專(zhuān)利名稱(chēng)：太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光線入射角度測(cè)量裝置，特別涉及太陽(yáng)能應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的一種太 陽(yáng)跟蹤設(shè)備的跟蹤偏差測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率、降低發(fā)電系統(tǒng)建造成本是太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域 面臨的兩個(gè)主要難題。聚光太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)為解決這一技術(shù)難題提供了可能。所謂聚光太 陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)就是在太陽(yáng)跟蹤的基礎(chǔ)上，采用聚光技術(shù)使太陽(yáng)光能量聚集，達(dá)到提高發(fā)電 系統(tǒng)入射太陽(yáng)能量密度，減少系統(tǒng)中價(jià)格昂貴的太陽(yáng)能電池使用量，因而提高系統(tǒng)光電轉(zhuǎn) 換效率、降低系統(tǒng)建造成本的新型太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。目前該技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到 重視。精確的太陽(yáng)跟蹤是保證聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定、高效發(fā)電的重要前提，精確太 陽(yáng)跟蹤就是通過(guò)太陽(yáng)跟蹤設(shè)備使太陽(yáng)光線能夠始終垂直入射太陽(yáng)能接受器的表面，例如太 陽(yáng)能電池組件、聚光太陽(yáng)能組件的聚光透鏡表面。影響精確太陽(yáng)跟蹤的因素非常多，例如發(fā) 電系統(tǒng)受風(fēng)等外力的作用、系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)剛度、太陽(yáng)跟蹤控制方法、系統(tǒng)的安裝與調(diào)試等都 可能造成太陽(yáng)光線與太陽(yáng)能接受器的表面法線之間存在偏角，即太陽(yáng)跟蹤偏差。隨著聚光 太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)聚光倍數(shù)不斷提高，發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，太陽(yáng)跟蹤的偏差控制的要求 也不斷提高，因此，如何評(píng)價(jià)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)跟蹤偏差具有重要的意義。目前太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)方法主要有陰影觀測(cè)法、光電位置傳感器(PSD)法、光電 成像(CCD)法三種，但是陰影觀測(cè)法只能定性地判斷太陽(yáng)跟蹤的偏差方向，難以實(shí)現(xiàn)定量 和自動(dòng)檢測(cè)；PSD傳感器和CCD傳感器成本很高，技術(shù)十分復(fù)雜，目前還只是用于衛(wèi)星姿態(tài) 矯正、精確制導(dǎo)等軍事領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)在聚光太陽(yáng)能發(fā)電跟蹤過(guò)程中實(shí)時(shí)、定量監(jiān)測(cè)跟蹤偏 差，開(kāi)發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、測(cè)量精確、可靠性高的太陽(yáng)跟蹤偏差裝置是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、測(cè)量精確、可靠性高的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)在聚光太陽(yáng)能發(fā)電跟 蹤過(guò)程中實(shí)時(shí)、定量監(jiān)測(cè)跟蹤偏差，為提高太陽(yáng)能發(fā)電效率、改善太陽(yáng)跟蹤設(shè)備跟蹤精度提 供依據(jù)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是包括光筒，和與光筒同軸相連的且自 上而下排列的濾光罩、通光光闌、四象限光電探測(cè)元件、四象限光電探測(cè)元件座。其中所述 光筒垂直裝在光筒支座盒上。所述光筒支座盒，其上表面設(shè)有水平泡儀，其盒內(nèi)設(shè)有以支座 相連的偏差信號(hào)處理電路板，其底部設(shè)有密封底板，該底板上設(shè)有使光筒支座盒保持水平 狀態(tài)的調(diào)節(jié)螺栓。所述信號(hào)處理電路板，其輸入端由導(dǎo)線與四象限光電探測(cè)元件輸出端相 連，其輸出端由導(dǎo)線經(jīng)PC接口端子與計(jì)算機(jī)的輸入端連接。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要的優(yōu)點(diǎn)
其一.采用了四象限光電探測(cè)元件作為太陽(yáng)跟蹤偏差的傳感元件，因而具有分辨 率高、信號(hào)線性范圍寬、器件剛性好、配套電子線路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。其二 .采用了鍍膜光學(xué)玻璃濾光罩和吸光涂層光筒筒身內(nèi)壁設(shè)計(jì)，因而降低了背 景光等噪聲的干擾。其三.采用了偏差信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)接口電路，因而能實(shí)時(shí)處理和記錄太陽(yáng)跟蹤偏差。其四.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制作?？傊?，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、測(cè)量精確、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。



圖1是太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖。圖2是太陽(yáng)跟蹤偏差示意圖。圖3是四象限光電探測(cè)元件偏差測(cè)量原理圖。圖4是太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)信號(hào)處理電路原理框圖。圖5是太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置I/V轉(zhuǎn)換電路。圖6是太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置信號(hào)運(yùn)算電路。圖7是太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置在太陽(yáng)跟蹤設(shè)備安裝示意圖。圖8是太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置安裝局部放大圖。圖9是太陽(yáng)跟蹤偏差現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果圖。圖中1.調(diào)節(jié)螺栓；2.密封底板；3.信號(hào)處理電路板；4.光筒支座盒；5.導(dǎo)線； 6.四象限光電探測(cè)元件座；7.四象限光電探測(cè)元件；8.光筒；9.濾光罩；10.通光光闌； 11.水平泡儀；12. PC接口端子；13.太陽(yáng)能接受器表面；14.太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置；15.太 陽(yáng)跟蹤裝置；16.太陽(yáng)跟蹤裝置的支架；17.安裝座；18.腰形安裝孔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明提供的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，主要用于實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄太陽(yáng)跟蹤設(shè)備的 跟蹤偏差，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖3所示自上而下，光筒8同軸依次設(shè)有濾光罩9、通光光闌10、 四象限光電探測(cè)元件7、四象限光電探測(cè)元件座6。光筒8垂直安裝在光筒支座盒4上。光 筒支座盒4上表面設(shè)有水平泡儀11和光筒連接孔，盒內(nèi)設(shè)電路板支座，該支座安裝偏差信 號(hào)處理電路板3，四象限光電探測(cè)元件7輸出端由導(dǎo)線5與信號(hào)處理電路板3的輸入端連 接，信號(hào)處理電路板3的輸出端由導(dǎo)線通過(guò)安裝于光筒支座盒4側(cè)壁上的PC接口端子12 與計(jì)算機(jī)的輸入端連接。光筒支座盒4的底部設(shè)有密封底板2，該底板上設(shè)有安裝孔和調(diào)節(jié) 螺栓1，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓1，可以使光筒支座盒保持水平狀態(tài)，從而保證光筒軸線垂直太陽(yáng)能 接受器表面。所述光筒8由鋁合金材料制造，內(nèi)壁經(jīng)氧化形成黑色Al2O3吸光層。濾光罩9由鍍 TiO2和SiO2膜的光學(xué)玻璃構(gòu)成，濾光罩9可以使波長(zhǎng)400 SOOnm的太陽(yáng)光通過(guò)，使大于 SOOnm的太陽(yáng)光反射。通光光闌10通光孔為圓形，直徑為5mm，通光面積為四象限光電探測(cè) 元件有效光敏面積的1/4。
所述四象限光電探測(cè)元件7的結(jié)構(gòu)如圖3所示由A、B、C、D四片對(duì)稱(chēng)布置、光電特性一致的硅光電池組成，四象限光電探測(cè)元件7外形為圓形，有效光敏面直徑為10mm。所述硅光電池可以由市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)。所述四象限光電探測(cè)元件7和通光光闌10的外形也可以是方形。所述信號(hào)處理電路板3上裝有IV轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)運(yùn)算電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、偏差實(shí)時(shí)顯示電路和PC接口(圖4)，四象限光電探測(cè)元件7產(chǎn)生的偏差信號(hào)首先由I/V轉(zhuǎn) 換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)運(yùn)算電路處理后，再由AD轉(zhuǎn)換電路反饋到單片機(jī)處理，通過(guò)偏差實(shí)時(shí)顯示電路查看實(shí)時(shí)偏差數(shù)值，或經(jīng)串口與PC機(jī)相連，偏差數(shù)值在PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯 示禾口記錄。I/V轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。包括四象限光電探測(cè)元件中一個(gè)硅光電池D1，運(yùn)放芯 片LM324、偏值電阻Rf，運(yùn)放芯片LM324由市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)，偏值電阻Rf電阻值為Ik Ω，其它三 個(gè)硅光電池I/V轉(zhuǎn)換電路與圖5相同。Δ X方向上(圖3)偏差信號(hào)運(yùn)算電路包括加減運(yùn)算，除法運(yùn)算電路(圖6)。加法 運(yùn)算電路由信號(hào)源和各自的輸入電阻組成，Rl R4取值IK歐姆，偏置電阻Rf為IK歐姆。 補(bǔ)償電阻R5為200 Ω，14端口輸出電壓U02D = - (V1+V2+V3+V4)。U2B是一個(gè)減法器，對(duì)其 同相輸入端和反相輸入端信號(hào)進(jìn)行差運(yùn)算，再經(jīng)過(guò)放大處理；U2B加U3A組成除法器，將上 面所得差值再除以一個(gè)基數(shù)U2D輸出電壓，R6 Rl2阻值均取IK歐姆，U3A使用SE5535H芯 片。偏置電壓Uref為IV，此運(yùn)算電路輸出電壓Vx = (Uref+Vl+V4_V2_V3) / (V1+V2+V3+V4)。 Δ Y方向上(圖3)偏差信號(hào)采用相同的運(yùn)算電路。信號(hào)I/V轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)信號(hào)運(yùn)算電路處理后，經(jīng)過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換， 接入到普通51單片機(jī)上，經(jīng)過(guò)IXD1602實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，或經(jīng)串口與PC機(jī)相連，實(shí)時(shí)偏差數(shù) 值在PC機(jī)上顯示和記錄。本發(fā)明提供的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置14，其安裝在太陽(yáng)跟蹤裝置15的安裝座17 上。安裝座17固定在太陽(yáng)跟蹤裝置的支架16上，安裝座17上設(shè)有腰形安裝孔18使其具 有調(diào)整余量，調(diào)整安裝座17使其與太陽(yáng)能接受器表面13平行，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓1，使太陽(yáng)跟蹤 偏差檢測(cè)裝置14與安裝座17安裝面保持水平。如圖7和圖8所示。所述太陽(yáng)跟蹤裝置15為目前市場(chǎng)上采用的雙軸太陽(yáng)跟蹤裝置。當(dāng)太陽(yáng)跟蹤出現(xiàn)偏差時(shí)，太陽(yáng)光線與太陽(yáng)能接受器表面13法線之間將存在偏角， 如圖2所示傾角Y，本發(fā)明提供的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置即主要完成該傾角的測(cè)量。測(cè)量 過(guò)程包括傾斜的光線經(jīng)濾光罩9、通光光闌10后照射到四象限光電探測(cè)元件7的表面，由 于存在太陽(yáng)跟蹤偏差，因此光斑在四象限光電探測(cè)元件7四片對(duì)稱(chēng)布置的光電池中的面積 各不相同，如圖3所示，分別為Sl、S2、S3、S4，通過(guò)對(duì)各個(gè)象限光電池輸出光電流的歸一化 處理，得到光斑質(zhì)心的坐標(biāo)為<formula>formula see original document page 5</formula>
因此<formula>formula see original document page 5</formula>;式中IS1、IS2、IS3、Is4分別為各個(gè)象限光電池輸出光電流；d為通光光闌10孔直徑，H為通光光闌10與四象限光電探測(cè)元件7表面的距離， 本實(shí)例中H為35mm。
圖9顯示了太陽(yáng)跟蹤偏差現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果。測(cè)量時(shí)，太陽(yáng)跟蹤裝置采用的是每等待 30秒相同時(shí)間間隔后跟蹤一次的方法，由圖7結(jié)果可以看出，測(cè)量曲線具有很好的周期性 特征，周期為30秒，與設(shè)置的跟蹤等待時(shí)間間隔完全相同；在任一周期內(nèi)，結(jié)果反映出偏差 逐漸增大后突然減小的規(guī)律性特征，這是由于跟蹤系統(tǒng)在跟蹤到目標(biāo)位置后跟蹤運(yùn)動(dòng)停止 并開(kāi)始等待30秒，在等待過(guò)程中由于太陽(yáng)位置在變化，使偏差逐漸變大，直到等待時(shí)間結(jié) 束，跟蹤軸快速轉(zhuǎn)動(dòng)到下一個(gè)目標(biāo)位置后，消除了跟蹤偏差所形成的。測(cè)量結(jié)果反映出在30 秒等待周期中入射太陽(yáng)光偏差角在0.01 0. 12°間變化，這與理論計(jì)算最大偏差0. 115° 十分吻合。說(shuō)明被檢測(cè)的跟蹤裝置具有很高的跟蹤精度，而偏差角最小值為0.01°說(shuō)明被 檢測(cè)的跟蹤裝置的初始定位尚存在很小的定位誤差，測(cè)量結(jié)果為改善太陽(yáng)跟蹤設(shè)備跟蹤精度提供了依據(jù)。由偏差現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果同樣可以看出，本發(fā)明提供的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置具有很 好的測(cè)量精度和靈敏度，分辨率可以達(dá)到0.01°，完全可以適應(yīng)太陽(yáng)跟蹤偏差的測(cè)量。
權(quán)利要求
一種太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其特征在于包括光筒(8)，和與光筒(8)同軸相連的且自上而下排列的濾光罩(9)、通光光闌(10)、四象限光電探測(cè)元件(7)、四象限光電探測(cè)元件座(6)，其中所述光筒垂直裝在光筒支座盒(4)上；所述光筒支座盒，其上表面設(shè)有水平泡儀(11)，其盒內(nèi)設(shè)有以支座相連的偏差信號(hào)處理電路板(3)，其底部設(shè)有密封底板(2)，該底板上設(shè)有使光筒支座盒保持水平狀態(tài)的調(diào)節(jié)螺栓(1)；所述信號(hào)處理電路板(3)，其輸入端由導(dǎo)線與四象限光電探測(cè)元件輸出端相連，其輸出端由導(dǎo)線經(jīng)PC接口端子(12)與計(jì)算機(jī)的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其特征在于所述四象限光電探測(cè)元 件(7)由四片對(duì)稱(chēng)布置的硅光電池組成，四片硅光電池的光電特性一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其特征在于所述四象限光電探 測(cè)元件(7)和通光光闌(10)，其外形均為圓形或方形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其特征在于所述通光光闌(10)的通 光孔面積為四象限光電探測(cè)元件(7)有效光敏面積的0. 2 0. 3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其特征在于所述濾光罩(9)由鍍膜 光學(xué)玻璃構(gòu)成，通光波長(zhǎng)范圍為400 800nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其特征在于所述光筒(8)筒身內(nèi)壁 設(shè)有吸光層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其特征在于所述吸光層為黑色涂層 或者黑色氧化層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其特征在于所述偏差信號(hào)處理電路 板⑶上裝有I/V轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)運(yùn)算電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、偏差實(shí)時(shí)顯示電路和PC接口。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其特征在于四象限光電探測(cè)元件 (7)產(chǎn)生的偏差信號(hào)首先由I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)運(yùn)算電路處理后，再由AD 轉(zhuǎn)換電路反饋到單片機(jī)處理，通過(guò)偏差實(shí)時(shí)顯示電路查看實(shí)時(shí)偏差數(shù)值，或經(jīng)串口與PC機(jī) 相連，偏差數(shù)值在PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示和記錄。
全文摘要
本發(fā)明是一種太陽(yáng)跟蹤偏差檢測(cè)裝置，其包括光筒(8)，和與光筒(8)同軸相連的且自上而下排列的濾光罩(9)、通光光闌(10)、四象限光電探測(cè)元件(7)、四象限光電探測(cè)元件座(6)，其中所述光筒垂直裝在光筒支座盒(4)上；所述光筒支座盒，其上表面設(shè)有水平泡儀(11)，其盒內(nèi)設(shè)有以支座相連的偏差信號(hào)處理電路板(3)，其底部設(shè)有密封底板(2)，該底板上設(shè)有使光筒支座盒保持水平狀態(tài)的調(diào)節(jié)螺栓(1)；所述信號(hào)處理電路板(3)，其輸入端由導(dǎo)線與四象限光電探測(cè)元件輸出端相連，其輸出端由導(dǎo)線經(jīng)PC接口端子(12)與計(jì)算機(jī)的輸入端連接。本裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、測(cè)量精確和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C1/00GK101799287SQ20101010248
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者廖錦城, 張清杰, 李鵬, 楊培環(huán), 翟鵬程 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)