專利名稱：太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法以及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角定位的方法以及裝置，屬于太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在太陽(yáng)能發(fā)電課題中，以及在太陽(yáng)能利用、測(cè)試太陽(yáng)有關(guān)參數(shù)的儀器等設(shè)備上，為了使太陽(yáng)能接受設(shè)備獲得最大光照，通常通過(guò)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能接收設(shè)備的對(duì)日角度，可實(shí)現(xiàn)太 陽(yáng)能接受設(shè)備盡量多的接收太陽(yáng)能。而要調(diào)節(jié)太陽(yáng)能接收設(shè)備的對(duì)日角度，首先必須知道 太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角的大小。然后控制系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角角帶動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)確定接收裝置的大約位 置，當(dāng)天空中有比較厚的云時(shí)，根據(jù)太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角公式和角度傳感器，保持接收設(shè)備基本對(duì)著 太陽(yáng)的位置運(yùn)動(dòng)。通常利用太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角公式確定太陽(yáng)的偏轉(zhuǎn)角，并根據(jù)地理位置和時(shí)間等 信息，可以計(jì)算出準(zhǔn)確的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角。但是，由于地球大氣的折射、氣流的擾動(dòng)、設(shè)備的熱脹 冷縮、材料的老化等原因，長(zhǎng)期直接利用太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角公式必然有誤差，必須通過(guò)復(fù)雜的輔助 設(shè)備和儀器糾正誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法以及裝置。它可以準(zhǔn)確 測(cè)試太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角，并且裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本發(fā)明的技術(shù)方案太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法，其特征在于根據(jù)陽(yáng)光經(jīng)過(guò)二 個(gè)平行上、下光柵片上的透光條后透射出下光柵片的透光條的陽(yáng)光能量，來(lái)確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn) 角θ。上述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法中，所述上、下光柵片上設(shè)有一組角度測(cè)定組 透光條，角度測(cè)定組透光條為二個(gè)正對(duì)的，分居于上、下光柵片的透光條，通過(guò)透射過(guò)上光 柵片的角度測(cè)定組透光條的陽(yáng)光能量Itl和透射出下光柵片的角度測(cè)定組透光條的陽(yáng)光能 量I，以及角度測(cè)定組透光條寬度d和上、下光柵片距離L，根據(jù)公式I = I0* (I-L^tg θ/d) 確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ。前述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法中，所述上、下光柵片上還設(shè)有一組參照組透 光條，參照組透光條包括一個(gè)設(shè)在下光柵片寬度也為d的透光條和一個(gè)設(shè)在上光柵片的透 光條，其寬度D足以使下光柵片上的參照組透光條在一定的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角下能被陽(yáng)光完全照 射到，透射出上光柵片的測(cè)定組透光條的陽(yáng)光能量Itl由透射出下光柵片上參照組透光條的 陽(yáng)光能量確定，從而通過(guò)比較、和I，確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ為arctgcHKl-I/IJ/L。前述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法中，所述上、下光柵片上還設(shè)有一組偏向測(cè)定 組透光條，偏向測(cè)定組透光條包括設(shè)在下光柵片上的二個(gè)寬度為e的透光條和設(shè)在上光柵 片上的二個(gè)寬度c大于e的透光條，使得陽(yáng)光在相同太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角、不同偏向的情況下，在下 光柵片的二個(gè)偏向測(cè)定組透光條上，被上光柵片遮住的陽(yáng)光數(shù)量不同，通過(guò)比較下光柵片 的二個(gè)偏向測(cè)定組透光條下透射出的陽(yáng)光能量，可確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角的偏向。太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位裝置，其特征在于包括二塊平行、間隔為L(zhǎng)在十毫米至一米之間的上光柵片和下光柵片，上光柵片和下光柵片上設(shè)有角度測(cè)定組透光條、參照組透光 條和偏向測(cè)定組透光條，下光柵片上的角度測(cè)定組透光條、參照組透光條和偏向測(cè)定組透 光條下部設(shè)有光能接收元件。前述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位裝置中，所述角度測(cè)定組透光條包括為二個(gè)正對(duì)的，分居于上光柵片和下光柵片，寬度為d為0. Imm以上的透光條。前述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位裝置中，所述參照組透光條包括設(shè)在下光柵片上的寬 度也為d的透光條和一個(gè)設(shè)在上光柵片、寬度D在3d IOd之間的透光條，并且二個(gè)參照 組透光條中點(diǎn)的連線與上光柵片垂直。前述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位裝置中，所述偏向測(cè)定組透光條包括設(shè)在下光柵片上 的寬度e d的二個(gè)透光條和設(shè)在上光柵片上的寬度c在3d IOd之間的二個(gè)透光條，下 光柵片上二個(gè)偏向測(cè)定組透光條分別和上光柵片上的二個(gè)偏向測(cè)定組透光條內(nèi)側(cè)邊緣上 下對(duì)齊。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明根據(jù)在不同太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角時(shí)，陽(yáng)光經(jīng)過(guò)二個(gè)平行上、下光柵 片上的透光條后透射出下光柵片的透光條的陽(yáng)光能量大小不同，通過(guò)測(cè)定從下光柵片的透 光條下接收到的陽(yáng)光能量門，可準(zhǔn)確測(cè)定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ，并且實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 成本比較低。


圖1是本發(fā)明得裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明角度測(cè)定組透光條的原理示意圖； 圖3是圖2的左視圖4是本發(fā)明偏向測(cè)定組透光條的原理示意圖。附圖中的標(biāo)記為1-上光柵片，2-下光柵片，3-角度測(cè)定組透光條，4-參照組透光 條，5-偏向測(cè)定組透光條，6-光能接收元件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明限制的依據(jù)。實(shí)施例太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法，其特征在于根據(jù)陽(yáng)光經(jīng)過(guò)二個(gè)平行上、下光柵片上 的透光條后透射出下光柵片的透光條的陽(yáng)光能量，來(lái)確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ。上、下光柵片上設(shè)有一組角度測(cè)定組透光條，角度測(cè)定組透光條為二個(gè)正對(duì)的，分 居于上、下光柵片的透光條，通過(guò)透射過(guò)上光柵片的角度測(cè)定組透光條的陽(yáng)光能量Itl和透 射出下光柵片的角度測(cè)定組透光條的陽(yáng)光能量I，以及角度測(cè)定組透光條寬度d和上、下光 柵片距離L，根據(jù)公式I = I0* (I-L^tg θ /d)確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ。上、下光柵片上還設(shè)有一組參照組透光條，參照組透光條包括一個(gè)設(shè)在下光柵片 寬度也為d的透光條和一個(gè)設(shè)在上光柵片的透光條，其寬度D足以使下光柵片上的參照組 透光條在一定的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角下能被陽(yáng)光完全照射到，透射出上光柵片的測(cè)定組透光條的陽(yáng)光能量Itl由透射出下光柵片上參照組透光條的陽(yáng)光能量確定，從而通過(guò)比較Itl和I，確定 太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ為arctgd*(l-I/IQ)/L。上、下光柵片上還設(shè)有一組偏向測(cè)定組透光條，偏向測(cè)定組透光條包括設(shè)在下光 柵片上的二個(gè)寬度為e的透光條和設(shè)在上光柵片上的二個(gè)寬度c大于e的透光條，使得陽(yáng) 光在相同太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角、不同偏向的情況下，在下光柵片的二個(gè)偏向測(cè)定組透光條上，被上光 柵片遮住的陽(yáng)光數(shù)量不同，通過(guò)比較下光柵片的二個(gè)偏向測(cè)定組透光條下透射出的陽(yáng)光能 量，可確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角的偏向。實(shí)現(xiàn)上述方法的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位裝置，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特征在于包括二 塊平行、間隔為L(zhǎng)在十毫米至一米之間的上光柵片1和下光柵片2，上光柵片1和下光柵片 2上設(shè)有角度測(cè)定組透光條3、參照組透光條4和偏向測(cè)定組透光條5，下光柵片2上的角度 測(cè)定組透光條3、參照組透光條4和偏向測(cè)定組透光條5下部設(shè)有光能接收元件6。角度測(cè) 定組透光條3包括為二個(gè)正對(duì)的，分居于上光柵片1和下光柵片2，寬度為d為0. Imm以上 的透光條(d太小時(shí)成本比較高，過(guò)大又影響測(cè)定精度)。參照組透光條4包括設(shè)在下光柵 片2上的寬度也為d的透光條和一個(gè)設(shè)在上光柵片1、寬度D在3d IOd之間的透光條，并 且二個(gè)參照組透光條4中點(diǎn)的連線與上光柵片1垂直。偏向測(cè)定組透光條5包括設(shè)在下光 柵片2上的寬度e ^ d的二個(gè)透光條和設(shè)在上光柵片1上的寬度c在3d IOd之間的二 個(gè)透光條，下光柵片2上二個(gè)偏向測(cè)定組透光條5分別和上光柵片1上的二個(gè)偏向測(cè)定組 透光條5內(nèi)側(cè)邊緣上下對(duì)齊。本發(fā)明的理論依據(jù)如圖2所示，若陽(yáng)光以太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ射入上光柵片1的角度 測(cè)定組透光條3，通過(guò)上光柵片1的陽(yáng)光有一部分被下光柵片2遮擋，下光柵片2的角度測(cè) 定組透光條3下部區(qū)域的光能接收元件6接收的能量為I ；若射進(jìn)上光柵片1角度測(cè)定組 透光條3的能量為Itl (即AF之間的光能量)。設(shè)χ =⑶，y = DE。該狀態(tài)下I是在A和B 之間的光能量，即DE之間的光能量，而B(niǎo)和F之間的光能量，被下光柵2遮擋，不能得到光 能量°因此，<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>①上面的公式①即為太陽(yáng)偏角和接收到的光能量之間的函數(shù)關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，Itl也是隨時(shí)間變化的，而且如果有薄云的情況下，固定的Itl帶入公 式是無(wú)法精確測(cè)定θ的。為此，新增參照組透光條4。上光柵片1增加了一個(gè)寬度為D的 透光條，下光柵片2在D的正下方中間位置增加一個(gè)透光條，寬度還是為d。D的中點(diǎn)與d 的中點(diǎn)的連線與光柵片垂直。<formula>formula see original document page 5</formula><formula>formula see original document page 5</formula>這樣，在一定的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角下，下光柵片2上的參照組透光條4可以完全被陽(yáng)光照 射，而不會(huì)被上光柵片1遮住，因此相當(dāng)于圖2中陽(yáng)光射入上光柵片1角度測(cè)定組透光條4 的情況，因此，在下光柵片2上的參照組透光條4下部區(qū)域的光能接收元件6接收的能量與I。相等。而且，下光柵片2的角度測(cè)定組透光條3下部區(qū)域的光能接收元件6接收的能量和下光柵片2的參照測(cè)定組透光條3下部區(qū)域的光能接收元件6接收的光能量之間的比 例都是同步的，即使在有薄云的情況下，只要兩組透光條的位置相近(在一個(gè)設(shè)備上，距離 在厘米的數(shù)量級(jí)上，薄云對(duì)陽(yáng)光的遮擋率對(duì)于兩組透光條是相等的)，得到光能量的比例為 I/Io帶入公式①得，θ = arctg(d*(l-I/I0)/L)②至此，我們得到了利用可測(cè)定的兩個(gè)光能量參數(shù)與太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系。這個(gè)公式是按照幾何光學(xué)得到的。在實(shí)際應(yīng)用中，d不能太小。如果d很小，則 會(huì)發(fā)生波動(dòng)光學(xué)中的Fraimhofer單縫衍射，發(fā)生Fraunhofer單縫衍射的條件是d的尺寸 與波長(zhǎng)相近，而一般應(yīng)用的太陽(yáng)光的波長(zhǎng)在1000nm(l(T-6米)以下，精確制作IOOOnm左 右d是很昂貴的，所以不在本文的討論范圍之內(nèi)。如果需要非常精確的偏轉(zhuǎn)角，則可以用 Fraunhofer單縫衍射的方法。由于未經(jīng)過(guò)處理的陽(yáng)光是非相干光源，所以波動(dòng)光學(xué)中的光 的干涉可以不考慮。其它光學(xué)內(nèi)容，如光的量子性、現(xiàn)代光學(xué)等，在d大于0. Imm的情況下 都可以忽略，而d大于0. Imm是大規(guī)模應(yīng)用中比較容易而且可廉價(jià)做到的。太陽(yáng)的照射角有方位角和仰角兩個(gè)參數(shù)，精確測(cè)定上述兩個(gè)角的偏角需要兩組上 述的光柵，這兩組光柵的透光條相互垂直，需要獨(dú)立計(jì)算，分別計(jì)算出方位角和仰角的偏 角。當(dāng)只需要測(cè)量方位角或仰角中的一個(gè)角度時(shí)，圖2的左視圖如圖3所示。公式②中的I和Itl都是從圖6中的I1方向射入的陽(yáng)光，只測(cè)量一個(gè)角度時(shí)，實(shí)際 陽(yáng)光入射方向?yàn)閳D3中的12，I1為I2的垂直分量，I1與I2的關(guān)系為I1 = I2*(cosO) "2公式②中的I和Itl應(yīng)該同時(shí)乘以((308ΦΓ2這個(gè)參數(shù)，Φ也會(huì)因地球的自轉(zhuǎn)而改 變，但Ι/Ιο則把這個(gè)參數(shù)消除了，不影響公式的計(jì)算(平行于光柵片的光能量對(duì)光能接受 元件沒(méi)有影響，其光能量值為I2*(sinO)~2)。精確測(cè)量太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角的目的之一，就是使用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)偏轉(zhuǎn)角修正設(shè)備的運(yùn) 動(dòng)，使之精確對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)的方向。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)會(huì)立刻改變I和Itl的值，從而得到偏轉(zhuǎn)角 0。一般情況下，傳動(dòng)的角度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算出的Θ。從圖2可以看出，計(jì)算出θ只能判 斷偏轉(zhuǎn)的角度，無(wú)法判定是左偏還是右偏，需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)以上的測(cè)試得到θ的變化值Δ θ 才能判斷，短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出兩個(gè)以上不同的θ需要提高I和Itl測(cè)量的精度。本文提出更 簡(jiǎn)單的辦法在原光柵片上再增加兩條透光條，其結(jié)構(gòu)如圖4。上光柵片1增加兩條較寬(寬度為c)的偏向測(cè)定組透光條5，下光柵片2增加兩 條較窄(寬度為e)的偏向測(cè)定組透光條，c > e，一般情況下，e d，但e和d可以相互獨(dú) 立。上光柵片1和下光柵片2增加的透光條中心軸對(duì)稱。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角θ為O時(shí)，即完全對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，下光柵片2上左右兩個(gè)偏向測(cè)定組透光 條下方區(qū)域接收到的光能量相同；而光線偏左時(shí)，下光柵片2上右邊的偏向測(cè)定組透光條 的一部分陽(yáng)光被上光柵片遮住了，因此它下方區(qū)域接收到的光能量比左邊的小；光線偏右時(shí)，則相反；這樣，一次測(cè)量，可以計(jì)算出偏轉(zhuǎn)角θ是偏左還是偏右。再看公式②θ = arctg(d*(l-I/I0)/L)②公式②是推導(dǎo)出來(lái)的可以在實(shí)踐中使用的有效公式，左邊是太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角，而右邊的參數(shù)都可以容易測(cè)量出來(lái)，其中d和L在制作光柵片和安裝時(shí)可以確定，IAtl的值是光能 量比值，電子器件中的光敏二極管有接收光能量和通過(guò)的反向電流的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn) 換器，可以精確測(cè)定通過(guò)光敏二極管的電流，從而得到Ι/Ιο的值。
權(quán)利要求
太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法，其特征在于根據(jù)陽(yáng)光經(jīng)過(guò)二個(gè)平行上、下光柵片上的透光條后透射出下光柵片的透光條的陽(yáng)光能量，來(lái)確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法，其特征在于所述上、下光柵片上設(shè)有一組角度測(cè)定組透光條，角度測(cè)定組透光條為二個(gè)正對(duì)的，分居于上、下光柵片的透 光條，通過(guò)透射過(guò)上光柵片的角度測(cè)定組透光條的陽(yáng)光能量Itl和透射出下光柵片的角度測(cè) 定組透光條的陽(yáng)光能量I，以及角度測(cè)定組透光條寬度d和上、下光柵片距離L，根據(jù)公式I =iQ*a-L*tg Θ /d)確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角Θ。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法，其特征在于所述上、下光柵片上還設(shè)有一組參照組透光條，參照組透光條包括一個(gè)設(shè)在下光柵片寬度也為d的透光條和 一個(gè)設(shè)在上光柵片的透光條，其寬度D足以使下光柵片上的參照組透光條在一定的太陽(yáng)偏 轉(zhuǎn)角下能被陽(yáng)光完全照射到，透射出上光柵片的測(cè)定組透光條的陽(yáng)光能量Itl由透射出下光 柵片上參照組透光條的陽(yáng)光能量確定，從而通過(guò)比較Itl和I，確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ Sarctgd* (1-1/1。) /L。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法，其特征在于所述上、下 光柵片上還設(shè)有一組偏向測(cè)定組透光條，偏向測(cè)定組透光條包括設(shè)在下光柵片上的二個(gè)寬 度為e的透光條和設(shè)在上光柵片上的二個(gè)寬度c大于e的透光條，使得陽(yáng)光在相同太陽(yáng)偏 轉(zhuǎn)角、不同偏向的情況下，在下光柵片的二個(gè)偏向測(cè)定組透光條上，被上光柵片遮住的陽(yáng)光 數(shù)量不同，通過(guò)比較下光柵片的二個(gè)偏向測(cè)定組透光條下透射出的陽(yáng)光能量，可確定太陽(yáng) 偏轉(zhuǎn)角的偏向。
5.太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位裝置，其特征在于包括二塊平行、間隔為L(zhǎng)在十毫米至一米之間的上光柵片(1)和下光柵片(2)，上光柵片(1)和下光柵片(2)上設(shè)有角度測(cè)定組透光 條(3)、參照組透光條(4)和偏向測(cè)定組透光條(5)，下光柵片(2)上的角度測(cè)定組透光條(3)、參照組透光條(4)和偏向測(cè)定組透光條(5)下部設(shè)有光能接收元件(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位裝置，其特征在于所述角度測(cè)定組透 光條⑶包括為二個(gè)正對(duì)的，分居于上光柵片(1)和下光柵片⑵，寬度為d為0. Imm以上 的透光條。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位裝置，其特征在于所述參照組透光條(4)包括設(shè)在下光柵片(2)上的寬度也為d的透光條和一個(gè)設(shè)在上光柵片(1)、寬度D在 3d IOd之間的透光條，并且二個(gè)參照組透光條(4)中點(diǎn)的連線與上光柵片(1)垂直。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位裝置，其特征在于所述偏向測(cè)定組透 光條(5)包括設(shè)在下光柵片(2)上的寬度e ^ d的二個(gè)透光條和設(shè)在上光柵片(1)上的寬 度c在3d IOd之間的二個(gè)透光條，下光柵片(2)上二個(gè)偏向測(cè)定組透光條(5)分別和上 光柵片(1)上的二個(gè)偏向測(cè)定組透光條(5)內(nèi)側(cè)邊緣上下對(duì)齊。
全文摘要
太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角光柵定位的方法以及裝置，其特征在于根據(jù)陽(yáng)光經(jīng)過(guò)二個(gè)平行上、下光柵片上的透光條后透射出下光柵片的透光條的陽(yáng)光能量，來(lái)確定太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角θ。它可以準(zhǔn)確計(jì)算出太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角，并且實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本比較低。
文檔編號(hào)G01C1/00GK101799286SQ200910244479
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者李和平, 章素華, 趙芫樺, 邵文遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:中國(guó)華電工程(集團(tuán))有限公司