的不同位置，使其输出不同的位置关系信号，结合适当的跟踪方法，可以判断当前太阳位置并实现太阳位置偏差的补偿式跟踪。因为一维PSD对光斑位置的分辨率为2μm，又由于图形光阑到PSD中心的位置可调，这里设定为30mm，所以使用三角函数可知跟踪精度高于0.01°；再结合SPA日历算法，可以实现各种天气条件下太阳位置的准确跟踪，且复杂度、成本远远低于目前的其他类型的高精度的太阳跟踪传感器。

附图说明

图1为基于一维PSD的太阳跟踪传感器结构示意图。

图2为基于一维PSD的太阳跟踪传感器顶视图。

图3为图形光阑示意图。

图4为一维PSD外形示意图。

图5为一种图形光阑示意图。

图6为一种图形光阑示意图。

图7为基于一维PSD的太阳跟踪传感器的跟踪流程图。

图中：1、透明保护顶盖，2、单色滤光片，3、图形光阑，4、透镜，5、传感器外壳，6、一维PSD，7、光敏器件，8、自限温电热保温器，9、透镜搁架a，10、透镜高度调节螺纹a，11、图形光阑搁架，12、透镜搁架b，13、透镜高度调节螺纹b，14、V形透光孔，15、定位划线16、传感器受光探测窗口，17、空引脚，18、差分正向输出，19、偏置电压引脚，20、差分负向输出。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的进一步说明。

以方位角高度角跟踪方式为例对本发明专利进一步说明。

如图1所示的基于一维PSD的太阳跟踪传感器，该太阳跟踪传感器包括透明保护顶盖(1)、单色滤光片(2)、图形光阑(3)、透镜(4)、传感器外壳(5)、一维PSD(6)、光敏器件(7)、自限温电热保温器(8)、透镜搁架a(9)、透镜搁架b(12)、透镜高度调节螺纹a(10)、透镜高度调节螺纹b(13)、图形光阑搁架(11)。

如图4为一维PSD外形示意图，一维PSD(6)包括探测窗口(16)、空引脚(17)、差分正向输出(18)、偏置电压引脚(19)、差分负向输出(20)；探测窗口(16)有一定宽度，探测方向是探测窗口(16)所在矩形的长边方向。

组装完毕后需要进行校准。将基于一维PSD的太阳跟踪传感器放入太阳光模拟器的光照中，光照垂直入射于该传感器。调整图形光阑(3)和一维PSD(6)的相对位置，调整过程中保持图形光阑(3)的中心位于一维PSD(6)探测方向的对称轴上，并使定位划线(15)始终垂直于一维PSD(6)的探测方向，最终令一维PSD(6)的差分信号为0。

如图7所示是基于一维PSD的太阳跟踪传感器的跟踪流程图。

在太阳电池板上安装时，一维PSD(6)的安装平面与太阳电池板平面相平行，一维PSD的探测方向沿着太阳电池板的方位角方向，当太阳电池板的方位角为180°时，V形透光孔(14)的V型开口指向正北方向。

使用时，太阳光透过透明保护顶盖(1)、单色滤光片(2)、图形光阑(3)、透镜(4)在一维PSD(6)的探测窗口(16)上成像，形成图形光斑。

开机后，单片机和整个传感器完成初始化。使用四个光敏器件(7)的输出强度来判断太阳光强度是否大于100勒克斯光照下的输出强度；

如果光强小于100勒克斯，那么认为太阳并未升起，程序结束。如果光强大于100勒克斯，则启用日历查询，首次查询使用GPS模块查找并存储时间和地理坐标信息，以后直接从存储结果查询时间和地理坐标信息。使用SPA天文算法，计算出太阳位置，结合当前太阳电池板位置进行调整。调整完毕后检测一维PSD(6)是否有输出；

如果没有输出信号，则说明一维PSD(6)出现问题，单片机报错提醒修理，并继续使用日历查询算法跟踪太阳位置，调整完毕后返回光强检测继续下一轮调整。如果有输出信号，则继续使用一维PSD(6)以提高跟踪精度；

此时向西调整太阳电池板的方位角，并检测差分信号是否持续变小，如果持续变小，则证明调整方向正确，继续调整，直到差分信号出现最小值(即为差分信号持续变小后突然转为变大)，停止调整方位角，此时方位角调整完毕。如果差分信号变大，则说明调整方向错误，转为向东整太阳电池板的方位角，直到差分信号出现最小值(即为差分信号持续变小后突然转为变大)，停止调整方位角，此时方位角调整完毕；

此后通过检测差分信号的正负特性来判断高度角是否正确。如果差分信号为负，则增大太阳电池板的仰角，直到差分信号变为0，此时高度角调整完毕。如果差分信号为正，则减小太阳电池板的仰角，直到差分信号变为0，此时高度角调整完毕；

此时太阳电池板位置一轮调整结束，程序返回光强探测，继续下一轮调整。

以上差分信号，可以测量电压信号，也可以加适当负载连接后测量电流信号。

实验结果表明，图形光阑到PSD中心的位置为40mm时，本发明可以达到0.005°的太阳位置分辨精度。

光敏器件(7)可以是光电二极管、光电三极管、光敏电阻或光探测器。

基于一维PSD的太阳跟踪传感器安装时，可以基于以上描述，再使传感器沿轴线旋转一定角度(通常是90°或270°)，也可以进行太阳位置的判断与跟踪，但跟踪方法和上述方法相比略有不同。

图形光阑也可以使用图5和图6所示的图形，跟踪方法和上述方法相同；图3、图5和图6所示的图形光阑，如果图形部分不透光，而其余部分透光，也可以实现太阳位置的判断与跟踪，但跟踪方法和上述方法相比略有不同。

基于一维PSD的太阳跟踪传感器也可以用于极轴式(翻转式)跟踪方式，但太阳位置的判断与跟踪方法和上述方法相比略有不同。

基于一维PSD的太阳跟踪传感器的外壳的截面可以是圆形、方形椭圆形等；如果不是圆形，那么传感器外壳(5)取消安装螺纹，透镜搁架a(9)上的透镜高度调节螺纹a(10)、透镜搁架b(12)上的透镜高度调节螺纹b(13)取消，透镜直接放置于透镜搁架上或使用OCA光学胶粘接在搁架上。

也可以基于一维PSD的差分正向输出(18)、偏置电压引脚(19)、差分负向输出(20)三个输出信号计算光斑位置，然后进行太阳位置的判断与跟踪。

单色滤光片(2)是红光滤光片或黄光滤光片或绿光滤光片或蓝光滤光片。

可以理解的是，对本领域技术熟悉的人员，可以根据上述说明改进或调整，而此类改进或调整都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.基于一维PSD的太阳跟踪传感器，其特征在于：该太阳跟踪传感器包括透明保护顶盖(1)、单色滤光片(2)、图形光阑(3)、透镜(4)、传感器外壳(5)、一维PSD(6)、光敏器件(7)、自限温电热保温器(8)、透镜搁架a(9)、透镜搁架b(12)、图形光阑搁架(11)；

透镜搁架a(9)内壁设有透镜高度调节螺纹a(10)；透镜搁架b(12)内设有透镜高度调节螺纹b(13)；

一维PSD(6)安装在传感器外壳(5)底部中心位置；一维PSD(6)的探测方向是探测窗口(16)矩形长边所在的方向，并以一维PSD(6)上的缺口位置指出探测正方向；自限温电热保温器(8)设置在一维PSD(6)的正下方；传感器外壳(5)内壁设有螺纹，从下至上依次安装有透镜搁架a(9)、图形光阑搁架(11)、透镜搁架b(12)；根据太阳跟踪精度要求，调整图形光阑搁架(11)与一维PSD(6)间的距离；透镜(4)用于提升太阳光图形的锐度，安装在透镜搁架a(9)或透镜搁架b(12)上，且透镜(4)的焦距大于透明保护顶盖(1)与一维PSD(6)之间的距离；

图形光阑(3)放置于图形光阑搁架(11)上，通过调整图形光阑(3)在图形光阑搁架(11)上的位置，使图形光阑(3)的中心与一维PSD(6)的中心重合，并且使定位划线(15)垂直于一维PSD(6)的探测方向，V形透光孔(14)的V型开口指向一维PSD(6)的探测正方向；四只光敏器件(7)安装于透镜搁架a(12)顶部并以周向对称方式布置；透明保护顶盖(1)设置在单色滤光片(2)顶部，透明保护顶盖(1)、单色滤光片(2)通过螺纹配合安装在传感器外壳(5)顶部并起到密封作用；

图形光阑(3)上设置有V形透光孔(14)和定位划线(15)；V形透光孔(14)透光，图形光阑(3)上的其余部分不透光；V形透光孔(14)为轴对称图形，并且只有一个对称轴；太阳光照下图形光阑(3)在一维PSD(6)的探测窗口上呈现特定图形，太阳位置使该得特定图形处于一维PSD(6)探测窗口的不同位置，令一维PSD(6)输出不同的位置关系信号，实现太阳位置的判断。

2.根据权利要求1所述的基于一维PSD的太阳跟踪传感器，其特征在于：传感器外壳(5)的材质是铝合金或钢，外壁为银白色并经过防腐蚀处理；传感器外壳(5)内壁除一维PSD(6)安装位置和螺纹位置外，其余部位进行粗糙化处理并覆盖有一层光吸收材料。

3.根据权利要求1所述的基于一维PSD的太阳跟踪传感器，其特征在于：透明保护顶盖(1)的材质是光学玻璃或超白钢化玻璃，内部含有可于强光下分解的溴化银粉末；透明保护顶盖(1)的厚度为5～15mm。

4.根据权利要求1所述的基于一维PSD的太阳跟踪传感器，其特征在于：四只光敏器件(7)的光电特性完全相同，并且光谱响应范围介于300～1100nm。

5.根据权利要求1所述的基于一维PSD的太阳跟踪传感器，其特征在于：单色滤光片(2)的材质为玻璃，单色滤光片(2)是红光滤光片或黄光滤光片或绿光滤光片或蓝光滤光片，厚度为2～7mm。

6.根据权利要求1所述的基于一维PSD的太阳跟踪传感器，其特征在于：透镜(4)的材质为光学玻璃。

7.根据权利要求1所述的基于一维PSD的太阳跟踪传感器，其特征在于：自限温电热保温器(8)通电后的温度限制范围为55℃～80℃之间，温度控制精度为±0.1℃，用于减少一维PSD(6)的温漂，使得温漂误差小于0.005°。

8.根据权利要求1所述的基于一维PSD的太阳跟踪传感器，其特征在于：组装完毕后需要进行校准；将基于一维PSD的太阳跟踪传感器放入太阳光模拟器的光照中，光照垂直入射于该传感器；调整图形光阑(3)和一维PSD(6)的相对位置，调整过程中保持图形光阑(3)的中心位于一维PSD(6)探测方向的对称轴上，并使定位划线(15)始终垂直于一维PSD(6)的探测方向，最终令一维PSD(6)的差分信号为0；

安装时，一维PSD安装平面与太阳电池板平面相平行，一维PSD的探测方向沿着太阳电池板的方位角方向，当太阳电池板的方位角为180°时，V形透光孔(14)的V型开口指向正北方向；

使用时，太阳光透过透明保护顶盖(1)、单色滤光片(2)、图形光阑(3)、透镜(4)在一维PSD(6)的探测窗口(16)上成像，形成图形光斑；

开机后，单片机和整个传感器完成初始化；使用四个光敏器件(7)的输出强度来判断太阳光强度是否大于100勒克斯光照下的输出强度；

如果光强小于100勒克斯，那么认为太阳并未升起，程序结束；如果光强大于100勒克斯，则启用日历查询，首次查询使用GPS模块查找并存储时间和地理坐标信息，以后直接从存储结果查询时间和地理坐标信息；使用SPA天文算法，计算出太阳位置，结合当前太阳电池板位置进行调整；调整完毕后检测一维PSD(6)是否有输出；

如果没有输出信号，则说明一维PSD(6)出现问题，单片机报错提醒修理，并继续使用日历查询算法跟踪太阳位置，调整完毕后返回光强检测继续下一轮调整；如果有输出信号，则继续使用一维PSD(6)以提高跟踪精度；

此时向西调整太阳电池板的方位角，并检测差分信号是否持续变小，如果持续变小，则证明调整方向正确，继续调整，直到差分信号出现最小值，停止调整方位角，此时方位角调整完毕；如果差分信号变大，则说明调整方向错误，转为向东整太阳电池板的方位角，直到差分信号出现最小值，停止调整方位角，此时方位角调整完毕；

此后通过检测差分信号的正负特性来判断高度角是否正确；如果差分信号为负，则增大太阳电池板的仰角，直到差分信号变为0，此时高度角调整完毕；如果差分信号为正，则减小太阳电池板的仰角，直到差分信号变为0，此时高度角调整完毕；

此时太阳电池板位置一轮调整结束，程序返回光强探测，继续下一轮调整；

以上差分信号，测量电压信号或加适当负载连接后测量电流信号。

9.根据权利要求1所述的基于一维PSD的太阳跟踪传感器，其特征在于：光敏器件(7)是光电二极管或光电三极管或光敏电阻或光探测器。