CN202677201U - 一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，属于太阳能设备领域。它包括水平的X轴支架和竖直的Y轴支架，所述的X轴支架和Y轴支架垂直相交，交点为Y轴支架的下端点与X轴支架的左端点，所述的X轴支架和Y轴支架上沿支架长度方向上分别设置有一列光敏传感器装置；每个光敏传感器装置包括黑色圆筒和光敏元件，光敏元件上设置有光敏元件感光点，所述的黑色圆筒的下筒口固定在光敏元件上并将光敏元件的感光点罩住，所述黑色圆筒的上筒口穿出X轴支架或Y轴支架，可接收光线。使用本实用新型的结构，可以实现太阳能跟踪系统快速、精准地定位，而且设计简单、可靠，易于推广。

Description

一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构

技术领域

本实用新型属于太阳能设备领域，尤其涉及一种可快速使太阳能集光器垂直于太阳光线的传感器的排列方式。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人类所面临的能源问题越来越突出，太阳能作为一种清洁能源，无疑受到各国的普遍重视。在相同条件下，光照强度越大，太阳能电池输出功率越大。因而增大太阳能电池受光面的光照强度，就可增大太阳能电池输出功率。除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄电池充放电效应外，对太阳的自动跟踪是太阳光伏发电系统中另一种提高转换效率的有效手段。因此，在太阳能的利用过程中，实施太阳跟踪是很有必要的。

太阳能跟踪系统是光热和光伏发电过程中，最优化太阳光使用，达到提高光电转换效率的机械及电控单元系统，它包括：电机（直流、步进、伺服、行星减速电机、推杆电机等）、涡轮蜗杆、传感器系统等等。传统的太阳能利用装置是以一个固定的支架架设在地面或其他的建筑物上，大大降低了太阳能的利用率。

对太阳进行跟踪的方法很多，但不外乎为采用确定太阳位置所用的两种坐标系统，即赤道坐标系和地平坐标系，并分为双轴跟踪和单轴跟踪。

各种双轴太阳能跟踪的集光器，由于传感器的排列缺陷，仅仅一个传感器与太阳能载体垂直，跟踪效率低，导致存在采集光能的效率低下，结构复杂，精确度不高的问题，而且造价比较贵，不易推广。

现也有双轴太阳能跟踪系统，例如申请号为200920153680的专利。该项技术运用四个传感器排列的方式跟踪太阳，但是，存在着反复来回各个方向跟踪的现象，使得跟踪时间过长，无法实现快速的跟踪太阳，即实用性低。

发明内容

发明目的

针对现有技术中存在的太阳能跟踪系统存在的反应时间长，精度低及成本高的不足，本实用新型提供了一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，它可以使得太阳能跟踪系统快速、精准地进行定位，而且设计简单、可靠，易于推广。

技术方案

本实用新型的目的通过以下技术方案实现。

一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，它包括水平的X轴支架和竖直的Y轴支架，所述的X轴支架和Y轴支架垂直相交，交点为Y轴支架的下端点与X轴支架的左端点，所述的X轴支架和Y轴支架上沿支架长度方向上分别设置有一列光敏传感器装置；每个光敏传感器装置包括黑色圆筒和光敏元件，光敏元件上设置有光敏元件感光点，所述的黑色圆筒的下筒口固定在光敏元件上并将光敏元件的感光点罩住，所述黑色圆筒的上筒口穿出X轴支架或Y轴支架，可接收光线。这样的光敏传感器装置的结构及排列方式，使只有与黑色圆筒的母线在同一直线上的光线才能够触发光敏传感器装置的光敏元件，即，满足位于同一轴（X轴或者Y轴）上的任意两个光敏传感器装置的黑色圆筒不会同时接收到光线，特别是中心光敏传感器装置不会和同轴上的非中心光敏传感器装置同时接收到光线。选用黑色圆筒是为了防止光线在筒内折射，而导致光敏元件误触发。

更进一步地，所述的光敏传感器装置分为两类：位于X轴支架和Y轴支架中间位置处的中心光敏传感器装置和分位于中心光敏传感器装置两侧且呈对称排布的非中心光敏传感器装置；中心光敏传感器装置的黑色圆筒垂直于其所在的X轴支架或Y轴支架所在平面，分位于中心光敏传感器装置两侧的非中心光敏传感器装置的黑色圆筒以中心光敏传感器装置为中心，与X轴支架或Y轴支架沿长度方向的对称轴所成角度β从中心往两端依次以角度Δ递减。这样光敏传感器装置的排布结构能够使整个系统实现快速跟踪，即太阳光线每转过一个Δ角度，本实用新型的排布结构在电气控制系统的控制下即可判断太阳能集光器载体没有垂直于太阳光，从而调整太阳能集光器载体的方位角和仰角。方位角是指集光器载体在水平面做0°－360°旋转时，以正南方向为标准，将太阳能集光器载体的面向偏东或偏西调整的一个角度。方位角调整时太阳能集光器载体在水平面做左右运动。

更进一步地，所述的角度Δ大小为1~10°。经过计算，理论上Δ角度越小，系统精度越高。但是通过实际试验知，维持在1~10°范围即可保证精度。

更进一步地，X轴支架和Y轴支架相交后固定在太阳能集光器载体的表面上，且与太阳能集光器载体的表面保持平行重合。这样才能让两个支架上排布的光敏传感器装置随着太阳能集光器载体一起运动，再配合适当的电气控制系统实现太阳光跟踪。

更进一步地，所述的黑色圆筒的直径是1~3mm。当太阳光线通过黑色圆筒时，才能触发光敏传感器装置。当黑色圆筒的直径控制在1~3mm范围内，使得只有特定方向的光敏传感器装置才有光线通过，使整个跟踪系统的精度提高。

有益效果

相比于现有技术，本实用新型的优点在于：

（1）本实用新型的用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，采用水平的X轴支架或竖直的Y轴支架十字相交的双轴排列结构，由于一天中太阳的高度角和方位角都在不停地变化，而不同纬度、不同季节，其正午的太阳高度角是不一样的，所以双轴跟踪适用于各个纬度和各个季节；

（2）本实用新型的用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，在X轴支架或Y轴支架上分别设置的一列光敏传感器装置的排列结构，且从支架的中心往两边，黑色圆筒与X轴支架或Y轴支架沿长度方向的轴线的夹角β以约1~10°的角度Δ逐渐递减，这样，太阳光线每转过一个Δ角度，电气控制系统就可以判断太阳能集光器载体没有垂直于太阳光，继而调整集光器载体的方位角和倾角，使整个系统跟踪太阳光线的灵敏度和精确度大幅度提高；

（3）本实用新型的用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，结构简单，适用范围广，能结合多种太阳能集光器载体，易于推广。

附图说明

图1是本实用新型的传感器排布结构固定在太阳能集光器载体上的主视图；

图2是图1中的Y轴支架的A-A剖视图；

图3是图1中的X轴支架的B-B剖视图；

图4是本实用新型的光敏传感器装置的放大示意图；

图5是实施例1的传感器排布结构的电气控制系统的电路结构示意图。

图中：11、X轴支架；12、Y轴支架；2、光敏传感器装置；21、黑色圆筒；22、光敏元件；23、感光点；24、非中心光敏传感器装置；25、中心光敏传感器装置；3、太阳能集光器载体。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例进一步介绍本实用新型的技术方案。

实施例1

如图1，本实施例的一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，包括水平的X轴支架11和竖直的Y轴支架12，X轴支架11和Y轴支架12垂直相交，交点为Y轴支架12的下端点与X轴支架11的左端点，X轴支架11和Y轴支架12上沿支架长度方向上分别设置有一列光敏传感器装置2；如图4，每个光敏传感器装置2包括黑色圆筒21和光敏元件22，黑色圆筒21的直径可以是1~3mm。光敏元件22上设置有感光点23，黑色圆筒21的下筒口固定在光敏元件22上并将光敏元件22的感光点23罩住，黑色圆筒21的上筒口穿出X轴支架11或Y轴支架12，可接收光线。

光敏传感器装置2分为两类：位于X轴支架11和Y轴支架12中间位置处的中心光敏传感器装置25和分位于中心光敏传感器装置25两侧且呈对称排布的非中心光敏传感器装置24；中心光敏传感器装置25的黑色圆筒21垂直于其所在的X轴支架11或Y轴支架12所在平面，分位于中心光敏传感器装置25两侧的非中心光敏传感器装置24的黑色圆筒21以中心光敏传感器装置25为中心，与X轴支架11或Y轴支架12沿长度方向的对称轴所成角度β从中心往两端依次以角度Δ递减，角度Δ的大小可以为1~10°。太阳光线每转过一个Δ角，太阳能集光器载体3才能做出跟随动作。而当太阳光线转过0~Δ之间的角度时，太阳能集光器载体3将保持不动，直到太阳光线转过一个Δ角。也就是说Δ角越小，太阳能集光器载体3的跟随动作越频繁，工作时间内太阳光线与太阳能集光器载体3垂直的时间也越长，但Δ角如果太小会出现互相干扰现象。总之，Δ角的选取是根据反复的实验结果得到的，过大或过小都不好。

本实施例的传感器排布结构可采用如图5的电路结构，以实现智能控制太阳能集光器载体3的仰角和方位角，其实际的实施形态不受限制。方位角是指太阳能集光器载体3在水平面做0°~360°旋转时，以正南方向为标准，将太阳能集光器载体3的面向偏东或偏西调整的一个角度。方位角调整时太阳能集光器载体3在水平面做左右运动。

如图5，本实施例的电路控制系统包括电源、控制器、电机驱动、电机M1、电机M2及光电器件，该光电器件即X轴支架11及Y轴支架12上的所有的光敏传感器装置2。

位于X轴支架11的中心光敏传感器装置25编号为X₀，位于X₀左边的X轴支架11部分称为X轴支架11的左半轴，位于X₀右边的X轴支架11部分称为X轴支架11的右半轴，在X轴支架11上分位于中心光敏传感器装置25两侧的非中心光敏传感器装置24从中间向两边依次编号为X₁、X₂、X₃……X_n-1、X_n，对应编号为X₁、X₂、X₃……X_n-1、X_n的非中心光敏传感器装置24与X轴支架11的夹角依次为x₁、x₂、x₃……x_n-1、x_n。具体参见图3。

位于Y轴支架12的中心光敏传感器装置25编号为Y₀，位于Y₀上边的Y轴支架12部分称为Y轴支架12的上半轴，位于Y₀下边的Y轴支架12部分称为Y轴支架12的下半轴。

Y轴支架12上的光敏传感器装置2的编号方式同X轴支架11，即其上的中心光敏传感器装置25编号为Y₀，非中心光敏传感器装置24从中间向两边依次编号为Y₁、Y₂、Y₃……Y_n-1、Y_n。对应编号为Y₁、Y₂、Y₃……Y_n-1、Y_n的非中心光敏传感器装置24与Y轴支架12的夹角依次为y₁、y₂、y₃……y_n-1、y_n。具体参见图2。

如图1，将X轴支架11上的所有光敏传感器装置2并联，Y轴支架12上的所有光敏传感器装置2并联。

结合图3，以X轴支架11上的X₀为中心，X轴支架11上左半轴上的所有非中心光敏传感器装置24引出两根引出导线，其中一根接地；右半轴上的所有非中心光敏传感器装置24引出两根引出导线，其中一根接地；X轴支架11上的中心光敏传感器装置25引出两根引出导线，其中一根接地。即X轴支架11上共引出3根引出导线。

如图2，以Y轴支架12上的Y₀为中心，Y轴支架12上半轴上的所有非中心光敏传感器装置24引出两根引出导线，其中一根接地；下半轴上的所有非中心光敏传感器装置24引出两根引出导线，其中一根接地；Y轴支架12上的中心光敏传感器装置25引出两根引出导线，其中一根接地。即Y轴支架12上共引出3根引出导线。

综上，X轴支架11、Y轴支架12上总共引出6根引出导线。

如图5，将所述的6根引出导线与控制器的6个不同信号输入口连接，所述的控制器与电机驱动电路连接，所述的电机驱动再分别与电源、电机M1及电机M2连接。其中，控制器的作用是判断光敏元件22所采集到的光信号，控制相应位置的电机转动，电机M1或M2转动带动太阳能集光器载体3转动，进而控制太阳能集光器载体3的方位角和仰角，使太阳能集光器载体3垂直于太阳光。其中，M1电机控制太阳能集光器载体3的仰角，M2电机控制太阳能集光器载体3的方位角。

将本实用新型的传感器排布结构，安装在太阳能集光器载体3上。即X轴支架11和Y轴支架12相交后固定在太阳能集光器载体3的表面上，且与太阳能集光器载体3的表面保持平行重合。

当太阳能集光器载体3处于非最佳集光方位时，太阳能集光器载体3在电机M1和电机M2的控制下，不断地调整空间角度，即X轴支架11和Y轴支架12均处于不断地转动状态。在角度的调整过程中，当光线射入X轴支架11上的某一非中心光敏传感器装置24（中心光敏传感器装置25除外。当中心光敏传感器装置25的光敏元件22感光时，太阳能集光器载体3垂直于阳光，不需要再进行角度调整），该非中心光敏传感器装置24对应的光敏元件22的感光点23受到光线照射，并将得到的光信号转化为电信号，与光敏元件22电路连接的控制器采集到该电信号，使控制太阳能集光器载体3的仰角的电机M1停转，电机M2继续转动。Y轴支架12上的空间方位的调整过程类似于X轴支架11，先是使控制太阳能集光器载体3方位角的电机M2停转，电机M1继续转动。转动到一定角度后，此时太阳光线的方向与两支架中间的两个中心光敏传感器装置25的的黑色圆筒21的母线平行（因为当控制仰角的电机M1停转，说明此时太阳能集光器载体3的仰角已经和太阳高度角互余，然后当控制方位角的电机M2收到停转信号时，就是太阳能集光器载体3跟踪了太阳的自转方向。故此时的太阳能集光器载体3与太阳光线垂直，就是太阳光线与两支架的中心光敏传感器装置25的黑色圆筒21的母线平行），即都射入内部，达到追踪太阳的目的。

在实际操作中，控制仰角的电机M1和控制方位角的电机M2是同时转动的，当X轴支架11或Y轴支架12上的某个光敏传感器装置2的光敏元件22首先接收到光信号，就决定了相应电机的停转，另一电机按控制器所给信号继续转动，直到中心光敏传感器装置25感光。如果X轴支架11上的光敏元件22首先接收到光信号，控制仰角的电机M1首先停转，控制方位角的电机M2根据控制器所给信号决定向X左半轴或右半轴方向继续转动，直到X₀感光；如果Y轴支架12上的光敏元件22首先接收到光信号，控制方位角的电机M2停转，控制仰角的电机M1根据控制器所给信号决定向Y上半轴或下半轴方向转动，直到Y₀感光。

在本实施例1中，取黑色圆筒21的尺寸如下：高度h=20mm，底面直径d=1mm，则：

 取Δ=3°，则太阳每转过3°，太阳能集光器载体3就能做出跟随动作，跟随太阳光线转3°。

实施例2

相比于实施例1，本实施例2中，取黑色圆筒21的尺寸如下：高度h=20mm，底面直径d=2mm，则：取Δ=6°，则太阳每转过6°，太阳能集光器载体3就能做出跟随动作，跟随太阳光线转6°。

综上所述，本实用新型可根据实际使用的太阳能集光器载体3，配备相应功率的电机、电源、电机驱动及单片机等控制器。根据当地的实际情况（日出和日落时间），设定系统工作时间，可降低系统能耗，进一步节约能源。

根据使用场合的精度要求，确定控制电路的制作方案、光敏传感器装置2（不同传感器的灵敏度及抗干扰能力不一样）的型号、角度Δ的大小、黑色圆筒21的直径等参数，都会影响整个光线采集系统的精度、灵敏度及系统制作成本，确定好以上各种方案及参数，就可以进行系统制作。

Claims (5)

1.一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，它包括水平的X轴支架（11）和竖直的Y轴支架（12），所述的X轴支架（11）和Y轴支架（12）垂直相交，交点为Y轴支架（12）的下端点与X轴支架（11）的左端点，其特征在于，所述的X轴支架（11）和Y轴支架（12）上沿支架长度方向上分别设置有一列光敏传感器装置（2）；

每个光敏传感器装置（2）包括黑色圆筒（21）和光敏元件（22），光敏元件（22）上设置有光敏元件（22）的感光点（23），所述的黑色圆筒（21）的下筒口固定在光敏元件（22）上并将光敏元件（22）的感光点（23）罩住，所述黑色圆筒（21）的上筒口穿出X轴支架（11）或Y轴支架（12），可接收光线。

2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，其特征在于，所述的光敏传感器装置（2）分为两类：位于X轴支架（11）和Y轴支架（12）中间位置处的中心光敏传感器装置（25）和分位于中心光敏传感器装置（25）两侧且呈对称排布的非中心光敏传感器装置（24）；

中心光敏传感器装置（25）的黑色圆筒（21）垂直于其所在的X轴支架（11）或Y轴支架（12）所在平面，分位于中心光敏传感器装置（25）两侧的非中心光敏传感器装置（24）的黑色圆筒（21）以中心光敏传感器装置（25）为中心，与X轴支架（11）或Y轴支架（12）沿长度方向的对称轴所成角度β从中心往两端依次以角度Δ递减。

3.根据权利要求2所述的一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，其特征在于，所述的角度Δ大小为1~10°。

4.根据权利要求3所述的一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，其特征在于，X轴支架（11）和Y轴支架（12）相交后固定在太阳能集光器载体（3）的表面上，且与太阳能集光器载体（3）的表面保持平行重合。

5.根据权利要求4所述的一种用于太阳能跟踪系统的传感器排布结构，其特征在于，所述的黑色圆筒（21）的直径是1~3mm。

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