CN201488725U - 一种用于太阳自动跟踪的太阳方位检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于太阳自动跟踪的太阳方位检测装置。现有装置的检测精度较低。本实用新型中的通光筒为中空的圆柱体，顶部中心开有圆孔，圆孔处设有防护玻璃。光强传感器放置在通光筒的顶部、防护玻璃的旁边，四象限光电探测器设置在通光筒底部的中心。光强传感器和四象限光电探测器分别与信号处理电路相连接，信号处理电路通过计算机的A/D通道与计算机连接，计算机与外部时钟芯片和跟踪装置连接。本实用新型提高了检测精度，并解决了太阳方位检测装置易受环境光干扰而导致检测信号不稳定的问题。本实用新型结构简单、易于维护。

Description

一种用于太阳自动跟踪的太阳方位检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种检测装置，特别是用于太阳自动跟踪的太阳方位检测装置，具体是用于检测太阳光线强度和入射方位的变化。

背景技术

太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，发展前景非常广阔，已成为未来全球解决能源危机的一种重要途径。但是，由于太阳能的能量密度低，且随着季节和天气变化而变化，使得太阳能不易搜集，导致太阳能发电的效率比较低，发电成本较高，限制了太阳能发电的应用和发展。解决这一问题的一种可行的途径是进行太阳方位自动跟踪。目前，太阳能发电中常用的一种太阳方位自动跟踪方法是光电跟踪方法，该方法通过太阳方位检测装置检测太阳的运动方向，控制跟踪装置追踪太阳的运行。

国内现有的太阳方位检测装置多采用硅光电池、光敏电阻、光电二极管等光敏元件作为检测传感器，主要分为两大类：采用遮光板的敞开式检测装置和采用通光筒的密闭式检测装置。前者利用遮光板在光照下产生阴影，使受光面和背光面的光敏元件因受到光照情况的不同而产生偏差信号，以检测太阳方位的偏转情况。这种检测装置的机构简单、容易实现，但因对外敞开而导致检测装置易受环境中杂散光的干扰，不利于检测装置稳定、准确地运行。后者利用上端开孔的通光筒将多个对称分布的光敏元件密封起来，根据太阳入射光斑在各光敏元件上分布面积的不同而引起的输出信号的偏差，来检测太阳方位的偏转情况。这种检测装置在一定程度上解决了光敏元件易受环境中杂散光干扰的问题，但由于通光筒内的各光敏元件的光电特性存在差异，导致了太阳方位的检测精度较低。

此外，这两类检测装置，直接根据检测到的反映太阳方位偏移的电压信号来驱动太阳方位跟踪机构反复调整多次，直到检测到的电压信号为零。这样需要多次调整才能使太阳方位跟踪系统带动太阳能电池板对准太阳，效率比较低，而且容易造成跟踪机构来回震荡。

发明内容

本实用新型的目的就是针对现有技术的不足，提供一种能够将检测到的太阳方位偏移情况直观地转换为太阳在高度角和方位角方向上的角度偏移、检测灵敏度高、能够屏蔽环境光干扰的太阳方位检测装置，为太阳方位跟踪提供检测依据。

本实用新型的检测装置包括通光筒、光强传感器、防护玻璃、四象限光电探测器、信号处理电路、计算机、外部时钟芯片。通光筒为中空的圆柱体，侧壁封闭不透光，顶部中心开有圆孔，圆孔处设有一个圆形透明的防护玻璃。光强传感器放置在通光筒的顶部、防护玻璃的旁边。四象限光电探测器设置于通光筒内，且位于通光筒的底部的中心。四象限光电探测器的光敏面的半径大于防护玻璃的半径。光强传感器和四象限光电探测器分别与信号处理电路相连接，信号处理电路通过计算机的A/D通道与计算机连接，信号处理电路将光强传感器和四象限光电探测器输出的光电流信号转换为电压信号，并进行放大处理后输入到计算机的A/D通道。计算机与外部时钟芯片和跟踪装置连接。

整个太阳方位检测装置固定在跟踪装置上，与跟踪装置上的太阳能电池板安装在同一平面内，且随着跟踪装置的转动而转动。

四象限光电探测器由一个圆形光敏面和四个光电特性一致的光电二极管构成。四个光电二极管被封装在光敏面的下面，并相对于光敏面的中心对称分布，分别对应直角坐标系的一个象限。

光强传感器可以是硅光电池、光电二极管等可以把光信号转换为电信号的常用光敏元件。

信号处理电路为常用的运算放大电路，能够将四象限光电探测器和光强传感器输出的光电流信号转换为电压信号并进行一定的放大处理，属于成熟技术。

计算机采用具有标准计算机功能的设备，含有CPU及其主板、内存、ROM、通信接口等，可以是商用、民用计算机、服务器、工控机、单片机等。

外部时钟芯片采用接口简单、价格低廉、带RAM的实时时钟电路，可以通过串行通讯向计算机提供年、月、日、时、分、秒等信息。

跟踪装置为二维跟踪装置，主要由底座、支架和两套机械传动机构组成，属于成熟技术。该跟踪装置的两套机械传动机构能够分别带动太阳能电池板在水平方向上旋转和在与水平方向垂直的方向上俯仰。

本实用新型，一方面通过光强传感器检测太阳的光照强度，计算机对检测数据分析计算，以确定当前的天气状况，便于太阳方位跟踪系统针对不同的天气状况选择不同的跟踪模式。另一方面，通光筒底部的四象限光电探测器利用太阳入射光斑在其光敏面上四个象限内的分布面积的变化而引起的四个象限对应的光电二极管输出光电流的变化，来检测太阳方位的偏移情况。计算机对采集到的四象限光电探测器的检测信号进行转换处理后，得到太阳在高度角方向和方位角方向的偏移角度(该偏移角度是相对于太阳光线垂直照射到四象限光电探测器时的方位而言的)。计算机根据天气状况，并依据太阳运动轨迹的理论计算值和检测到的偏移角度，控制跟踪装置进行太阳方位跟踪。

本实用新型通过对太阳光照强度和太阳方位变化的在线检测和处理，获取天气情况和太阳的方位偏移信息。该装置采用能够精确定位的四象限光电探测器，提高了检测精度；另外，通过使用通光筒，解决了太阳方位检测装置易受环境光干扰而导致检测信号不稳定的问题。整个检测装置结构简单，易于维护，能够采集、处理、分析检测信号。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于太阳自动跟踪的太阳方位检测装置包括通光筒1、光强传感器2、防护玻璃3、四象限光电探测器4、信号处理电路5、计算机6、外部时钟芯片7。通光筒1为中空的圆柱体，侧壁封闭不透光，顶部中心开有圆孔，圆孔处设有一个圆形透明的防护玻璃3。光强传感器2放置在通光筒1的顶部、防护玻璃3的旁边。四象限光电探测器4设置于通光筒内，且位于通光筒1的底部的中心。四象限光电探测器4的光敏面的半径大于防护玻璃3的半径。光强传感器2和四象限光电探测器4分别与信号处理电路5相连接，信号处理电路5通过计算机的A/D通道与计算机6连接，信号处理电路5将光强传感器2和四象限光电探测器4输出的光电流信号转换为电压信号，并进行放大处理后输入到计算机的A/D通道。计算机6与外部时钟芯片7和跟踪装置8连接。外部时钟芯片7向计算机6提供年、月、日、时、分、秒等时间信息，计算机读取日期信号d、时间信号t，借助天文学公式求出当天的日出时间tr和日落时间ts。整个太阳方位检测装置固定在跟踪装置上，通光筒1的顶面与跟踪装置上的太阳能电池板的平面平行，且朝向相同，可以随着跟踪装置的转动而转动。计算机6分析处理采集到的光强信号和四象限光电探测器的检测信号，得到当前的天气情况和太阳的方位偏移信息，并根据太阳方位跟踪算法，控制跟踪装置8做相应调整，最终实现太阳方位跟踪。

通光筒顶部的圆形透明防护玻璃用于将太阳直射光线转换为近似于圆形的光斑照射到四象限光电探测器的光敏面上，同时在一定程度上屏蔽了环境光的干扰。四象限光电探测器的光敏面下面封装了四个光电特性一致的光电二极管，每个光电二极管对应直角坐标系的一个象限。四象限光电探测器利用太阳入射光斑在其光敏面上四个象限内的分布面积的变化而引起的四个象限对应的光电二极管输出光电流信号的变化，来检测太阳方位的偏移情况。太阳方位偏移是指当太阳相对于四象限光电探测器移动时，当前太阳方位相对于先前太阳光线垂直入射时太阳方位的偏移。信号处理电路将光强传感器和四象限光电探测器输出的光电流信号转换为电压信号，并进行放大处理后输入到计算机的A/D通道。计算机分析处理采集到的光强传感器和四象限光电探测器的信号，利用太阳方位跟踪算法，控制跟踪装置实现太阳方位跟踪。跟踪装置为二维跟踪装置，主要由底座、支架和两套机械传动机构组成，属于成熟技术。该跟踪装置的两套机械传动机构能够分别带动太阳能电池板在水平方向上旋转和在与水平方向垂直的方向上俯仰。

该装置的具体工作过程是：

(1)判断时间

计算机根据外部时钟芯片提供的日期信号d、时间信号t以及已知的当地地理经度ψ和纬度φ，通过天文学公式求出当天的日出时间tr和日落时间ts。将当前时间信号t与计算出的tr、ts比较，当tr＜t＜ts时，检测装置开始工作；反之，检测装置不工作。

(2)检测光强并判断天气情况

首先通过光强传感器对太阳光照强度进行检测，并使用信号处理电路将光强传感器的输出电流信号转换为电压信号u。计算机每隔一定时间采集一组电压值并计算得到均值u和标准差λ，然后将两个计算值分别与检测装置所在地阴雨天时典型的光强检测信号u₀和多云天气时的光强波动阈值e₀进行比较。u₀和e₀均可通过参考当地的气象检测资料和光电传感器的输出特性，经过计算来确定，并可以根据实际情况进行修改。若u＞u₀且λ＜e₀，则说明晴朗天气，光电跟踪有效，继续进行太阳方位检测；若u＞u₀且λ≥e₀，则说明为多云天气，若u≤u₀且λ＜e₀，则为阴雨天气，这两种天气情况下光电跟踪失效，暂不进行太阳方位检测。

(3)采集四象限光电探测器的检测信号

天气晴朗时，计算机采集四象限光电探测器的检测信号。当太阳光线垂直照射到检测装置上时，入射光斑在四象限光电探测器光敏面的四个象限上的分布面积相等，四个相应的光电二极管的输出电流信号相等；当太阳因移动而导致入射光斑的分布面积发生变化时，四个光电二极管的输出信号相应变化，太阳方位偏移的情况也随之确定。

将四象限光电探测器四个光电二极管的负端与直流电源(电压5V～15V)相连，正端分别接入信号处理电路，其输出电压与各象限的光照面积和太阳光照强度成正比，分别记为u_a、u_b、u_c、u_d。这些电压信号通过计算机的A/D通道将这些电压信号采集到计算机中。

(4)计算太阳方位的偏移情况

计算机根据采集到的电压信号u_a、u_b、u_c、u_d，利用四象限加减算法计算出光斑在东西方向和南北方向上的位置偏移x₀和y₀(x₀和y₀分别反映了太阳在方位角和高度角方向的偏移情况，x₀＞0时，代表太阳在方位角方向上向西偏移，反之向东；y₀＞0时，代表太阳在高度角方向上向北偏移，反之向南)。计算机根据通光筒的高度l，进一步将位置偏移x₀和y₀转换为太阳在方位角和高度角方向上的角度偏移α和β，公式如下：

$\mathrm{\α}=\arctan \frac{y_0}{l}---\left(1\right)$

$\mathrm{\β}=\arctan \frac{x_0}{l}---\left(2\right)$

(5)根据偏移角度，进行光电跟踪

计算机将太阳在方位角和高度角方向上的角度偏移α和β分别与相应的阈值e₁和e₂比较(e₁、e₂可依据太阳跟踪系统对跟踪精确度的要求来设定)。当计算值大于阈值时，计算机控制跟踪装置分别按照角度α和β在相应的方向上进行调整，以实现对太阳方位的光电跟踪(在实际应用中，计算机可以将光电跟踪和与其他跟踪方式相结合，已实现全天候的太阳方位跟踪)。

(6)设定延时

通过上述步骤，即可完成一次光强和太阳方位偏移的检测以及光电跟踪。每完成一次检测和跟踪，需要延时一段时间td。其取值范围为0＜td≤40min，可以根据跟踪装置所在地的季节变化、太阳辐射条件以及对太阳方位检测跟踪精度的要求来设定。由计算机内部的定时器来实现跟踪延时。由计算机6内部的定时器来实现跟踪延时。

(7)判断是否该停止工作

每完成一次检测和跟踪，就进行一次时间判断。计算机读取外部时钟芯片提供的当前时间值t，由于t一定是在日出时间tr之后，所以仅将当前时间t与日落时间ts比较。若t＜ts，进入下一次循环，重复步骤(2)～(6)；若t≥ts，说明日落时间已到，检测装置停止工作。

Claims (1)

1.一种用于太阳自动跟踪的太阳方位检测装置，包括通光筒、光强传感器、防护玻璃、四象限光电探测器、信号处理电路、计算机、外部时钟芯片，其特征在于：所述的通光筒为中空的圆柱体，侧壁封闭不透光，顶部中心开有圆孔，圆孔处设有一个圆形透明的防护玻璃；光强传感器放置在通光筒的顶部、防护玻璃的旁边；四象限光电探测器设置于通光筒内，且位于通光筒的底部的中心，四象限光电探测器的光敏面的半径大于防护玻璃的半径；光强传感器和四象限光电探测器分别与信号处理电路相连接，信号处理电路通过计算机的A/D通道与计算机连接，计算机与外部时钟芯片和跟踪装置连接。

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