CN107291108A - 三棱台光电式太阳位置跟踪传感器及太阳位置跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三棱台光电式太阳位置跟踪传感器及太阳位置跟踪方法，传感器包括粗跟踪装置、精跟踪装置和可编程控制器；粗跟踪装置包括三个光电传感器、传感器安装座及安装底座，所述的传感器安装座呈三棱台形，传感器安装座的侧面上分别设有一个光电传感器，传感器安装座固定安装在安装底座上；传感器安装座的顶面上设有安装定位孔，精跟踪装置内嵌入粗跟踪装置安装定位孔中；可编程控制器分别与粗跟踪装置的三个光电传感器和精跟踪装置的感光装置连接。本发明有粗、精两级跟踪方式，具有追踪视角广、精度更高、结构简单且安装方便等优点；本发明可以通过可编程控制器对粗、精两级跟踪实时数据进行调控，有效地提高太阳跟踪控制精度。

Description

三棱台光电式太阳位置跟踪传感器及太阳位置跟踪方法

技术领域

本发明属于太阳位置跟踪传感器技术领域，具体是涉及一种三棱台光电式太阳位置跟踪传感器及太阳位置跟踪方法。

背景技术

太阳能是具有清洁、供应充足等特点的可再生能源，对于国家实现可持续发展有着重要的战略意义，但存在能量密度低且聚光光强易受到聚光特性等多种因素的影响，必须进行大面积的太阳能聚集利用。太阳的精确跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%。 因此在太阳能利用中，进行精确的跟踪是很有必要的。

太阳跟踪技术是指在有效的光照时间范围内，控制系统尽可能的保证太阳的入射光线与光热发电中的聚光器中轴线保持平行，使聚光器最大可能的获取太阳能。当前，实现太阳方位自动跟踪主要是视日运动轨迹跟踪和光电跟踪以及混合跟踪方式。而光电传感器是光电跟踪中的核心部分，其精度将直接影响到跟踪系统的跟踪精度。现有的技术中，隔板式光电传感器具有结构简单、安装简单、价格低廉的优点，但是其易受外部光源或其他物体散射光的影响且运行不稳定，跟踪精度不高；传统的四象限探测器加减算法利用探测器在小范围内具有的线性性质，而此线性是在圆形光斑完整的情况下。由于四象限探测器结构上的限制，在大多数情况下四象限探测器光敏面上接收到的光斑都不是理想的圆形光斑，而继续使用传统的加减算法计算偏移量会使结果产生较大误差。四象限探测器在跟踪过程中存在追踪视场范围偏小，容易丢失目标等问题。因此，发明一种新的太阳位置跟踪传感器装置尤为重要，能有效解决跟踪精度、追踪视角等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种三棱台光电式太阳位置跟踪传感器及太阳位置跟踪方法，该太阳位置传感器有粗、精两级跟踪方式，具有追踪视角广、精度更高、结构简单且安装方便等优点，且可以通过可编程控制器对粗、精两级跟踪实时数据进行调控，进而调节聚光器的高度角和方位角，从而有效提高太阳跟踪控制精度。

本发明采用的技术方案是：一种三棱台光电式太阳位置跟踪传感器，包括粗跟踪装置、精跟踪装置和可编程控制器；所述的粗跟踪装置包括三个光电传感器、传感器安装座及安装底座，所述的传感器安装座呈三棱台形，传感器安装座的侧面上分别设有一个光电传感器，传感器安装座固定安装在安装底座上；传感器安装座的顶面上设有安装定位孔，精跟踪装置内嵌入粗跟踪装置安装定位孔中；所述的可编程控制器分别与粗跟踪装置的三个光电传感器和精跟踪装置的感光装置连接。

上述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器中，所述的精跟踪装置包括平凸透镜、滤光镜、圆柱筒、光电传感器矩形阵列及接线盒；所述的光电传感器矩形阵列和圆柱筒安装在接线盒上，光电传感器矩形阵列位于圆柱筒内；圆柱筒的顶部设有平凸透镜和滤光镜，平凸透镜位于滤光镜上方；所述的滤光镜上设有多个圆形孔，多个圆形孔分别与光电传感器矩形阵列的光电传感器相对应；圆形孔的直径与光电传感器的直径相等，且与相对应的光电传感器的轴线重合；光电传感器矩形阵列的多个光电传感器分别与可编程控制器连接。

上述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器中，所述的精跟踪装置包括平凸透镜、滤光镜、圆柱筒、白色光屏、安装盘、CCD相机；所述的圆柱筒的上端设有平凸透镜和滤光镜，平凸透镜位于滤光镜上方；圆柱筒的下端通过安装盘安装有白色光屏；所述的CCD相机位于白色光屏下方，CCD相机与可编程控制器连接。

上述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器中，所述的传感器安装座的顶面上的安装定位孔是一通孔，贯穿传感器安装座的顶面和底面。

上述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器中，所述的安装底座通过通过支承架与传感器安装座的底面连接，安装底座的顶面上设有三个沉头孔。

上述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器中，所述的粗跟踪装置的三个光电传感器的结构、形状及电气特性完全相同，且分别安装在传感器安装座的三个侧面的中心处。

上述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器中，所述的光电传感器矩形阵列在平凸透镜的焦平面位置，且光电传感器矩形阵列中相邻的两光电传感器之间用不透明材料填充。

上述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器中，所述的圆柱筒内壁上设有高吸收率的涂层。

一种利用上述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器的太阳位置跟踪方法，具体操作如下：

1）将粗跟踪装置中的三个光电传感器分别作为参考传感器、方位角传感器、和高度角传感器；

2）在太阳偏离粗跟踪装置中心轴线位置时，启动粗跟踪装置，首先调整方位角，可编程控制器将参考传感器的电信号S1与方位角传感器的电信号S2比较，当S1>S2时，则表示太阳位置在粗跟踪装置中心轴线的左侧，控制系统使得执行机构逆时针转动，直到S1≈S2；当S1<S2时，则表示太阳位置在粗跟踪装置右侧，控制系统使得执行机构顺时针转动，直到S1≈S2；同时，可编程控系统将参考传感器的电信号S1与高度角传感器的电信号S3比较，当S1>S3时，则表示太阳位置在粗跟踪装置中心轴线的上方，控制系统使得执行机构向上转动，直到S1≈S3；当S1<S3时，则表示太阳位置在粗跟踪装置下方，控制系统使得执行机构向下转动，直到S1≈S3；

3）启动精跟踪装置，对太阳位置精跟踪。

上述的太阳位置跟踪方法中，步骤3）的具体操作如下：

使得太阳光透过平凸透镜、滤光镜聚焦在光电传感器矩形阵列上形成圆形光斑，圆形光斑将点亮光电传感器矩形阵列中一个光电传感器，可编程控制器通过电子电路扫描矩形阵列，得到这个光电传感器的行和列的具体坐标；可编程控制器将坐标转换为电机的转角并控制执行机构在方位和高度两个方向转动，直至圆形光斑的位置对准光电传感器矩形阵列的坐标原点；

或使得太阳光透过平凸透镜、滤光片聚焦在白色光屏上形成圆形光斑，通过CCD相机采集白色光屏表面的聚集光斑并处理，得到聚焦光斑的中心坐标，可编程控制器将坐标转换为电机的转角并控制执行机构在方位和高度两个方向转动，直至圆形光斑的位置对准圆形的白色光屏的圆心。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的粗跟踪装置中，在三棱台形传感器安装座的三个侧面分别安装有光电传感器，使得追踪视场范围更广，增大了太阳跟踪传感器跟踪目标的范围，使跟踪目标不易丢失，有效的提高了跟踪传感器的稳定性。

2、本发明的精跟踪装置中，太阳光透过平凸透镜、滤光镜聚焦在光电传感器矩形阵列上形成圆形光斑，可编程控制器通过电子电路扫描矩形阵列，得到了太阳光斑在光电传感器矩形阵列的准确坐标，有效的提高了精跟踪装置的跟踪精度。

3、本发明具有粗、精两级跟踪方式，具有可靠性高、反应速度快等特点，极大的提高了太阳跟踪传感器装置的精确度，且克服了以往太阳跟踪传感器结构上的缺陷，能够有效的提高太阳能的利用率。

附图说明

图1为本发明的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器的结构图。

图2为本发明的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器的俯视图。

图3为本发明的粗跟踪装置的结构图。

图4为本发明的精跟踪装置的实施例1的结构图。

图5为本发明的精跟踪装置的实施例1的爆炸图。

图6为本发明的滤光镜的结构示意图。

图7为本发明的精跟踪装置实施例2的结构图。

图8为本发明的精跟踪装置实施例2的爆炸图。

1—粗跟踪装置，1-1—光电传感器，1-2—光电传感器，1-3—光电传感器，1-4—安装定位孔，1-5—传感器安装座，1-6—支承架，1-7—安装底座，1-8—沉头孔，2—精跟踪装置，2-1—平凸透镜，2-2—滤光镜，2-3—圆柱筒，2-4—光电传感器矩形阵列，2-5—接线盒，2-6—白色光屏，2-7—安装盘，2-8—CCD相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括粗跟踪装置1、精跟踪装置2和可编程控制器。如图3所示，所述粗跟踪装置包括光电传感器1-1、光电传感器1-2、光电传感器1-3、传感器安装座1-5及安装底座1-7，所述的传感器安装座1-5呈上小下大的三棱台形，传感器安装座1-5固定安装在安装底座1-7上。传感器安装座1-5的侧面中心处分别设有光电传感器1-1、光电传感器1-2和光电传感器1-3，光电传感器1-1、光电传感器1-2和光电传感器1-3与可编程控制器连接。传感器安装座1-5的顶面上设有安装定位孔1-4，所述的安装定位孔1-4是一通孔，贯穿传感器安装座1-5的顶面和底面，精跟踪装置内嵌入粗跟踪装置安装定位孔1-4中。

如图4、5所示，所述的精跟踪装置2包括平凸透镜2-1、滤光镜2-2、圆柱筒2-3、光电传感器矩形阵列2-4及接线盒2-5；圆柱筒2-3的顶部设有平凸透镜2-1和滤光镜2-2，平凸透镜2-4位于滤光镜2-2上方，圆柱筒2-3内壁上设有高吸收率的涂层，用于吸收多余的杂散光，防止杂散光的干扰。所述的光电传感器矩形阵列2-4和圆柱筒2-3的下端安装在接线盒2-5上，光电传感器矩形阵列2-4位于圆柱筒2-3内，所述的光电传感器矩形阵列在平凸透镜的焦平面位置，且光电传感器矩形阵列中相邻的两光电传感器之间用不透明材料填充。如图6所示，所述的滤光镜2-2上设有多个圆形孔，多个圆形孔分别与光电传感器矩形阵列2-4的光电传感器相对应；圆形孔的直径与光电传感器的直径相等，且与相对应的光电传感器的轴线重合。光电传感器矩形阵列的多个光电传感器分别与可编程控制器连接。

如图7、8所示，本发明的精跟踪装置2还可以采用如下结构，精跟踪装置2包括平凸透镜2-1、滤光镜2-2、圆柱筒2-3、白色光屏2-6、安装盘2-7和CCD相机2-8；所述的圆柱筒2-3的上端设有平凸透镜2-1和滤光镜2-2，平凸透镜2-1位于滤光镜2-2上方；圆柱筒2-3的下端通过安装盘2-7安装有白色光屏2-6。所述的CCD相机2-8位于白色光屏2-6下方，CCD相机2-8与可编程控制器连接。

一种利用上述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器的太阳位置跟踪方法，具体操作步骤如下：

1）将粗跟踪装置1的光电传感器1-1作为参考传感器、光电传感器1-2作为方位角传感器、光电传感器1-3作为高度角传感器。

2）在太阳偏离粗跟踪装置1中心轴线位置时，启动粗跟踪装置1，首先调整方位角，可编程控制器将参考传感器的电信号S1与方位角传感器的电信号S2比较，当S1>S2时，则表示太阳位置在粗跟踪装置1中心轴线的左侧，控制系统使得执行机构逆时针转动，直到S1≈S2；当S1<S2时，则表示太阳位置在粗跟踪装置右侧，控制系统使得执行机构顺时针转动，直到S1≈S2；然后进行高度角调整，可编程控系统将参考传感器的电信号S1与高度角传感器的电信号S3比较，当S1>S3时，则表示太阳位置在粗跟踪装置中心轴线的上方，控制系统使得执行机构向上转动，直到S1≈S3；当S1<S3时，则表示太阳位置在粗跟踪装置1下方，控制系统使得执行机构向下转动，直到S1≈S3。粗跟踪调整完成，三棱台式的太阳跟踪传感器装置已朝向太阳光照强度最大的方向。

3）在粗跟踪完成后，启动精跟踪装置2，如图5所示，太阳光透过平凸透镜2-1、滤光镜2-2聚焦在光电传感器矩形阵列2-4上形成圆形光斑，圆形光斑将点亮光电传感器矩形阵列2-4中一个光电传感器，可编程控制器通过扫描光电传感器矩形阵列，可以得到这个点亮的光电传感器的行和列的具体坐标；可编程控制器将坐标转换为电机的转角并控制执行机构在方位和高度两个方向转动，直至圆形光斑的位置对准光电传感器矩形阵列2-4的坐标原点。

或如图8所示，太阳光透过平凸透镜2-1、滤光镜2-2聚焦在白色光屏2-6上形成圆形光斑，通过视觉测量系统去采集白色光屏2-6表面的聚集光斑并处理，得到聚焦光斑的中心坐标，可编程控制器将中心坐标转换为电机的转角并控制执行机构在高度和方位两个方向转动，实现聚集光斑的中心坐标对准圆形的白色光屏2-6的圆心；完成对太阳位置的精跟踪。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，在本发明的技术方案基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，还可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形。

Claims (10)

1.一种三棱台光电式太阳位置跟踪传感器，其特征是：包括粗跟踪装置、精跟踪装置和可编程控制器；所述的粗跟踪装置包括三个光电传感器、传感器安装座及安装底座，所述的传感器安装座呈三棱台形，传感器安装座的侧面上分别设有一个光电传感器，传感器安装座固定安装在安装底座上；传感器安装座的顶面上设有安装定位孔，精跟踪装置内嵌入粗跟踪装置安装定位孔中；所述的可编程控制器分别与粗跟踪装置的三个光电传感器和精跟踪装置的感光装置连接。

2.根据权利要求1所述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器，其特征是：所述的精跟踪装置包括平凸透镜、滤光镜、圆柱筒、光电传感器矩形阵列及接线盒；所述的光电传感器矩形阵列和圆柱筒安装在接线盒上，光电传感器矩形阵列位于圆柱筒内；圆柱筒的顶部设有平凸透镜和滤光镜，平凸透镜位于滤光镜上方；所述的滤光镜上设有多个圆形孔，多个圆形孔分别与光电传感器矩形阵列的光电传感器相对应；圆形孔的直径与光电传感器的直径相等，且与相对应的光电传感器的轴线重合；光电传感器矩形阵列的多个光电传感器分别与可编程控制器连接。

3.根据权利要求1所述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器，其特征是：所述的精跟踪装置包括平凸透镜、滤光镜、圆柱筒、白色光屏、安装盘、CCD相机；所述的圆柱筒的上端设有平凸透镜和滤光镜，平凸透镜位于滤光镜上方；圆柱筒的下端通过安装盘安装有白色光屏；所述的CCD相机位于白色光屏下方，CCD相机与可编程控制器连接。

4.根据权利要求2或3所述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器，其特征是：所述的传感器安装座的顶面上的安装定位孔是一通孔，贯穿传感器安装座的顶面和底面。

5.根据权利要求2或3所述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器，其特征是：所述的安装底座通过通过支承架与传感器安装座的底面连接，安装底座的顶面上设有三个沉头孔。

6.根据权利要求2或3所述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器，其特征是：所述的粗跟踪装置的三个光电传感器的结构、形状及电气特性完全相同，且分别安装在传感器安装座的三个侧面的中心处。

7.根据权利要求2所述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器，其特征是：所述的光电传感器矩形阵列在平凸透镜的焦平面位置，且光电传感器矩形阵列中相邻的两光电传感器之间用不透明材料填充。

8.根据权利要求2或3所述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器，其特征是：所述的圆柱筒内壁上设有高吸收率的涂层。

9.一种利用权利要求1-8中任一权利要求所述的三棱台光电式太阳位置跟踪传感器的太阳位置跟踪方法，具体操作步骤如下：

1）将粗跟踪装置中的三个光电传感器分别作为参考传感器、方位角传感器、和高度角传感器；

2）在太阳偏离粗跟踪装置中心轴线位置时，启动粗跟踪装置，首先调整方位角，可编程控制器将参考传感器的电信号S1与方位角传感器的电信号S2比较，当S1>S2时，则表示太阳位置在粗跟踪装置中心轴线的左侧，控制系统使得执行机构逆时针转动，直到S1≈S2；当S1<S2时，则表示太阳位置在粗跟踪装置右侧，控制系统使得执行机构顺时针转动，直到S1≈S2；同时，可编程控系统将参考传感器的电信号S1与高度角传感器的电信号S3比较，当S1>S3时，则表示太阳位置在粗跟踪装置中心轴线的上方，控制系统使得执行机构向上转动，直到S1≈S3；当S1<S3时，则表示太阳位置在粗跟踪装置下方，控制系统使得执行机构向下转动，直到S1≈S3；

3）启动精跟踪装置，对太阳位置精跟踪。

10.根据权利要求9所述的太阳位置跟踪方法，步骤3）的具体操作如下：

使得太阳光透过平凸透镜、滤光镜聚焦在光电传感器矩形阵列上形成圆形光斑，圆形光斑将点亮光电传感器矩形阵列中一个光电传感器，可编程控制器通过电子电路扫描矩形阵列，得到这个光电传感器的行和列的具体坐标；可编程控制器将坐标转换为电机的转角并控制执行机构在方位和高度两个方向转动，直至圆形光斑的位置对准光电传感器矩形阵列的坐标原点；

或使得太阳光透过平凸透镜、滤光片聚焦在白色光屏上形成圆形光斑，通过CCD相机采集白色光屏表面的聚集光斑并处理，得到聚焦光斑的中心坐标，可编程控制器将坐标转换为电机的转角并控制执行机构在方位和高度两个方向转动，直至圆形光斑的位置对准圆形的白色光屏的圆心。