本發(fā)明屬于太陽位置跟蹤傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器及太陽位置跟蹤方法。

背景技術(shù)：

太陽能是具有清潔、供應(yīng)充足等特點(diǎn)的可再生能源，對(duì)于國(guó)家實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要的戰(zhàn)略意義，但存在能量密度低且聚光光強(qiáng)易受到聚光特性等多種因素的影響，必須進(jìn)行大面積的太陽能聚集利用。太陽的精確跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%。因此在太陽能利用中，進(jìn)行精確的跟蹤是很有必要的。

太陽跟蹤技術(shù)是指在有效的光照時(shí)間范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)盡可能的保證太陽的入射光線與光熱發(fā)電中的聚光器中軸線保持平行，使聚光器最大可能的獲取太陽能。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)太陽方位自動(dòng)跟蹤主要是視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤以及混合跟蹤方式。而光電傳感器是光電跟蹤中的核心部分，其精度將直接影響到跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度。現(xiàn)有的技術(shù)中，隔板式光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但是其易受外部光源或其他物體散射光的影響且運(yùn)行不穩(wěn)定，跟蹤精度不高；傳統(tǒng)的四象限探測(cè)器加減算法利用探測(cè)器在小范圍內(nèi)具有的線性性質(zhì)，而此線性是在圓形光斑完整的情況下。由于四象限探測(cè)器結(jié)構(gòu)上的限制，在大多數(shù)情況下四象限探測(cè)器光敏面上接收到的光斑都不是理想的圓形光斑，而繼續(xù)使用傳統(tǒng)的加減算法計(jì)算偏移量會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。四象限探測(cè)器在跟蹤過程中存在追蹤視場(chǎng)范圍偏小，容易丟失目標(biāo)等問題。因此，發(fā)明一種新的太陽位置跟蹤傳感器裝置尤為重要，能有效解決跟蹤精度、追蹤視角等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器及太陽位置跟蹤方法，該太陽位置傳感器有粗、精兩級(jí)跟蹤方式，具有追蹤視角廣、精度更高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，且可以通過可編程控制器對(duì)粗、精兩級(jí)跟蹤實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而調(diào)節(jié)聚光器的高度角和方位角，從而有效提高太陽跟蹤控制精度。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器，包括粗跟蹤裝置、精跟蹤裝置和可編程控制器；所述的粗跟蹤裝置包括三個(gè)光電傳感器、傳感器安裝座及安裝底座，所述的傳感器安裝座呈三棱臺(tái)形，傳感器安裝座的側(cè)面上分別設(shè)有一個(gè)光電傳感器，傳感器安裝座固定安裝在安裝底座上；傳感器安裝座的頂面上設(shè)有安裝定位孔，精跟蹤裝置內(nèi)嵌入粗跟蹤裝置安裝定位孔中；所述的可編程控制器分別與粗跟蹤裝置的三個(gè)光電傳感器和精跟蹤裝置的感光裝置連接。

上述的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器中，所述的精跟蹤裝置包括平凸透鏡、濾光鏡、圓柱筒、光電傳感器矩形陣列及接線盒；所述的光電傳感器矩形陣列和圓柱筒安裝在接線盒上，光電傳感器矩形陣列位于圓柱筒內(nèi)；圓柱筒的頂部設(shè)有平凸透鏡和濾光鏡，平凸透鏡位于濾光鏡上方；所述的濾光鏡上設(shè)有多個(gè)圓形孔，多個(gè)圓形孔分別與光電傳感器矩形陣列的光電傳感器相對(duì)應(yīng)；圓形孔的直徑與光電傳感器的直徑相等，且與相對(duì)應(yīng)的光電傳感器的軸線重合；光電傳感器矩形陣列的多個(gè)光電傳感器分別與可編程控制器連接。

上述的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器中，所述的精跟蹤裝置包括平凸透鏡、濾光鏡、圓柱筒、白色光屏、安裝盤、ccd相機(jī)；所述的圓柱筒的上端設(shè)有平凸透鏡和濾光鏡，平凸透鏡位于濾光鏡上方；圓柱筒的下端通過安裝盤安裝有白色光屏；所述的ccd相機(jī)位于白色光屏下方，ccd相機(jī)與可編程控制器連接。

上述的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器中，所述的傳感器安裝座的頂面上的安裝定位孔是一通孔，貫穿傳感器安裝座的頂面和底面。

上述的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器中，所述的安裝底座通過通過支承架與傳感器安裝座的底面連接，安裝底座的頂面上設(shè)有三個(gè)沉頭孔。

上述的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器中，所述的粗跟蹤裝置的三個(gè)光電傳感器的結(jié)構(gòu)、形狀及電氣特性完全相同，且分別安裝在傳感器安裝座的三個(gè)側(cè)面的中心處。

上述的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器中，所述的光電傳感器矩形陣列在平凸透鏡的焦平面位置，且光電傳感器矩形陣列中相鄰的兩光電傳感器之間用不透明材料填充。

上述的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器中，所述的圓柱筒內(nèi)壁上設(shè)有高吸收率的涂層。

一種利用上述的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器的太陽位置跟蹤方法，具體操作如下：

1）將粗跟蹤裝置中的三個(gè)光電傳感器分別作為參考傳感器、方位角傳感器、和高度角傳感器；

2）在太陽偏離粗跟蹤裝置中心軸線位置時(shí)，啟動(dòng)粗跟蹤裝置，首先調(diào)整方位角，可編程控制器將參考傳感器的電信號(hào)s1與方位角傳感器的電信號(hào)s2比較，當(dāng)s1>s2時(shí)，則表示太陽位置在粗跟蹤裝置中心軸線的左側(cè)，控制系統(tǒng)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到s1≈s2；當(dāng)s1<s2時(shí)，則表示太陽位置在粗跟蹤裝置右側(cè)，控制系統(tǒng)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到s1≈s2；同時(shí)，可編程控系統(tǒng)將參考傳感器的電信號(hào)s1與高度角傳感器的電信號(hào)s3比較，當(dāng)s1>s3時(shí)，則表示太陽位置在粗跟蹤裝置中心軸線的上方，控制系統(tǒng)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，直到s1≈s3；當(dāng)s1<s3時(shí)，則表示太陽位置在粗跟蹤裝置下方，控制系統(tǒng)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，直到s1≈s3；

3）啟動(dòng)精跟蹤裝置，對(duì)太陽位置精跟蹤。

上述的太陽位置跟蹤方法中，步驟3）的具體操作如下：

使得太陽光透過平凸透鏡、濾光鏡聚焦在光電傳感器矩形陣列上形成圓形光斑，圓形光斑將點(diǎn)亮光電傳感器矩形陣列中一個(gè)光電傳感器，可編程控制器通過電子電路掃描矩形陣列，得到這個(gè)光電傳感器的行和列的具體坐標(biāo)；可編程控制器將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的轉(zhuǎn)角并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在方位和高度兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至圓形光斑的位置對(duì)準(zhǔn)光電傳感器矩形陣列的坐標(biāo)原點(diǎn)；

或使得太陽光透過平凸透鏡、濾光片聚焦在白色光屏上形成圓形光斑，通過ccd相機(jī)采集白色光屏表面的聚集光斑并處理，得到聚焦光斑的中心坐標(biāo)，可編程控制器將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的轉(zhuǎn)角并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在方位和高度兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至圓形光斑的位置對(duì)準(zhǔn)圓形的白色光屏的圓心。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明的粗跟蹤裝置中，在三棱臺(tái)形傳感器安裝座的三個(gè)側(cè)面分別安裝有光電傳感器，使得追蹤視場(chǎng)范圍更廣，增大了太陽跟蹤傳感器跟蹤目標(biāo)的范圍，使跟蹤目標(biāo)不易丟失，有效的提高了跟蹤傳感器的穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明的精跟蹤裝置中，太陽光透過平凸透鏡、濾光鏡聚焦在光電傳感器矩形陣列上形成圓形光斑，可編程控制器通過電子電路掃描矩形陣列，得到了太陽光斑在光電傳感器矩形陣列的準(zhǔn)確坐標(biāo)，有效的提高了精跟蹤裝置的跟蹤精度。

3、本發(fā)明具有粗、精兩級(jí)跟蹤方式，具有可靠性高、反應(yīng)速度快等特點(diǎn)，極大的提高了太陽跟蹤傳感器裝置的精確度，且克服了以往太陽跟蹤傳感器結(jié)構(gòu)上的缺陷，能夠有效的提高太陽能的利用率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器的俯視圖。

圖3為本發(fā)明的粗跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖4為本發(fā)明的精跟蹤裝置的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)圖。

圖5為本發(fā)明的精跟蹤裝置的實(shí)施例1的爆炸圖。

圖6為本發(fā)明的濾光鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明的精跟蹤裝置實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)圖。

圖8為本發(fā)明的精跟蹤裝置實(shí)施例2的爆炸圖。

1—粗跟蹤裝置，1-1—光電傳感器，1-2—光電傳感器，1-3—光電傳感器，1-4—安裝定位孔，1-5—傳感器安裝座，1-6—支承架，1-7—安裝底座，1-8—沉頭孔，2—精跟蹤裝置，2-1—平凸透鏡，2-2—濾光鏡，2-3—圓柱筒，2-4—光電傳感器矩形陣列，2-5—接線盒，2-6—白色光屏，2-7—安裝盤，2-8—ccd相機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括粗跟蹤裝置1、精跟蹤裝置2和可編程控制器。如圖3所示，所述粗跟蹤裝置包括光電傳感器1-1、光電傳感器1-2、光電傳感器1-3、傳感器安裝座1-5及安裝底座1-7，所述的傳感器安裝座1-5呈上小下大的三棱臺(tái)形，傳感器安裝座1-5固定安裝在安裝底座1-7上。傳感器安裝座1-5的側(cè)面中心處分別設(shè)有光電傳感器1-1、光電傳感器1-2和光電傳感器1-3，光電傳感器1-1、光電傳感器1-2和光電傳感器1-3與可編程控制器連接。傳感器安裝座1-5的頂面上設(shè)有安裝定位孔1-4，所述的安裝定位孔1-4是一通孔，貫穿傳感器安裝座1-5的頂面和底面，精跟蹤裝置內(nèi)嵌入粗跟蹤裝置安裝定位孔1-4中。

如圖4、5所示，所述的精跟蹤裝置2包括平凸透鏡2-1、濾光鏡2-2、圓柱筒2-3、光電傳感器矩形陣列2-4及接線盒2-5；圓柱筒2-3的頂部設(shè)有平凸透鏡2-1和濾光鏡2-2，平凸透鏡2-4位于濾光鏡2-2上方，圓柱筒2-3內(nèi)壁上設(shè)有高吸收率的涂層，用于吸收多余的雜散光，防止雜散光的干擾。所述的光電傳感器矩形陣列2-4和圓柱筒2-3的下端安裝在接線盒2-5上，光電傳感器矩形陣列2-4位于圓柱筒2-3內(nèi)，所述的光電傳感器矩形陣列在平凸透鏡的焦平面位置，且光電傳感器矩形陣列中相鄰的兩光電傳感器之間用不透明材料填充。如圖6所示，所述的濾光鏡2-2上設(shè)有多個(gè)圓形孔，多個(gè)圓形孔分別與光電傳感器矩形陣列2-4的光電傳感器相對(duì)應(yīng)；圓形孔的直徑與光電傳感器的直徑相等，且與相對(duì)應(yīng)的光電傳感器的軸線重合。光電傳感器矩形陣列的多個(gè)光電傳感器分別與可編程控制器連接。

如圖7、8所示，本發(fā)明的精跟蹤裝置2還可以采用如下結(jié)構(gòu)，精跟蹤裝置2包括平凸透鏡2-1、濾光鏡2-2、圓柱筒2-3、白色光屏2-6、安裝盤2-7和ccd相機(jī)2-8；所述的圓柱筒2-3的上端設(shè)有平凸透鏡2-1和濾光鏡2-2，平凸透鏡2-1位于濾光鏡2-2上方；圓柱筒2-3的下端通過安裝盤2-7安裝有白色光屏2-6。所述的ccd相機(jī)2-8位于白色光屏2-6下方，ccd相機(jī)2-8與可編程控制器連接。

一種利用上述的三棱臺(tái)光電式太陽位置跟蹤傳感器的太陽位置跟蹤方法，具體操作步驟如下：

1）將粗跟蹤裝置1的光電傳感器1-1作為參考傳感器、光電傳感器1-2作為方位角傳感器、光電傳感器1-3作為高度角傳感器。

2）在太陽偏離粗跟蹤裝置1中心軸線位置時(shí)，啟動(dòng)粗跟蹤裝置1，首先調(diào)整方位角，可編程控制器將參考傳感器的電信號(hào)s1與方位角傳感器的電信號(hào)s2比較，當(dāng)s1>s2時(shí)，則表示太陽位置在粗跟蹤裝置1中心軸線的左側(cè)，控制系統(tǒng)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到s1≈s2；當(dāng)s1<s2時(shí)，則表示太陽位置在粗跟蹤裝置右側(cè)，控制系統(tǒng)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直到s1≈s2；然后進(jìn)行高度角調(diào)整，可編程控系統(tǒng)將參考傳感器的電信號(hào)s1與高度角傳感器的電信號(hào)s3比較，當(dāng)s1>s3時(shí)，則表示太陽位置在粗跟蹤裝置中心軸線的上方，控制系統(tǒng)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，直到s1≈s3；當(dāng)s1<s3時(shí)，則表示太陽位置在粗跟蹤裝置1下方，控制系統(tǒng)使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，直到s1≈s3。粗跟蹤調(diào)整完成，三棱臺(tái)式的太陽跟蹤傳感器裝置已朝向太陽光照強(qiáng)度最大的方向。

3）在粗跟蹤完成后，啟動(dòng)精跟蹤裝置2，如圖5所示，太陽光透過平凸透鏡2-1、濾光鏡2-2聚焦在光電傳感器矩形陣列2-4上形成圓形光斑，圓形光斑將點(diǎn)亮光電傳感器矩形陣列2-4中一個(gè)光電傳感器，可編程控制器通過掃描光電傳感器矩形陣列，可以得到這個(gè)點(diǎn)亮的光電傳感器的行和列的具體坐標(biāo)；可編程控制器將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的轉(zhuǎn)角并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在方位和高度兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直至圓形光斑的位置對(duì)準(zhǔn)光電傳感器矩形陣列2-4的坐標(biāo)原點(diǎn)。

或如圖8所示，太陽光透過平凸透鏡2-1、濾光鏡2-2聚焦在白色光屏2-6上形成圓形光斑，通過視覺測(cè)量系統(tǒng)去采集白色光屏2-6表面的聚集光斑并處理，得到聚焦光斑的中心坐標(biāo)，可編程控制器將中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為電機(jī)的轉(zhuǎn)角并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)在高度和方位兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聚集光斑的中心坐標(biāo)對(duì)準(zhǔn)圓形的白色光屏2-6的圓心；完成對(duì)太陽位置的精跟蹤。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作了詳細(xì)說明，在本發(fā)明的技術(shù)方案基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，還可以對(duì)其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形。