一种太阳位置追踪传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种能够测量太阳精确位置的太阳位置光电追踪传感器，它通过遮光筒外四个对称排列的光电二极管初步测量到太阳入射光与集热面法线的偏移量，经过微机处理后输出控制信号，这种方法具有较大的追踪视角。实现初步追踪后，利用光学系统提高传感器的灵敏度，微机再处理四象限探测器的信号，输出控制数据，微调集热面的朝向，达到高精度追踪太阳位置的目的。通过检测四个光电二极管感应出来的电压值之和，传感器可以随着光照强度的变化而在工作与不工作之间互相切换，实现夜晚和阴雨天气不工作，只有在光照强度足够的情况下才工作。

【技术实现步骤摘要】
一种太阳位置追踪传感器
本专利技术涉及电力电子领域，尤其涉及一种太阳位置追踪传感器。
技术介绍
太阳能是一种清洁、持久的能源，具有很大的开发潜力。在我国大力发展新型能源的政策背景下，研究太阳能发电技术有着重要意义。太阳能有能量密度低、空间位置不断变化等特点，所以太阳能光热发电的关键技术之一为收集太阳能。在利用太阳能发电过程中，利用传感器准确跟踪太阳位置，使太阳能收集面始终垂直于太阳入射光，将其聚焦到一点集热发电。研究表明采用太阳位置实时跟踪技术的集热系统，比固定安装的系统太阳能接受率提高了37.7%，追踪精度直接影响着能量接受效率。因此，在太阳光热发电的过程中，追踪太阳位置的精度是一个重要指标，在设计太阳追踪系统时提高追踪实时精度是十分必要的。太阳能跟踪技术采用的方法有太阳轨迹跟踪法、光电追踪法以及混合追踪法。太阳轨迹跟踪法根据天文学中太阳轨道计算公式得到太阳的位置，用此数据控制跟踪机构对太阳全跟踪。这种方法成本低，可靠性高，但是无法完全消除累计误差，跟踪精度也只在1°左右。目前利用光电追踪法或混合追踪法的太阳位置传感器一般利用小孔成像原理，要么精度高但成本也高，成本低的精度却低了，性价比不高，并且还具有追踪视角小的缺点。
技术实现思路
针对现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种结构简单、成本低廉、具有较大的追踪视角和精度的太阳位置追踪传感器。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方法是：一种太阳位置追踪传感器，它包括遮光筒、光学系统、四象限探测器、光电二极管、微机信号处理板。四象限探测器和微机信号处理板安装在遮光筒内的底部，四个光电二极管对称安装在遮光筒外部，光学系统安装在遮光筒顶部。设四个光电二极管对应的感应电压信号分别为Ua、Ub、Uc、Ud。当太阳光照强度达不到发电最小值时，装在遮光筒外部的光电二极管感应出的电压值之和Ua+Ub+Uc+Ud小于设定值，微机判定追踪系统不工作。当光照强度达到发电强度时，Ua+Ub+Uc+Ud大于设定值，微机判定进入粗调追踪阶段。当集热面没有垂直于太阳光时，外部对称安装的光电二极管所受到的光照强度不一样，感应出来的电压信号也不一样。设两个垂直方向的偏移信号分别为Δm和Δn。有下式：通过微机将偏移信号转化为步进电机的转向和转动步数等数据，再用max232输出给执行机构，使集热面初步垂直于太阳入射光。经过上一步对追踪精度粗调后，太阳光便能透过光学系统在底部的四象限探测器上聚焦在一点上形成一个小光斑。设四个象限的的光敏元件对应不同光照面积分别产生阻抗电流i1、i2、i3、i4。此时四象限探测器感应出来的电流值之和i1+i2+i3+i4大于了设定值，微机判定进入微调阶段，微机只处理四象限探测器输出的信号并输出电机控制数据。由于上一步调整的精度有限，光点可能不在四象限探测器的中心点上，光斑在各个光敏元件上的面积不相同，从而产生的四个阻抗电流也将不相同。设光斑中心偏离探测器中心在x方向和y方向的偏移量分别为Δx和Δy。由于光电二极管产生的光电流i比较微弱，所以需要通过运算放大器将其转换为较大的电压信号U。考虑到光照强度不同时光电流的大小会变化，故还要将结果比值化。如下式：其中U1、U2、U3、U4分别对应于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个象限内光敏元件产生的电压信号。由此可测得光斑偏移光电探测器中心点的距离，进而由微机将偏移信号转化为步进电机的转向和转动步数等数据，再用max232输出给执行机构。步进电机对应转动，使Δx和Δy趋向于零，达到太阳位置高精度追踪的目的。同时，由上式可知，光斑距中心点偏移越远，Δx和Δy就越大，控制器就越容易测量到光斑偏离中心点。本专利技术加入了光学系统，利用光的折射原理，在太阳光入射角偏移一定角度时，光点偏移中心点的距离远远大于目前没有采用光学系统的其他设计。光点偏移中心点距离的扩大实际上就提高了传感器对太阳角度变化的灵敏度，既可以降低对四象限探测器性能的要求，从而采用便宜的探测器降低成本，同时也可以满足高精度的要求，这样便提高了传感器的性价比。同时，由于传感器具有粗调和精调两个阶段，既能保证追踪的高精度，也大大扩大了传感器的追踪视角。本专利技术的有益效果是：通过采用光学系统可以提高太阳位置追踪精度，同时也降低了传感器制作成本。采用粗调、精调两个步骤，相比传统传感器大大增加了追踪视角。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。图1是太阳位置光电追踪传感器组成结构图；图2是四象限追踪系统原理图；图3是两种方案形成光斑对比示意图；图1：1、光学系统2、遮光筒3、光电二极管4、四象限探测器5、微机处理板图3：a、光学系统原理示意图b、小孔成像示意图具体实施方式以下结合附图进一步说明本专利技术。本专利技术是一种太阳位置追踪传感器，包括不透光的遮光筒、光电二极管、四象限探测器、微机处理板；其中，四象限探测器装在微机处理板上并安装在遮光筒底部，光电二极管装在遮光筒外部口；其特征在于：还包括安装在遮光筒顶部的光学系统。所述光电二极管至少为四个。所述微机处理板是与遮光筒半径相同的电路板，嵌入遮光筒底部，密封不透光。所述至少为四个光电二极管贴在遮光筒外壁沿外圆周均匀对称安装；它们引出的信号线连接到微机处理板上，由微机对光电二极管输入信号进行处理，执行机构再根据处理后的信号发出对太阳位置追踪的命令；当光照强度不够时，光电二极管感应的电压值之和没达到设定值，微机判断执行机构不工作；当光照强度足够时，光电二极管感应的电压值之和大于设定值，微机判断传感器进入初步追踪阶段；进一步的，所述微机将偏移信号转化为步进电机的转向和转动步数数据，再用max232输出给执行机构。进一步的，所述太阳位置光电追踪传感器具有粗调和精调两个阶段。当处于夜晚或者阴雨天气时，光线强度不够，装在遮光筒外部的四个光电二极管感应出的电压值之和Ua+Ub+Uc+Ud小于设定值，微机判定处于不跟踪状态，输出步进电机转动步数为零，执行机构维持静止。当处于白天且光线强度足够，四个光电二极管感应出的电压值之和Ua+Ub+Uc+Ud大于设定值。微机首先进入粗调状态，微机只处理四个光电二极管感应出的电压信号，这四个信号经运算放大器放大后变为Ua、Ub、Uc、Ud。若这四个电压值不相等，则Δm和Δn将不等于零，其中Δm和Δn分别指两个垂直方向的电压偏移值。其计算公式为：微机通过AD采样Ua、Ub、Uc、Ud四个电压值后，用程序算出Δm和Δn的值将其转化为步进电机转动的方向和转动步数，并将此数据用MAX232传给执行机构。执行机构执行后，使集热面朝垂直太阳光的方向转去，此时四个光电二极管接受到的光照强度会产生变化，Ua、Ub、Uc、Ud趋向于相等。此时微机重新对这四个电压AD采样，并控制执行机构使集热面继续朝垂直太阳光的方向转去。如此循环，最终能达到Ua=Ub=Uc=Ud的动态平衡，即达到初步追踪太阳位置的目的。由于初步追踪精度不高，还需要继续微调。初步追踪达到一定精度时，太阳光经光学系统聚焦形成的光斑便能落在四象限探测器上。四象限探测器上的光敏元件便能感应出电流，经运算放大器后将此电流信号转化为0到5v的电压信号U1、U2、U3、U4。当U1+U2+U3+U4的值大于设定值时，微机判定进入微调阶段，微机只处理四象限探测器对应的电压信号。如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳位置追踪传感器，包括不透光的遮光筒、光电二极管、四象限探测器、微机处理板；其中，四象限探测器装在微机处理板上并安装在遮光筒底部，光电二极管装在遮光筒外部口；其特征在于：还包括安装在遮光筒顶部的光学系统。

【技术特征摘要】
1.一种太阳位置追踪传感器，包括不透光的遮光筒、光电二极管、四象限探测器、微机处理板；其中，四象限探测器装在微机处理板上并安装在遮光筒底部，光电二极管装在遮光筒外部口；其特征在于：还包括安装在遮光筒顶部的光学系统；所述光学系统由两个凸透镜和双直角棱镜正像系统构成，通过光学系统加大了光斑偏移距离；所述微机处理板是与遮光筒半径相同的电路板，嵌入遮光筒底部，密封不透光；所述光电二极管至少为四个，所述至少为四个光电二极管贴在遮光筒外壁沿外圆周均匀对称安装；它们引出的信号线连接到微机处理板上，由微机...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗德荣，龙徐，高剑，姜燕，冯垚径，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：