CN108762316A - 一种光电传感器、太阳能集热控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电传感器太阳能集热控制系统级方法，其中：光电传感器包括外壳、红外干涉滤光片、光纤阵列、光电二极管阵列以及用于根据光电二极管阵列反馈的信息计算光斑偏移方向及偏移量的控制模块，外壳的正面设置安装槽，光电二极管阵列、光纤阵列以及红外干涉滤光片由内向外依次安装在安装槽内，光纤阵列与光电二极管阵列相抵，控制模块安装在光电二极管阵列上，远离光纤阵列的一侧。上述光电传感器，通过更加密集的排列光纤，可以提高跟踪的精度，同时使用红外干涉滤光片和光纤以避免光电传感器被高度聚焦的太阳光损毁的危险。

Description

一种光电传感器、太阳能集热控制系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳能集热技术领域，特别涉及一种光电传感器、太阳能集热控制系统及方法。

背景技术

槽式太阳能聚光集热系统作为太阳能热发电的一种，该系统能够高倍聚焦太阳能辐射、提供高温蒸汽，具有热转换效率高、运行成本低等优点，其应用前景非常可观。

为了提高太阳辐射转换效率，提升输入能量，槽式太阳能集热器需要槽式抛物面聚光镜始终与太阳保持一个最优角，将太阳光实时的聚焦到集热管上。因此在槽式太阳能光热系统中，一套可靠的跟踪系统必不可少。

现有的跟踪系统控制策略一般采用天文公式跟踪法，即根据天文历法，以槽式聚光集热器所在地经纬度、当地时间为基准精确计算出当前太阳在天空中的位置，跟踪系统根据计算结果设定槽式聚光系统俯仰角度。此种跟踪策略理论上能够在实时跟踪过程中实现零误差，但在现实的太阳能聚光系统中，由于加工、安装等机械误差，以及由于重力、风载和扭矩造成的机械形变的存在，视日跟踪法往往会出现聚焦光斑偏移甚至局部聚焦失败的情况。同时，现有的跟踪系统对于聚光器光斑位置缺少反馈机制，无法及时发现和矫正上述问题，严重影响到槽式太阳能集热系统的工作效率和运行安全。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种结构简单，能够提高设备反应灵敏度，从而达到加强控制精度目的的光电传感器、太阳能集热控制系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

提供一种光电传感器，包括外壳、红外干涉滤光片、光纤阵列、光电二极管阵列以及用于根据所述光电二极管阵列反馈的信息计算光斑偏移方向及偏移量的控制模块，所述外壳的正面设置安装槽，所述光电二极管阵列、所述光纤阵列以及所述红外干涉滤光片由内向外依次安装在所述安装槽内，所述光纤阵列与所述光电二极管阵列相抵，所述控制模块安装在所述光电二极管阵列上，远离所述光纤阵列的一侧。

较优地，在上述技术方案中，所述光纤阵列包括安装板以及多个光纤，所述安装板上设置有上下贯穿、且与所述光纤等数量的安装孔，所述光纤安装在所述安装孔内。

较优地，在上述技术方案中，所述光纤的直径小于所述光电二极管阵列上光线二极管的感光面的直径，且所述光纤与所述光电二极管一一对应。

较优地，在上述技术方案中，所述外壳的背面设置有用于安装所述光电传感器的安装架。

还提供了一种太阳能集热控制系统，包括光电传感器、集热器驱动轴、用于驱动集热器驱动轴转动的步进电机、弧形集热聚光镜、集热管以及安装架，所述集热器驱动轴横向转动式安装在所述安装架上，所述步进电机安装在所述支架上，所述弧形集热聚光镜安装在所述集热器驱动轴上，所述集热管横向安装在所述安装架上，并且所述集热管的轴心与所述弧形集热聚光镜的聚焦中心所在直线重合，所述光电传感器安装在所述集热管上；

所述光电传感器用于在开机后，控制步进电机带动所述集热器驱动轴从一侧极限角度转动到另一侧极限角度，若有聚焦光斑落在传感器范围内，执行下一步判断操作，若转动过程中无聚焦光斑落在所述光电传感器范围内，5分钟后重复上述操作；

还用于判断所述聚焦光斑是否位于所述光电传感器的中心位置，当所述聚焦光斑未位于所述光电传感器的中心位置时，计算所述聚焦光斑的偏移方向和偏移量；

根据所述偏移方向和所述偏移量生成控制指令，将所述控制指令发送至所述步进电机；

所述步进电机根据所述控制指令执行转动操作，驱动所述集热器驱动轴转动，直至所述聚焦光斑移动至所述光电传感器的中心位置。

较优地，在上述技术方案中，所述光电传感器还用于根据预设间隔时间对所述聚焦光斑是否位于所述光电传感器的中心位置进行重复判断。

较优地，在上述技术方案中，所述预设间隔时间为10s。

较优地，在上述技术方案中，所述弧形集热聚光镜为多个，多个所述弧形集热聚光镜并排安装在所述集热器驱动轴上，并且多个所述弧形集热聚光镜的聚焦光斑在同一直线上。

还提供了一种太阳能集热控制方法，包括以下步骤：

光电传感器根据当地时间和GPS数据计算太阳角度，控制步进电机将集热器驱动轴角度调整到根据角度，确保有聚焦光斑落在光电传感器上；

判断所述聚焦光斑是否位于所述光电传感器的中心位置，当所述聚焦光斑未位于所述光电传感器的中心位置时，计算所述聚焦光斑的偏移方向和偏移量；

根据所述偏移方向和所述偏移量生成控制指令，将所述控制指令发送至所述步进电机；

所述步进电机根据所述控制指令执行转动操作，驱动所述集热器驱动轴转动，直至所述聚焦光斑移动至所述光电传感器的中心位置。

较优地，在上述技术方案中，在预设间隔时间达到10s后对所述聚焦光斑是否位于所述光电传感器的中心位置进行重复判断。

附图说明

图1是本发明提供的光电传感器的分解示意图；

图2是图1中光电传感器的组装图；

图3是本发明提供的太阳能集热控制系统的示意图；

图4是太阳能集热控制方法的判断流程图；

图5是图4对应的逻辑判断图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明提供了的光电传感器，包括外壳5、红外干涉滤光片1、光纤阵列2、光电二极管阵列3以及用于根据光电二极管阵列3反馈的信息计算光斑偏移方向及偏移量的控制模块4，外壳5的正面设置安装槽，光电二极管阵列3、光纤阵列2以及红外干涉滤光片1由内向外依次安装在安装槽内，光纤阵列2与光电二极管阵列3相抵，控制模块4安装在光电二极管阵列3上，远离光纤阵列2的一侧。

作为一种可实施方式，光纤阵列2包括安装板以及多个光纤6，安装板上设置有上下贯穿、且与光纤6等数量的安装孔，光纤6安装在安装孔内。

作为一种可实施方式，光纤6的直径小于光电二极管阵列3上光线二极管的感光面的直径，且光纤6与光电二极管一一对应。

作为一种可实施方式，外壳5的背面设置有用于安装光电传感器的安装架。

上述光电传感器，通过光纤阵列传输阳光，光电二极管阵列精确定位聚焦光斑的位置，光敏二极管能够在宽范围的太阳辐射强度下工作并且直接产生数字信号而没有模数差错。通过更加密集的排列光纤，可以提高跟踪的精度，同时使用红外干涉滤光片和光纤以避免光电传感器被高度聚焦的太阳光损毁的危险。

如图3所示，本发明还提供了一种太阳能集热控制系统，包括光电传感器7、集热器驱动轴9、用于驱动集热器驱动轴9转动的步进电机8、弧形集热聚光镜10、集热管11以及安装架，集热器驱动轴9横向转动式安装在安装架上，步进电机8安装在支架上，弧形集热聚光镜10安装在集热器驱动轴9上，集热管11横向安装在安装架上，并且集热管11的轴心与弧形集热聚光镜10的聚焦中心所在直线重合，光电传感器7安装在集热管11上；

光电传感器7用于在开机后，控制步进电机8带动集热器驱动轴9从一侧极限角度转动到另一侧极限角度，若有聚焦光斑落在传感器范围内，执行下一步判断操作，若转动过程中无聚焦光斑落在光电传感器7范围内，5分钟后重复上述操作；还用于判断聚焦光斑是否位于光电传感器7的中心位置，当聚焦光斑未位于光电传感器7的中心位置时，计算聚焦光斑的偏移方向和偏移量；

根据偏移方向和偏移量生成控制指令，将控制指令发送至步进电机8；

步进电机8根据控制指令执行转动操作，驱动集热器驱动轴9转动，直至聚焦光斑移动至光电传感器7的中心位置。

作为一种可实施方式，光电传感器7还用于根据预设间隔时间对聚焦光斑是否位于光电传感器7的中心位置进行重复判断。

作为一种可实施方式，预设间隔时间为10s。

作为一种可实施方式，弧形集热聚光镜10为多个，多个弧形集热聚光镜10并排安装在集热器驱动轴9上，并且多个弧形集热聚光镜10的聚焦光斑在同一直线上。

上述太阳能集热控制系统，略弥补了现有跟踪系统缺乏对于聚光器光斑位置反馈机制的问题，确保能够及时发现并矫正光斑的偏移，提高了到槽式太阳能集热系统的工作效率和运行安全。并且，在完成了太阳角度计算和集热器轴角度调整后，光电传感器没有检测到聚焦光斑，则继续按照计算出的太阳角度进行跟踪。这种设定保证了在太阳被云遮住时仍能以视日跟踪法进行太阳追踪，确保在云层离开后，系统能够迅速的恢复正常工作。

如图4和图5所示，本发明还提供了一种太阳能集热控制方法，包括以下步骤：

开机后，控制步进电机带动集热器驱动轴从一侧极限角度转动到另一侧极限角度，若有聚焦光斑落在光电传感器范围内，执行下一步判断操作，若转动过程中无聚焦光斑落在光电传感器范围内，5分钟后重复上述步骤；

判断聚焦光斑是否位于光电传感器的中心位置，当聚焦光斑未位于光电传感器的中心位置时，计算聚焦光斑的偏移方向和偏移量；

根据偏移方向和偏移量生成控制指令，将控制指令发送至步进电机；

步进电机根据控制指令执行转动操作，驱动集热器驱动轴转动，直至聚焦光斑移动至光电传感器的中心位置。

作为一种可实施方式，在预设间隔时间达到10s后对聚焦光斑是否位于光电传感器的中心位置进行重复判断。

上述控制方法，在完成了太阳角度计算和集热器轴角度调整后，光电传感器没有检测到聚焦光斑，则继续按照计算出的太阳角度进行跟踪。这种设定保证了在太阳被云遮住时仍能以视日跟踪法进行太阳追踪，确保在云层离开后，系统能够迅速的恢复正常工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出多个改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光电传感器，其特征在于，包括外壳、红外干涉滤光片、光纤阵列、光电二极管阵列以及用于根据所述光电二极管阵列反馈的信息计算光斑偏移方向及偏移量的控制模块，所述外壳的正面设置安装槽，所述光电二极管阵列、所述光纤阵列以及所述红外干涉滤光片由内向外依次安装在所述安装槽内，所述光纤阵列与所述光电二极管阵列相抵，所述控制模块安装在所述光电二极管阵列上，远离所述光纤阵列的一侧。

2.根据权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述光纤阵列包括安装板以及多个光纤，所述安装板上设置有上下贯穿、且与所述光纤等数量的安装孔，所述光纤安装在所述安装孔内。

3.根据权利要求2所述的光电传感器，其特征在于，所述光纤的直径小于所述光电二极管阵列上光线二极管的感光面的直径，且所述光纤与所述光电二极管一一对应。

4.根据权利要求1所述的光电传感器，其特征在于，所述外壳的背面设置有用于安装所述光电传感器的安装架。

5.一种包括权利要求1至4任一项所述光电传感器的太阳能集热控制系统，其特征在于，所述太阳能集热系统还包括集热器驱动轴、用于驱动集热器驱动轴转动的步进电机、弧形集热聚光镜、集热管以及安装架，所述集热器驱动轴横向转动式安装在所述安装架上，所述步进电机安装在所述支架上，所述弧形集热聚光镜安装在所述集热器驱动轴上，所述集热管横向安装在所述安装架上，并且所述集热管的轴心与所述弧形集热聚光镜的聚焦中心所在直线重合，所述光电传感器安装在所述集热管上；

所述光电传感器用于在开机后，控制步进电机带动所述集热器驱动轴从一侧极限角度转动到另一侧极限角度，若有聚焦光斑落在传感器范围内，执行下一步判断操作，若转动过程中无聚焦光斑落在所述光电传感器范围内，5分钟后重复上述操作；还用于判断所述聚焦光斑是否位于所述光电传感器的中心位置，当所述聚焦光斑未位于所述光电传感器的中心位置时，计算所述聚焦光斑的偏移方向和偏移量；

根据所述偏移方向和所述偏移量生成控制指令，将所述控制指令发送至所述步进电机；

所述步进电机根据所述控制指令执行转动操作，驱动所述集热器驱动轴转动，直至所述聚焦光斑移动至所述光电传感器的中心位置。

6.根据权利要求5所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，所述光电传感器还用于根据预设间隔时间对所述聚焦光斑是否位于所述光电传感器的中心位置进行重复判断。

7.根据权利要求6所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，所述预设间隔时间为10s。

8.根据权利要求5所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，所述弧形集热聚光镜为多个，多个所述弧形集热聚光镜并排安装在所述集热器驱动轴上，并且多个所述弧形集热聚光镜的聚焦光斑在同一直线上。

9.一种太阳能集热控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

开机后，控制步进电机带动所述集热器驱动轴从一侧极限角度转动到另一侧极限角度，若有聚焦光斑落在传感器范围内，执行下一步判断操作，若转动过程中无聚焦光斑落在所述光电传感器范围内，5分钟后重复上述步骤；判断所述聚焦光斑是否位于所述光电传感器的中心位置，当所述聚焦光斑未位于所述光电传感器的中心位置时，计算所述聚焦光斑的偏移方向和偏移量；

根据所述偏移方向和所述偏移量生成控制指令，将所述控制指令发送至所述步进电机；

所述步进电机根据所述控制指令执行转动操作，驱动所述集热器驱动轴转动，直至所述聚焦光斑移动至所述光电传感器的中心位置。

10.根据权利要求9所述的太阳能集热控制方法，其特征在于，在预设间隔时间达到10s后对所述聚焦光斑是否位于所述光电传感器的中心位置进行重复判断。