一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，包括用于固定的安装座、基座、晷针、放大电路和微处理器；所述基座的底面与安装座连接，基座的顶面内嵌光电阵列，光电阵列通过放大电路与微处理器连接；所述晷针垂直固定在光电阵列的中心。本发明结合日晷的工作原理和光电传感器的光电特性，实现太阳位置的跟踪，结构简单、可靠性好。
【专利说明】
一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置
技术领域
[0001]本发明涉及太阳能集电领域，具体是指一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置。
【背景技术】
[0002]利用太阳能进行发电既经济又环保，但太阳能存在低密度、间歇性、空间分布不断变化等缺点。地球的自传和地球绕太阳的公转导致了太阳相对于地面静止物体的运动。黄道面与赤道面存在的23° 26’的交角引起了太阳赤玮角在一年中的变化:冬至时赤玮角为-23° 26’并逐渐增大，夏至时赤玮角达到最大的23° 26’并开始减小。一天当中太阳赤玮角变化很小，地球的自传引起了时角在一天中的变化:正午时角为0°，每小时变化15°，上午时角为正，下午时角为负。
[0003]固定式太阳能集电装置进行光电转换时效能低，为了提高光电转化的效能，必须解决太阳位置的跟踪问题。现有的光电传感装置结构复杂、可靠性低，不利于成本控制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，结合日晷的工作原理和光电传感器的光电特性，实现太阳位置的跟踪，结构简单、可靠性好。
[0005]本发明通过下述技术方案实现:一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，包括用于固定的安装座、基座、晷针、放大电路和微处理器;所述基座的底面与安装座连接，基座的顶面内嵌光电阵列，光电阵列通过放大电路与微处理器连接;所述晷针垂直固定在光电阵列的中心。
[0006]光电传感器具有光电转换特性，可将光线强度的变化转化为电信号的变化以实现检测或控制:光照很弱甚至没有光照时反向电流为很小的暗电流，光照明显时反向电流为光电流，光线越弱则电流越小，光线越强则电流越大。
[0007]所述光电阵列中一个光敏元器件对应一个坐标。由于光电元器件的尺寸较小且基座的厚度较薄，可将光电阵列所在平面和基座所在平面近似看做为同一平面，统称为基准面。为了便于测量和计算，以基准面为XY面:以南北方向为X方向，北为正值，南为负值；以东西方向为Y方向，东为正值，西为负值;以基准面的法线为Z轴，上为正值，下位负值。
[0008]日晷利用太阳移动时所照射物体的影子也随着移动的特点，根据影子的位置推测时间。太阳斜射晷针时，晷针的影子落在与晷针垂直的光电阵列上形成阴影区，阴影区内光电元器件的电流骤减，电信号通过放大电路发送至微处理器，微处理器识别光电元器件所对应的坐标，阴影区的中线、晷针的轴线分别为一个直角三角形的两条直角边，根据几何关系可获得太阳的仰角。太阳移动则阴影区也移动，阴影区的中线移动的角度与太阳移动的方位角对应，即可获得太阳的方位角。太阳直射晷针时，光电阵列上无阴影区，可看做此刻太阳的入射方向与晷针的轴线方向相同，而推算出太阳此刻的方位角和仰角。本发明结构简单、计算过程简单、反应速度快且性能稳定。
[0009]本发明中基座的底部与安装座连接，可借助水平仪、量角器等测量装置将基座固定在安装座上，也可以借助驱动装置驱动基座进行追踪太阳位置的移动。固定安装基座时，可水平固定也可使基座与水平面呈一定倾角进行固定。安装方式优选水平式或玮度夹角式:水平式指基准面与安装点的水平面平行;玮度夹角式指基座所在平面与安装点其经线所在的平面垂直且与安装点的水平面存在夹角，夹角的度数与安装点的玮度数值相同。通常情况下，在低玮度地区，可采用水平式对基座进行安装，太阳刚刚升起时仰角非常小，此时光线强度较弱，可不调整太阳能电池板的仰角，待太阳仰角慢慢增大后再调整太阳能电池板的仰角；高玮度地区，即使正午时分，太阳的仰角也比较小，此时可选择玮度夹角式对基座进行安装。
[0010]若采用水平式或玮度夹角式等固定安装基座的方式，可能出现晷针的投影超出光电阵列范围的情况，此时建议采用基座与安装座的可转动安装，并采用逐级调整仰角的方式:先根据阴影区的最远端对应的位置获得方位角和伪仰角，然后根据伪仰角调整基座倾斜的角度，逐级调整伪仰角直至太阳直射光电阵列，此时光电阵列无阴影区。
[0011]本发明中基座的顶面可设置透光度较高的透明盖板，透明盖板置于光电阵列上方，防止灰尘进入或防止外力冲击，保护光电阵列中的光电传感器，延长其使用寿命。
[0012]进一步地，所述光电阵列为包括一个以上光电二极管的光电二极管阵列。
[0013]所述光电阵列可以采用光电二极管阵列或光电三极管阵列等光敏元器件。本发明优选光电二极管阵列，性能稳定、价格低廉。
[0014]进一步地，所述光电二极管阵列为圆形阵列，包括M个环形的子阵列，子阵列以晷针为中心从内向外同轴分布;所述光电二极管阵列中第M个子阵列包括Nm个光电二极管，满足Nm=6M，M、Nm为正整数。
[0015]所述光电二极管阵列为矩形阵列或圆形阵列。在测量精度的等级相同的情况下，为了使整体结构更加紧凑并控制光电二极管的数量，优选圆形阵列。所述圆形阵列中各个子阵列包括的光电二极管的数量可以是规律的也可以不规律的。为了方便实际使用并进一步简化运算，提高数据处理的速度，子阵列中光电二极管的数量采用按序列号从内向外依次递增的排布方式。所述光电二极管阵列满足Nm=6M:M=1时，Nm=6，即第I子阵列中包括6个光电二极管;M=2时，Nm=12，即第2子阵列中包括12个光电二极管;M=3时，Nm=18，即第3子阵列中包括18个光电二极管;M=4时，Nm=24，即第4子阵列中包括24个光电二极管；以此类推，相邻子阵列中外侧子阵列包括的光电二极管比内侧子阵列包括的光电二极管多6个。
[0016]进一步地，所述光电二极管的安装直径为D，光敏面直径为d，D>d>0;所述第M个子阵列其中心线的半径为RM，光电二极管阵列满足RM+1-RM=D。
[0017]为了使得光电二极管的排布更加紧凑，安装光电二极管使要尽量使得相邻子阵列中光电二极管紧密接触，则光电二极管阵列满足Rm+i_Rm=D。常见的光电二极管的安装直径为1mm、1.8mm、2mm、3mm、5mmο
[0018]进一步地，所述光电二极管的安装直径D=2.0mm，光敏面直径d=l.0mm;所述晷针的直径为 Φ，Φ=1.5±0.4πιπι。
[0019]所述晷针的直径Φ与其在光电二极管阵列上形成的阴影区的面积相关:若晷针的直径Φ过大则阴影区覆盖面积较大，增加计算量;若晷针的直径Φ过小则阴影区覆盖面积过小，不容易识别阴影区覆盖的光电二极管及其对应坐标，增加识别难度;晷针的直径Φ与光电二极管的光敏面直径d相近时，形成的阴影区刚好覆盖一条径向的区域，利于识别被覆盖的光电二极管及其坐标。因此，优选晷针的直径Φ介于光电二极管的光敏面直径d与光电二极管的安装直径D之间。
[0020]所述光电二极管的安装直径D=2.0mm，实际安装时光电二极管的安装直径会有小范围的公差，此公差不影响光电二极管的排布。所述光电二极管采用光敏面直径为1.0mm的光电二极管，其实际尺寸存在小范围的公差，此公差在本发明的结构中影响不大可忽略。
[0021]进一步地，还包括分别与基座、微处理器连接的驱动装置。
[0022]所述驱动装置用于驱动基座与太阳能电池板同步运动，实时测量太阳光入射方向与太阳能电池板的法线之间的偏差。
[0023]本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果:
(I)本发明结合日晷的工作原理和光电传感器的光电特性，实现太阳位置的跟踪，结构简单、可靠性好。
[0024](2)本发明可快速追踪太阳的位置，减少计算过程，减少能耗。
【附图说明】
[0025]图1为本发明的结构示意图。
[0026]图2为基座采用水平式安装，太阳光从A点射向本发明时方位角、仰角的关系示意图。
[0027]图3为基座采用水平式安装，太阳光从B点射向本发明时方位角、仰角的关系示意图。
[0028]图4为M=I，Ni=6，Ri=2mm时，光电阵列的结构示意图。
[0029]图5为M=2 ,N2=I 2, R2=4mm时，光电阵列的结构示意图。
[0030]图6为M=3，N3=18，R3=6mm时，光电阵列的结构示意图。
[0031 ] 图7为M=4，N4=24，R4=8mm时，光电阵列的结构示意图。
[0032]其中:I一安装座，2—基座，21—光电阵列，3—晷针。
【具体实施方式】
[0033]下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0034]实施例1:
本实施例的一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，如图1所示，主要是通过下述技术方案实现:一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，包括用于固定的安装座1、基座2、晷针
3、放大电路和微处理器;所述基座2的底面与安装座I连接，基座2的顶面内嵌光电阵列21，光电阵列21通过放大电路与微处理器连接;所述晷针3垂直固定在光电阵列21的中心。
[0035]所述光电阵列21中一个光敏元器件对应一个坐标。由于光电元器件的尺寸较小且基座2的厚度较薄，可将光电阵列21所在平面和基座2所在平面近似看做为同一平面，统称为基准面。为了便于测量和计算，以基准面为XY面:以南北方向为X方向，北为正值，南为负值;以东西方向为Y方向，东为正值，西为负值;以基准面的法线为Z轴，上为正值，下位负值。
[0036]如图2、图3所示，基座2采用水平式安装，基准面与安装点的水平面平行，基准面为XY面，晷针3与Z轴重合:晷针3的底端相当于坐标原点0，故晷针3底端的坐标为(O，0，0);晷针3的顶端为H，其坐标为(0，0，h)，其中h为晷针3安装后超出基座2上表面的高度。太阳在A点时照射晷针3形成的阴影区近似看做直线OP，P点对应的光敏元器件的坐标为(Rm.cosa,Rm.sina，0)，α为直线OP与X正轴形成的夹角，O <α< 360°。此时，0Ρ、0Η分别为直角ΛΗ0Ρ的直角边，β为OP与PH形成的夹角。根据几何关系可得到太阳的仰角Β=β，太阳的方位角A与a之间满足:当O <a< 180° 时，A=a+180° ;当180° <a < 360。时，A=360° _a。特殊情况，当 β=90° 时，太阳直射基座2表面。因此，可以快速跟踪到太阳的仰角、方位角。
[0037]实施例2:
本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，进一步地，所述光电阵列21为包括一个以上光电二极管的光电二极管阵列。本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
[0038]实施例3:
本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，进一步地，所述光电二极管阵列为圆形阵列，包括M个环形的子阵列，子阵列以晷针3为中心从内向外同轴分布;所述光电二极管阵列中第M个子阵列包括Nm个光电二极管，满足Nm=6M，M、Nm为正整数;所述光电二极管的安装直径为D，光敏面直径为d，D>d>0;所述第M个子阵列其中心线的半径为Rm，光电二极管阵列满足Rm+1-Rm=D;所述光电二极管的安装直径D=2.0mm，光敏面直径d=1.0mm;所述晷针3的直径为 Φ，Φ=1.5±0.4πιπι。
[0039]如图4所示，M=I时，NFejrfmm。以晷针3为中心从内向外同轴分布的第I个子阵列包括6个半径为2mm的光电二极管，且第I个子阵列的半径为4mm，6个光电二极管围绕晷针3紧密排列。
[0040]如图5所示，M=2时，N2=12，R2=4mm。以晷针3为中心从内向外同轴分布的第2个子阵列包括12个半径为2mm的光电二极管，且第2个子阵列的半径为4mm，第2个子阵列位于第I个子阵列外侧且与第I个子阵列紧密排布。
[0041 ] 如图6所示，M=3时，N3=18，R3=6mm。以晷针3为中心从内向外同轴分布的第3个子阵列包括18个半径为2mm的光电二极管，且第3个子阵列的半径为6mm，第3个子阵列位于第2个子阵列外侧且与第2个子阵列紧密排布。
[0042]如图7所示，M=4时，N4=24，R4=8mm。以晷针3为中心从内向外同轴分布的第3个子阵列包括24个半径为2mm的光电二极管，且第4个子阵列的半径为8mm，第4个子阵列位于第3个子阵列外侧且与第3个子阵列紧密排布。
[0043]以此类推，5时，结构相似，故不再赘述。本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
[0044]实施例4:
本实施例在上述实施例基础上做进一步优化，进一步地，还包括分别与基座2、微处理器连接的驱动装置。所述驱动装置用于驱动基座2与太阳能电池板同步运动，实时测量太阳光入射方向与太阳能电池板的法线之间的偏差。本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。
[0045]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，其特征在于:包括用于固定的安装座(1)、基座(2)、晷针(3)、放大电路和微处理器;所述基座(2)的底面与安装座(I)连接，基座(2)的顶面内嵌光电阵列(21)，光电阵列(21)通过放大电路与微处理器连接;所述晷针(3)垂直固定在光电阵列(21)的中心。2.根据权利要求1所述的一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，其特征在于:所述光电阵列(21)为包括一个以上光电二极管的光电二极管阵列。3.根据权利要求2所述的一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，其特征在于:所述光电二极管阵列为圆形阵列，包括M个环形的子阵列，子阵列以晷针(3)为中心从内向外同轴分布;所述光电二极管阵列中第M个子阵列包括Nm个光电二极管，满足Nm=6M，M、Nm为正整数。4.根据权利要求3所述的一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，其特征在于:所述光电二极管的安装直径为D，光敏面直径为d，D>d>0;所述第M个子阵列其中心线的半径为Rm，光电二极管阵列满足Rm+i_Rm=D。5.根据权利要求4所述的一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，其特征在于:所述光电二极管的安装直径D=2.0mm，光敏面直径d= 1.0mm;所述晷针(3)的直径为Φ，Φ =1.5 土0.4mmo6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种太阳运动轨迹的光电感应追踪装置，其特征在于:还包括分别与基座(2)、微处理器连接的驱动装置。
【文档编号】G05D3/20GK105843264SQ201610291196
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】李会玲
【申请人】成都君禾天成科技有限公司