CN204731646U - 一种聚光太阳能追日装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种聚光太阳能追日装置，包括追日传感器、放大电路、数据采集电路、控制电路和执行机构。本实用新型使用的追日传感器核心部件为铂材料制成的热传感器，采用检测热的方法来获得追日误差信号，克服了一般追日传感器使用多晶硅、光电二极管或光敏电阻等感光传感器参数随温度、时间等变化的缺点。本实用新型还利用了聚光太阳能发电系统自身的聚光透镜或反射镜集中光线的特点，克服了一般追日装置以小孔透光而导致易受灰尘影响、信号微弱等缺点。

Description

一种聚光太阳能追日装置

技术领域

本实用新型涉及聚光太阳能领域，尤其涉及聚光太阳能发电中的太阳光跟踪控制技术，具体涉及一种聚光太阳能追日装置。

背景技术

随着社会的发展，人类对能源，尤其是绿色能源的需求急剧增长，太阳能是目前受到重视的绿色能源，各种太阳能收集技术和设备越来越多地被投入使用，同时也出现了一种辅助装置，能够使太阳能收集设备跟随太阳运动，以提高太阳能收集效率。

然而目前出现的各种太阳跟踪装置均直接从检测光的角度出发思考和解决问题，使用小孔透光，并使用多晶硅太阳能电池板、光电二极管或光敏电阻等检测器件，这些检测器件均由感光材料制成，随接收光照强度不同它们输出不同的电压或者表现出不同的电阻值，通过检测这些变化可以获得光照强度变化的信息，从而获得追日误差信息，配合适当的控制器可使太阳能收集设备跟随太阳运动。

根据上述原理新制成或经过仔细调试的追日装置可以保持比较高的追日精度，但是经过一段时间的运行后追日精度会明显下降，导致太阳能收集效率的下降。其原因之一是，上述那些制作传感器的感光材料稳定性不够，尤其是在室外工作，烈日暴晒时环境温度可达数十度，夜晚则只有几度甚至零下多少度，随着时间的推移材料的输出特性逐步劣化，而且不同的两片材料劣化的速率并不一致，导致参数本应该相等的两片材料的参数有了较大的差距，最终导致传感器追日检测的精度越来越差；原因之二是，为了保证检测的精度，一般将小孔的尺寸做得很小，导致灰尘的影响很大，且小孔只能透下很少的光线，检测的信号强度很微弱；原因之三是，机械结构随着温度变化有热胀冷缩，且长期运行有机械磨损，这样导致同样的控制命令得到的执行结果并不一样。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的上述缺点，改变思路，虽然目标是追踪太阳，但不是直接去检测太阳光，而是通过检测太阳辐射的热来间接地检测太阳光照方向。

技术方案具体描述如下：

一种聚光太阳能追日装置，包括依次连接的追日传感器、放大电路、A/D数据采集电路、控制电路和执行机构。

包括以铂材料制成的热传感器，所述热传感器两两成对布置，与精密电阻构成电桥结构，所述精密电阻包括精密固定电阻和精密可调电阻；成对布置的热传感器用于检测南北或东西方向的追日误差，有误差时一个热传感器的阻值变大，而另一个热传感器的阻值变小，电桥结构将这种变化转换成电压信号输出。

所述的热传感器由细铂丝在绝缘、耐热的细棒上绕成螺线型而制成；且制成的热传感器包括直线型或圆弧型。

所述的热传感器在聚光太阳能发电系统中，为4只直型传感器，按正方形布置于光伏芯片的四周，且在一个平面上。

所述的热传感器在有二次匀光器的聚光太阳能发电系统中，为4只圆弧的圆弧型传感器，布置于二次匀光器上方，且在一个平面上。

所述的4只热传感器分别为A、B、C、D；A、C相对布置，用于测量南北方向的追踪误差，传感器B、D相对布置，用于测量东西方向的追踪误差；RA、RB、RC、RD分别代表热传感器A、B、C、D的电阻值，R1、R2为精密固定电阻，RX1、RX2为精密可调电阻；

R1、RX1、RA、RC构成一个平衡电桥，串联的R1、RX1与串联的RA、RC并联；

R2、RX2、RB、RD构成另一个平衡电桥，串联的R2、RX2与串联的RB、RD并联；

两个平衡电桥并联，分别接稳定的直流电源。

还包括有6个连接端子1、2、3、4、5、6，其中2端子从RA、RC之间引出，3端子从R1、RX1之间引出，4端子从RB、RD之间引出，5端子从R2、RX2之间引出；1、6端子之间接稳定的直流电源，从2、3端子输出检测到的南北方向追日误差信号，从4、5端子输出东西方向的追日误差信号。

所述执行机构包括步进电机、水平和垂直两个运动轴，步进电机接收控制电路的指令，带动两个运动轴分别进行水平和垂直转动。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

追日传感器采用的核心传感器以铂材料制成，铂具有化学稳定性高(除王水以外不受酸碱腐蚀)、抗氧化性强、热膨胀系数小、热电稳定性强等优点，而且铂的电阻值与其温度有固定的关系，尤其适合于测量温度，目前大量测温元件均为铂材料制成，比如PT10、PT100、PT1000等。

在本实用新型中，利用了聚光太阳能发电系统自身的聚光透镜或反射镜聚集的太阳光进行追日误差检测，由于透镜或反射镜的面积很大，检测受灰尘的影响很小，且能够获得比较大的信号保证检测精度。

在传感器的布置方面，将传感器直接布置在最终接收光线的光伏芯片四周(对于有二次匀光器的系统则将传感器直接布置在二次匀光器四周)，只要追日有偏差，太阳光没有最佳地照射到光伏芯片或二次匀光器，则一定会偏到某一侧的传感器上，传感器就能检测到偏差，控制器就能根据检测到的信号发出指令控制执行机构做相应的动作。因此，机械部分的热胀冷缩或机械磨损均不会对追日的精度产生影响。

附图说明

图1为在聚光太阳能发电系统中，热传感器的平面布置示意图；

图2为在聚光太阳能发电系统中，热传感器的布置示意图；

图3为南北方向检测原理示意图，其中图3(a)为准确追踪，3(b)为有偏北误差；

图4为与热传感器相关的电桥电路连接关系示意图；

图5为本聚光太阳能追日装置的基本结构框图；

图6为热传感器、电桥、放大、电平移动、电桥供电电路具体原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型中的追日传感器以铂材料制成温度传感器，由于铂的电阻率很小，一般使用细铂丝，并在绝缘、耐热的细棒上绕制成螺线型，使其总电阻值大一些以限制电流，并增加感温能力。制成的温度传感器根据具体情况可以为直型、圆弧型或其他合适的形状。在聚光太阳能发电系统中，使用4只直型传感器按正方形布置于光伏芯片的四周(如图1所示)。

其中传感器A、C相对布置，用于测量南北方向的追踪误差，传感器B、D相对布置，用于测量东西方向的追踪误差。

如图2所示，聚光透镜聚集的太阳光照射于光伏芯片上，紧挨光伏芯片布置的热传感器也可以接受到一定的热辐射。以南北方向为例，如图3所示，其中2个黑块为检测南北方向偏差的传感器A和C，中间的圆形为光斑，经过合适的安装调试则准确追踪时可以使得光斑恰好紧挨2个传感器(图3.a)，2个传感器受到的热辐射强度相等；如果在运行过程中发生偏北的误差(图3.b)则光斑有一部分照在传感器A上，同时也远离了传感器C，则A受到的热辐射强度增大，同时C受到的热辐射强度减小，A的阻抗增加而C的阻抗减小，经过后续电路则可输出与追日误差相关的信号。东西方向的检测使用传感器B和D，追踪方法与此类似。

电路连接关系如图4所示，RA、RB、RC、RD分别代表热传感器A、B、C、D的电阻值，在制作中使用同样的铂材料并截取同样长度制成热传感器，使RA、RB、RC、RD相等以保证在正确追日的时候电桥为平衡状态；R1、R2为精密固定电阻，RX1、RX2为精密可调电阻；R1、RX1、RA、RC构成一个平衡电桥，理想情况下RA＝RC、R1＝RX1，若制作时有误差不能满足RA＝RC则通过调整RX1可使R1/RX1＝RA/RC，则在正确追日的时候电桥平衡并输出0V的信号；R2、RX2、RB、RD构成另一个平衡电桥，与前一个平衡电桥类似，R2/RX2＝RB/RD，在正确追日的时候电桥平衡并输出0V的信号。本追日传感器有6个连接端子1、2、3、4、5、6，其中1、6端子之间接稳定的直流电源，从2、3端子输出检测到的南北方向追日误差信号，从4、5端子输出东西方向的追日误差信号。

仍以南北方向为例，追日准确时，经过调整RX1可以使端子2、3的电位相等，即2、3之间没有电位差，输出电压为0。若发生向北方偏离的追日误差，则RA增大且RC减小，则端子2的电位下降，由于端子3的电位不变，则从端子2、3之间可以输出一个负的电压信号，表明向北偏离，同时该电压信号的大小表明了偏离的程度。东西方向的检测从4、5端子输出信号，原理与此类似。

如图5，在实际使用中，追日传感器输出的偏差信号经过放大后由A/D数据采集器转换成数字信号，控制电路根据该信号判断追日偏差的方向和程度，并发出指令控制执行机构动作，使该偏差逐步减小到可以接受的范围。

下面以一个实施方式为例具体说明，参照本例可以根据具体情况获得其他实施方式。

如图1所示，将4个热传感器呈正方形布置于光伏芯片的四周，在调整好方向使透镜聚集的太阳光最佳地照射在光伏芯片上时，再通过调整热传感器的位置和高度使聚集的光斑同时紧挨或略微覆盖4个热传感器。由于经过聚集的太阳光强度很大，光斑移动会导致某一个热传感器受到的照射变强的同时导致相对的一个热传感器受到的照射变弱，两者的温度分别会大幅度上升和下降，通过平衡电桥输出的误差信号则会有明显变化，而且对称性和平衡度可以通过精密可调电阻RX1或RX2调整匹配。因此，在安装过程中无须绝对的对称和平衡，只需大致对称即可，安装简单、快捷。

安装好热传感器之后，按图4所示电路连接热传感器、固定电阻和精密可调电阻，完成追日传感器的安装；再增加以仪表放大器AD620为核心的放大电路，按图6所示方法连接追日传感器和放大电路；调整聚光太阳能发电板的方向，使之正对太阳，使聚集的光斑最佳地覆盖光伏芯片；按上述方法调整4个热传感器至合适位置和高度；调整可调电阻RX1和RX2，使AD620为核心构成的放大电路的输出为0。

具体电桥、放大电路如图6所示，其中RA、RC为南北方向热传感器，与R1、RX1一起构成平衡电桥，电桥输出的误差电压信号经过精密仪表放大器AD620放大，其中R11可以调整放大倍数。

由于A/D转换器(A/D数据采集器)只能转换正的电压信号，在放大电路的后面再增加一级电平移动电路，该电路由OP07构成加法器实现，在放大电路输出信号的基础上加上了一个固定的1.5V，该1.5V电压信号来自稳压芯片AMS1117-1.5。

稳压芯片输出的1.5V还作为电源提供给电桥，由于铂丝制成的热传感器电阻值很小，为防止电流过大，在电源上还串接了两只二极管，使供给电桥的电源电压大约只有0.1V。由于在工作过程中，各个部分电流基本不发生变化或只发生很缓慢变化，同时电桥的检测精度对电源电压变化不敏感，故在此场合可以使用这个形式的电路，无须另外配置高稳定的电源，可以降低系统复杂度和成本。

经过电平移动的误差信号经过A/D转换器(如图5)转换成数字信号，控制器(如图5)根据采集的该数字信号进行追日偏差方向和大小的判断，并据此发出方向和PWM脉冲信号，这两种信号经过步进电机驱动器后驱动步进电机(型号为57HS11242A4JD11)向合适的方向转动合适的角度，步进电机的转动经过减速比为1/60的减速器增加精度后最终使太阳能发电装置转向正对太阳的方向。

Claims (8)

1.一种聚光太阳能追日装置，其特征在于：包括依次连接的追日传感器、放大电路、A/D数据采集电路、控制电路和执行机构。

2.根据权利要求1所述的一种聚光太阳能追日装置，其特征在于：包括以铂材料制成的热传感器，所述热传感器两两成对布置，与精密电阻构成电桥结构，所述精密电阻包括精密固定电阻和精密可调电阻；成对布置的热传感器用于检测南北或东西方向的追日误差，有误差时一个热传感器的阻值变大，而另一个热传感器的阻值变小，电桥结构将这种变化转换成电压信号输出。

3.根据权利要求2所述的一种聚光太阳能追日装置，其特征在于：所述的热传感器由细铂丝在绝缘、耐热的细棒上绕成螺线型而制成；且制成的热传感器包括直线型或圆弧型。

4.根据权利要求3所述的一种聚光太阳能追日装置，其特征在于：所述的热传感器在聚光太阳能发电系统中，为4只直型传感器，按正方形布置于光伏芯片的四周，且在一个平面上。

5.根据权利要求4所述的一种聚光太阳能追日装置，其特征在于：所述的热传感器在有二次匀光器的聚光太阳能发电系统中，为4只圆弧的圆弧型传感器，布置于二次匀光器上方，且在一个平面上。

6.根据权利要求4或5所述的一种聚光太阳能追日装置，其特征在于：所述的4只热传感器分别为A、B、C、D；A、C相对布置，用于测量南北方向的追踪误差，传感器B、D相对布置，用于测量东西方向的追踪误差；RA、RB、RC、RD分别代表热传感器A、B、C、D的电阻值，R1、R2为精密固定电阻，RX1、RX2为精密可调电阻；

R1、RX1、RA、RC构成一个平衡电桥，串联的R1、RX1与串联的RA、RC并联；

R2、RX2、RB、RD构成另一个平衡电桥，串联的R2、RX2与串联的RB、RD并联；

两个平衡电桥并联，分别接稳定的直流电源。

7.根据权利要求6所述的一种聚光太阳能追日装置，其特征在于：还包括有6个连接端子1、2、3、4、5、6，其中2端子从RA、RC之间引出，3端子从R1、RX1之间引出，4端子从RB、RD之间引出，5端子从R2、RX2之间引出；1、6端子之间接稳定的直流电源，从2、3端子输出检测到的南北方向追日误差信号，从4、5端子输出东西方向的追日误差信号。

8.根据权利要求7所述的一种聚光太阳能追日装置，其特征在于：所述执行机构包括步进电机、水平和垂直两个运动轴，步进电机接收控制电路的指令，带动两个运动轴分别进行水平和垂直转动。