CN107643769A - 一种太阳能聚焦追日装置及太阳位置监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能聚焦追日装置及太阳位置监测方法，包括测量系统、控制系统和旋转运动系统，测量系统包括光学组件、光电转换阵列、散热装置以及测量装置基座；旋转运动系统包括U型支架、舵机支架、第一伺服电机、第二伺服电机和底座；U型支架用以支撑测量系统，舵机支架用以支撑U型支架和第二伺服电机；第一伺服电机通过竖直转动轴与U型支架连接，用以控制舵机支架以上部件水平旋转；第二伺服电机用以控制U型支架以上部件垂直旋转；第一伺服电机和控制器设置于底座内。控制系统接收测量系统的电信号，输出控制信号给伺服电机，以控制伺服电机的转动。本发明的装置结构简单、经济成本低、实用性强。可以自动跟踪太阳位置，灵敏度高，对太阳能的利用率高。

Description

一种太阳能聚焦追日装置及太阳位置监测方法

技术领域

本发明涉及分析及测量控制装置，特别是涉及一种太阳能聚焦追日装置及太阳位置监测方法。

背景技术

在太阳能发电领域，为了达到最好的发电效果，通常需要安装太阳跟踪系统，保持太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板，提高太阳能光伏组件的发电效率。

定日装置是塔式太阳能热发电系统中关键部件，以保证太阳能硅电池板尽可能垂直与阳光入射方向，达到最佳的发电效率。目前成熟的追踪太阳位置的装置有以下几种：时钟式太阳跟踪装置：此装置是一种被动式装置有单轴和双轴两种类型系统根据时间将方位角和仰俯角分为几等份在固定时间段内通过控制器驱动电机按固定的角度旋转进而跟踪太阳。最大功率跟踪装置：此方法以动态平衡追踪太阳能系统的最大功率，将太阳能板产生的电能转换成电容器形态的电能进行最大功率演算。光电式跟踪装置：此类装置使用光敏传感器如硅光电管。硅光电管要靠近遮光板安装调整遮光板的位置使遮光板对准太阳硅光电池处于阴影区。

但这些方式都是被动式太阳跟踪方式，只能被动地接收太阳辐射作为驱动基础。灵敏度不高，不能高效地利用太阳能最大功率。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，提供一种太阳能聚焦追日装置及太阳位置监测方法。

技术方案：一种太阳能聚焦追日装置，该装置包括：

测量系统，包括光学组件、光电转换阵列、散热装置以及测量装置基座；所述光学组件包括凸透镜以及用于固定凸透镜的透镜基座；所述光电转换阵列包括若干光电转换单元，且所述光电转换阵列安装在所述散热装置上；各光电转换单元之间填充隔热材料，所述光电转换单元包括光热转换单元以及设置于光热转换单元底部凹槽的传感器；在所述散热装置安装光电转换单元的几何位置中心设有通孔，所述透镜基座与测量装置基座固定连接；所述光电转换阵列与所述凸透镜同轴，且位于透镜基座和测量装置基座之间的凸透镜的一倍焦距处；

控制系统，包括控制器，所述控制器接收所述传感器的电信号，输出控制信号给伺服电机，以控制伺服电机的转动；以及

旋转运动系统，包括U型支架、舵机支架、第一伺服电机、第二伺服电机以及底座；所述U型支架用以支撑测量系统，所述舵机支架用以支撑U型支架和第二伺服电机；所述第一伺服电机通过竖直转动轴与U型支架连接，用以控制舵机支架以上部件水平旋转；所述第二伺服电机用以控制U型支架以上部件垂直旋转；所述第一伺服电机和控制器设置于底座内。

进一步的，所述光电转换单元的空间位置分布为正东、东南、正南、西南、正西、西北、正北、东北和中央九个方向；其中，正东、正南、正西和正北方向的传感器数量均相同，且呈直线排列；东南、西南、西北和东北方向的传感器数量均相同，且排布形状为等腰直角三角形，且两个直角边分别与相邻两个正方向的传感器并行排列；所述直角边上光电转换单元的数量与正方向上的传感器数量相同；且中央传感器有一个，位于装置的中心位置。

其中，所述传感器与散热装置之间的空间敷设隔热材料，所述散热装置安装光电转换单元的一面未被光电转换单元覆盖的位置敷设隔热材料。

其中，所述光热转换单元为圆柱形铜板，所述传感器为薄膜式热电阻，该薄膜式热电阻粘贴在圆柱形铜板底部的凹槽内。

其中，所述散热装置为导热一体铜板，所述光电转换单元安装在导热一体铜板的凹槽内。

其中，所述隔热材料为玻璃纤维。

其中，所述传感器信号线通过散热装置上的通孔与所述控制器电连接。

其中，所述散热装置的背光面设置水冷装置。

一种基于所述装置的太阳位置监测方法，包括以下步骤：

(1)检测中央传感器温度与周围传感器温度

位于散热装置中心位置的光电转换单元上的传感器为中央传感器，其余的为周围传感器；各传感器分别检测所在光热转换单元上的温度，转换为电信号并通过信号线输入到控制系统；

(2)判断是否满足中央传感器测得的温度最高

控制系统对接收到的各传感器的测量信号进行处理，并在控制器中实现信号的AD转换、DA转换和比较处理；若不满足中央温度最高，则控制器发出指令，驱动伺服电机旋转进一步驱动装置调整方向，使装置正对太阳光；若满足中央温度最高，则控制器发出指令电机停止旋转，保持装置当前位置不变；

(3)监测温度变化

继续监测各传感器温度变化，返回步骤(2)继续判断；一直往复循环监测。

进一步的，所述步骤(2)按如下方法判断是否满足中央传感器测得的温度最高：

所述光电转换阵列中的传感器按照方向分为九组，分别为正东传感器、东南传感器、正南传感器、西南传感器、正西传感器、西北传感器、正北传感器、东北传感器和中央传感器，其对应的温度信号分别记为：T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈和T₉，其中，每一组中距离中央传感器距离相同的传感器编为一类，记T_ik为第i组中，第k类温度传感器，令：

ΔT_ij＝T_ik-T_jk

其中，i＝1,2,…,9，j＝1,2,…,8；T_jk表示j组中的第k类温度信号，ΔT_ij表示i组中的第k类的温度信号值与j组中的第k类的温度信号值之差；

设定T₀为不均匀温度上限，当{ΔT_ij}_max≤T₀，且ΔT_9j>>ΔT_ij时，其中，i＝1,2,…9,j＝1,2,…8，则表示装置此时正对太阳光；

当上述条件有任意条件不满足，表示装置不是正对太阳光的，则控制器发出控制指令，并根据ΔT_ij的大小分别控制第一伺服电机和第二伺服电机旋转；进一步控制装置旋转到正对太阳光的位置。

有益效果：与现有技术相比，本发明的太阳能聚焦追日装置可通过改变凸透镜的焦距，改变光热转换阵列的大小和密度，提高薄膜式热电阻的灵敏度，提高该装置的追踪太阳的精度；可以通过放大或者缩小光热转换单元面积，改善隔热材料等手段来改变装置的测量精度。通过光学组件和光电转换阵列将太阳光转换为热能，并进一步转换为电能传递给控制系统，由控制系统控制测量系统和旋转运动系统向着正对太阳的位置旋转，实现了通过温度自动定位太阳位置的测量手段。该装置可以在早晚时间段和高纬度地区准确定位太阳空间位置，对提高太阳能利用率具有巨大意义。该装置不仅可以安装在单台太阳能光伏板上，也可以应用于某一地区太阳能发电阵列，通过一台装置实现对所有太阳能光伏板的调整，使其实时对准阳光。该装置结构简单、经济成本低以及实用性强。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是U型支架结构示意图；

图3是舵机支架结构示意图；

图4是光学组件结构示意图；

图5是光学系统原理图；

图6是测量系统下部结构示意图；

图7是光电转换单元结构示意图；

图8是散热装置结构示意图；

图9是测量系统结构示意图；

图10是太阳运动轨迹在光热转换阵列表面的正投影；

图11是光热转换阵列表面温度分布图；

图12是本发明传感器分类结构示意图；

图13是本发明控制系统电路图；

图14是本发明测试方法流程图；

图15是本发明测试方法电路简图；

图16是本发明测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明的太阳能聚焦追日装置包括：底座1、控制系统2、第一伺服电机3、第一转动轴4、舵机支架5、第二伺服电机6、第二转动轴7、U型支架8以及测量系统9。底座有一上部开口，第一伺服电机和控制器安装在底座内，控制器与第一伺服电机连接，伺服电机通过底座上部开口与第一转动轴连接，第一转动轴上部安装舵机支架，舵机支架内安装有第二伺服电机，第二伺服电机与第二转动轴连接，U型支架以倒U形状安装在舵机支架上，U型支架上安装测量系统。

如图2和图3所示，为U型支架和舵机支架结构示意图。

所述控制系统的控制主体为Arduino开源电子原型平台或者ATM89C51系列单片机；伺服电机为东兴威电机24BYJ48；二自由度舵机结构材质为铝合金；采用LTC378012V稳压电源模块供电。

测量系统包括光学组件、光电转换阵列、散热装置以及测量装置基座。如图4所示，光学组件包括凸透镜901和透镜基座902；凸透镜具有高透光性，用以把接收到的太阳光聚焦到其焦点上；透镜基座的材料为ABS塑料，用以固定安装凸透镜，保证凸透镜不松动。同时设有安装定位孔。所述光电转换阵列与所述凸透镜同轴，且位于透镜基座和测量装置基座之间的凸透镜的一倍焦距处。测量装置基座为ABS塑料，

当太阳光平行于凸透镜的法线垂直透镜表面α1入射时，光线穿过透镜聚焦于焦点，其焦点位于此凸透镜的焦平面α2上。如图5所示，当平行光与凸透镜主光轴不平行，平行光会汇聚于焦平面的副焦点O₂上。据此原理，可以通过平行光汇聚位置是否落在主焦点判断装置的光学系统是否正对太阳。图中L1和L2为太阳光。

如图6所示，测量系统下部组件包括光电转换阵列914、散热装置912以及测量装置基座911。所述光电转换阵列包括若干光电转换单元，各光电转换单元之间填充有隔热材料913，隔热材料可以为玻璃纤维，防止光电转换单元之间的对流、辐射传热，提高测量准确度。

按照图纸中上北、下南、左西和右东的方向将光电转换单元的空间位置分布为正东(E)、东南(ES)、正南(S)、西南(WS)、正西(W)、西北(WN)、正北(N)、东北(EN)和中央(O)九个方向。其中，正东、正南、正西和正北方向均为正方向，其传感器数量均为3个，且呈直线排列；东南、西南、西北和东北方向的传感器数量均为6个，且排布形状为等腰直角三角形，且两个直角边分别与相邻两个正方向的传感器并行排列，直角边上光电转换单元的数量与正方向上的传感器数量相同；中央传感器有一个，位于装置的中心位置。

按阵列方式，光电转换阵列包括关于散热装置竖直中心线镜像对称的三组光电转换单元，第一组光电转换单元、第二组光电转换单元和第三组光电转换单元中光电转换单元的数量依次减少，且每一组光电转换单元均关于散热装置水平中心线镜像对称。第一组光电转换单元包括并行排列的三列光电转换单元，且每一列中光电转换单元数量相同，其中，中间一列光电转换单元位于散热装置竖直中心线上，且关于散热装置的水平中心线对称排布；第二组光电转换单元包括两列，关于散热装置的竖直中心线镜像对称排布于第一组光电转换单元的两侧，且每一列中光电转换单元数量相同；第三组光电转换单元包括两列，关于散热装置的竖直中心线镜像对称排布于第二组光电转换单元的两侧，且每一列中光电转换单元数量相同。

另外，改变光热转换阵列的排布图案，同样可以实现高精度追踪太阳的功能。

如图7所示，光电转换单元包括光热转换单元9140和传感器9141，所述传感器为薄膜式热电阻，光热转换单元为圆柱形铜板，在圆柱形铜板的底部开槽9142，薄膜式热电阻粘贴在圆柱形铜板的底部凹槽内，其信号线通过导热一体铜板的通孔与控制器连接。薄膜式热电阻为德国贺利氏(Heraeus)M22系列1/3DIN薄膜电阻DIN EN60751B级。

为避免持续对一个圆柱形铜板加热会造成超温导致传感器损坏，在光电转换阵列下敷设具有一定厚度的导热一体铜板作为散热装置。如图8所示，散热装置为导热一体铜板912，在导热一体铜板安装光电转换阵列单元的几何位置中心开有直径很小的通孔9120，铜板上设有安装定位孔。

如图9所示，导热一体铜板912安装在测量装置基座911的凹槽内，测量装置基座为ABS塑料，光电转换阵列914通过导热一体铜板上设置的凹槽与铜板过盈配合。在铜板的安装光电转换单元的一面，未被光电转换单元覆盖的位置敷设绝热层915，绝热层材料为石棉；薄膜式热电阻与散热装置之间的空间敷设隔热材料913。防止暴露在外部的导热一体铜板吸收太阳能量，对内部的薄膜式热电阻产生干扰，这样可以提高测量准确度。另外，可以在导热一体铜板的背光面设置水冷装置，提高散热效果。导热一体铜板材料为C10300纯铜。

光电转换阵列和散热装置位于透镜基座和测量装置基座之间，测量装置基座与透镜基座固定安装。

如图10所示，太阳高度角越小，假想光源在透镜平面的投影点越偏离东西中心轴线；同一地区，正午太阳高度角达到最大值，越接近正午时刻，单位时间内假想光源偏离东西中心轴的变化速度越慢；太阳高度角越小，越偏离正午时刻，单位时间内假想光源偏离东西中心轴线的变化速度越快，仪器灵敏度越大；依此原理制成的追日系统在早晚时间段和高纬度地区使用时灵敏度高，由于太阳辐射能受大气折射影响很大，在早晚时间段与高纬度地区准确定位太阳空间位置对提高太阳能利用效率有巨大的意义。

如图11所示，焦平面焦斑所处位置温度要远高于环境所处温度，并且在很短的距离内，温度迅速衰减，为测量提供了有利条件。光斑中心最高温度取决于光学透镜的特性以及焦平面材料的能量特性，焦斑面积越大，焦平面材料导热系数越大，光斑中心温度越低。凸透镜焦平面的温度都集中于很小的区域内，温度衰减非常快。

工作原理：太阳光线中的主要能量集中在红外光区。太阳光经过凸透镜的聚焦后，落在焦平面上的焦点处；焦点位置的能量密度很高，利用圆柱形铜板接受太阳光的辐射能量，太阳辐射能给圆柱形铜板加热，此时将光能转换为热能；圆柱形铜板将热能传递给安装在圆柱形铜板底部紧密接触的薄膜式热电阻，此时将热能转换为电能。每一个薄膜式热电阻都会给控制器发送一个电信号，表示该测量点的温度；每一个薄膜式热电阻都有固定的位置，距离光热转换装置圆心距离相同的热电阻编为一类。

如图12至图15所示，一种基于所述装置的太阳位置监测方法，包括以下步骤：

(1)检测中央传感器温度与周围传感器温度

位于散热装置中心位置的光电转换单元上的传感器为中央传感器，其余的为周围传感器；各传感器分别检测所在光热转换单元上的温度，转换为电信号并通过信号线输入到控制系统；

(2)判断是否满足中央传感器测得的温度最高

控制系统对接收到的各传感器的测量信号进行处理，并在控制器中实现信号的AD转换、DA转换和比较处理；若不满足中央温度最高，则控制器发出指令，驱动伺服电机旋转进一步驱动装置调整方向，使装置正对太阳光；若满足中央温度最高，则控制器发出指令电机停止旋转，保持装置当前位置不变。控制系统电路简图如图10所示。

按如下方法判断是否满足中央传感器测得的温度最高：

所述光电转换阵列中的传感器按照方向分为九组，分别为正东传感器、东南传感器、正南传感器、西南传感器、正西传感器、西北传感器、正北传感器、东北传感器和中央传感器，其对应的温度信号分别记为：T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈和T₉。其中，距离光热转换装置圆心距离相同的传感器编为一类，如图11所示，标号为1的为第一类中央传感器，标号为2的为第二类传感器，依次类推该实施例中共有8类传感器。记T_ik为第i组中，第k类温度传感器，令：

ΔT_ij＝T_ik-T_jk

其中，i＝1,2,…,9，j＝1,2,…,8，k＝1,2,…,8；T_jk表示j组中的第k类温度信号，ΔT_ij表示i组中的第k类的温度信号值与j组中的第k类的温度信号值之差；

设定T₀为不均匀温度上限，当{ΔT_ij}_max≤T₀，且ΔT_9j>>ΔT_ij时，其中，i＝1,2,…9,j＝1,2,…8，则表示装置此时正对太阳光；

当上述条件有任意条件不满足，表示装置不是正对太阳光的，则控制器发出控制指令，并根据ΔT_ij的大小分别控制第一伺服电机和第二伺服电机旋转；进一步控制装置旋转到正对太阳光的位置。

(3)监测温度变化

继续监测各传感器温度变化，返回步骤(2)继续判断；一直往复循环监测。

当太阳光以一定角度入射测量装置时，系统不平衡，热电阻组的最高温度不处于阵列中心位置，例如光电转换阵列最高温度处于偏北位置，如图16所示，图中S为光源，O₁为光心，O₂为副焦点，α1为透镜平面，α2为焦平面，H为太阳高度角，R为太阳光。则意味着太阳在测量装置平面法线偏南位置，则控制器控制第二伺服电机转动，进一步控制测量装置南北俯仰转动，当中央最高温度位置回到阵列中心，停止运动。当阵列中心最高温度处于偏西位置，则控制第一伺服电机转动，进一步控制测量装置东西转动，当中央最高温度位置回到阵列中心，停止运动。

Claims (10)

1.一种太阳能聚焦追日装置，其特征在于，该装置包括：

测量系统，包括光学组件、光电转换阵列、散热装置以及测量装置基座；所述光学组件包括凸透镜以及用于固定凸透镜的透镜基座；所述光电转换阵列包括若干光电转换单元，且所述光电转换阵列安装在所述散热装置上；各光电转换单元之间填充隔热材料，所述光电转换单元包括光热转换单元以及设置于光热转换单元底部凹槽的传感器；在所述散热装置安装光电转换单元的几何位置中心设有通孔，所述透镜基座与测量装置基座固定连接；所述光电转换阵列与所述凸透镜同轴，且位于透镜基座和测量装置基座之间的凸透镜的一倍焦距处；

控制系统，包括控制器，所述控制器接收所述传感器的电信号，输出控制信号给伺服电机，以控制伺服电机的转动；以及

旋转运动系统，包括U型支架、舵机支架、第一伺服电机、第二伺服电机以及底座；所述U型支架用以支撑测量系统，所述舵机支架用以支撑U型支架和第二伺服电机；所述第一伺服电机通过竖直转动轴与U型支架连接，用以控制舵机支架以上部件水平旋转；所述第二伺服电机用以控制U型支架以上部件垂直旋转；所述第一伺服电机和控制器设置于底座内。

2.根据权利要求1所述的太阳能聚焦追日装置，其特征在于：所述光电转换单元的空间位置分布为正东、东南、正南、西南、正西、西北、正北、东北和中央九个方向；其中，正东、正南、正西和正北方向的传感器数量均相同，且呈直线排列；东南、西南、西北和东北方向的传感器数量均相同，且排布形状为等腰直角三角形，且两个直角边分别与相邻两个正方向的传感器并行排列；所述直角边上光电转换单元的数量与正方向上的传感器数量相同；且中央传感器有一个，位于装置的中心位置。

3.根据权利要求1所述的太阳能聚焦追日装置，其特征在于：所述传感器与散热装置之间的空间敷设隔热材料，所述散热装置安装光电转换单元的一面未被光电转换单元覆盖的位置敷设隔热材料。

4.根据权利要求1所述的太阳能聚焦追日装置，其特征在于：所述光热转换单元为圆柱形铜板或滤光玻璃，所述传感器为薄膜式热电阻或光敏原件，该薄膜式热电阻粘贴在圆柱形铜板底部的凹槽内。

5.根据权利要求1所述的太阳能聚焦追日装置，其特征在于：所述散热装置为导热一体铜板，所述光电转换单元安装在导热一体铜板的凹槽内。

6.根据权利要求1所述的太阳能聚焦追日装置，其特征在于：所述隔热材料为玻璃纤维。

7.根据权利要求1所述的太阳能聚焦追日装置，其特征在于：所述传感器信号线通过散热装置上的通孔与所述控制器电连接。

8.根据权利要求1所述的太阳能聚焦追日装置，其特征在于：所述散热装置的背光面设置水冷装置。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述装置的太阳位置监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)检测中央传感器温度与周围传感器温度

位于散热装置中心位置的光电转换单元上的传感器为中央传感器，其余的为周围传感器；各传感器分别检测所在光热转换单元上的温度，转换为电信号并通过信号线输入到控制系统；

(2)判断是否满足中央传感器测得的温度最高

控制系统对接收到的各传感器的测量信号进行处理，并在控制器中实现信号的AD转换、DA转换和比较处理；若不满足中央温度最高，则控制器发出指令，驱动伺服电机旋转进一步驱动装置调整方向，使装置正对太阳光；若满足中央温度最高，则控制器发出指令电机停止旋转，保持装置当前位置不变；

(3)监测温度变化

继续监测各传感器温度变化，返回步骤(2)继续判断；一直往复循环监测。

10.根据权利要求9所述的一种太阳位置监测方法，其特征在于，所述步骤(2)按如下方法判断是否满足中央传感器测得的温度最高：

所述光电转换阵列中的传感器按照方向分为九组，分别为正东传感器、东南传感器、正南传感器、西南传感器、正西传感器、西北传感器、正北传感器、东北传感器和中央传感器，其对应的温度信号分别记为：T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈和T₉，其中，每一组中距离中央传感器距离相同的传感器编为一类，记T_ik为第i组中，第k类温度传感器，令：

ΔT_ij＝T_ik-T_jk

其中，i＝1,2,…,9，j＝1,2,…,8；T_jk表示j组中的第k类温度信号，ΔT_ij表示i组中的第k类的温度信号值与j组中的第k类的温度信号值之差；

设定T₀为不均匀温度上限，当{ΔT_ij}_max≤T₀，且ΔT_9j>>ΔT_ij时，其中，i＝1,2,…9,j＝1,2,…8，则表示装置此时正对太阳光；

当上述条件有任意条件不满足，表示装置不是正对太阳光的，则控制器发出控制指令，并根据ΔT_ij的大小分别控制第一伺服电机和第二伺服电机旋转；进一步控制装置旋转到正对太阳光的位置。