CN202281957U - 一种太阳方位传感器 - Google Patents

Abstract

一种太阳方位传感器，包括：四象限粗调阳光传感器，立体式细调阳光传感器和传感器检测控制电路模块；所述四象限粗调阳光传感器，包括安装有粗调“十”字型锯齿状卡槽条和黑色遮光板，粗调“十”字型锯齿状卡槽条的每条边上都安装一个线性度良好的光敏电阻元件，所述的立体式细调阳光传感器，包括有校正桶，菲尼尔透镜和矩形硬质板，每个矩形硬质板上均设置有卡槽条和光敏元件，所述传感器检测控制电路模块，包括有信号放大电路和精密有源绝对值电路，四象限粗调阳光传感器确定太阳光大体方向时自动切换为立体式细调阳光传感器在精确对准太阳光，保证高精度的太阳能跟踪系统的实现，使太阳能电池板获得最大光照强度。

Description

一种太阳方位传感器

技术领域

本实用新型涉及太阳能应用中自动跟踪太阳光的装置，尤其是涉及一种太阳方位传感器。

背景技术

开发新能源和可再生能源是全世界面临的共同课题，太阳能开发与利用已成为全球发展速度最快的技术之一。在新能源中，光伏发电是最具可持续发展理想特征的可再生能源技术，受到全世界的普遍重视。太阳电池方阵的发电量与太阳光入射角有关，当太阳光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大。但是由于太阳随时间变化而运动，因此固定方阵的发电效率远远低于带跟踪系统的太阳能方阵，加上太阳能电池价格昂贵，导致太阳能发电成本居高不下，大大的制约了太阳能产业的发展。在高效光伏电池材料没有出现之前，降低太阳电池发电成本的有效途径之一是研制具有使用价值的阳光自动跟踪系统，而准确无误的获得高精度阳光方向信息的阳光方位传感器是该系统必不可少的重要组成部分，通常国际上有计算机设定、天文时间以及太阳光信号采集几种主要方式，而对于高精度自动跟踪系统，仍然以直接采集太阳光信号为最佳选择。但是，由于自动跟踪系统及传感器所处的室外恶劣的工作环境，要在低成本条件下保证其工作的高精度和可靠性则是非常困难的。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供了一种太阳方位传感器，能够实时跟踪太阳光，该传感器使用方便，寿命长，同时跟踪精度高且性价比高，而且在恶劣环境中能够长期稳定的工作。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种太阳方位传感器，包括：四象限粗调阳光传感器，立体式细调阳光传感器和传感器检测控制电路模块；

所述四象限粗调阳光传感器和立体式细调阳光传感器均安装于同一聚光平台上，所述传感器检测控制电路模块用来对四象限粗调阳光传感器或立体式细调阳光传感器的光敏元件采集到的信号进行放大和比较处理；

所述四象限粗调阳光传感器，包括有球罩101，球罩101安装在底板102上，底板102的中央部位安装有粗调“十”字型锯齿状卡槽条103，粗调“十”字型锯齿状卡槽条103被黑色遮光板104分割为东南西北相等长度的四部分，黑色遮光板104由四块面积相同的黑色亚克力板制成且垂直安装于底板102上，黑色遮光板104固定设置于底板102上，黑色遮光板104的遮光面分别平行于东南，西南，西北，东北四个方向，即和粗调“十”字型锯齿状卡槽条103所在方向成45°夹角，粗调“十”字型锯齿状卡槽条103的每条边上分别安装一个光敏电阻元件，即第一光敏元件S1、第二光敏元件S2、第三光敏元件S3和第四光敏元件S4，且第一光敏元件S1、第二光敏元件S2、第三光敏元件S3和第四光敏元件S4的性能参数一致。

所述的立体式细调阳光传感器，包括有校正桶201，校正桶201中间距离内壁面20mm处分别安装四个与内壁面平行的卡槽平面203，卡槽平面203上设置上下自由移动的菲尼尔透镜202，卡槽平面203用来调节菲尼尔透镜202到第二底板204的垂直距离，即调节到第二底板204的光照强度，第二底板204固定于校正桶底座205的中央区域并正对于校正桶201顶端开口处，第二底板204的边长大于菲尼尔透镜202的边长；所述第二底板204的中心安装有固定基座208，固定基座208的正东、正南、正西、正北四个方向分别安装四个大小形状完全一致的矩形硬质板206，矩形硬质板206以移动轴承209为轴上下转动，从而与固定基座208的平面形成一定夹角，每个矩形硬质板206上均设置有卡槽条207，每个卡槽条207上均设置一个光敏元件，即第五光敏元件S5、第六光敏元件S6、第七光敏元件S7和第八光敏元件S8，且第五光敏元件S5、第六光敏元件S6、第七光敏元件S7和第八光敏元件S8的性能参数一致。

所述传感器检测控制电路模块，由信号放大电路和精密有源绝对值电路构成，所述输入信号V1，输入信号V2由一组光敏元件组提供，输入信号V1，输入信号V2经三个双运算放大器LM741和三个电位器处理后得到输出信号V3，输出信号V3经运放U358/1A，U358/1B处理后，得到输出信号V4，所述输出信号V4将信号传递给单片机的输入端。

所述第一光敏元件S1和第三光敏元件S3，第二光敏元件S2和第四光敏元件S4，第五光敏元件S5和第七光敏元件S7，第六光敏元件S6和第八敏元件S8分别构成一组光敏元件组，

传感器上安装的光敏元件对于不同的光照强度其阻值在一定范围可以成近似线性变化，传感器的光敏元件S1-S8产生的模拟量通过信号放大电路，滤波电路，比较电路等的处理提供给检测控制电路板的单片机输入口。

本实用新型通过四象限粗调阳光传感器在大范围寻找阳光，在确定太阳光大体方向时通过单片机控制板自动切换为立体式细调阳光传感器再精确对准太阳光，其中都利用了传感器检测控制电路模块对采集的信号进行了放大和比较处理，高精度太阳方位传感器最终给后处理电路提供了可靠的高精度信号，从而保证高精度的太阳能跟踪系统的实现，使太阳能电池板获得最大光照强度。

附图说明

图1是本实用新型的四象限粗调阳光传感器结构示意图。

图2(a)是本实用新型的立体式细调阳光传感器结构示意图，图2(b)是本实用新型的局部放大图。

图3是传感器检测控制电路模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对该实用新型作进一步详细说明。

一种太阳方位传感器，包括：四象限粗调阳光传感器，立体式细调阳光传感器和传感器检测控制电路模块；

所述四象限粗调阳光传感器和立体式细调阳光传感器均安装于同一聚光平台上，所述传感器检测控制电路模块用来对四象限粗调阳光传感器或立体式细调阳光传感器的光敏元件采集到的信号进行放大和比较处理；

如图1所示，所述四象限粗调阳光传感器，包括有球罩101，球罩101安装在底板102上，底板102的中央部位安装有粗调“十”字型锯齿状卡槽条103，粗调“十”字型锯齿状卡槽条103被黑色遮光板104分割为东南西北相等长度的四部分，黑色遮光板104由四块面积相同的黑色亚克力板制成且垂直安装于底板102上，黑色遮光板104固定设置于底板102上，黑色遮光板104的遮光面分别平行于东南，西南，西北，东北四个方向，即和粗调“十”字型锯齿状卡槽条103所在方向成45°夹角，粗调“十”字型锯齿状卡槽条103的每条边上都安装一个线性度良好的光敏电阻元件，且必须保证第一光敏元件S1、第二光敏元件S2、第三光敏元件S3和第四光敏元件S4的性能参数一致。

如图2所示，所述的立体式细调阳光传感器，包括有校正桶201，校正桶201中间距离内壁面20mm处分别安装四个与内壁面平行的卡槽平面203，卡槽平面203上设置上下自由移动的菲尼尔透镜202，卡槽平面203用来调节菲尼尔透镜202到第二底板204的垂直距离，即调节到第二底板204的光照强度，第二底板204固定于校正桶底座205的中央区域并正对于校正桶201顶端开口处，第二底板204的边长大于菲尼尔透镜202的边长；

所述第二底板204的中心安装有固定基座208，固定基座208的正东、正南、正西、正北四个方向分别安装四个大小形状完全一致的矩形硬质板206，矩形硬质板206以移动轴承209为轴上下转动，从而与固定基座208的平面形成一定夹角，每个矩形硬质板206上均设置有卡槽条207，四个卡槽条207上分别设置有一个光敏元件，即第五光敏元件S5、第六光敏元件S6、第七光敏元件S7和第八光敏元件S8，且必须保证第五光敏元件S5、第六光敏元件S6、第七光敏元件S7和第八光敏元件S8的性能参数一致。

所述传感器上安装的光敏元件对于不同的光照强度其阻值在一定范围可以成近似线性变化，传感器的光敏元件S1-S8产生的模拟量通过信号放大电路，滤波电路，比较电路等的处理提供给检测控制电路板的单片机输入口。

如图3，传感器检测控制电路模块，包括有信号放大电路，由于光敏元件检测出来的信号比较小，放大电路需要采用3个双运算放大器LM741组成的差动放大电路，其双端输入-单端输出，具有共模抑制比高的特点。其中R1＝R3，R4＝R5，R6＝R7；可计算出放大的倍数： $A_{\mathrm{vd}}=\frac{R7}{R5}(1+2\frac{R1}{R3})(V2-V1);$ 精密有源绝对值电路，这是一种经过改进的绝对值电路，信号失真比较低，适合小信号处理。其工作原理是：输入电压V3＞0时，运放U358/1A的输入电压小于0，运放U358/1B的输出电压大于0，二极管D2导通，而二极管D1两端加上了反向电压而被强制关断，运放U358/1B即是电压跟随器，则V4＝V3；输入电压V3＜0时，运放U358/1A的输入电压大于0，运放U358/1B的输出电压小于0，二极管D1导通，而二极管D2两端加上了反向电压而被关断，运放U358/1A作为反向电路，使得V4＝-V3，所以V4＝|V|3。

所述电路图中V1，V2的输入信号为一组光敏元件组提供，第一光敏元件S1和第三光敏元件S3，第二光敏元件S2和第四光敏元件S4，第五光敏元件S5和第七光敏元件S7，第六光敏元件S6和第八敏元件S8分别构成一组光敏元件组；V4的输出信号传递给单片机的输入口。

首先把太阳光的光照强度通过光敏元件变换成电信号后分为0-255的256个级别，并且0对应无光照，255为最强的光照，且认为在正对太阳光的时候，4个光敏电阻元件所处区域面积内太阳光强度相同，即相互对称的二个光电传感器输出信号差小于某个设定阈值，只有当入射太阳光偏离接收平面法线时相应的输出信号差大于某个设定阈值时才输出有效的跟踪信号。

如图1所示，第一光敏元件S1、第二光敏元件S2、第三光敏元件S3和第四光敏元件S4处于粗调“十”字型锯齿状卡槽条103上，通常情况在初次安装四象限粗调阳光传感器时光敏元件距离“十”字型锯齿状卡槽条103中心的垂直距离相同，光敏元件接收来自不同角度的阳光，相互对称的第一光敏元件S1和第三光敏元件S3，第二光敏元件S2和第四光敏元件S4组成二组粗调光敏元件组：先检测判断第一光敏元件S1和第三光敏元件S3组成粗调东西光敏元件组，其所接受太阳光强度相同时，粗调东西光敏电阻元件组输出信号差小于某个粗调设定阈值时，控制器不发出让东西方向电机动作的命令；再检测判断第二光敏元件S2和第四光敏元件S4组成的粗调南北光敏元件组，其所接受太阳光强度相同时，粗调南北光敏元件组输出信号差小于某个粗调设定阈值时，控制器不发出让南北方向电机动作的命令；二组粗调光敏电阻元件组输出信号差都小于粗调设定阈值时，此时认为阳光基本垂直照射聚光器采光面板，当信号差值超过粗调设定阈值时，可以驱动控制电机转动。四象限传感器作为粗调阳光传感器：当系统开始启动寻找太阳时，太阳与聚光器平面必然偏离很大的角度，例如早上跟踪系统启动时，太阳在偏东方位置而菲尼尔透镜202朝向偏西，第一光敏元件S1处于东边自然受到光照相对最强产生信号相对最大，而黑色遮光板104将射向第三光敏元件S3的太阳光遮挡住，处于西边的第三光敏元件S3因为无法接受光照产生信号基本等于零，那么第一光敏元件S1和第三光敏元件S3输出粗调信号差超过设定阈值，控制器驱动东西方向电机向东运动。黑色遮光板104之所以选用黑色，是因为黑颜色具有强吸收太阳光的功能，以尽量减少侧面反射光对光敏元件的影响，使得其仅直接接受垂直射入的太阳光，以提高光敏元件的精度，防止其为MCU提供作错误的输出信号。假如没有黑色遮光板104，因为菲尼尔透镜202接受光照比较弱，虽然第一光敏元件S1处于东边受到光照强度相对其它光敏元件最强产生信号相对最大，但是由于光照强度较弱产生信号仍旧较小，而处于西边的第三光敏元件S3也接受光照产生一定的信号，通常情况第一光敏元件S1和第三光敏元件S3相差不大，那么第一光敏元件S1和第三光敏元件S3输出粗调信号差将大大降低，极可能小于粗调设定阈值，控制器不发出让电机动作的命令，从而无法使自动跟踪系统正常工作。第一光敏元件S1、第二光敏元件S2、第三光敏元件S3和第四光敏元件S4距离“十”字型锯齿状卡槽条103中心越近受到黑色遮光板遮光越严重，同等光照条件下接受光照强度越小，通过分别调节它们在“十”字型锯齿状卡槽条103上的位置，来改变其受黑色遮光板影响的大小。普通太阳能跟踪系统的阳光传感器要求安装在聚光器采光面板的中心位置，对于大型聚光器来说安装和维护非常不方便，该实用新型可以通过分别调节第一光敏元件S1、第二光敏元件S2、第三光敏元件S3和第四光敏元件S4距离“十”字型锯齿状卡槽条103中心位置的不同，可以将其安装于菲尼尔透镜202的任何闲置且利于检修的地方。

比如，将四象限粗调阳光传感器安装在聚光器采光面板的东北方，假设开始第一光敏元件S1、第二光敏元件S2、第三光敏元件S3和第四光敏元件S4距离“十”字型锯齿状卡槽条103中心的垂直距离相同，那么太阳光照射传感器所在位置即采光面板的东北方区域最强，此时仅需把第一光敏元件S1和第四光敏元件S4向“十”字型卡槽条中心方向移动一定距离，减少第一光敏元件S1和第四光敏元件S4接受光照的强度，使粗调东西光敏元件组和粗调南北光敏元件组输出信号差大于某个粗调设定阈值，先驱动东西方向电机向西运动，再驱动南北方向电机先向南运动，最终可以使阳光基本直射聚光器采光面板的中央，使聚光器采光面板整体得到的光照强度最大，太阳能跟踪系统经过四象限粗调阳光传感器提供光电信号的粗略调节后跟踪精度可以达到3％左右，可以作为对跟踪精度要求不高的太阳能跟踪系统的阳光传感器来单独使用。

如图2所示，立体式细调阳光传感器需要和四象限粗调阳光传感器安装在同一平面相邻位置，因为光敏元件所感受到的光线可以来自各个方向，所以必须把光敏元件安装在一个校正桶201内，校正桶201的顶端中央区域留有一个正方形窗口，供太阳光射入，这样才能有效避免光敏元件被其他方向射来的光线照射到；在聚光器平面基本对准太阳后，单片机控制板自动转换为立体式细调阳光传感器工作，通过菲尼尔透镜202的聚光作用可以把光照强度增大数倍，光敏元件产生的信号也会增大很多，调节菲尼尔透镜202在卡槽平面203上的位置，可以改变第二底板204表面受光照强度的大小：当其在卡槽平面203上部时，第二底板204表面光照强度的增加较大；当其在卡槽平面203下部时，第二底板204表面光照强度的增加较小；矩形硬质板206以移动轴承209为轴上下转动，从而使其与固定基座208的平面形成一定夹角，夹角的大小可以按照需要任意设置，使第五光敏元件S5、第六光敏元件S6、第七光敏元件S7和第八光敏元件S8四个光敏元件所在平面的整体光照强度可以自由调整，有利其于接受校正桶201顶端中间窗口的入射阳光，立体式细调阳光传感器作为高精度调节传感器，第五光敏元件S5、第六光敏元件S6、第七光敏元件S7和第八光敏元件S8在卡槽条207上自由移动然后加以固定，同样相互对称的光敏元件第五光敏元件S5和第七光敏元件S7、第六光敏元件S6和第八光敏元件S8组成二组细调光敏元件组：先检测判断S5和S7组成的细调东西光敏元件组，其所接受太阳光强度相同时，细调东西光敏元件组输出信号差小于某个细调设定阈值时，控制器不发出让东西方向电机动作的命令；再检测判断第六光敏元件S6和第八光敏元件S8组成的细调南北光敏元件组，其所接受太阳光强度相同时，细调南北光敏元件组输出信号差小于某个细调设定阈值时，控制器不发出让南北方向电机动作的命令；两组细调光敏元件组产生输出信号差都小于细调设定阈值时，此时认为阳光垂直照射菲尼尔透镜202；当细调光敏元件组输出信号差值超过细调设定阈值时，可以驱动控制电机转动，其工作方式与四象限粗调阳光传感器类似，太阳能跟踪系统经过四象限粗调阳光传感器提供光电信号的粗略调节后，再次经过立体式细调阳光传感器提供光电信号的高精度调节后，跟踪精度可以达到0.2％左右，可以作为高精度太阳能跟踪系统的传感器来使用。

实际应用中，根据具体要求通过设定传感器输出的电压差值超过某一范围后才发出跟踪指令，所以此数值范围很大程度决定了跟踪精度，另外，通过四象限粗调阳光传感器的粗调和立体式细调阳光传感器的细调相互配合，即当太阳光偏离聚光体受光平面法线较大角度时，四象限传感器的光敏元件的粗调信号优先执行；当太阳光偏离聚光体受光平面法线较小角度时，立体式传感器的细调信号优先执行；这样通过单片机内设置执行程序的优先级别的方法，从而完美的实现了高精度自动跟踪系统中太阳光信号的有效采集。

图中：101为亚克力球罩，102为底板，103为粗调“十”字型锯齿状卡槽条，104为黑色遮光板，201为校正桶，202为菲尼尔透镜，203为卡槽平面，204为第二底板，205为校正桶底座，206为矩形硬质板，207为卡槽条，208为固定基座，209、滑动轴，S1、S2、S3、S4为粗调“十”字型锯齿状卡槽条上的正东、正南、正西、正北四个方向光敏元件，S5、S6、S7、S8为细调“十”字型锯齿状卡槽条上的正东、正南、正西、正北四个方向光敏元件。

Claims (2)

1.一种太阳方位传感器，包括：四象限粗调阳光传感器，立体式细调阳光传感器和传感器检测控制电路模块，其特征在于，

所述四象限粗调阳光传感器和立体式细调阳光传感器均安装于同一聚光平台上，所述传感器检测控制电路模块用来对四象限粗调阳光传感器或立体式细调阳光传感器的光敏元件采集到的信号进行放大和比较处理；

所述四象限粗调阳光传感器，包括有亚克力球罩(101)，亚克力球罩(101)安装在底板(102)上，底板(102)的中央部位安装有粗调“十”字型锯齿状卡槽条(103)，粗调“十”字型锯齿状卡槽条(103)被黑色遮光板(104)分割为东南西北相等长度的四部分，黑色遮光板(104)由四块面积相同的黑色亚克力板制成且垂直安装于底板(102)上，黑色遮光板(104)固定设置于底板(102)上，黑色遮光板(104)的遮光面分别平行于东南，西南，西北，东北四个方向，即和粗调“十”字型锯齿状卡槽条(103)所在方向成45°夹角，粗调“十”字型锯齿状卡槽条(103)的每条边上都安装一个光敏电阻元件，即第一光敏元件(S1)、第二光敏元件(S2)、第三光敏元件(S3)和第四光敏元件(S4)，且第一光敏元件(S1)、第二光敏元件(S2)、第三光敏元件(S3)和第四光敏元件(S4)的性能参数一致；

所述的立体式细调阳光传感器，包括有校正桶(201)，校正桶(201)中间距离内壁面20mm处分别安装四个与内壁面平行的卡槽平面(203)，卡槽平面(203)上设置上下自由移动的菲尼尔透镜(202)，卡槽平面(203)用来调节菲尼尔透镜(202)到第二底板(204)的垂直距离，即调节到第二底板(204)的光照强度，第二底板(204)固定于校正桶底座(205)的中央区域并正对于校正桶(201)顶端开口处，第二底板(204)的边长大于菲尼尔透镜(202)的边长；

所述第二底板(204)的中心安装有固定基座(208)，固定基座(208) 的正东、正南、正西、正北四个方向分别安装四个大小形状完全一致的矩形硬质板(206)，矩形硬质板(206)以移动轴承(209)为轴上下转动，从而与固定基座(208)的平面形成一定夹角，每个矩形硬质板(206)上均设置有卡槽条(207)，每个卡槽条(207)上设置一个光敏元件，即分别为第五光敏元件(S5)、第六光敏元件(S6)、第七光敏元件(S7)和第八光敏元件(S8)，且第五光敏元件(S5)、第六光敏元件(S6)、第七光敏元件(S7)和第八光敏元件(S8)的性能参数一致；

所述传感器检测控制电路模块，由信号放大电路和精密有源绝对值电路构成，所述输入信号V1，输入信号V2由一组光敏元件组提供，输入信号V1，输入信号V2经三个双运算放大器LM741和三个电位器处理后得到输出信号V3，输出信号V3经运放U358/1A，U358/1B处理后，得到输出信号V4，所述输出信号V4传递给单片机的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种太阳方位传感器，其特征在于，所述传感器检测控制电路模块的输入信号为一组光敏元件组提供，第一光敏元件(S1)和第三光敏元件(S3)，第二光敏元件(S2)和第四光敏元件(S4)，第五光敏元件(S5)和第七光敏元件(S7)，第六光敏元件(S6)和第八敏元件(S8)分别构成一组光敏元件组。 

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