CN106500836B - 一种适用于光伏跟踪的光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于光伏跟踪的光传感器，包括保护壳、具有多个感光元件的电路板、设若干个通光件；保护壳具有底面和顶面且至少顶面的局部为透镜；沿保护壳的底面的延伸面内建立有相垂直的X轴和Y轴；感光元件分为三组，X轴向感光组中包括多个感光元件且各感光元件沿X轴方向排布，Y轴向感光组中包括多个感光元件且各感光元件沿Y轴方向排布；强度感光组中包含至少一个感光元件；通光件开设有若干个通光通道，通光通道包括用于容纳感光元件的容纳槽、与容纳槽相连通的下透光孔、通过连通孔与下透光孔相连通的上透光孔。本发明具有测量精度高，受外界干扰小，生产安装成本较低，使用寿命较长的特点，满足太阳能跟踪支架的使用要求。

Description

一种适用于光伏跟踪的光传感器
技术领域
本发明属于太阳能光伏发电领域，具体涉及一种适用于光伏跟踪的光传感器。
背景技术
随着新能源产业的蓬勃发展，太阳能产业也随之迎来飞速发展，越来越多的光伏电站建立起来，其中随着科学技术的进步，跟踪支架在光伏支架中的份额也越来越高。在跟踪器行业中通常采用的是具有闭环反馈的控制方式，倾角传感器、编码器、光传感器都是十分有效的用于闭环反馈的传感器，其中光传感器的反馈最接近跟踪太阳这一终极目标的途径。
光传感器能够直接判断太阳能设备和太阳光的关系，能够判断出传感器与太阳光线的位置关系，也能够判断出太阳光的辐射强度。相对于倾角传感器只能判断出当前的空间位置和编码器还需要通过减速比等方式来计算出设备所处的空间位置，光传感器的功能更能够直观的体现设备和阳光的位置关系。
由于分布式光伏的安装环境比较多样化，受地理环境的影响比较小，所以对应的光传感器也需要能够耐受各种各样的环境，外界环境对于光传感器的影响必须较小；由于太阳光的光强跨度比较广泛，可以从夜间的0W/m²到正午时超过1000W/m²的强度，所以光传感器的可靠量程必须要足够大，能够适应自然观的变化区间；跟踪支架作为区别传统固定支架的新型支架需要跟踪太阳达到最佳角度，多为反馈调节的基准，光传感器的精度需要满足光伏跟踪支架的跟踪精度要求；由于光杆传感器在光伏跟踪支架上应用很广泛，原则上每个独立的光伏跟踪支架都需要配备一个单独的光传感器，光传感器需要在保证工作性能的情况下尽可能的节约成本以满足行业运用的需要；由于市场对光传感器的需求量较大，为了满足大规模生产的需要，光传感器的结构必须在满足使用要求的情况下简单，易于加工制造，同时传感器的安装也必须要能够适应行业对于传感器的安装要求。但现阶段，尚未有能够很好满足上述各项要求的光传感器出现。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在满足精度的情况下适用于绝大部分的工况条件、能够满足市场对于性价比高需求的光传感器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种适用于光伏跟踪的光传感器，包括保护壳、设置于所述保护壳内的具有多个感光元件的电路板、设置于所述保护壳内的若干个通光件；所述保护壳具有底面和顶面且至少所述顶面的局部为透镜，所述透镜与各所述感光元件相对应；所述电路板安装于所述保护壳的底面内侧；沿所述保护壳的底面的延伸面内建立有相垂直的X轴和Y轴；
所述感光元件分为三组，分别为用于测量太阳光角度变化而输出对应电流信号的X轴向感光组、用于测量太阳光角度变化而输出对应电流信号的Y轴向感光组和用于判断太阳光的辐射强度的强度感光组；所述X轴向感光组中包括多个所述感光元件且各所述感光元件沿所述X轴方向排布，所述Y轴向感光组中包括多个所述感光元件且各所述感光元件沿所述Y轴方向排布；所述强度感光组中包含至少一个所述感光元件；各所述感光元件连接有引至所述保护壳外部的输出线；
所述通光件开设有若干个通光通道，所述通光通道与所述X轴向感光组中的各所述感光元件和所述Y轴向感光组中的各所述感光元件一一对应；所述通光通道包括用于容纳对应的所述感光元件的容纳槽、与所述容纳槽相连通的下透光孔、通过连通孔与所述下透光孔相连通的上透光孔，所述容纳槽、所述下透光孔、所述连通孔、所述上透光孔依次沿所述感光元件的法线方向排布。
优选的，所述感光元件采用硅光电池。
优选的，所述通光件包括至少开设有部分所述通光通道且侧部具有开口的本体、与所述本体相连接而封闭所述本体侧部的开口来构成所述通光通道的盖板。
优选的，所述通光通道中，所述上透光孔的孔径大于所述下透光孔的孔径；所述通光通道中，所述连通孔的孔径大于所述上透光孔的孔径和所述下透光孔的孔径；所述通光通道的深度大于所述通光通道中任意位置的孔径。
优选的，与所述X轴向感光组中的各所述感光元件相对应的所述通光通道中，所述上透光孔的中心相对所述下透光孔的中心沿所述X轴方向偏移；与所述Y轴向感光组中的各所述感光元件相对应的所述通光通道中，所述上透光孔的中心相对所述下透光孔的中心沿所述Y轴方向偏移。
优选的，与所述X轴向感光组中的各所述感光元件相对应的各所述通光通道中，所述上透光孔的中心相对所述下透光孔的中心的偏移方向不同；与所述Y轴向感光组中的各所述感光元件相对应的各所述通光通道中，所述上透光孔的中心相对所述下透光孔的中心的偏移方向不同。
优选的，所述保护壳的底面内侧设置有用于支撑并固定所述电路板的多个凸块，至少两个所述凸块上设置有与所述电路板相插拔连接的插接件。
优选的，所述保护壳的底面上开设有供所述输出线引至所述保护壳外部的出线孔、与所述保护壳内部相连通的透气孔，所述出线孔与所述输出线之间填充有密封件，所述透气孔处覆盖有防水透气薄膜。
优选的，所述保护壳的底面外侧设置有若干个螺纹安装件。
优选的，所述通光通道的内壁上具有黑色的光吸收层。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的光传感器具有测量精度高，受外界干扰小，生产安装成本较低，使用寿命较长的特点，上述特点满足了太阳能跟踪支架对于光传感器的使用要求，具有良好的市场前景。
附图说明
附图1为本发明的光传感器的保护壳内除电路板的结构示意图。
附图2为本发明的光传感器的电路板布局图。
附图3为本发明的光传感器的通光件的本体立体示意图。
附图4为本发明的光传感器的通光件的本体主视示意图。
附图5为本发明的光传感器的通光件在正对阳光照射时的示意图。
附图6为本发明的光传感器的通光件在与阳光照射角度具有一定夹角时的示意图。
附图7为本发明的光传感器中凸块和插接件的示意图。
附图8为本发明的光传感器的保护壳的底面外侧示意图。
以上附图中：1、保护壳的底面；2、通光件；3、通光通道；4、凸块；5、插接件；6、出线孔；7、透气孔；8、螺纹安装件；9、本体；10、盖板；A、上透光孔；B、连通孔；C、下透光孔；D、容纳槽。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1所示，一种适用于光伏跟踪的光传感器，包括保护壳、电路板、若干个通光件2，其中电路板包括设置于其上的若干个感光元件。
保护壳通常呈长方体，其具有相对的底面1和顶面以及四周的侧面。底面1用于安装内部的各种器件以及将整个光传感器安装到所需位置，底面1具有内侧和外侧，其内侧指朝向保护壳内的一侧，而朝向保护壳外的一侧则为其外侧。保护壳的顶面至少局部采用透镜，以使太阳光能够照射到保护壳内部以被感光元件感知。透镜可以与保护壳通过胶封相连接以保证密封性。沿保护壳的底面1的延伸面内建立有相垂直的X轴和Y轴以定义方向。在室外环境中，光传感器需要能够耐受日晒雨淋、风沙侵蚀等恶劣的自然环境，所以需要设置保护罩，且保护罩不能干扰采光，因此，在保护罩上设置了透镜，通常采用透光性好的树脂或玻璃制成透镜。
电路板设置保护壳内并安装在底面1的内侧，其上的若干个感光元件分为三组，分别为X轴向感光组、Y轴向感光组和强度感光组。X轴向感光组包括多个感光元件，它们沿X轴方向成行排布。Y轴向感光组也包括多个感光元件，它们沿Y轴方向成列排布。X轴向感光组和Y轴向感光组中的各感光元件均用于测量太阳光角度变化而输出对应电流信号。强度感光组包括至少一个感光元件，它用于判断太阳光的辐射强度并输出对应电流信号。各感光元件均连接有引至保护壳外部的输出线。该光传感器利用不同的感光元件，通过检测照射到感光元件上的光线的差异来判断出当前阳光和光传感器之间的位置关系。
感光元件在选材上可以由多种材料中选择，需要满足复杂的工作环境，满足不同强度的光强，但光敏电阻、光敏二极管等会在光强达到一定强度时饱和的材料不能采用。本方案中主要采用硅光电池，该材料和太阳能电池组件材料类似，具有更加可靠的性能。此外，感光元件还可以采用GaAs、CdTe和CuInSe2(CuInS2)等光电池材料。
如附图2所示，本实施例中电路板上共设置5个感光元件，分别为D1、D2、D3、D4、D5。其中，感光元件D1和D2构成了X轴向感光组，感光元件D4和D5构成了Y轴向感光组，感光元件D3构成了强度感光组。因此，感光元件D1和D2沿X轴方向排布，感光元件D4和D5沿Y轴方向排布并位于感光元件D1和D2的一侧。这样就可以测量到两个相互垂直的轴向上的太阳光情况。而感光元件D3可以在跟踪正常时判断太阳光当前的辐射强度，从而判断出当前太阳光的照射情况，例如是否为阴雨天气等，能够给跟踪系统提供辅助信息。感光元件D1-D5的负极相互连接为GND，可以直接安装合适的接线端子将所需要的信号引出。感光元件D1-D5各自的正极分别连接输出线而引出输出电流。
通光件2开设有若干个通光通道3，通光通道3与X轴向感光组中的各感光元件和Y轴向感光组中的各感光元件一一对应。可以一个通光件2上仅开设一个通光通道3也可以一个通光件2上开设多个通光通道3。本实施例中，共计设置两个通光件2，每个通光件2上均开设有两个通光通道3，一个通光件2与X轴向感光组中的两个感光元件相对应，另一个通光件2与Y轴向感光组中的两个感光元件相对应。每个通光件2均包括本体9和盖板10，如附图3、4所示，本体9上至少开设有部分通光通道3，且其侧部具有通光通道3形成的开口，而盖板10与本体9相连接从而将本体9侧部的开口封闭，构成完整的通光通道3，如附图1所示。在本体9的开口侧，可以设置若干个小孔等结构来安装盖板10。
每个通光通道3均包括用于容纳对应的感光元件的容纳槽D、与容纳槽D相连通的下透光孔C、通过连通孔B与下透光孔C相连通的上透光孔A，容纳槽D、下透光孔C、连通孔B、上透光孔A依次沿感光元件的法线方向，即垂直于感光元件表面的方向排布，从而太阳光可以穿过通光通道3而照射到感光元件上。每个通光通道3中，上透光孔A的孔径大于下透光孔C的孔径，连通孔B的孔径大于上透光孔A的孔径和下透光孔C的孔径，通光通道3的深度，即通光通道3沿感光元件的法线方向的厚度大于通光通道3中任意位置的孔径。通光通道3的内壁上具有黑色的光吸收层或者通光件2采用黑色材料制作。
与X轴向感光组中的各感光元件相对应的通光通道3中，上透光孔A的中心相对下透光孔C的中心沿X轴方向偏移，且与X轴向感光组中的各感光元件相对应的各通光通道3中，上透光孔A的中心相对下透光孔C的中心的偏移方向不同。因此在本实施例中，对应X轴向感光组的那个通光件2中的两个通光通道3，形成轴对称结构，两个上透光孔A的中心分别向X轴方向的两端偏移。与之类似的，与Y轴向感光组中的各感光元件相对应的通光通道3中，上透光孔A的中心相对下透光孔C的中心沿Y轴方向偏移，且与Y轴向感光组中的各感光元件相对应的各通光通道3中，上透光孔A的中心相对下透光孔C的中心的偏移方向不同，即对应Y轴向感光组的那个通光件2中的两个通光通道3，也形成轴对称结构，两个上透光孔A的中心分别向Y轴方向的两端偏移。
通常，通光通道3中，上透光孔A的横截面、下透光孔C的横截面均为具有长边和短边的矩形，与X轴向感光组中的感光元件相对应的通光通道3的短边沿X轴方向延伸，与Y轴向感光组中的感光元件相对应的通光通道3的短边沿Y轴方向延伸。
上述方案中，上透光孔A和下透光孔C大小不同，其中上透光孔A的孔径大于下透光孔C的孔径，并且上透光孔A的中心和下透光孔C的中心的连线与感光元件的表面成具有一定的锐角夹角，这样做的好处是能够增加精度。如图5所示，当一束平行的太阳光照射到和太阳光垂直安装的光传感器时，两个硅光电池所接受到的受光区域是相同的，由于光源为太阳光，可以认为光强相等，所以硅光电池受到的辐照相等，产生的电流也相等。当光传感器的法线和太阳光线存在一定夹角时，如图6所示，可以明显的看到，由于上下两个透光孔的位置关系，左边的透光孔组合比右边的透光孔组合接收到的太阳光更多，同时由于倾角的关系，右边的倾角对光线存在阻碍作用，这样左右两边的受光量的差距成倍增加，这样的设计能够提高感官传感器的精度，通常情况下这种设计结合外部能够将感光传感器的精度提升至0.1°。
自然环境下除了阳光的照射以外，还有其他光源或阳光照射在物体表面反射出来的反射光线，这些光线都会对传感器对阳光的定位产生影响，为了尽可能得减少来自于其他光源或太阳光产生反射光对于传感器的影响，做了以下措施：1、在传感器通光通道3部分侧面盖板10盖上以后，通光通道3变成了一个只有上下透光的半封闭结构，这样来自于通光通道3周围的反射光照不进通光通道3内部；2、通光通道3孔壁为黑色，黑色能够吸收光线，角度无序的散射光照射到通光孔孔壁上时，光线会被吸收不会被反射到下方的光传感器上；3、通光通道3的深度远远大于其各处的孔径，这样和通光通道3角度差距大的散射光线都会被照射到通光通道3的孔壁上面，由于孔壁为黑色，光线就会被吸收；4、上透光孔A的孔径大于下透光孔C的孔径，这样能够增加通光通道3吸收阳光的量，提高感光元件感受到的太阳光量，从而提高传感器的灵敏度；5、通光通道3内部有一个较大的腔室，即连通孔B，杂光在进入该腔室以后会被多次反射，有利于孔壁对于杂光的吸收。通过对杂光的消除，增加光传感器的精度。
如附图1所示，保护壳的底面1内侧的四角位置设置多个凸块4，用来由下方支撑并固定电路板，其中至少两个凸块4上设置有与电路板相插拔连接的插接件5。如附图7所示，该插接件5为两个顶端具有卡接块的定位柱，它能够在给电路板提供支撑的同时对电路板进行定位，不需要螺丝锁紧等工作，卡扣一卡即可定位电路板。
如附图1和附图8所示，保护壳的底面1的中部开设有供各个感光元件所连接的输出线引至保护壳外部的出线孔6，各感光元件的输出线均通过该出线孔6统一引出。出线孔6处可以设置卡槽来固定输出线，输出线需要剥皮后穿过出线孔6，出线孔6与输出线之间填充有密封件，通常做灌胶等密封处理即可，从而增强了光传感器的防水性能，提高了光传感器的使用寿命。
在室外环境下，受到阳光的照射，光传感器的保护壳内的空气受热后压强会增大，为了平衡保护壳内外的压力，在保护壳的底面1上还开设有与保护壳内部相连通的透气孔7。为了防止水汽进入保护壳内，透气孔7处覆盖有防水透气薄膜，这样就可以在不进水的情况下平衡光传感器内外的压强，延长了光传感器的使用寿命。
如附图8所示，保护壳的底面1外侧的四角处设置有若干个螺纹安装件8。该安装螺纹件为带螺纹的螺丝紧固口，通过将内螺纹座直接安装进开好的磨具中，并且不从光传感器底面1露出，这样能够在保证良好的安装精度的条件下简化安装。
上述适用于光伏跟踪的二合一高精度光传感器是一种测量精度高，受外界干扰小的新型传感器，除此之外还通过简便化的设计和廉价的原材料能够减少传感器的生产成本，优化的安装设计能够为传感器的安装节约人力成本，科学的外观设计能够提高传感器的实际使用精度，多重保护能够使传感器获得更长的使用寿命，上述特点满足了太阳能跟踪支架对于光传感器的使用要求，具有良好的市场前景。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：所述适用于光伏跟踪的光传感器包括保护壳、设置于所述保护壳内的具有多个感光元件的电路板、设置于所述保护壳内的若干个通光件；所述保护壳具有底面和顶面且至少所述顶面的局部为透镜，所述透镜与各所述感光元件相对应；所述电路板安装于所述保护壳的底面内侧；沿所述保护壳的底面的延伸面内建立有相垂直的X轴和Y轴；
所述感光元件分为三组，分别为用于测量太阳光角度变化而输出对应电流信号的X轴向感光组、用于测量太阳光角度变化而输出对应电流信号的Y轴向感光组和用于判断太阳光的辐射强度的强度感光组；所述X轴向感光组中包括多个所述感光元件且各所述感光元件沿所述X轴方向排布，所述Y轴向感光组中包括多个所述感光元件且各所述感光元件沿所述Y轴方向排布；所述强度感光组中包含至少一个所述感光元件；各所述感光元件连接有引至所述保护壳外部的输出线；
所述通光件开设有若干个通光通道，所述通光通道与所述X轴向感光组中的各所述感光元件和所述Y轴向感光组中的各所述感光元件一一对应；所述通光通道包括用于容纳对应的所述感光元件的容纳槽、与所述容纳槽相连通的下透光孔、通过连通孔与所述下透光孔相连通的上透光孔，所述容纳槽、所述下透光孔、所述连通孔、所述上透光孔依次沿所述感光元件的法线方向排布。
2.根据权利要求1所述的一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：所述感光元件采用硅光电池。
3.根据权利要求1所述的一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：所述通光件包括至少开设有部分所述通光通道且侧部具有开口的本体、与所述本体相连接而封闭所述本体侧部的开口来构成所述通光通道的盖板。
4.根据权利要求1所述的一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：所述通光通道中，所述上透光孔的孔径大于所述下透光孔的孔径；所述通光通道中，所述连通孔的孔径大于所述上透光孔的孔径和所述下透光孔的孔径；所述通光通道的深度大于所述通光通道中任意位置的孔径。
5.根据权利要求1所述的一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：与所述X轴向感光组中的各所述感光元件相对应的所述通光通道中，所述上透光孔的中心相对所述下透光孔的中心沿所述X轴方向偏移；与所述Y轴向感光组中的各所述感光元件相对应的所述通光通道中，所述上透光孔的中心相对所述下透光孔的中心沿所述Y轴方向偏移。
6.根据权利要求5所述的一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：与所述X轴向感光组中的各所述感光元件相对应的各所述通光通道中，所述上透光孔的中心相对所述下透光孔的中心的偏移方向不同；与所述Y轴向感光组中的各所述感光元件相对应的各所述通光通道中，所述上透光孔的中心相对所述下透光孔的中心的偏移方向不同。
7.根据权利要求1所述的一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：所述保护壳的底面内侧设置有用于支撑并固定所述电路板的多个凸块，至少两个所述凸块上设置有与所述电路板相插拔连接的插接件。
8.根据权利要求1所述的一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：所述保护壳的底面上开设有供所述输出线引至所述保护壳外部的出线孔、与所述保护壳内部相连通的透气孔，所述出线孔与所述输出线之间填充有密封件，所述透气孔处覆盖有防水透气薄膜。
9.根据权利要求1所述的一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：所述保护壳的底面外侧设置有若干个螺纹安装件。
10.根据权利要求1所述的一种适用于光伏跟踪的光传感器，其特征在于：所述通光通道的内壁上具有黑色的光吸收层。
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Denomination of invention: An optical sensor suitable for photovoltaic tracking

Effective date of registration: 20220331

Granted publication date: 20180102

Pledgee: Shanghai Pudong Development Bank Co.,Ltd. Suzhou Branch

Pledgor: SUZHOU JSOLAR Inc.

Registration number: Y2022320010098