专利名称：太阳位置光电传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器，特别是涉及一种高精度宽范围太阳位置光电传感器。
技术背景随着近年来太阳能光伏发电技术，尤其是聚光光伏发电技术的发展，高精度太阳位置 跟踪技术越来越重要。而光电传感器作为光电跟踪的核心部件，其可达到的精度直接影响 跟踪系统的跟踪精度，而其跟踪精度高低是直接影响太阳能光伏发电系统发电效率的因素 之一。但是一般传感器在保证了高精度情况下往往忽略了跟踪范围因素，导致传感器经常 出现因跟踪范围小而搜索不到太阳的情况。而一些改进技术虽然提高了传感器的跟踪范 围，但是仍然不能使人满意。所以，保证光电传感器在跟踪范围、跟踪精度等方面同时达 到要求成为影响光电跟踪技术发展的瓶颈。 发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳位置光电传感器，以克服现有太阳位置 传感器精度低和跟踪范围小等缺点。本发明解决其技术问题采用的技术方案是本太阳位置光电传感器的内部设有精确跟 踪组件，外部设有粗略跟踪组件。精确跟踪组件由通光孔片和四象限硅光电池组成，四象 限硅光电池放在传感器的底座上，通光孔片的光班孔位于四象限硅光电池的正上方，光班 孔中心与四象限硅光电池原点均位于所述传感器的中心轴线上。粗略跟踪组件由四块普通 硅光电池组成，它们均匀分布在所述传感器的斜壁的外侧上。本发明与现有技术相比具有以下主要的优点有效跟踪范围扩大，可以检测到330。范围以内的太阳位置，同时跟踪精度可以达到o.r以内。并且结构简单，成本较低，使用方便。
图1是太阳位置光电传感器的总装图主视图。图2是图1的俯视图。图3是太阳位覽光电传感器可检测角度示意图。 图4是四象限硅光电池与光斑位置示意图。 图5是入射角为0.T时主视简图；图中l.探头盖；2.通光孔片；3.斜壁；4.普通硅光电池；5.四象限硅光电池；6.底座。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细描述。本发明提供的太阳位置光电传感器，其结构如图1至图4所示内部设有精确跟踪组3件，外部设有粗略跟踪组件；精确跟踪组件由通光孔片2和四象限硅光电池5组成，四象 限硅光电池放在传感器的底座6上，通光孔片的光班孔位于四象限硅光电池的正上方，光 班孔中心与四象限硅光电池原点均位于所述传感器的中心轴线上；粗略跟踪组件由四块普 通硅光电池4组成，它们均匀分布在所述传感器的斜壁3的外侧上。所述光斑孔中心与四象限硅光电池5的距离为19 21mm，建议为20mm。光斑孔的 直径为四象限光电池直径的二分之一。所述斜壁3为梯形台，各斜边倾角均为75° 。各斜边上有对称布局的槽，普通硅光 电池4嵌于其中。普通硅光电池4可采用市场上廉价的晶体硅光电池。所述的四块普通硅光电池4，两两对称，分别分布在四象限硅光电池5的X轴线和Y 轴线上。四象限硅光电池5安装后的X轴线对应于东西方向，Y轴线对应于南北方向。所述的四象限硅光电池5，其工作原理是四象限硅光电池每个象限上的电流输出与 其接收到的光照成线性关系，当太阳光斑照射到四象限硅光电池的中心，即光斑中心于四 象限硅光电池中心重合时，四象限硅光电池的四个象限接收到的光照能量相等，输出相等； 而当太阳移动后，其入射角发生变化，光斑在四象限硅光电池坐标系中发生偏移，接收到 光照能量多的象限电流输出增大，接收到光照少的象限电流输出减少，从而来判断太阳的 位置变化。要想达到高精度，本太阳位置光电传感器(简称传感器)的精密跟踪组件部分 必须有很少的干扰，所以此精密跟踪部分采用除了小光斑孔外其它部分均密封不透光的结 构设计。而达到对太阳的高精度跟踪，即是在图3所示a角度范围内，太阳入射光线与传 感器轴线夹角很少时，传感器也能完成对太阳位置的感知并促使精密跟踪组件部分去跟踪 太阳。而这个角度越小越好。因此，只要四象限硅光电池的灵敏度足够高，信号采集部分 对信号的灵敏度足够高，就能够达到足够的精度。如图4所示，此时太阳光斑在四象限硅 光电池的X坐标上，如图5所示光斑中心距离四象限电池的中心为AX=H TAN(O. 1 。)=20 TAN(O. 1° )=0. 035(mm)，为了方便计算，当小角度时可以把光斑类似为正方形。 当光斑完成偏移至X坐标负方向时，两边的电流输出偏差最大。而光电池的电流输出与其 受光面积成线性关系，所以此时四象限硅光电池X轴正负方向电流输出偏差与最大电流输 出偏差的比值为2AX (R/2) :n (R/2) 2=0. 045。而单片机的数模转换芯片最基本的8 位ADC芯片精度就达到l/2's，比0.045小的多，所以对信号的采集判断完全达到精度要求。 现在市场上-一般的四象限硅光电池也完全可以达到这种精度。而a角的大小由四象限硅光 电池的有效接收光照面积大小和传感器的中通光孔片2与四象限硅光电池的跟踪H决定。 H太大的话，a角较小，精确跟踪的角度范围过小，使得精确跟踪与粗跟踪频繁的切换， 造成系统不稳定；H太小的话，上面的AX较小，保证不了跟踪的精度。因此此处选取H 为20mm。例某天早上跟踪系统面对东方，而此时为阴雨天，跟踪系统停止工作。下午太阳出 来时，启动跟踪系统。太阳光线于传感器轴心线偏差一定角度。当此角度大于90度时， 一般的太阳位置传感器无法检测到太阳的位置，而本发明可以检测到330度内的太阳位置。此时偏角大于精确跟踪角度即四象限光电池工作角度范围a ，启动粗略跟踪程序。此 时，太阳光线仅能照射到一边的两个普通硅光电池，使得其输出电流较大，可以判断太阳 大体的方位，控制跟踪系统向太阳的方向转动。太阳入射角减小到同时照射到另外的两个 普通硅光电池时，因为太阳光线在电池上的入射角不同，绝对光照能量也不同，原来的接 受到光照的两个普通硅光电池的接受的太阳能量仍然较大，所以跟踪系统继续向太阳方向 粗跟踪。当太阳光线与传感器的轴线夹角小于a时，内部四象限硅光电池接受到太阳光照 而有突然变大的电流输出。可以设定一个电流阀值，当电流大于这个阀值就可以判定太阳 入射角已经小于a了。此时进入精确跟踪阶段，屏蔽外面的四个普通硅光电池的信号，只 对四象限硅光电池的四个象限电流信号进行处理。此时太阳光斑在四象限坐标系中偏移原 点较大，其中心所在的象限部分电池电流输出较大，可以断定太阳的位置，从而进行精确 跟踪。当同一坐标轴两边的电池的电流输出小于一个阀值，即设定的保证跟踪精度的太阳 入射角最小值时的电流差值，即可判断跟踪完成。等待一个时间T后再进行判断再进行跟 踪来完成对太阳位置的连续跟踪。
本发明提供的太阳位置光电传感器(简称传感器)，其通过对四象限硅光电池的四个 象限输出电流值进行比较，可以计算出太阳落在电池上的光斑的中心距离四象限硅光电池 坐标中心的偏差，从而得到太阳位置和传感器轴线方向的角度偏差；通过比较四个硅光电 池输出电流值可以得到太阳的粗略位置以便完成粗略位置检测；可以采用单片机完成粗略 位置检测和精确位置检测的信号处理以及两种检测之间的逻辑处理。
本发明提供的传感器使用时，可以将其固定在双轴太阳跟踪系统的顶端，并使其轴心 线垂直于聚光模块的透镜所在平面。如图3所示普通硅光电池4在斜壁3内，电池受光 面朝外。当入射光线与传感器中心轴的夹角在如图3所示的J3角度外，则左右两块普通硅 光电池必然至少有--个能接收到太阳光线，即传感器有信号。此处(3为30。，所以普通 硅光电池4的最大可检测角度为330° 。因为传感器外侧易受到干扰光影响，故此四块普 通硅光电池4仅能被用作粗略跟踪传感器部分使用。当入射光线与传感器中心轴线的夹角 在如图3所示角度a内时，光线可以穿过通光孔片2中的小孔照射到四象限硅光电池5 上，使其有信号输出，再根据-一定算法可得到位置偏差信号从而控制跟踪机构工作。
权利要求
1.一种太阳位置光电传感器，其特征在于所述传感器的内部设有精确跟踪组件，外部设有粗略跟踪组件；精确跟踪组件由通光孔片(2)和四象限硅光电池(5)组成，四象限硅光电池放在传感器的底座(6)上，通光孔片的光班孔位于四象限硅光电池的正上方，光班孔中心与四象限硅光电池原点均位于所述传感器的中心轴线上；粗略跟踪组件由四块普通硅光电池(4)组成，它们均匀分布在所述传感器的斜壁(3)的外侧上。
2. 根据权利要求1所述的太阳位置光电传感器，其特征在于光斑孔中心与四象限 硅光电池(5)的距离为19 21mm，光斑孔的直径为四象限光电池直径的二分之一。
3. 根据权利要求1所述的太阳位置光电传感器，其特征在于斜壁(3)为梯形台， 各斜边倾角均为75。。
4. 根据权利要求3所述的太阳位置传感器，其特征在于斜壁(3)的斜边上有对称 布局的槽，四块普通硅光电池(4)嵌于其中。
5. 根据权利要求1或4所述的太阳位置传感器，其特征在于四块普通硅光电池(4) 两两对称，分别分布在四象限硅光电池(5)的X轴线和Y轴线上。
6. 根据权利要求5所述的太阳位置光电传感器，其特征在于所述的四象限硅光电 池(5)安装后的X轴线对应于东西方向，Y轴线对应于南北方向。
全文摘要
本发明公开了一种太阳位置光电传感器，其内部设有精确跟踪组件，外部设有粗略跟踪组件；精确跟踪组件由通光孔片(2)和四象限硅光电池(5)组成，四象限硅光电池放在传感器的底座(6)上，通光孔片的光班孔位于四象限硅光电池的正上方，光班孔中心与四象限硅光电池原点均位于所述传感器的中心轴线上；粗略跟踪组件由四块普通硅光电池(4)组成，它们均匀分布在所述传感器的斜壁(3)的外侧上。本发明与现有技术相比具有以下主要的优点有效跟踪范围扩大，可以检测到330°范围以内的太阳位置，同时跟踪精度可以达到0.1°以内。并且结构简单，成本较低，使用方便。
文档编号G01C1/00GK101650173SQ20091006394
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者张清杰, 鹏 李, 杨培环, 翟鹏程 申请人:武汉理工大学