专利名称：用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置与方法
技术领域：
本发明涉及太阳能源领域，具体将太阳能和斯特林发电机相结合用于太阳能发
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背景技术：
随着社会的发展，节能减排已成为人们所关注的问题，太阳能作为一种新兴的绿 色能源，正得到迅速的发展和应用。对太阳能的开发始终让科学家们满怀憧憬，毕竟太阳能 的应用潜力实在太大，而且至少在我们能够预计的将来是取之不尽的。太阳能斯特林发电是全世界利用太阳能的主要方案，它是将太阳能转换为电能的 新型动力装置。原理是自动跟踪太阳的聚光镜将太阳光聚焦于发动机头部，加热发动机腔 内的高压氢气膨胀推动活塞做功，通过曲柄连杆机构带动发电机转化成电能输出。根据其 原理，其中太阳跟踪是太阳能斯特林发电技术中的关键技术。但是，由于辐射到地面的阳 光受到气候、纬度、经度等自然条件的影响，存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变 化的问题，这对太阳能的高效利用，特别对高精度、稳定地跟踪太阳提出了更高的要求。当 前国内外有基于CCD或者CMOS的高精度太阳方位传感器，但是价格很高，很难在市场民用 市场上大范围推广，还有一些基于光电四象限探测器件或多个光电池构成的太阳方位传感 器，其检测精度不能满足比如斯特林太阳能发电机的高精度对准太阳的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度低成本的用于斯特林太阳能发电系统的太阳 跟踪对准装置及其方法。基于PSD (光电位置探测器)的太阳方位传感器实现实时高精度 检测太阳位置；装置根据天气的实际情况、太阳位置和太阳能聚光板的当前位置，采用光电 跟踪与日历查询跟踪相结合的方式跟踪太阳，以使装置高效节能和对天气具有鲁棒性。从 而实现高效采集利用太阳能，并通过斯特林发电机将太阳能转化为电能，进而大幅度提高 斯特林太阳能发电装置的性能。本发明是采取以下的技术方案来实现的一种用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置，包括用于跟踪太阳的碟 架、安装在碟架上的用于聚光的聚光板，其特征在于还包括安装在碟架上的用于发电的斯 特林发电机、安装在聚光板上的角度编码器、安装在斯特林发电机上的视场角和精度可调 的基于PSD的太阳位置传感器、光强传感器与风速风向传感器安装在单独地面立杆上，各 传感器与控制系统连接，控制系统与碟架电机和聚光板电机连接，碟架、聚光板均与斯特林 发电机连接。其中的处理过程为根据当前时间，读取当前光强传感器信号、风速风向传感器信 号、太阳位置传感器信号、聚光板位置传感器信号，计算太阳方位角和高度角，根据传感器 信息计算得到控制信息，利用控制算法控制碟架转动，各传感器与处理器连接，处理器与控 制系统处理器连接，控制系统与碟架电机连接，碟架、聚光板均与斯特林发电机连接，聚光板电机与控制系统相连。前述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置，其特征在于所述基于 PSD的太阳位置传感器包括密封防水的传感器底座、带有太阳光入射小孔和内螺纹的高度 可调结构的遮光筒、安装在光孔上遮挡灰尘和雨水的光学玻璃、PSD、固定PSD的内螺纹和 PSD底座、安装传感器处理器的密封防水的处理器底座和密封防水的信号输出接口。所述光学玻璃通过带有四个螺丝的盖子安装在遮光筒上，PSD通过内螺纹安装在 PSD底座上，PSD底座通过遮光筒内螺纹与遮光筒连接，PSD底座与处理器底座密封防水连 接，处理器底座与信号输出接口、传感器底座密封防水连接。前述的太阳位置传感器视场角，探测范围的计算是a = arctan (r/h)(1)其中，r表示太阳位置传感器PSD的有效光敏面半径，h表示太阳位置传感器中遮 光筒的高度。前述的太阳位置传感器的跟踪精度计算是 其中，dx表示PSD探测器的最小分辨率。根据前述的太阳方位传感器的视场角随着太阳位置传感器中遮光筒高度h的增 大而减小；根据前述的太阳方位传感器的精度随着太阳位置传感器中遮光筒高度h的增大 而增大。因此，通过改变太阳位置传感器中遮光筒高度h可以实现太阳方位传感器的视场 角和精度的可调。前述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的发电方法，其特征在于 包括以下步骤(1)处理器实时地读取当前时间，判断当前时间是否在工作时间，若在正常开机时 间，则进行开机初始化；若不在正常开机时间，则不启动跟踪程序；(2)当在正常开机时间时，启动跟踪程序根据当前光强判断是否启动自动跟踪 程序，若当光强大于阈值T时，启动自动跟踪程序，否则不启动自动跟踪程序；(3)当光强大于阈值T时，启动自动跟踪程序首先，根据日历计算得到太阳高度 角和方位角；然后，读取太阳能聚光板上的角度编码器传感器信号，得到太阳能聚光板当前 的位置信息，若太阳位置不在太阳位置传感器探测范围内，则驱动碟架电机转动，使太阳位 置在太阳位置传感器探测范围内；最后，根据太阳位置传感器信号，采用跟踪算法驱动电机 带动碟架高精度跟踪太阳，从而使聚焦光斑对准斯特林发电机头部；(4)装置上电后，实时监测风速风向传感器和太阳能聚光板上的角度编码器信号， 评估风的大小对聚光板的影响，并给出相应的报警信号和避风动作，避风动作为控制碟架 电机使聚光板侧对着风向减小风力的影响；实时监测上位机的停车信号，当自动跟踪太阳 时，实时采集发电机气腔内的温度，并向上位机发送该信息；(5)装置跟踪太阳，当时间超过正常工作时间并且光强小于阈值T时，则控制电机停车。前述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的发电方法，其特征在 于在所述步骤(4)中，实时采集发电机气腔内的温度时，斯特林发电机气腔内布置N个热电偶，1，根据聚焦光斑其能量密度分布为正态分布(高斯分布)，利用热电偶采集光斑 的能量，当聚焦光斑对准发电机头部时，热电偶的信号大小应与正态分布相吻合，根据热电 偶的分布情况对跟踪进行辅助调整。前述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的发电方法，其特征在 于所述热电偶为12个，呈十字型分布，每一分支上设置三个热电偶。前述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的发电方法，其特征在 于根据热电偶的分布情况对跟踪进行辅助调整过程中，根据前述的热电偶分布，采集水平 方向六个热电偶的电压值，以中心位置为原点拟合成正太分布曲线，确定最高点对应x轴 坐标即为光斑偏移的距离AX，根据AX的大小对水平方向跟踪进行辅助调整；或采集垂直 方向六个热电偶的电压值得到垂直方向光斑偏移的距离Ay，对垂直方向跟踪进行辅助调整。本发明所达到的有益效果本发明的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置及其发电方法，实现了 高效采集利用太阳能，并通过斯特林发电机将太阳能转化为电能，进而大幅度提高斯特林 太阳能发电装置的性能。
图1为本发明用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的硬件连接示意 图；图2为本发明用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的硬件组成示意 图；图3为基于PSD的太阳位置传感器的结构图；图4为基于PSD的太阳位置传感器的原理示意图；图5为基于PSD的太阳位置传感器的数学模型；图6为本发明基于PSD的斯特林太阳能发电方案的太阳跟踪流程图；图7为发电机气腔内热电偶分布和拟合示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明做进一步的详细说明。参照图1和2所示，用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的硬件组成 示意图，本发明包括用于跟踪太阳的碟架1、安装在碟架1上的用于聚光的聚光板2，其特征 在于还包括安装在碟架1上的用于发电的斯特林发电机3、安装在聚光板上的角度编码器 4、安装在斯特林发电机3上的视场角和精度可调的基于PSD的太阳位置传感器5、安装在地 面立杆上的光强传感器与风速风向传感器。其中的处理过程为根据当前时间，读取当前光 强传感器信号、风速风向传感器信号、太阳位置传感器信号、聚光板位置传感器信号，计算 太阳方位角和高度角，根据传感器信息计算得到控制信息，利用控制算法控制碟架转动，各 传感器与控制系统连接，控制系统与碟架电机7连接，聚光板电机6与控制系统相连。。参照图3，所述基于PSD的太阳位置传感器包括密封防水的传感器底座51、带有太 阳光入射小孔和内螺纹的高度可调结构的遮光筒52、安装在光孔53上遮挡灰尘和雨水的光学玻璃54、PSD55、固定PSD的内螺纹和PSD底座56、安装传感器处理器的密封防水的处 理器底座58和密封防水的信号输出接口 57。所述光学玻璃54通过带有四个螺丝的盖子安 装在遮光筒52上，PSD55通过内螺纹安装在PSD底座56上，PSD底座通过遮光筒52内螺纹 与遮光筒连接，PSD底座56与处理器底座58密封防水连接，处理器底座58与信号输出接 口 57、传感器底座51密封防水连接。装置自动跟踪太阳时，首先根据日历计算得到太阳高度角、方位角和太阳能聚光 板上的角度编码器传感器信号，判断太阳位置是否在太阳位置传感器探测范围内。若太阳 位置不在太阳位置传感器探测范围内，则驱动电机转动，使太阳位置在太阳位置传感器探 测范围内；然后，根据太阳位置传感器信号，采用跟踪算法驱动电机带动碟架高精度跟踪太 阳，从而使聚焦光斑对准斯特林发电机头部。参照图4和5，太阳方位传感器的跟踪精度和 跟踪范围，推导如下太阳位置传感器的探测范围为
°(1)其中，r表示太阳位置传感器PSD的有效光敏面半径，h表示太阳位置传感器中遮 光筒的高度。太阳方位传感器的跟踪精度为 其中，dx表示PSD探测器的最小分辨率。当x = Otim时，取得最大值，所以太阳方位传感器的跟踪精度为 本发明中，dx = 1 U m0所以太阳方位传感器的精度为用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的硬件组成示意图，首先，处理 器读取当前时间，判断是否开机；然后，处理器读取当前光强传感器信号、风速风向传感器 信号、太阳位置传感器信号、聚光板位置传感器信号，计算太阳方位角和高度角；最后，根据 传感器信息计算得到控制信息，利用控制算法控制碟架转动，实现高精度太阳跟踪，使聚焦 光斑对准斯特林发电机头部。从而，实现高效采集利用太阳能，并通过斯特林发电机将太阳 能转化为电能。基于PSD的斯特林太阳能发电中太阳跟踪的流程图见图6。具体来说，包括以下步骤第一步，处理器实时地读取当前时间，若在正常开机时间，则进行开机初始化，即 将碟架转到基准位置；若不在正常开机时间，则不启动跟踪程序；第二步，当在正常开机时间时，启动跟踪程序。根据当前光强判断是否启动自动跟 踪程序，即若当光强大于阈值T时，则启动自动跟踪程序，否则不启动自动跟踪程序；第三步，当光强大于阈值T时，启动自动跟踪程序。首先，根据日历计算得到太阳 高度角和方位角；然后，读取太阳能聚光板上的角度编码器传感器信号，得到太阳能聚光板 当前的位置信息，若太阳位置不在太阳位置传感器探测范围内，则驱动电机转动，使太阳位
7置在太阳位置传感器探测范围内；最后，根据太阳位置传感器信号，采用跟踪算法驱动电机 带动碟架高精度跟踪太阳，从而使聚焦光斑对准斯特林发电机头部。第四步，装置上电后，实时监测风速风向传感器和太阳能聚光板上的角度编码器 信号，评估风的大小对聚光板的影响，并给出相应的报警信号和避风动作，避风动作为控制 碟架电机使聚光板侧对着风向减小风力的影响；实时监测上位机的停车信号。当自动跟踪 太阳时，实时采集发电机气腔内的温度，并向上位机发送该信息。第五步，自动跟踪时，当时间超过正常工作时间并且光强小于阈值T时，则控制电 机停车。参照图7，根据前述的热电偶分布，采集水平方向六个热电偶的电压值，以中心位 置为原点拟合成正太分布曲线，确定最高点对应x轴坐标即为光斑偏移的距离AX，即可根 据AX的大小对水平方向跟踪进行辅助调整。同理可以采集垂直方向六个热电偶的电压值 得到垂直方向光斑偏移的距离A y，从而对垂直方向跟踪进行辅助调整。综上所述，针对太阳能利用中急需的低成本高效斯特林太阳能发电系统，本发明 提供一种高精度低成本的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置及其方法。实验 结果表明采用光电跟踪与日历查询跟踪相结合的方式跟踪太阳，具有高效节能和对天气 具有鲁棒性。从而实现高效采集利用太阳能，并通过斯特林发电机将太阳能转化为电能，进 而大幅度提高斯特林太阳能发电装置的性能。为低成本高效利用太阳能发电提供了一种新 的方法。上述具体实施方式
不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等 效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。
权利要求
一种用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置，包括用于跟踪太阳的碟架(1)、安装在碟架(1)上的用于聚光的聚光板(2)，其特征在于还包括安装在碟架(1)上的用于发电的斯特林发电机(3)、安装在聚光板上的角度编码器(4)、安装在斯特林发电机(3)上的视场角和精度可调的基于PSD的太阳位置传感器(5)、光强传感器与风速风向传感器安装在单独地面立杆上，各传感器与控制系统连接，控制系统与碟架电机(7)连接，碟架(1)、聚光板(2)均与斯特林发电机(3)连接，聚光板电机(6)与控制系统相连。
2.根据权利要求1所述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置，其特征在 于所述基于PSD的太阳位置传感器包括密封防水的传感器底座(51)、带有太阳光入射小 孔和内螺纹的高度可调结构的遮光筒(52)、安装在光孔(53)上遮挡灰尘和雨水的光学玻 璃(54)、PSD(55)、固定PSD的内螺纹和PSD底座(56)、安装传感器处理器的密封防水的处 理器底座(58)和密封防水的信号输出接口(57)。
3.根据权利要求2所述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置，其特征在 于所述光学玻璃(54)通过带有四个螺丝的盖子安装在遮光筒(52)上，PSD55通过内螺纹 安装在PSD底座(56)上，PSD底座通过遮光筒(52)内螺纹与遮光筒连接，PSD底座(56)与 处理器底座(58)密封防水连接，处理器底座(58)与信号输出接口(57)、传感器底座(51) 密封防水连接。
4.根据权利要求1所述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的发电方 法，其特征在于包括以下步骤(1)处理器实时地读取当前时间，判断当前时间是否在工作时间，若在正常开机时间， 则进行开机初始化；若不在正常开机时间，则不启动跟踪程序；(2)当在正常开机时间时，启动跟踪程序根据当前光强判断是否启动自动跟踪程序， 若当光强大于阈值T时，启动自动跟踪程序，否则不启动自动跟踪程序；(3)当光强大于阈值T时，启动自动跟踪程序首先，根据日历计算得到太阳高度角和 方位角；然后，读取太阳能聚光板上的角度编码器传感器信号，得到太阳能聚光板当前的位 置信息，若太阳位置不在太阳位置传感器探测范围内，则驱动碟架电机转动，使太阳位置在 太阳位置传感器探测范围内；最后，根据太阳位置传感器信号，采用跟踪算法驱动电机带动 碟架高精度跟踪太阳，从而使聚焦光斑对准斯特林发电机头部；(4)装置上电后，实时监测风速风向传感器和太阳能聚光板上的角度编码器信号，评估 风的大小对聚光板的影响，并给出相应的报警信号和避风动作，避风动作为控制碟架电机 使聚光板侧对着风向减小风力的影响；实时监测上位机控制系统处理器的停车信号，当自 动跟踪太阳时，实时采集发电机气腔内的温度，并向上位机控制系统处理器发送该信息；(5)装置跟踪太阳，当时间超过正常工作时间时并且光强小于阈值T时，则控制电机停车。
5.根据权利要求4所述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的发电方 法，其特征在于在所述步骤(4)中，实时采集发电机气腔内的温度时，斯特林发电机气腔 内布置N个热电偶，N > 1，根据聚焦光斑其能量密度分布为正态分布，利用热电偶采集光斑 的能量，当聚焦光斑对准发电机头部时，热电偶的信号大小与正态分布相吻合，并根据热电 偶的分布情况对跟踪进行辅助调整。
6.根据权利要求5所述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的发电方法，其特征在于所述热电偶为12个，呈十字型分布，每一分支上设置三个热电偶。
7.根据权利要求6所述的用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置的发电方 法，其特征在于根据热电偶的分布情况对跟踪进行辅助调整过程中，采集水平方向六个热 电偶的电压值，以中心位置为原点拟合成正太分布曲线，确定最高点对应x轴坐标即为光 斑偏移的距离AX，根据AX的大小对水平方向跟踪进行辅助调整；或采集垂直方向六个热 电偶的电压值得到垂直方向光斑偏移的距离Ay，对垂直方向跟踪进行辅助调整。
全文摘要
本发明公开了一种用于斯特林太阳能发电系统的太阳跟踪对准装置与方法。该装置包括斯特林发电机、太阳能聚光板、太阳位置传感器、光强传感器、风速风向传感器、太阳能聚光板位置传感器、处理器、驱动聚光板转动的伺服电机、安装聚光板和斯特林发电机的碟架，其工作过程为首先，开机检测是否在正常的工作时间；其次，读取光强传感器信号，根据当前光强给出开关机信号；最后，根据聚光板的当前位置、太阳方位传感器信号驱动电机带动聚光板转动，使聚焦光斑对准斯特林发电机头部。本发明实现了高效采集利用太阳能，并通过斯特林发电机将太阳能转化为电能，进而大幅度提高斯特林太阳能发电装置的性能。
文档编号G05D3/12GK101859150SQ20101015198
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者周龙, 徐贵力, 曹传东, 杨小伟, 钟志伟, 魏许 申请人:南京航空航天大学