ES2329539B1 - HIGH PRECISION SOLAR SENSOR. - Google Patents
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Abstract
Sensor solar de alta precisión para la obtención de la posición del sol, que comprende:High precision solar sensor for obtaining of the position of the sun, which includes:
- una guía de luz (7) encargada de la recepción del rayo solar;- a light guide (7) responsible for reception of the solar ray;
- un sensor fotoeléctrico (2) de cuatro cuadrantes encargado de recibir el rayo solar proveniente de la guía solar (7);- a photoelectric sensor (2) of four quadrants in charge of receiving the solar ray coming from the solar guide (7);
- un circuito electrónico (9) configurado para adaptar la señal proveniente del sensor fotoeléctrico (2) a la conexión con un controlador electrónico (6);- an electronic circuit (9) configured to adapt the signal from the photoelectric sensor (2) to the connection with an electronic controller (6);
- una carcasa (11) para protección del sensor fotoeléctrico (2) y del circuito electrónico (9), con al menos una apertura (12) para recibir el cableado de alimentación y control.- a housing (11) for sensor protection photoelectric (2) and electronic circuit (9), with at least one opening (12) to receive the power wiring and control.
Description
Sensor solar de alta precisión.High precision solar sensor.
La presente invención se engloba dentro del campo de los sensores solares de precisión, que transmiten la posición solar a un controlador electrónico con alta precisión, necesario para sistemas solares de concentración.The present invention is encompassed within the field of precision solar sensors, which transmit the solar position to an electronic controller with high precision, necessary for solar concentration systems.
Los sensores existentes en el mercado buscan la posición solar pero sin ningún elemento de precisión, sino mediante la compensación de luminosidad entre varios sensores, y sobre todo no utilizan un bucle híbrido de control con sensor y microcontrolador con formula astronómica de seguimiento en caso de fallo del sensor o falta de luminosidad.The existing sensors in the market seek the solar position but without any precision element, but by the brightness compensation between several sensors, and especially do not use a hybrid control loop with sensor and microcontroller with astronomical monitoring formula in case of sensor failure or lack of brightness.
Algunos sensores solares, como el Acerval-Technosun, no utilizan ni colimador (concentrador) ni algoritmo astronómico para el bucle de control.Some solar sensors, such as Acerval-Technosun, they don't use a collimator (hub) or astronomical algorithm for the loop of control.
Otros sensores solares, como el Deger (Alemania), al igual que el anterior utilizan tres sensores dispuestos en 120º cada uno para en base a compensación de luminosidad calcular la posición solar, lo cual da problemas con las sombras de las nubes y aporta poca precisión.Other solar sensors, such as Deger (Germany), like the previous one use three sensors arranged at 120º each for compensation based on luminosity calculate the solar position, which gives problems with the cloud shadows and provides little precision.
Otros sensores, como el Delta (Taiwán), emplean un sistema basado en evitar sombras para calcular la verticalidad del sensor. Tampoco trabaja en bucle híbrido con algoritmo solar.Other sensors, such as the Delta (Taiwan), employ a system based on avoiding shadows to calculate the verticality of the sensor. It also does not work in hybrid loop with algorithm solar.
El problema de los sensores solares existentes es que no distinguen entre luz solar directa y difusa, por lo que en situaciones de baja luminosidad o sombras o nubosidad no pueden detectar con precisión dónde está el sol y hacen que los sistemas se vuelvan inestables y poco precisos.The problem of existing solar sensors is that they do not distinguish between direct and diffuse sunlight, so in situations of low light or shadows or cloudiness they cannot accurately detect where the sun is and make the systems become unstable and inaccurate.
La presente invención al ser un sistema con procesamiento y software de cálculo permite filtrar todas las adversidades anteriores y mantener la precisión de apuntamiento solar.The present invention being a system with Processing and calculation software allows you to filter all previous adversities and maintain pointing accuracy solar.
Además está capacidad de cálculo permite realizar tareas de autoajuste y calibración automática importantes durante la vida del seguidor solar puesto que normalmente sufren asentamientos y deformaciones.In addition this calculation capacity allows perform important auto-adjustment and automatic calibration tasks during the life of the solar tracker since they normally suffer settlements and deformations.
La invención se refiere a un sensor solar de alta precisión de acuerdo con la reivindicación 1 y a un sistema de obtención de la posición del sol según la reivindicación 7. Realizaciones preferidas del sensor solar y del sistema se definen en las reivindicaciones dependientes.The invention relates to a solar sensor of high precision according to claim 1 and a system of obtaining the position of the sun according to claim 7. Preferred embodiments of the solar sensor and the system are defined in the dependent claims.
El sensor solar de alta precisión comprende:The high precision solar sensor comprises:
- Una guía de luz encargada de la recepción del rayo solar. La guía de luz es un elemento compuesto por un tubo de aluminio calibrado, y está pintado con una pintura negra, opaca sin brillos. De esta forma sólo pasará la luz directa eliminando así los rayos difusos. Cuando el sensor solar se encuentre desenfocado respecto a la posición del sol un ángulo superior a la ventana de la guía de luz, no pasará luz a través de la guía de luz. En el caso de que el equipo se encuentre enfocado a la dirección del sol a través de la guía de luz, pasarán los rayos directos, los cuales incidirán en un sensor fotoeléctrico de 4 cuadrantes.- A light guide responsible for receiving the solar ray. The light guide is an element composed of a tube of calibrated aluminum, and is painted with a black, opaque paint without shine This will only pass direct light thus eliminating the diffuse rays. When the solar sensor is out of focus with respect to the position of the sun an angle greater than the window of The light guide will not pass light through the light guide. At If the equipment is focused on the direction of the sun through the light guide, the direct rays will pass, which they will affect a 4 quadrant photoelectric sensor.
- Un sensor fotoeléctrico de cuatro cuadrantes encargado de recibir el rayo solar proveniente de la guía solar. El sensor de cuatro cuadrantes está compuesto por 4 fotodiodos, los cuales generan una corriente eléctrica proporcional a la luz incidida en ellos. Los fotodiodos están soldados a una PCB, la cual actúa como soporte físico y conductor eléctrico, encargada de mantener fija la posición de los fotodiodos y conducir la corriente a través de las pistas rutadas. El sensor de cuatro cuadrantes se encuentra situado al final de la guía de luz, centrada respecto a ésta. De esta forma cuando la luz pase a través de la guía, en los fotodiodos se generará la corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz incidida, siendo esta independiente de cada sensor. Comparando las distintas intensidades se calcula la desviación del conjunto respecto a la posición solar.- A four quadrant photoelectric sensor in charge of receiving the solar ray coming from the solar guide. He Four quadrant sensor is composed of 4 photodiodes, the which generate an electric current proportional to the light affected them. The photodiodes are welded to a PCB, which acts as a physical support and electrical conductor, in charge of keep the position of the photodiodes fixed and conduct the current through the tracks The four quadrant sensor is It is located at the end of the light guide, centered on is. In this way when the light passes through the guide, in the photodiodes will generate the electric current proportional to the amount of light affected, being independent of each sensor. Comparing the different intensities, the deviation of the set with respect to the solar position.
- Un circuito electrónico configurado para adaptar ta señal proveniente del sensor fotoeléctrico a la conexión con un controlador electrónico.- An electronic circuit configured to adapt the signal from the photoelectric sensor to the connection With an electronic controller.
- Una carcasa para protección del sensor fotoeléctrico y del circuito electrónico, con al menos una apertura para recibir el cableado de alimentación y control.- A housing for sensor protection Photoelectric and electronic circuit, with at least one opening to receive power and control wiring.
La guía de luz tiene, en una realización preferente, 100 mm de longitud y una ventana de 6 mm, mientras que la carcasa tiene preferentemente un índice de protección IP67.The light guide has, in one embodiment preferred, 100 mm in length and a 6 mm window, while The housing preferably has an IP67 protection index.
El sistema comprende preferiblemente un protector manufacturado en vidrio o policarbonato que envuelve y protege la guía de luz.The system preferably comprises a protector manufactured in glass or polycarbonate that wraps and Protect the light guide.
Es también objeto de la presente invención un sistema de obtención de la posición del sol que comprende el sensor solar anterior y adicionalmente comprende el controlador electrónico, el cual está configurado para procesar las señales provenientes del sensor solar y obtener la posición del sol.An object of the present invention is also a system for obtaining the position of the sun comprising the sensor previous solar and additionally comprises the controller electronic, which is configured to process the signals coming from the solar sensor and get the position of the sun.
El controlador puede estar adicionalmente configurado para, en función de la posición del sol obtenida, corregir la posición del seguidor solar sobre el que está montado el sensor solar.The controller can be additionally set to, depending on the position of the sun obtained, correct the position of the solar tracker on which it is mounted the solar sensor
En una realización preferida el controlador electrónico comprende:In a preferred embodiment the controller electronic comprises:
- cuatro amplificadores encargados de amplificar las señales analógicas provenientes del sensor solar;- four amplifiers responsible for amplifying analog signals from the solar sensor;
- al menos un conversor analógico-digital (ADC) encargado de digitalizar las señales analógicas amplificadas;- at least one converter analog-digital (ADC) responsible for digitizing amplified analog signals;
- un microcontrolador encargado de recibir y procesar las señales digitalizadas.- a microcontroller responsible for receiving and Process the digitized signals.
El ADC puede estar dentro del microcontrolador (en este caso éste recibe las señales amplificadas, digitaliza y procesa las señales) o fuera del mismo (en este caso al microcontrolador le llegan las señales ya digitalizadas y amplificadas).The ADC can be inside the microcontroller (in this case it receives the amplified signals, digitizes and processes the signals) or outside of it (in this case at microcontroller get the already digitized signals and amplified).
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.Then it goes on to describe very brief a series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention presented as a non-limiting example of is.
La Figura 1 muestra una vista del sensor solar objeto de la presente invención.Figure 1 shows a view of the solar sensor object of the present invention.
La Figura 2 representa una vista en sección del sensor solar.Figure 2 represents a sectional view of the solar sensor
La Figura 3 muestra las dimensiones de la guía de luz del sensor solar.Figure 3 shows the dimensions of the guide of solar sensor light.
La Figura 4 muestra el conjunto sensor solar y controlador electrónico.Figure 4 shows the solar sensor assembly and electronic controller
Las Figuras 1 y 2 muestran el sensor solar 1 objeto de la invención, mientras que la Figura 4 muestra la conexión del sensor solar 1 con el controlador electrónico 6 donde se procesan las señales del sensor para conocer la posición exacta del sol. El sensor solar 1 consiste en un sistema fotoeléctrico que transmite la posición solar al controlador electrónico 6 con una precisión en ángulo de desviación mayor de 0,01º, necesario para sistemas solares de concentración.Figures 1 and 2 show the solar sensor 1 object of the invention, while Figure 4 shows the connection of the solar sensor 1 with the electronic controller 6 where Sensor signals are processed to know the exact position of the sun. The solar sensor 1 consists of a photoelectric system that transmits the solar position to the electronic controller 6 with a precision in deviation angle greater than 0.01º, necessary for solar concentration systems.
La Figura 1 muestra una vista del sensor solar 1.Figure 1 shows a view of the solar sensor one.
La Figura 2 muestra un corte longitudinal (siguiendo la guía de luz 7) de la vista anterior. El sensor solar 1 comprende una guía de luz 7 o tubo colimador, un sensor fotoeléctrico 2, de cuatro cuadrantes, un circuito electrónico 9 para adaptar la señal del sensor fotoeléctrico 2 a la conexión con el controlador electrónico, y una mecánica de protección para intemperie y cableado, incluyendo un protector 10, preferentemente de vidrio, que rodea y protege la guía de luz 7 y una carcasa 11 de protección del circuito electrónico (preferentemente con índice de protección IP67), con una apertura 12 para el cableado de alimentación y control.Figure 2 shows a longitudinal section (following light guide 7) from the previous view. Solar sensor 1 comprises a light guide 7 or collimator tube, a sensor photoelectric 2, four quadrants, an electronic circuit 9 to adapt the photoelectric sensor 2 signal to the connection with the electronic controller, and a mechanical protection for weathering and wiring, including a protector 10, preferably of glass, which surrounds and protects the light guide 7 and a housing 11 of electronic circuit protection (preferably with index of IP67 protection), with an opening 12 for wiring power and control.
La Figura 3 muestra una realización preferente
de la guía de luz 7, con 100 mm de longitud y una ventana de
6 mm.Figure 3 shows a preferred embodiment of the light guide 7, with 100 mm length and a window of
6 mm
La Figura 4 muestra el conjunto sensor solar 1 y controlador electrónico 6. El controlador electrónico 6 comprende un microcontrolador 3 con conversor analógico-digital 4 (en una realización preferida el conversor es de 10 bits; aunque en la figura 4 aparecen en bloques separados el conversor analógico digital puede estar o no incorporado en el microcontrolador, aunque normalmente lo estará) y cuatro amplificadores 5 (uno para cada cuadrante) de la señal analógica procedente del sensor solar 1.Figure 4 shows the solar sensor assembly 1 and electronic controller 6. Electronic controller 6 comprises a microcontroller 3 with converter analog-digital 4 (in a preferred embodiment the converter is 10 bits; although in figure 4 they appear in blocks separated the digital analog converter may or may not be built into the microcontroller, although normally it will be) and four amplifiers 5 (one for each quadrant) of the signal analog from solar sensor 1.
La precisión del conjunto controlador electrónico y sensor solar se logra ajustando el rayo solar a la ventana o apertura de la guía de luz 7 o tubo colimador, de 100 mm de longitud y su ventana de 6 mm, que nos da una apertura o ventana solar de:The precision of the controller set Electronic and solar sensor is achieved by adjusting the solar beam to the window or opening of light guide 7 or collimator tube, 100 mm in length and its 6 mm window, which gives us an opening or window solar of:
Para calcular la ventana de paso de la guía de luz se realiza un cálculo trigonométrico.To calculate the step window of the guide Light trigonometric calculation is performed.
Si aplicamos estas fórmulas con los valores de la guía de luz nos quedará:If we apply these formulas with the values of The light guide will fit us:
Para lograr la precisión de apuntamiento se actuará sobre el seguidor solar para corregir su posición en función de las lecturas de las señales analógicas del ADC (conversor analógico digital) del microcontrolador 3 y que son generadas por el sensor solar, y el error es el generado por la precisión del ADC. Este ADC tiene una resolución de 10 bit, es decir, 1023 puntos de resolución. Pero el área sensible de cada cuadrante del sensor fotoeléctrico de cuatro cuadrantes, determinada por la ventana del tubo del sensor, son aproximadamente 700 puntos. Como son 3.5º de ventana a cada cuadrante (un ADC por cada uno) le corresponden 1.75º por cuadrante (la mitad).To achieve pointing accuracy, will act on the solar tracker to correct its position in ADC analog signal read function (digital analog converter) of microcontroller 3 and which are generated by the solar sensor, and the error is generated by the ADC accuracy. This ADC has a resolution of 10 bit, it is say, 1023 resolution points. But the sensitive area of each quadrant of the four quadrant photoelectric sensor, determined through the window of the sensor tube, there are approximately 700 points. Since they are 3.5º of window to each quadrant (an ADC for each one) correspond 1.75º per quadrant (half).
Por lo tanto como son 700 puntos para cubrir 1.75º \rightarrow La precisión de apuntamiento que obtenemos es:Therefore as are 700 points to cover 1.75º \ rightarrow The accuracy of aiming that we obtain is:
Esta es la precisión máxima que nos da el sistema guiado por sensor solar. Se trata de precisiones no concurrentes por lo que podemos afirmar que estaremos por debajo de 3 centésimas (sin contar con el error de la mecánica) de grado en el movimiento con cálculo teórico y por debajo de 1 centésima en el movimiento con sensor solar (contando con el error inducido por la mecánica). Este último es el que más interesa porque representa el movimiento cuando haya sol, es decir cuando el panel es plenamente productivo.This is the maximum precision that the solar sensor guided system. It's about precisions no concurrent so we can say that we will be below 3 hundredths (not counting the mechanics error) of degree in the movement with theoretical calculation and below 1 hundredth in the movement with solar sensor (counting on the error induced by the mechanics). The latter is the most interesting because it represents the movement when there is sun, that is when the panel is fully productive.
Para poder enfocar el sensor solar dentro de la ventana de la guía de luz primero se utiliza el cálculo de la posición solar mediante una fórmula astronómica, la cual utilizando la fecha, hora y la posición GPS del equipo, calcula la posición del sol tanto en el ángulo azimutal como en zenital.To be able to focus the solar sensor inside the light guide window first the calculation of the solar position using an astronomical formula, which using the date, time and GPS position of the device, calculate the position of the sun in both the azimuthal and zenital angle.
Una vez hecho el primer enfoque, es el algoritmo de tratamiento de las señales de intensidad provenientes del sensor, el encargado de ajustar al máximo la posición solar.Once the first approach is done, it is the algorithm of treatment of the intensity signals coming from sensor, responsible for adjusting the solar position as much as possible.
Para realizar este cálculo se utiliza el porcentaje de radiación de cada uno de los cuadrantes. El seguimiento se realizará mediante la desviación máxima permitida por el software, moviendo los motores necesarios para enfocar el sensor en la dirección solar y así conseguir el máximo porcentaje de radiación posible.To perform this calculation the Radiation percentage of each of the quadrants. He monitoring will be carried out by the maximum allowed deviation by the software, moving the necessary motors to focus the sensor in the solar direction and thus achieve the maximum percentage of possible radiation.
Claims (9)
solar (7);- a four quadrant photoelectric sensor (2) in charge of receiving the solar beam coming from the guide
solar (7);
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