CN202255421U

CN202255421U - 一种用于太阳能跟踪支架的光电传感器

Info

Publication number: CN202255421U
Application number: CN2011203609969U
Authority: CN
Inventors: 周金龙; 戴君; 田群; 朱冬宏
Original assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Current assignee: KINGSHORE NEW RESOURCES ELECTRIC JIANGSU CO Ltd
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2021-09-26

Abstract

本实用新型公开了一种用于太阳能跟踪支架的光电传感器，旨在提供一种能够全面、完整、精确地对太阳光进行跟踪探测的光电传感器。它包括外壳和底座，外壳安装在底座上，外壳内部底座的中心设置有四象限光电探测器；外壳顶部开有一圆形光孔，光孔的圆心位于四象限光电探测器的中心轴上；外壳的侧面与四象限光电探测器对应的安装有四个光强传感器；四象限光电探测器和光强传感器分别引出一组信号输出端，并与信号处理电路相连接、信号处理电路通过A/D通道与控制单元连接，控制单元的输出端连接执行单元的输入端，控制单元的输入端还连接有向其发出时间信息的外部时钟芯片，本实用新型可用于太阳能光伏发电技术领域能有效提高太阳能利用率。

Description

一种用于太阳能跟踪支架的光电传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，特别涉及一种用于太阳能跟踪支架的光电传感器，属太阳能利用技术领域。

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，导致光伏发电的效率比较低，发电成本较高，限制了太阳能光伏发电的应用和发展。解决这一问题的一种有效途径是进行太阳方位自动跟踪。现有技术中有一种太阳光跟踪传感器，该传感器的整个受光面上被有一根或多跟带有吸光层的光纤，在太阳光彩及装置中设有一个不透明圆柱筒体，筒体上端有中央为空的不透明环形盖，上述传感器设于该筒体下端与环盖内径相等的对称位置上。这种传感器感光面仅为几个受光点，而不是一个全方位受光面，必然会存在受光盲区，不能全面、完整、精确地对太阳光进行探测，因此很难使采集装置全方位对太阳光跟踪控制，影响对太阳光的有效采集利用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于太阳能跟踪支架的光电传感器，其结构简单、控制精度高、能够充分提高太阳能利用率。

本实用新型的目的是这样实现的：一种用于太阳能跟踪支架的光电传感器，包括外壳和底座，所述外壳安装在底座上，所述外壳内部底座的中心位置设置有四象限光电探测器；所述外壳顶部开有一圆形光孔，所述光孔的圆心位于四象限光电探测器的中心轴上；所述外壳的侧面与四象限光电探测器对应的安装有四个光强传感器；所述四象限光电探测器和光强传感器分别引出一组信号输出端，并与信号处理电路相连接、信号处理电路通过A/D通道与控制单元连接，控制单元的输出端连接执行单元的输入端，控制单元的输入端还连接有向其发出时间信息的外部时钟芯片。

本实用新型工作时，外部时钟芯片向控制单元提供年、月、日、时、分、秒等时间信息，控制单元读取日期信号d、时间信号t，借助天文学公式求出当天的日出时间和日落时间，属于成熟技术。如果当前时间t在当日的日出时间之后且在日落时间之前，则驱动跟踪装置转至起始位置，开始太阳方位跟踪，否则不跟踪。所谓起始位置就是跟踪开始时刻太阳光线垂直入射至光孔的位置。为了进一步扩大跟踪范围，提高跟踪精度，本实用新型在外壳的侧面与四象限光电探测器对应的安装有四个光强传感器，作为粗略跟踪部分。当太阳光线照射在光强传感器上时，信号处理电路将光强传感器的光电流信号转换成为电压信号，并进行放大处理后输入到控制单元的A/D通道。控制单元分析处理采集到的光强传感器的信号，并根据外部时钟芯片提供的年、月、日、时、分、秒等时间信息，结合太阳方位跟踪算法，控制跟踪装置实现太阳方位粗略跟踪。对于精确跟踪部分，本实用新型在外壳内部底座的中心位置设置有四象限光电探测器，四象限光电探测器由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，并分别引出一组信号输出端。当太阳光线通过光孔照射在四象限探测器的光敏面上时，利用太阳入射光斑在其光敏面上四个象限内分布面积的变化而引起的四个象限输出光电流信号的变化，来检测太阳方位的精确偏移情况。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。

整个光电传感器固定在跟踪装置上，跟踪装置为二维跟踪装置，主要由装置底座、支架和两套机械传动在机构构成，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光跟踪传感器在水平方向上旋转和在与水平方向垂直的方向上俯仰。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1.通过光电跟踪方式的闭环控制功能消除了积累误差，提高了跟踪精度，可实现光伏发电系统稳定运行；2.由粗略跟踪和精确跟踪两部分组成，有利于提高太阳方位检测的准确性；3.采用四象限光电传感器代替传统的光纤传感器，其光敏面为全方位受光面，而不是简单的几个受光点，能够实现全面、完整、精确地对太阳光进行探测。

为了将照射到四象限光电探测器光敏面上的太阳直射光线转换为近似圆形的光斑同时在一定程度上屏蔽环境光的干扰，所述光孔处最好设有圆形透明防护玻璃。防护玻璃的半径小于四象限探测器的光敏面的半径。

现有技术中的太阳光跟踪传感器的外壳为圆柱筒体，只有当太阳光垂直入射或者入射角较小时，才能照射在四象限探测器的光敏面上。而本实用新型的外壳呈圆锥台状，直径沿中心线从上到下逐渐增大。假设外壳的顶部夹角为β，那么当入射角小于β/2时，四象限探测器的光敏面均可感受到偏差信号，扩大了精确跟踪范围，提高了跟踪精度。入射角是指太阳光线的入射方向与本实用新型中心轴线的夹角。

所述外壳的侧面与四象限光电探测器对应的分布有四个凹槽，所述光强传感器安装在凹槽内，可使得光强传感器更牢固可靠的安装在外壳的侧面上。

为了保证系统具有良好的稳定性，同时使得本实用新型具有较高的跟踪精度，所述光孔的直径最好为3-6毫米，光孔中心到四象限光电探测器中心的高度为30-40毫米。

作为本实用新型的进一步改进，所述四象限光电探测器为四象限光电池或四象限光敏元件阵列，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。

作为本实用新型的进一步改进，所述光强传感器为如硅光电池或光电二极管，可以把光信号转换为电信号。

所述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。

所述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控制单元提供年、月、日、时、分、秒等时间信息。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型电路原理框图。

图3为本实用新型工作流程图。

图4为光强传感器的粗略跟踪示意图。

图5为四象限光电探测器的精确跟踪示意图。

图6为光斑仅在X轴正向偏移△x的定位原理图。

图7为光斑仅在Y轴正向偏移△y的定位原理图。

图8为光线在高度角方向上的角度偏移示意图。

图中：1外壳；2底座；3四象限光电探测器；4光孔；5光强传感器；6防护玻璃；7凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示，为本实用新型的结构示意图，一种用于太阳能跟踪支架的光电传感器，包括外壳1和底座2，外壳1安装在底座2上，外壳1内部底座的中心位置设置有四象限光电探测器3；外壳1顶部开有一圆形光孔4，光孔4的圆心位于四象限光电探测器3的中心轴上；外壳1的侧面与四象限光电探测器3对应的安装有四个光强传感器5；四象限光电探测器3和光强传感器5分别引出一组信号输出端，并与信号处理电路相连接、信号处理电路通过A/D通道与控制单元连接，控制单元的输出端连接执行单元的输入端，控制单元的输入端还连接有向其发出时间信息的外部时钟芯片，其电路原理框图如图2所示。光孔4处设有圆形透明防护玻璃6。外壳1呈圆锥台状，直径沿中心线从上到下逐渐增大。外壳1的侧面与四象限光电探测器3对应的分布有四个凹槽7，光强传感器5安装在凹槽7内。光孔4的直径为3-6毫米，光孔4中心到四象限光电探测器3中心的高度为30-40毫米。四象限光电探测器3为四象限光电池或四象限光敏元件阵列。光强传感器5为硅光电池或光电二极管。

执行单元为二维跟踪装置，整个光电传感器固定在跟踪装置上，其主要由装置底座、支架和两套机械传动在机构构成，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本实用新型在水平方向上旋转和在与水平方向垂直的方向上俯仰。

如图3所示，为本实用新型工作流程图。外部时钟芯片向控制单元提供年、月、日、时、分、秒等时间信息，控制单元读取日期信号d、时间信号t，借助天文学公式求出当天的日出时间

和日落时间

，属于成熟技术。如果当前时间t在当日的日出时间

之后且在日落时间

之前，则驱动跟踪装置转至起始位置，开始太阳方位跟踪，否则不跟踪，并重新采集时间信息。

当时间信息满足跟踪条件，控制单元分析处理从四个象限采集的光强传感器的信号，比较X轴或者Y轴上相对的两个光强传感器的电流输出值，初步判断太阳方位，并向执行单元发出粗略跟踪信号。如图4所示，假设外壳1的顶部夹角为β，当太阳光线入射角为±（180°-β/2）时，光强传感器均可感受到偏差信号，所以本实用新型的粗略跟踪范围为（360°-β）。

在粗略调整到位之后，控制单元采集四象限光电探测器3传来的信号，检测有无偏差，有偏差则向执行单元发出精确跟踪信号。如图5所示，为四象限光电探测器3的定位原理示意图。太阳直射光线通过光孔4在四象限光电探测器3的光敏面上形成近似于圆形的光斑。太阳移动时，光斑在四个象限A、B、C、D上的分布面积

、

、

、

发生变化，引起四象限光电探测器3的四个象限输出光电流的变化，太阳方位偏移的情况也随之确定。图4中X轴对应东西方向，Y轴对应南北方向，△x和△y分别为太阳光线在方位角和高度角方向的位置偏移。

四象限光电探测器3的四个输入端与直流电源相连，四个输出端分别与信号处理电路相连，构成四个对称的信号处理支路。假设四个象限A、B、C、D的输出光电流值为

、

、

、

，一般的光功率密度在短时间内可以看作固定值，所以输出光电流的值与光照面积成正比。利用四象限加减算法计算光斑在X轴和Y轴上的位置偏移△x和△y。设

和

分别为光斑在X轴和Y轴上的面积偏移，则：

（1）

（2）

为了消除光线强度的影响，进行归一化处理：

（3）

（4）

由于

、

、

、

分别与

、

、

、

成正比，公式（3）和（4）可分别等价为公式（5）和（6）。根据检测到的

、

、

、，就可以计算出

和

：

（5）

（6）

在进行了粗略跟踪之后，△x、△y的值都很小，所以为了确定△x、△y与、

的关系，可将光斑的偏移面积△S进行近似为长方形计算，可得到以下关系式：

（7）

（8）

将公式（7）和（8）分别代入公式（3）和（4）中，得到

（9）

（10）

上述公式中r为光斑的半径，也即光孔4的半径。由于光斑的偏移可分解为在X轴和Y轴上的偏移，如图5中光斑的偏移情况可分解为图6和图7中的两种情况。图6和图7分别描述了光斑仅在X轴正向偏移△x和仅在Y轴正向偏移△y的情况，0和0’分别代表四象限光电探测器3和光斑的圆心。根据公式（9）和（10）的变换结果，即可解得△x和△y的值，|△x|≤r，|△y|≤r，△x﹥0时代表太阳在方位角方向上向西偏移，反之向东；△y﹥0时，代表太阳在高度角方向上向北偏移，反之向南。

进一步将位置偏移△x和△y转换为太阳光线在x轴和y轴方向上的角度偏移。如图8所示，设H为光孔4中心到四象限光电探测器3中心的高度，θ和δ分别为太阳光线在高度角和方位角方向上的角度偏移，那么：

（11）

（12）

将△x、△y代入（11）和（12），即可求出θ和δ的值，即太阳在高度角和方位角方向上的调整量。

这样就完成了一次光电检测跟踪，并通过光电跟踪方式的闭环控制功能消除了积累误差，提高了跟踪精度，可实现光伏发电系统稳定运行。

由公式（11）和（12）可知，本实用新型的调整精度由△x、△y和H决定，若要减小θ和δ的值，提高本实用新型的跟踪精度，可以使△x、△y尽量减小，H尽量增大。但是当△x、△y过小时，四象限光电探测器3将无法检测出偏移量，当H过大时，跟踪精度过高，系统反复调节，稳定性变差。假设光斑仅在X轴方向上发生了偏移，取r=2.5mm,H=35mm,要达到分辨率为0.1°的跟踪精度，那么

10位A/D转换器的精度为，远小于0.031，完全可以达到0.1°的跟踪精度。

本实用新型并不局限于上述实施例，在本实用新型公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本实用新型的保护范围内。

Claims

1. 一种用于太阳能跟踪支架的光电传感器，其特征在于，包括外壳和底座，所述外壳安装在底座上，所述外壳内部底座的中心位置设置有四象限光电探测器；所述外壳顶部开有一圆形光孔，所述光孔的圆心位于四象限光电探测器的中心轴上；所述外壳的侧面与四象限光电探测器对应的安装有四个光强传感器；所述四象限光电探测器和光强传感器分别引出一组信号输出端，并与信号处理电路相连接、信号处理电路通过A/D通道与控制单元连接，控制单元的输出端连接执行单元的输入端，控制单元的输入端还连接有向其发出时间信息的外部时钟芯片。

2. 根据权利要求1所述的太阳光跟踪传感器，其特征在于，所述光孔处设有圆形透明防护玻璃。

3. 根据权利要求1所述的太阳光跟踪传感器，其特征在于，所述外壳呈圆锥台状，直径沿中心线从上到下逐渐增大。

4. 根据权利要求1所述的太阳光跟踪传感器，其特征在于，所述外壳的侧面与四象限光电探测器对应的分布有四个凹槽，所述光强传感器安装在凹槽内。

5. 根据权利要求1所述的太阳光跟踪传感器，其特征在于，所述光孔的直径为3－6毫米，光孔中心到四象限光电探测器中心的高度为30－40毫米。

6. 根据权利要求1所述的太阳光跟踪传感器，其特征在于，所述四象限光电探测器为四象限光电池或四象限光敏元件阵列。

7. 根据权利要求1-6任一项所述的太阳光跟踪传感器，其特征在于，所述光强传感器为硅光电池或光电二极管。