一种基于光纤导光的太阳跟踪传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于光纤导光的太阳跟踪传感器，通过在镜筒中安装透镜和分别代表四个方向的四根光纤作为精定位采光模块，并在镜筒侧面安装四组光纤作为粗定位采光模块，在暗盒底部安装电路板和四个光电池，每个光电池均与和其位于同方向上的精定位光纤连接，并与和其位于对角方向的粗定位光纤连接。本发明专利技术采用精定位采光与粗定位相结合采光的方法，减少了光电池的数量，从而简化了电路板的设计，降低了成本，并且由于粗定位采光模块可以在宽角度范围内均能采集到太阳光，扩大了本发明专利技术传感器的跟踪范围角。

Solar tracking sensor based on optical fiber light guide

The present invention provides an optical fiber tracking sensor based on the sun, four fibers in four directions respectively by installing the lens and in the barrel as a fine positioning lighting module, and the tube is installed on the side of four groups of optical fiber as a coarse positioning lighting module, installation of circuit board and four light batteries in the cassette bottom. Each light batteries are located in the same direction and the connection of the optical fiber and its precise positioning, and is located in the diagonal direction of coarse positioning of optical fiber connection. The invention adopts fine positioning lighting and lighting combination of coarse positioning method, reduced the number of photovoltaic cells, which simplifies the design of circuit board, reduces the cost, and because the coarse positioning module can collect all lighting light from the sun in a wide angle range, expanding the range of angle tracking sensor.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太阳跟踪传感器，尤其涉及一种基于光纤导光的太阳跟踪传感。
技术介绍
随着化石能源的不断消耗，使得地球上原本有限的能源量变得越来越紧迫，在所有可再生能源中，太阳能因具有数量大、能量强、清洁无污染等特点成为人类可持续发展的重要开发内容之一，但是太阳还有分布不均匀、强度不均匀等特点，这使的对太阳的开发和利用变得比较困难。随着人类对太阳能的研究不断的深入与广泛，目前研制成功的太阳能产品如热水器、太阳能光伏发电等设备已成功投入生产使用，并为人类的生活带来了极大的方便，同时也节约了大量的能源。然而这些均为固定式太阳能产品，相对于地球作不断运动的太阳来说，真正被利用的能量微乎其微。所以现阶段涌现了大量对太阳实时跟踪的研究热潮。香港大学教授通过研究太阳角度与太阳采光率的关系得出结论，固定式太阳设备与跟踪式太阳设备的太阳光采集率差了37.7％。所以跟踪式太阳设备的开发研究具有重要的意义。用于太阳跟踪的传感器使用最多的就是光电式传感，常用的有隔板式、金字塔式、镜筒式等。前两者精度不高稳定性差，而镜筒式精度得到提高的同时却限制了跟踪范围。有研究者提出将光纤和光电传感元件结合的办法提高传感器的性能，如中国专利申请号：200910264755，名称为：一种太阳敏感器及其测量方法的专利，公开了利用光纤的导光功能将四个方位上的太阳光线传送给光感元件，而一根光纤直接接受太阳光比较弱，且受到数值孔径的限制，需要外加GPS定位先进行粗定位后才能利用光纤进行精确定位，控制系统比较复杂，维护成本也比较高，理论上并不理想。目前太阳跟踪常用的高精度跟踪方法是二级跟踪，包括精定位和粗定位，两者相互独立，通常需要采集八路信号或者另外使用时钟跟踪模块、GPS全球定位等结合使用才能实现完整的跟踪，所以系统的控制就相对比较复杂，成本较高。
技术实现思路
针对现有技术中存在不足，本专利技术提供了一种基于光纤导光的太阳跟踪传感器，通过采用精定位与粗定位相结合的定位方法，扩大传感器的跟踪范围，提高传感器的跟踪精度，降低系统的成本。本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。一种基于光纤导光的太阳跟踪传感器，包括采光模块和信号采集模块，所述采光模块主要包括精定位采光模块和粗定位采光模块，所述信号采集模块包括光电元件和采集电路，所述精定位采光模块包括凸透镜、镜筒、光纤固定管和四根精定位光纤，凸透镜安装于镜筒的顶端，四根精定位光纤的入射端通过光纤固定管固定于凸透镜的正下方，四根精定位光纤的中心连线为正方形，定义四根精定位光纤(41-44)所处的方位分别为A、B、C、D四个方向，所述镜筒的中心轴线与四根精定位光纤的端面垂直；所述粗定位采光模块包括四个沿圆周方向均布在镜筒侧面上的粗定位光纤组，四个所述粗定位光纤组分别位于A、B、C、D四个方向上，每个粗定位光纤组中的粗定位光纤数量相同，所述粗定位光纤的入射端面从镜筒内穿过镜筒的表面，每个粗定位光纤组中的粗定位光纤的入射端从上到下依次排列，并且粗定位光纤的入射端面的垂线与镜筒中心轴线的夹角大于αmax，所述αmax为粗定位光纤的最大入射角；所述信号采集模块包括四个光电池、暗盒和电路板，所述镜筒位于暗盒的上表面，暗盒内设有四个暗格，四个光电池分别置于四个暗格内，且四个光电池分别处于A、B、C、D四个方向上，所述电路板设于暗盒内部底面，且所述光电池均集成在电路板上；位于A和C方向上的精定位光纤的中心线、粗定位光纤的中心线以及光电池的中心点均位于同一平面内，位于B和D方向上的精定位光纤的中心线、粗定位光纤的中心线以及光电池的中心点均位于同一平面内；四根精定位光纤和四个粗定位光纤组组成四个采光组，每个采光组包括一根精定位光纤和一个粗定位光纤组，并且所述精定位光纤和一个粗定位光纤的导出端均穿过暗盒的上表面进入暗盒中，四个光电池分别与一个采光组连接，每个光电池与和其位于同一方向上的精定位光纤的导出端相连，并且与位于所述光电池对面方向上的粗定位光纤组的导出端相连接。优选地，太阳光正入射时，凸透镜(1)聚焦光斑在四根精定位光纤的入射端面上形成的光斑半径d满足：r’为精定位光纤纤芯的半径。优选地，所述四根精定位光纤的入射端面与凸透镜中心的距离为L，其中，R为凸透镜的半径，F为凸透镜的焦距。优选地，所述每个粗定光纤组中有N(N≥2)根粗定位光纤，从上到下第i根粗定位光纤的入射端面垂线与镜筒中心轴线夹角定义为ηi，ηi满足：2αmax>ηi-ηi-1>0，这里N≥i>1。优选地，每个粗定光纤组中从上到下第1根粗定位光纤的入射端面垂线与镜筒中心轴线夹角η1满足：η1≤αmax+β，所述β满足：h为太阳光正入射时，经凸透镜聚焦到达精定位光纤的入射端面时的光斑半径。优选地，每个粗定光纤组中从上到下第N根粗定位光纤的入射端面的垂线与镜筒的中心轴线的夹角ηN满足：ηN+αmax≥90°。优选地，所述粗定位光纤和精定位光纤上均涂有紫外固化胶。优选地，所述凸透镜的半径R与精定位光纤纤芯的半径r’之比满足：15≥R/r’≥5。优选地，所述镜筒包括第一镜筒和第二镜筒，所述第一镜筒为圆柱形，凸透镜和光纤固定管均置于第一镜筒中，所述光纤固定管的底端与第一镜筒的底端平齐，所述第二镜筒为圆台形，第二镜筒连接第一镜筒和暗盒，所述粗定位光纤组沿圆周方向均布在第二镜筒侧面上。优选地，所述四个光电池均为硅光电池。本专利技术的有益效果：1)本专利技术太阳发生小角度偏移时，聚焦在精定位光纤入射端面上的光斑会灵敏的发生一定位移的偏移，位于对角方向上的两根精定位光纤接受到的光强差值变化更为明显，极大的提高了传感器的跟踪精度，同时也提高了灵敏度。2)本专利技术设有粗定位采光模块，当太阳偏角大于精定位采光模块的跟踪范围角，则由粗定位采光模块对太阳光进行跟踪定位，由于粗定位采光模块可以在宽角度范围内均能采集到太阳光，扩大了本专利技术传感器的跟踪范围角。3)本专利技术采用精定位采光与粗定位采光相结合的定位方法，减少了光电池的数量，从而简化了电路板的设计，降低了成本。4)本专利技术的光电池集成在电路板上，提高了传感器的集成度。附图说明图1为本专利技术所述基于光纤导光的太阳跟踪传感器的结构示意图。图2为本专利技术所述精定位光纤与粗定位光纤的排布示意图。图3为本专利技术所述基于光纤导光的太阳跟踪传感器的精定位工作原理图。图4为本专利技术一根精定位光纤的光通量及对应光电池的输出信号的实验数据图。图5为本专利技术所述基于光纤导光的太阳跟踪传感器的粗定位工作原理图。图6为本专利技术粗定位在位于对角方向上的两个光电池输出电流信号数据图。其中：1.透镜；101.滤光片；2.镜筒；3.光纤固定管；41～44.精定位光纤；45～48.粗定位光纤；5.暗盒；61～64.光电池；7.电路板；.L.透镜到导光光纤端面的距离；F.透镜的焦距。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。如图1所示，本专利技术所述的一种基于光纤导光的太阳跟踪传感器，包括采光模块和信号采集模块，所述采光模块包括精定位采光模块和粗定位采光模块，所述精定位采光模块包括凸透镜1、镜筒2、光纤固定管3和四根精定位光纤41-44，镜筒2包括第一镜筒和第二镜筒，所述第一镜筒为圆柱形，所述第二镜筒为圆台形，第一镜筒与第二镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤导光的太阳跟踪传感器，包括采光模块和信号采集模块，所述采光模块主要包括精定位采光模块和粗定位采光模块，所述信号采集模块包括光电元件和采集电路，其特征在于：所述精定位采光模块包括凸透镜(1)、镜筒(2)、光纤固定管(3)和四根精定位光纤(41‑44)，凸透镜(1)安装于镜筒(2)的顶端，四根精定位光纤(41‑44)的入射端通过光纤固定管(3)固定于凸透镜(1)的正下方，四根精定位光纤(41‑44)的中心连线为正方形，定义四根精定位光纤(41‑44)所处的方位分别为A、B、C、D四个方向，所述镜筒(2)的中心轴线与四根精定位光纤(41‑44)的端面垂直；所述粗定位采光模块包括四个沿圆周方向均布在镜筒(2)侧面上的粗定位光纤组(45‑48)，四个所述粗定位光纤组(45‑48)分别位于A、B、C、D四个方向上，每个粗定位光纤组中的粗定位光纤数量相同，所述粗定位光纤的入射端面从镜筒(2)内穿过镜筒(2)的表面，每个粗定位光纤组中的粗定位光纤的入射端从上到下依次排列，并且粗定位光纤的入射端面的垂线与镜筒(2)中心轴线的夹角大于αmax，所述αmax为粗定位光纤的最大入射角；所述信号采集模块包括四个光电池(61‑64)、暗盒(5)和电路板(7)，所述镜筒(2)位于暗盒(5)的上表面，暗盒(5)内设有四个暗格，四个光电池(61‑64)分别置于四个暗格内，且四个光电池(61‑64)分别处于A、B、C、D四个方向上，所述电路板(7)设于暗盒(5)内部底面，且所述光电池(61‑64)均集成在电路板(7)上；位于A和C方向上的精定位光纤的中心线、粗定位光纤的中心线以及光电池的中心点均位于同一平面内，位于B和D方向上的精定位光纤的中心线、粗定位光纤的中心线以及光电池的中心点均位于同一平面内；四根精定位光纤(41‑44)和四个粗定位光纤组(45‑48)组成四个采光组，每个采光组包括一根精定位光纤和一个粗定位光纤组，并且所述精定位光纤和一个粗定位光纤的导出端均穿过暗盒(5)的上表面进入暗盒(5)中，四个光电池(61‑64)分别与一个采光组连接，每个光电池与和其位于同一方向上的精定位光纤的导出端相连，并且与位于所述光电池对面方向上的粗定位光纤组的导出端相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤导光的太阳跟踪传感器，包括采光模块和信号采集模块，所述采光模块主要包括精定位采光模块和粗定位采光模块，所述信号采集模块包括光电元件和采集电路，其特征在于：所述精定位采光模块包括凸透镜(1)、镜筒(2)、光纤固定管(3)和四根精定位光纤(41-44)，凸透镜(1)安装于镜筒(2)的顶端，四根精定位光纤(41-44)的入射端通过光纤固定管(3)固定于凸透镜(1)的正下方，四根精定位光纤(41-44)的中心连线为正方形，定义四根精定位光纤(41-44)所处的方位分别为A、B、C、D四个方向，所述镜筒(2)的中心轴线与四根精定位光纤(41-44)的端面垂直；所述粗定位采光模块包括四个沿圆周方向均布在镜筒(2)侧面上的粗定位光纤组(45-48)，四个所述粗定位光纤组(45-48)分别位于A、B、C、D四个方向上，每个粗定位光纤组中的粗定位光纤数量相同，所述粗定位光纤的入射端面从镜筒(2)内穿过镜筒(2)的表面，每个粗定位光纤组中的粗定位光纤的入射端从上到下依次排列，并且粗定位光纤的入射端面的垂线与镜筒(2)中心轴线的夹角大于αmax，所述αmax为粗定位光纤的最大入射角；所述信号采集模块包括四个光电池(61-64)、暗盒(5)和电路板(7)，所述镜筒(2)位于暗盒(5)的上表面，暗盒(5)内设有四个暗格，四个光电池(61-64)分别置于四个暗格内，且四个光电池(61-64)分别处于A、B、C、D四个方向上，所述电路板(7)设于暗盒(5)内部底面，且所述光电池(61-64)均集成在电路板(7)上；位于A和C方向上的精定位光纤的中心线、粗定位光纤的中心线以及光电池的中心点均位于同一平面内，位于B和D方向上的精定位光纤的中心线、粗定位光纤的中心线以及光电池的中心点均位于同一平面内；四根精定位光纤(41-44)和四个粗定位光纤组(45-48)组成四个采光组，每个采光组包括一根精定位光纤和一个粗定位光纤组，并且所述精定位光纤和一个粗定位光纤的导出端均穿过暗盒(5)的上表面进入暗盒(5)中，四个光电池(61-64)分别与一个采光组连接，每个光电池与和其位于同一方向上的精定位光纤的导出端相连，并且与位于所述光电池对面方向上的粗定位光纤组的导出端相连接。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明阳，张丽，刘丕丕，曹国栋，徐小明，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32