CN108153336A - 追踪太阳高度角的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种追踪太阳高度角的装置和方法，该装置包括凸透镜、安置于所述凸透镜的焦平面上的聚焦平板、紧贴所述聚焦平板背面安置的温度传感器阵列和计算装置；该方法利用太阳光经过凸透镜折射后形成焦斑，通过数学推导得到焦斑相对位置与太阳高度角的关系，利用焦斑温度和周围的温度差异，通过测量焦斑位置和温度达到追踪太阳的目的。本发明可以提高在太阳光强不足的情况下追踪太阳高度角的灵敏度，这对在早晚时间段与高纬度地区提高太阳能利用效率有巨大的意义。

Description

追踪太阳高度角的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种追踪太阳高度角的装置和方法，尤其涉及一种基于温度场测量的追踪太阳高度角的装置和方法。

背景技术

追踪太阳位置的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于阳光入射方向，达到最佳的发电效率。目前成熟的追踪太阳位置的装置主要有时钟式太阳追踪装置和光电式追踪装置。

时钟式太阳追踪装置是一种主动式装置，有单轴和双轴两种类型，系统根据时间将方位角和俯仰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追踪太阳。然而，时钟式太阳追踪装置由于设定了固定时间段内的旋转角度，因此其精度非常依赖于系统时钟精度，运行误差随着系统的运行而累积，这导致时钟式太阳追踪装置的灵敏度不高。

光电式追踪装置的灵敏度通常高于时钟式太阳追踪装置。是一种被动式太阳追踪方式，其使用了光敏传感器(例如，硅光电管)。当太阳西移时，遮光板的阴影将偏移硅光电管，使得硅光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，通过将该微电流作为偏差信号经放大电路放大，便可以计算得到最佳角度。但是，光电式追踪装置在太阳辐射较低的天气、时段或地区，如阴雨天气、早晚时段或高纬地区，其灵敏度大幅降低。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种基于温度场测量的追踪太阳高度角的装置和方法，以改进现有技术中存在的在太阳辐射较低的天气、时段或地区灵敏度不高的问题。

技术方案：本发明所述的基于温度场测量的追踪太阳高度角的装置包括凸透镜，其透镜平面平行于水平面而安置，用于汇聚太阳光；聚焦平板，其安置于所述凸透镜的焦平面上；温度传感器阵列，紧贴所述聚焦平板的背部，用于测量所述聚焦平板上的温度场数据；计算装置，用于确定温度最高点的位置，并基于所述位置计算太阳高度角。

进一步地，所述聚焦平板由导热系数低于0.5W/m*k的材料(例如，玻璃钢)制成。

进一步地，所述计算装置通过以下公式计算得到所述太阳高度角：

其中H为太阳高度角，x'和y'分别为所述太阳光在所述聚焦平面上沿南北方向和东西方向投影的坐标值，r为所述聚焦平面的半径，其中所述聚焦平面的坐标原点为所述凸透镜的光心在所述聚焦平面上的垂直投影点。

进一步地，所述太阳光在所述聚焦平板上产生的焦斑的直径不大于1.5mm。

进一步地，所述温度传感器阵列中各温度传感器的布置间距不大于所述焦斑的半径。

进一步地，所述聚焦平板的形状和面积与所述凸透镜的透镜平面一致，且与所述透镜平面共轴。

进一步地，所述温度传感器阵列中的温度传感器为高温贴片热敏电阻。

本发明所述的追踪太阳高度角的方法包括如下步骤：(1)使太阳光经过透镜平面平行于水平面安置的凸透镜；(2)将聚焦平板安置于所述凸透镜的焦平面上；(3)将温度传感器阵列紧贴所述聚焦平板的背部，并通过所述温度传感器阵列测量所述聚焦平板上的温度场数据；(4)基于所述温度场数据确定温度最高点的位置，并基于所述位置计算太阳高度角。

进一步地，所述聚焦平板由导热系数低于0.5W/m*k的材料(例如，玻璃钢)制成。

进一步地，在步骤(4)中，所述太阳高度角是通过以下公式计算得到：

其中H为太阳高度角，x'和y'分别为所述太阳光在所述聚焦平面沿南北方向和东西方向投影的坐标值，r为所述聚焦平面的半径，其中所述聚焦平面的坐标原点为所述凸透镜的光心在所述聚焦平面上的垂直投影点。

有益效果：相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

(1)通过聚焦可有效提高焦斑的温度和周围的差值，从而提高了仪器灵敏度；因此，即使在早晚时间段和高纬度地区太阳光强不足的情况下，相对于光电式追踪装置而言也可以获得较高的灵敏度，这对在早晚时间段与高纬度地区提高太阳能利用效率有巨大的意义。

(2)经过凸透镜汇聚的光源产生的焦斑的温度高，容易测量。

(3)采用测量焦斑位置的方法得到太阳高度角，避免时钟式定位装置在正午时分由于太阳运动较慢带来的精度较低的问题。

(4)焦平面为和凸透镜面积一致的圆形传感器阵列，传感器相应间距和焦斑直径基本一致，能够准确测量焦斑的位置。

附图说明

图1为太阳方位示意图；

图2为太阳运动示意图；

图3为焦斑投影示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步对本发明进行详细说明。

本发明的追踪太阳高度角的装置使用凸透镜作为聚光装置，在凸透镜的下方布置一聚焦平面，聚焦平面背面布置一温度传感器阵列，温度传感器阵列平面和凸透镜平面相平行，且凸透镜的焦点位于该聚焦平面上。其中，凸透镜表面半径D＝60mm，焦距f＝190mm，焦点温度不超过300℃，汇聚光源得到的焦斑直径约为1.5mm。该凸透镜为竖直布置，即透镜平面与水平面平行。凸透镜的左右两边采用支架固定。聚焦平面为一圆形平面，面积和凸透镜一致，该聚焦平面和凸透镜平面相互平行且共轴。聚焦平面采用导热系数低于0.5W/m*k的材料(例如，玻璃钢，其导热系数为0.4W/m*k)制作以提高焦斑和周围的温度差异，提高测量精度。同时，聚焦平面的背面紧贴温度传感器阵列的电路板，该温度传感器阵列采用贴片高温热敏电阻作为温度传感器，该温度传感器的测量范围为-50～350℃，且精度为0.5℃。为了提高测量的温度场的精度，温度传感器的布置间距即为焦斑的半径，约为1.5mm。该电路板的背面为信号转换电路，将电阻信号转换为电信号，再经过AD转换器转换，通过串口输入计算机，得到整个焦平面的温度场。通过实时测量可以得到温度传感器平面的温度的值，从而得到该平面的温度场，根据温度场数据便可以计算得到太阳高度角。

使用上述装置来追踪太阳高度角的原理将在以下部分进行说明。

如图1，太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角H，简称太阳高度(物理含义为角度)。太阳高度角是决定地球表面获得太阳热能数量的最重要因素。太阳高度角H与太阳天顶角Z互为余角。

如图2，假设太阳光的所有能量由一个假想光源M提供，此光源位于太阳至透镜光心O的光路上，包含太阳辐射至透镜的所有能量，且发出平行光，假想光源M与光心的距离为定值R。当假想光源随太阳运动，其运动轨迹所在的平面称为假想光面，由此可以推出假想光面是一个以光心O为球心，R为半径的球面。由于日出点和日落点之间的连线穿过球心，故假想光源的运动轨迹是空间圆曲线的一部分。在假想光源运动轨迹上，某时刻假想光源M与光心O所在的竖直平面和运动平面交线与水平面的夹角即为太阳运动角，记为θ。同时，以光心为原点，南北方向为x轴，东西方向为y轴，垂直地表方向为z轴，建立空间直角坐标系。设某时刻假想光源M坐标为(x,y,z)，则有：

x＝R*sinH*cosθ (1)

y＝R*cosH (2)

z＝R*sinH*sinθ (3)

其中太阳高度角H与太阳运动时间有关，太阳运动角θ与纬度有关。

图3示出了假想光源M通过凸透镜的透镜平面α1中的光心O投影在焦平面α2上的示意图。其中，透镜平面α1是指与凸透镜重合的平面，焦平面α2是指与透镜焦平面重合的无限大平面。该示意图是基于如下假设而绘制：(1)追踪太阳高度角的装置中所使用的凸透镜为理想薄透镜，不考虑透镜厚度对焦点位置的影响；(2)阳光经凸透镜汇聚于理想焦点出，即焦斑半径无限趋近于0，焦斑半径不影响焦斑整体的运动规律；(3)不考虑由于地球自转和绕日公转对日出与日落时刻的影响，即不考虑维度的影响，假设每天太阳日出日落时间相同，每日上午6时日出，下午6时日落，日长12小时。

根据高斯光学的相关原理，可以得到如下结论：平行于主光轴的光线均通过方焦点以及倾斜的平行光束经过凸透镜汇聚于方焦平面上。由此可以得出：太阳光斜射入透镜平面，最后一定会汇聚于凸透镜的方焦平面上。由于经过透镜光心的光线不改变方向，则透过透镜光心的光线与焦平面交于一点，此点即为斜射入透镜的光线焦点。

从图3中可以看到，焦点在焦平面上的相对位置与假想光源在透镜平面上投影有关，焦点在透镜平面上的投影点离光心的距离与假想光源在透镜平面离光心的距离相差一个比例系数k，比例系数k大小与透镜焦距f有关。

如果将假想光源在焦平面上投影M'的坐标记为(x',y')，那么根据图3中的几何关系并结合式子(1)至(3)可得：

x'＝kx＝k*R*cosH*cosθ＝r*cosH*cosθ (4)

y'＝ky＝k*R*cosH＝r*cosH*sinθ (5)

其中，r是焦平面的半径。

联立式子(4)和(5)便可知此刻太阳高度角H可由以下式子计算得出：

基于上述原理可知，在通过温度传感器阵列测量得到整个焦平面的温度场后，便可以通过该温度场数据确定聚焦平板上温度最高点的坐标值，该坐标值即为焦斑的坐标值，也就是假想光源M在焦平面上投影M'的坐标(x',y')。在确定M'的坐标后，便可以根据式子计算得到太阳高度角H。此外，为了使测量数据更为准确，测量过程应在一较为平坦的开阔地带进行。

Claims (10)

1.一种追踪太阳高度角的装置，其特征在于，包括：

凸透镜，其透镜平面平行于水平面而安置，用于汇聚太阳光；

聚焦平板，其安置于所述凸透镜的焦平面上；

温度传感器阵列，紧贴所述聚焦平板的背部，用于测量所述聚焦平板上的温度场数据；

计算装置，用于确定温度最高点的位置，并基于所述位置计算太阳高度角。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚焦平板由导热系数低于0.5W/m*k的材料制成。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算装置通过以下公式计算得到所述太阳高度角：

其中H为太阳高度角，x'和y'分别为所述太阳光在所述聚焦平面上沿南北方向和东西方向投影的坐标值，r为所述聚焦平面的半径，其中所述聚焦平面的坐标原点为所述凸透镜的光心在所述聚焦平面上的垂直投影点。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述太阳光在所述聚焦平板上产生的焦斑的直径不大于1.5mm。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述温度传感器阵列中各温度传感器的布置间距不大于所述焦斑的半径。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚焦平板的形状和面积与所述凸透镜的透镜平面一致，且与所述透镜平面共轴。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器阵列中的温度传感器为高温贴片热敏电阻。

8.一种追踪太阳高度角的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使太阳光经过透镜平面平行于水平面安置的凸透镜；

(2)将聚焦平板安置于所述凸透镜的焦平面上；

(3)将温度传感器阵列紧贴所述聚焦平板的背部，并通过所述温度传感器阵列测量所述聚焦平板上的温度场数据；

(4)基于所述温度场数据确定温度最高点的位置，并基于所述位置计算太阳高度角。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述聚焦平板由导热系数低的材料制成。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述太阳高度角是通过以下公式计算得到：

其中H为太阳高度角，x'和y'分别为所述太阳光在所述聚焦平面沿南北方向和东西方向投影的坐标值，r为所述聚焦平面的半径，其中所述聚焦平面的坐标原点为所述凸透镜的光心在所述聚焦平面上的垂直投影点。