專(zhuān)利名稱(chēng)：高效聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高效聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置和方法，更具體地說(shuō)，涉及這樣一種聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置和方法，其通過(guò)使用菲涅耳透鏡會(huì)聚太陽(yáng)光并基于所會(huì)聚的太陽(yáng)光照射到光電二極管上時(shí)形成的焦點(diǎn)信息來(lái)移動(dòng)太陽(yáng)板，由此使會(huì)聚效率最大化。
背景技術(shù)：
總的說(shuō)來(lái)，太陽(yáng)光發(fā)電是將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。該技術(shù)采用了利用太陽(yáng)能電池而在照射光時(shí)通過(guò)光電效應(yīng)產(chǎn)生光伏電壓的發(fā)電方法。其系統(tǒng)通常包括具有太陽(yáng)能電池、蓄電池和電力轉(zhuǎn)換裝置的模塊。另外，太陽(yáng)能電池包括利用金屬和半導(dǎo)體之間的接觸的硒光電池、亞硫
酸銅光電池以及利用半導(dǎo)體p-n結(jié)的硅光電池。
同時(shí)，太陽(yáng)光發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)在于它是有著清潔且無(wú)限能源的獨(dú)立電能發(fā)電，并且它易于維護(hù)系統(tǒng)而不需要人力。然而，盡管與利用化石燃料(例如，煤和石油)的發(fā)電方法相比，太陽(yáng)光發(fā)電的效率并不低，但是根據(jù)太陽(yáng)的照射，電力產(chǎn)生會(huì)出現(xiàn)較大的變化。
因此，作為解決上述問(wèn)題的一種方法，提出了一種便攜太陽(yáng)光發(fā)電裝置(而不是固定的太陽(yáng)能電池)，其根據(jù)太陽(yáng)軌道的變化來(lái)移動(dòng)太陽(yáng)板以使會(huì)聚效率最大化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方式的目的是提供一種聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置，其在通過(guò)檢測(cè)太陽(yáng)光而與太陽(yáng)光相應(yīng)地控制太陽(yáng)板的狀態(tài)下，使用菲涅耳透鏡和四區(qū)域光電二極管對(duì)太陽(yáng)板的軌道和高度執(zhí)行精細(xì)的控制，從而追蹤太陽(yáng)。
5為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)目的，本發(fā)明提供了一種聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置，其包括太陽(yáng)板，其用于會(huì)聚太陽(yáng)光；太陽(yáng)追蹤傳感器，其由四區(qū)域光電二極管形成，用于使用菲涅耳透鏡會(huì)聚照射到太陽(yáng)板的太陽(yáng)光，并且在照射了所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)時(shí)檢測(cè)該焦點(diǎn)；至少兩個(gè)太陽(yáng)光檢測(cè)器，其包含在所述太陽(yáng)板的不同側(cè)上并且檢測(cè)所述太陽(yáng)光；以及控制裝置，其包括第一控制單元，其用于基于在所述太陽(yáng)光檢測(cè)器中檢測(cè)到的太陽(yáng)光的亮度程度來(lái)控制所述太陽(yáng)板的軌道和高度，和第二控制單元，其用于基于在所述4區(qū)域光電二極管上形成的菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)信息來(lái)控制所述太陽(yáng)板的軌道和高度。
所述太陽(yáng)追蹤傳感器包括菲涅耳透鏡，其用于會(huì)聚太陽(yáng)光；第一印刷電路基板，其具有用于在照射了所會(huì)聚的太陽(yáng)光并且形成了所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)時(shí)檢測(cè)該焦點(diǎn)的所述四區(qū)域光電二極管；和太陽(yáng)光損失防止裝置，其用于支持所述菲涅耳透鏡和所述第一印刷電路襯底之間的間隔并防止所會(huì)聚的太陽(yáng)光的損失。
所述裝置進(jìn)一步包括第二印刷電路基板，其連接到所述第一印刷電路基板的下部，并且具有接收在所述四區(qū)域光電二極管上形成的菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)信息的所述第二控制單元。
所述太陽(yáng)追蹤傳感器的外部可以由隔熱板形成。
所述四區(qū)域光電二極管可以被劃分成2x2陣列。
所述太陽(yáng)光損失防止裝置可以由透鏡形成。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的另一個(gè)目的，本發(fā)明提供了一種聚光光伏太陽(yáng)追蹤方法，該方法包括以下步驟通過(guò)用于檢測(cè)太陽(yáng)光的至少兩個(gè)太陽(yáng)光檢測(cè)器追蹤太陽(yáng)光，所述太陽(yáng)光檢測(cè)器被形成在用于會(huì)聚太陽(yáng)光的太陽(yáng)板的不同軸上；基于所檢測(cè)到的太陽(yáng)光的亮度程度來(lái)主要地控制所述太陽(yáng)板的軌道和高度；通過(guò)太陽(yáng)追蹤傳感器來(lái)追蹤太陽(yáng)光，所述太陽(yáng)追蹤傳感器用于利用菲涅耳透鏡會(huì)聚照射到所述太陽(yáng)板上的太陽(yáng)光，并且包括用于在照射了所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)時(shí)檢測(cè)該焦點(diǎn)的四區(qū)域光電二極管；以及基于在所述四區(qū)域光電二極管上形成的菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)信息來(lái)輔助地控制所述太陽(yáng)板的軌道和高度。所述的通過(guò)太陽(yáng)光追蹤傳感器來(lái)輔助地追蹤太陽(yáng)光的步驟包括以下步驟通過(guò)所述菲涅耳透鏡會(huì)聚太陽(yáng)光；通過(guò)照射所會(huì)聚的太陽(yáng)光，在四區(qū)域光電二極管上形成所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)；并且通過(guò)所述四區(qū)域光電二極管檢測(cè)所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)。


圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置的示意外觀的立體圖。
圖2A為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的太陽(yáng)追蹤傳感器的剖面圖。
圖2B為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的太陽(yáng)追蹤傳感器的正視圖。
圖3A為示出了應(yīng)用于本發(fā)明的太陽(yáng)光檢測(cè)器的正視圖。圖3B為沿著圖3A中的AA方向所取的剖面圖。圖4為圖1的側(cè)視圖。
圖5為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置的電氣框圖。
圖6為描述了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置的追蹤方法的流程圖。
圖7為描述了利用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的太陽(yáng)追蹤傳感器的太陽(yáng)追蹤步驟的流程圖。
100:聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置
110:太陽(yáng)板
120:太陽(yáng)板支架
130:旋轉(zhuǎn)軸
140:旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置
141:軌道追蹤電機(jī)150:角度控制桿
160:角度控制桿驅(qū)動(dòng)裝置
161:高度追蹤電機(jī)
170:支架盒
180:連接桿
200:太陽(yáng)追蹤傳感器
210:菲涅耳透鏡
220:四區(qū)域光電二極管
230:第一印刷電路基板，
240:太陽(yáng)光損失防止裝置
250:第二印刷電路基板
260:隔熱板
300:太陽(yáng)光檢測(cè)器
310:盒體
320:傳感器模塊
330:電纜
400:太陽(yáng)光檢測(cè)模塊410:第一檢測(cè)單元420:第二檢測(cè)單元421:主追蹤傳感器
425:輔追蹤傳感器430:數(shù)據(jù)通信模塊440:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器450:電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊460:控制裝置470:太陽(yáng)光發(fā)電模塊480:中央控制單元
具體實(shí)施方式
在下文中參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置和方法。為了向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達(dá)本發(fā)明的概念，提供下面介紹的附
圖作為示例。因此，本發(fā)明不限于下面介紹的附圖并且可以指定為其它形式。另外，在整個(gè)說(shuō)明書(shū)中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同的構(gòu)成要素。
除非另有定義，此處使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有按照本領(lǐng)域普通技術(shù)人員共同理解的相同含義。在以下描述和附圖中省略對(duì)已知功能和方法的可能會(huì)使本發(fā)明的要點(diǎn)變得模糊的詳細(xì)描述。
圖1為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置的
示意性外觀的立體圖。圖2A為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的太陽(yáng)追蹤傳感器的剖面圖。圖2B為示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的太陽(yáng)追蹤傳感器的正視圖。圖3A示出了應(yīng)用于本發(fā)明的太陽(yáng)光檢測(cè)器的正視圖。圖3B為沿著圖3A中AA方向所取的剖面視圖。圖4為圖1的側(cè)視圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置的電氣框圖。圖6為描述了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置的追蹤方法的流程圖。圖7為描述了利用根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的太陽(yáng)追蹤傳感器的太陽(yáng)追蹤步驟的流程圖。
首先，在下文中參照?qǐng)D1描述本發(fā)明的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置。如圖1所示，本發(fā)明的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置包括:用于會(huì)聚太陽(yáng)光的太陽(yáng)板110;太陽(yáng)追蹤傳感器200，其由四區(qū)域光電二極管220組成，用于利用菲涅耳透鏡210會(huì)聚照射到太陽(yáng)板110上的太陽(yáng)光，并且在照射了菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)時(shí)檢測(cè)該焦點(diǎn)；至少兩個(gè)太陽(yáng)光檢測(cè)器300，其包含在太陽(yáng)板110的不同側(cè)上并且檢測(cè)太陽(yáng)光；以及控制模塊460，其包括基于太陽(yáng)光檢測(cè)器300中檢測(cè)到的太陽(yáng)光亮度程度控制太陽(yáng)板110的軌道和高度的第一控制單元461，以及基于在四區(qū)域光電二極管220上形成的菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)信息控制太陽(yáng)板110的軌道和高度的第二控制單元462。
參照?qǐng)D2描述根據(jù)本發(fā)明的太陽(yáng)追蹤傳感器200。如圖2A和2B所示，太陽(yáng)追蹤傳感器200包括用于會(huì)聚太陽(yáng)光的菲涅耳透鏡210;具有用于在照射了所會(huì)聚的太陽(yáng)光并且形成了菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)時(shí)檢測(cè)該焦點(diǎn)的四區(qū)域光電二極管220的第一印刷電路基板230;以及用于支持菲涅耳透鏡210和第一印刷電路基板230之間的間隔并防止會(huì)聚太陽(yáng)光的損失的太陽(yáng)光損失防止裝置240。
太陽(yáng)追蹤傳感器200可以進(jìn)一步包括第二印刷電路基板250，其連接到第一印刷電路基板230的下部，并且具有接收在四區(qū)域光電二極管220上形成的菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)信息的第二控制單元462。
進(jìn)一步包括第二印刷電路基板250的太陽(yáng)追蹤傳感器200的外部由隔熱板260形成以便使會(huì)聚太陽(yáng)光時(shí)產(chǎn)生的熱所造成的損害最小。同時(shí)，四區(qū)域光電二極管220分成2x2陣列并且太陽(yáng)光損失防止模塊240由透鏡形成。
參照?qǐng)D3描述應(yīng)用于本發(fā)明的太陽(yáng)光檢測(cè)器300。 2007年6月5日登記的題目為"a sunlight sensor, an apparatus and method for condensingsunlight using the sunlight sensor"的韓國(guó)專(zhuān)利NO.10-0727283公開(kāi)了太陽(yáng)光檢測(cè)器300。將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述以易于理解。
如圖3A和3B所示，根據(jù)本發(fā)明的太陽(yáng)光檢測(cè)器300包括用于檢測(cè)太陽(yáng)光的傳感器模塊320;具有內(nèi)置的傳感器模塊320的盒體310;以及對(duì)傳感器模塊320供電或輸出傳感器模塊320中檢測(cè)到的對(duì)應(yīng)于亮度程度的檢測(cè)信號(hào)的電纜330。
傳感器模塊的光傳感器321包括光暈傳感器321a、右光傳感器321c和左光傳感器321b。即，當(dāng)各光傳感器321a、 321b和321c安裝到傳感器安裝墊323的各側(cè)以使光傳感器321a、 321b和321c具有不同的方向時(shí)，根據(jù)太陽(yáng)的位置檢測(cè)到不同的亮度程度。例如，當(dāng)太陽(yáng)處于與右光傳感器321c相對(duì)的方向時(shí)，太陽(yáng)會(huì)處于其它兩個(gè)光傳感器321a和321b的背后。因此，右光傳感器321c檢測(cè)到最大的亮度程度。
在下文參考圖4描述根據(jù)本發(fā)明的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置的詳細(xì)配置。
如圖4所示，本發(fā)明的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置100包括用于會(huì)聚太陽(yáng)光的太陽(yáng)板IIO和太陽(yáng)板支架120;用于控制太陽(yáng)板支架120的方向，也就是使太陽(yáng)板支架120旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸130，以及旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置140;
10控制太陽(yáng)板支架120和地之間角度的角度控制桿150,以及角度控制桿驅(qū) 動(dòng)裝置160;太陽(yáng)光檢測(cè)器300，其支持旋轉(zhuǎn)軸130和旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置140 并且連接到太陽(yáng)板支架120的頂面上適當(dāng)?shù)奈恢?；以及支架?70，其包 括用于根據(jù)由太陽(yáng)追蹤傳感器200輸入的檢測(cè)信號(hào)控制角度控制桿驅(qū)動(dòng) 裝置160和旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置140的驅(qū)動(dòng)的內(nèi)置電子裝置，并且包括用于 提供太陽(yáng)追蹤傳感器、太陽(yáng)光檢測(cè)器300、太陽(yáng)追蹤傳感器200、角度控 制桿驅(qū)動(dòng)裝置160和旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置140的驅(qū)動(dòng)電力的內(nèi)置電子裝置。
盡管未示出，顯然在太陽(yáng)追蹤傳感器200、太陽(yáng)光檢測(cè)器300、角度 控制桿驅(qū)動(dòng)裝置160和旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置140與內(nèi)建在支架盒170中的電 子裝置和電源之間連接有電纜。
在上述結(jié)構(gòu)中，太陽(yáng)板支架120在其背面形成連接板121并且通過(guò) 連接桿180與旋轉(zhuǎn)軸130連接。
旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)裝置140包括用于使旋轉(zhuǎn)軸130旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸齒輪143 和用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸齒輪142的軌道追蹤電機(jī)141。圍繞旋轉(zhuǎn)軸130的下端 形成的齒輪131與旋轉(zhuǎn)軸齒輪142相嚙合。在旋轉(zhuǎn)軸130的一側(cè)上形成 用于支持角度控制桿驅(qū)動(dòng)裝置160和角度控制桿150的支架120。
角度控制桿150包括用于驅(qū)動(dòng)角度控制桿150升降的角度控制桿齒 輪162和用于驅(qū)動(dòng)角度控制桿傳動(dòng)裝置162的高度追蹤電機(jī)161。具體地， 角度控制桿150可以由螺旋千斤頂形成。軌道追蹤電機(jī)141和高度追蹤 電機(jī)161可以實(shí)現(xiàn)為普通直流(DC)電機(jī)或者液壓電機(jī)。
如圖1所示，參考圖3描述的用于本發(fā)明的兩個(gè)太陽(yáng)光檢測(cè)器300 按照其用途安裝在太陽(yáng)板支架120的頂面上。安裝在頂面端部的太陽(yáng)光 檢測(cè)器300為用于檢測(cè)太陽(yáng)軌道的太陽(yáng)軌道檢測(cè)器300a。安裝在頂面中 部的太陽(yáng)光檢測(cè)器300為用于檢測(cè)太陽(yáng)高度的太陽(yáng)高度檢測(cè)器300b。具 體地，太陽(yáng)軌道檢測(cè)器300a和太陽(yáng)高度檢測(cè)器300b固定在太陽(yáng)板支架 120上，使得太陽(yáng)板110處于光暈傳感器321a的背面。
將參考圖5描述示出了上述聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置的電氣框圖的結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置100的電氣結(jié)構(gòu)
ii包括太陽(yáng)光檢測(cè)模塊400，用于檢測(cè)太陽(yáng)亮度程度并輸出包含相應(yīng)的軌
道和高度信號(hào)的檢測(cè)信號(hào)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊450，用于驅(qū)動(dòng)軌道追蹤電機(jī) 141和高度追蹤電機(jī)161;數(shù)據(jù)通訊模塊430，用于基于在太陽(yáng)光檢測(cè)模 塊400中檢測(cè)到的亮度程度，發(fā)送包含關(guān)于軌道追蹤電機(jī)141和高度追 蹤電機(jī)161的旋轉(zhuǎn)方向和程度的數(shù)據(jù)的檢測(cè)信號(hào)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器440，用于 存儲(chǔ)由數(shù)據(jù)通訊模塊430發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)；控制模塊460，用于根據(jù)從太陽(yáng) 光檢測(cè)模塊400輸入的檢測(cè)信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊450;和太陽(yáng)光發(fā)電模 塊470,用于向控制模塊460、太陽(yáng)光檢測(cè)模塊400、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊450、 數(shù)據(jù)通訊模塊430和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器440提供電力。
太陽(yáng)光檢測(cè)模塊400包括第一檢測(cè)單元410、第二檢測(cè)單元420、風(fēng) 速傳感器427、溫度傳感器428和自動(dòng)電源切斷裝置429。第一檢測(cè)單元 410包括用于檢測(cè)太陽(yáng)軌道并生成包含軌道信息的軌道信號(hào)的軌道檢測(cè) 器411、和用于檢測(cè)太陽(yáng)高度并生成包含高度信息的高度信號(hào)的高度檢測(cè) 器412。 '
第二檢測(cè)單元420包括用于主要地追蹤太陽(yáng)光的主追蹤傳感器421 和用于輔助地追蹤太陽(yáng)光的輔追蹤傳感器425。主追蹤傳感器421包括用 于通過(guò)太陽(yáng)光檢測(cè)器300檢測(cè)太陽(yáng)軌道角并且生成包含軌道角信息的軌 道角信號(hào)的軌道角檢測(cè)器422，和用于檢測(cè)太陽(yáng)高度角并生成包含高度角 信息的高度角信號(hào)的高度角檢測(cè)器423。輔追蹤傳感器425包括太陽(yáng)光焦 點(diǎn)檢測(cè)器426，其用于通過(guò)太陽(yáng)追蹤傳感器200生成包含太陽(yáng)光焦點(diǎn)信息 的焦點(diǎn)信號(hào)。
第一檢測(cè)單元410和第二檢測(cè)單元420的主追蹤傳感器421是指多 個(gè)聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置100的太陽(yáng)板支架120中包含的各太陽(yáng)軌道檢 測(cè)器300a和太陽(yáng)高度檢測(cè)器300b。第二檢測(cè)單元420的輔追蹤傳感器 425是指多個(gè)聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置100的太陽(yáng)板支架120中包含的各太 陽(yáng)追蹤傳感器200。
同時(shí)，主追蹤傳感器421通過(guò)控制第一控制單元461而導(dǎo)致太陽(yáng)光 在菲涅耳透鏡210上的直接垂直照射(DNL Direct Normal Insolation)。 輔追蹤傳感器425通過(guò)控制第二控制單元462，將由主追蹤傳感器421導(dǎo)致的太陽(yáng)光DNI移至四區(qū)域光電二極管220的中點(diǎn)。
同時(shí)，風(fēng)速傳感器427和溫度傳感器428測(cè)量作為安裝聚光光伏太 陽(yáng)追蹤裝置100的環(huán)境因素的風(fēng)速和溫度。當(dāng)由風(fēng)速傳感器427和溫度 傳感器428測(cè)量的風(fēng)速測(cè)量值和溫度測(cè)量值達(dá)到可能會(huì)顯著影響聚光光 伏太陽(yáng)追蹤裝置100的設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)電源切斷裝置429自動(dòng)地切斷聚 光光伏太陽(yáng)追蹤裝置100的電源。
控制模塊460通過(guò)數(shù)據(jù)通訊模塊430連接至中央控制單元480。中央 控制單元監(jiān)視并控制各太陽(yáng)光檢測(cè)器300a和300b以控制多個(gè)太陽(yáng)光會(huì) 聚裝置100?？刂颇K460包括第一控制單元461和第二控制單元462， 該第一控制單元461用于根據(jù)由太陽(yáng)光檢測(cè)器300檢測(cè)的太陽(yáng)光的亮度 程度來(lái)控制太陽(yáng)板110的軌道和高度，而該第二控制單元462用于基于 通過(guò)太陽(yáng)追蹤傳感器200檢測(cè)到的在四區(qū)域光電二極管220上形成的菲 涅耳透鏡210的焦點(diǎn)信息來(lái)控制太陽(yáng)板110的軌道和高度。
中央控制單元480包括中央計(jì)算機(jī)485，其用于存儲(chǔ)與季節(jié)相應(yīng)的太 陽(yáng)軌跡和太陽(yáng)高度值，比較各檢測(cè)信號(hào)，追蹤發(fā)生錯(cuò)誤的太陽(yáng)光檢測(cè)器 300或太陽(yáng)追蹤傳感器200，并輸出補(bǔ)償信號(hào)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊450包括用 于驅(qū)動(dòng)軌道追蹤電機(jī)141的軌道追蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元451和用于驅(qū)動(dòng)高度 追蹤電機(jī)161的高度追蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元452。
數(shù)據(jù)通訊模塊430向軌道追蹤電機(jī)141、高度追蹤電機(jī)161以及中央 控制單元480發(fā)送檢測(cè)信號(hào)。太陽(yáng)光發(fā)電模塊470包括用于會(huì)聚太陽(yáng)光 的會(huì)聚單元471、用于將會(huì)聚單元471中會(huì)聚的光能轉(zhuǎn)換成電能的存儲(chǔ)器 472，以及用于對(duì)存儲(chǔ)器472中的電能進(jìn)行電力轉(zhuǎn)換的電力轉(zhuǎn)換單元473。
該檢測(cè)信號(hào)可包括關(guān)于軌道追蹤電機(jī)141和高度追蹤電機(jī)161的與 太陽(yáng)光亮度程度相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)程度的數(shù)據(jù)。另外，補(bǔ)償信號(hào)包 括軌道追蹤電機(jī)141和高度追蹤電機(jī)161的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)程度的數(shù)據(jù) (具有各檢測(cè)信號(hào)的平均值)。
參照?qǐng)D6描述根據(jù)上述結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的聚光光伏太陽(yáng)能追蹤方法。
如圖6所示，該聚光光伏太陽(yáng)能追蹤方法包括以下步驟通過(guò)用于 檢測(cè)太陽(yáng)光的至少兩個(gè)太陽(yáng)光檢測(cè)器300追蹤太陽(yáng)光，該至少兩個(gè)太陽(yáng)光檢測(cè)器300形成在用于會(huì)聚太陽(yáng)光的太陽(yáng)板110的不同軸上；基于檢 測(cè)到的太陽(yáng)光的亮度程度控制太陽(yáng)板110的軌道和高度；通過(guò)太陽(yáng)追蹤 傳感器200追蹤太陽(yáng)光，太陽(yáng)追蹤傳感器200使用菲涅耳透鏡210會(huì)聚 照射到太陽(yáng)板110上的太陽(yáng)光，并且包括在照射了菲涅耳透鏡210的焦 點(diǎn)時(shí)檢測(cè)該焦點(diǎn)的四區(qū)域光電二極管220;以及基于在該四區(qū)域光電二極 管220上形成的菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)信息，控制太陽(yáng)板110的軌道和 高度。
在描述上述結(jié)構(gòu)的聚光光伏太陽(yáng)追蹤方法之前，如下說(shuō)明利用太陽(yáng) 光檢測(cè)器300追蹤太陽(yáng)光的原理。
當(dāng)太陽(yáng)軌道檢測(cè)器300a的光暈傳感器321a中檢測(cè)到的亮度程度大 于其它兩個(gè)光傳感器321b和321c中檢測(cè)到的亮度程度時(shí)，即，當(dāng)太陽(yáng) 處于太陽(yáng)板110的背面時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸130以預(yù)定角度旋轉(zhuǎn)，例如，180°。另 一方面，當(dāng)太陽(yáng)軌道檢測(cè)器300a的左光傳感器321b中檢測(cè)到的亮度程 度小于右光傳感器321c中檢測(cè)到的亮度程度時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸130以預(yù)定的角 度(即，使得太陽(yáng)與傳感器安裝墊323中右光傳感器321c和左光傳感器 321b所安裝在的兩個(gè)側(cè)面的夾角相對(duì)的角度)旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針 方向。
已知的事實(shí)是，當(dāng)入射角為90。時(shí)，檢測(cè)到的亮度程度具有最大值。 當(dāng)太陽(yáng)高度檢測(cè)器300b的各光傳感器321a、 321b和321c中檢測(cè)到的亮 度程度之間的差異在預(yù)定范圍之外時(shí)，控制角度控制桿150的高度以使 各個(gè)光傳感器321a、 321b和321c中檢測(cè)到的亮度程度之間的差異能夠 處于預(yù)定范圍之內(nèi)。例如，當(dāng)光暈傳感器321a中檢測(cè)到的亮度程度小于 其它兩個(gè)光傳感器321b和321c中檢測(cè)到的亮度程度時(shí)，通過(guò)角度控制 桿驅(qū)動(dòng)裝置160使角度控制桿150下降。
上面提到的太陽(yáng)高度檢測(cè)器300b可以用于把入射角維持在90。，但 不限于此。例如，根據(jù)上述太陽(yáng)高度檢測(cè)器300b，在傳感器安裝墊323 的各側(cè)上安裝的光傳感器檢測(cè)太陽(yáng)的高度，但是也可以通過(guò)改變?cè)摻Y(jié)構(gòu)， 通過(guò)在傳感器安裝墊323的頂面上安裝一個(gè)光傳感器來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)高度。 另外，可以在沒(méi)有太陽(yáng)高度檢測(cè)器300b的情況下使用太陽(yáng)軌道檢測(cè)器300a。在控制旋轉(zhuǎn)軸130以使右光傳感器321c中檢測(cè)到的亮度程度與左 光傳感器321b中檢測(cè)到的亮度程度一致之后，可控制角度控制桿150的 高度，以使各個(gè)光傳感器321a、 321b和321c中檢測(cè)到的亮度程度彼此 一致。
基于上述原理，接下來(lái)將要描述通過(guò)至少兩個(gè)太陽(yáng)光檢測(cè)器300 追蹤太陽(yáng)光的主要步驟S100，該太陽(yáng)光檢測(cè)器300安裝在用于會(huì)聚太陽(yáng) 光的太陽(yáng)板110的不同側(cè)上，用于檢測(cè)太陽(yáng)光；以及根據(jù)太陽(yáng)光檢測(cè)器 300中檢測(cè)到的太陽(yáng)光的亮度程度，控制太陽(yáng)板110的軌道和高度的主要 步驟S200。
通過(guò)數(shù)據(jù)通訊模塊430向數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器440發(fā)送太陽(yáng)光檢測(cè)器300中 生成的各檢測(cè)信號(hào)并儲(chǔ)存起來(lái)。
控制模塊460的第一控制單元461從第一檢測(cè)單元410和主追蹤傳 感器421接收檢測(cè)信號(hào)并且同時(shí)監(jiān)視第一檢測(cè)單元410和主追蹤傳感器。
另外，第一控制單元461分析存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器440中的檢測(cè)信號(hào) 并且控制用于驅(qū)動(dòng)軌道追蹤電機(jī)141的軌道追蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元451以及 用于驅(qū)動(dòng)高度追蹤電機(jī)161的高度追蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元452。第一控制單元 461可以通過(guò)控制主追蹤傳感器421而實(shí)現(xiàn)通過(guò)菲涅耳透鏡210的太陽(yáng)光 的DNI。
中央控制單元480接收通過(guò)數(shù)據(jù)通訊模塊430發(fā)送來(lái)的、聚光光伏 太陽(yáng)追蹤裝置100的太陽(yáng)軌道檢測(cè)器300a和太陽(yáng)高度檢測(cè)器300b中生 成的檢測(cè)信號(hào)，并分析該檢測(cè)信號(hào)。中央控制單元480存儲(chǔ)中央計(jì)算機(jī) 485中的太陽(yáng)軌跡信息。通過(guò)比較太陽(yáng)軌跡信息和檢測(cè)信號(hào)來(lái)計(jì)算太陽(yáng)的 軌道和高度的平均值。在計(jì)算太陽(yáng)軌道和高度的平均值以后，相應(yīng)于該 平均值輸出包含軌道追蹤電機(jī)141及高度追蹤電機(jī)161的旋轉(zhuǎn)方向和程 度信息的補(bǔ)償信號(hào)并且發(fā)送到第一控制單元461。
接收到補(bǔ)償信號(hào)的第一控制單元461通過(guò)控制軌道追蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)單 元451和高度追蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元452來(lái)相應(yīng)于補(bǔ)償信號(hào)控制軌道追蹤電 機(jī)141和高度追蹤電機(jī)161?？刂颇K460、太陽(yáng)光檢測(cè)模塊400、數(shù)據(jù) 通訊模塊430、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器440及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊450可以從太陽(yáng)光發(fā)電模塊470接收電力。
下面說(shuō)明通過(guò)太陽(yáng)追蹤傳感器200追蹤太陽(yáng)光的原理。
會(huì)聚透過(guò)菲涅耳透鏡210而照射到太陽(yáng)板110上的太陽(yáng)光。菲涅耳 透鏡210通過(guò)會(huì)聚的太陽(yáng)光在四區(qū)域光電二極管220上形成焦點(diǎn)。菲涅 耳透鏡210的焦點(diǎn)出現(xiàn)在照射太陽(yáng)光的太陽(yáng)位置的相對(duì)側(cè)。包含了出現(xiàn) 在四區(qū)域光電二極管220 (其被分成2x2陣列的4個(gè)部分)上的焦點(diǎn)的位 置信息的焦點(diǎn)信息被發(fā)送到控制單元的第二控制單元462。
第二控制單元462分析焦點(diǎn)信息，并且掌握在四區(qū)域光電二極管220 上的點(diǎn)"①"到"⑧"當(dāng)中形成菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)的點(diǎn)。第二控制單元 462根據(jù)形成了焦點(diǎn)的點(diǎn)來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊450，驅(qū)動(dòng)軌道追蹤電機(jī)141 和高度追蹤電機(jī)161并且相應(yīng)于太陽(yáng)的位置移動(dòng)太陽(yáng)板110。
下面描述基于上述太陽(yáng)追蹤傳感器200的工作原理、通過(guò)使用菲涅 耳透鏡210會(huì)聚照射到太陽(yáng)板110的太陽(yáng)光并且通過(guò)太陽(yáng)追蹤傳感器200 追蹤太陽(yáng)光的步驟，太陽(yáng)追蹤傳感器200包括當(dāng)照射菲涅耳透鏡210的 焦點(diǎn)時(shí)用于檢測(cè)該焦點(diǎn)的四區(qū)域光電二極管220，并且描述輔助步驟 S400，該步驟基于通過(guò)太陽(yáng)追蹤傳感器200檢測(cè)到的在四區(qū)域光電二極 管220中形成的菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)信息來(lái)控制太陽(yáng)板110的軌道和 高度。
輔追蹤傳感器425通過(guò)第二控制單元462的控制，將由主追蹤傳感 器421實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)光的DNI移至四區(qū)域光電二極管220的中心點(diǎn)。通過(guò) 菲涅耳透鏡210進(jìn)行了 DM的太陽(yáng)光照射到四區(qū)域光電二極管220上， 使得菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)形成在四區(qū)域光電二極管220上。輔追蹤傳 感器425的太陽(yáng)光焦點(diǎn)檢測(cè)器426通過(guò)四區(qū)域光電二極管220檢測(cè)菲涅 耳210的焦點(diǎn)，并且向控制模塊460的第二控制單元462發(fā)送焦點(diǎn)信息， 該焦點(diǎn)信息包含在四區(qū)域光電二極管220上形成的菲涅耳透鏡210的焦 點(diǎn)位置。第二控制單元462分析該焦點(diǎn)信息，對(duì)菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn) 位置進(jìn)行解碼并且將太陽(yáng)板110沿焦點(diǎn)位置的相反方向移動(dòng)。
參考圖2B，在四區(qū)域光電二極管220上設(shè)置8個(gè)點(diǎn)，下面將說(shuō)明根 據(jù)該8個(gè)點(diǎn)移動(dòng)太陽(yáng)板110的情況。
16當(dāng)在四區(qū)域光電二極管220西邊的點(diǎn)"①"上形成菲涅耳透鏡210的 焦點(diǎn)時(shí)，第二控制單元462操作軌道追蹤電機(jī)141或者高度追蹤電機(jī)161， 使太陽(yáng)板110向東移動(dòng)。當(dāng)在四區(qū)域光電二極管220的西北邊的點(diǎn)"②" 上形成菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)時(shí)，第二控制單元462操作軌道追蹤電機(jī) 141或者高度追蹤電機(jī)161，使太陽(yáng)板110向南移動(dòng)后向東移動(dòng)。
當(dāng)在四區(qū)域光電二極管220北邊的點(diǎn)"③"上形成菲涅耳透鏡210的 焦點(diǎn)時(shí)，第二控制單元462操作軌道追蹤電機(jī)141或者高度追蹤電機(jī)161， 使太陽(yáng)板110向南移動(dòng)。當(dāng)在四區(qū)域光電二極管220的東北邊的點(diǎn)"④" 上形成菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)時(shí)，第二控制單元462操作軌道追蹤電機(jī) 141或者高度追蹤電機(jī)161，使太陽(yáng)板110向南移動(dòng)。
當(dāng)在四區(qū)域光電二極管220東邊的點(diǎn)"⑤"上形成菲涅耳透鏡210的 焦點(diǎn)時(shí)，第二控制單元462操作軌道追蹤電機(jī)141或者高度追蹤電機(jī)161， 使太陽(yáng)板110向西移動(dòng)。當(dāng)在四區(qū)域光電二極管220東南邊的點(diǎn)"⑥"上形 成菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)時(shí)，第二控制單元462操作軌道追蹤電機(jī)141 或者高度追蹤電機(jī)161，使太陽(yáng)板110向北移動(dòng)。
當(dāng)在四區(qū)域光電二極管220南邊的點(diǎn)"⑦"上形成菲涅耳透鏡210的 焦點(diǎn)時(shí)，第二控制單元462操作軌道追蹤電機(jī)141或者高度追蹤電機(jī)161， 使太陽(yáng)板110向北移動(dòng)。當(dāng)在四區(qū)域光電二極管220西南邊的點(diǎn)"⑧"上形 成菲涅耳透鏡210的焦點(diǎn)時(shí)，第二控制單元462操作軌道追蹤電機(jī)141 或者高度追蹤電機(jī)161，使太陽(yáng)板110向東移動(dòng)。
在通過(guò)菲涅耳透鏡210由太陽(yáng)光在四區(qū)域光電二極管220上形成焦 點(diǎn)的同時(shí)，太陽(yáng)光可以通過(guò)作為太陽(yáng)光損失防止模塊240的普通透鏡有 效會(huì)聚。在太陽(yáng)追蹤傳感器200中，優(yōu)選通過(guò)使用覆蓋太陽(yáng)追蹤傳感器 200外部的隔熱板260來(lái)將由于會(huì)聚太陽(yáng)光時(shí)產(chǎn)生的熱所造成的損害減至 最小。
根據(jù)本發(fā)明的聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置在通過(guò)用于檢測(cè)太陽(yáng)軌道和高 度的太陽(yáng)光檢測(cè)器、在整個(gè)方位角上掌握精確的太陽(yáng)位置的狀態(tài)下，通 過(guò)追蹤太陽(yáng)的精確軌道和高度，從而掌握太陽(yáng)的位置。
另外，通過(guò)控制太陽(yáng)追蹤傳感器，使得能夠?qū)?yīng)于太陽(yáng)的軌道或高度的變化合適地改變太陽(yáng)能電池的位置，從而使得太陽(yáng)光發(fā)電的效率最 大化。
盡管已經(jīng)相對(duì)于具體實(shí)施方式
描述了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員來(lái)說(shuō)很顯然，可以在不脫離所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的精神 和范圍的情況下作出各種改變和變形。
權(quán)利要求
1、一種聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置，該裝置包括太陽(yáng)板，其用于會(huì)聚太陽(yáng)光；太陽(yáng)追蹤傳感器，其由四區(qū)域光電二極管形成，用于使用菲涅耳透鏡來(lái)會(huì)聚照射到所述太陽(yáng)板上的太陽(yáng)光，并且在照射了所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)時(shí)檢測(cè)該焦點(diǎn)；至少兩個(gè)太陽(yáng)光檢測(cè)器，其包含在所述太陽(yáng)板的不同側(cè)上并且檢測(cè)所述太陽(yáng)光；以及控制裝置，其包括第一控制單元，其用于基于在所述太陽(yáng)光檢測(cè)器中檢測(cè)到的太陽(yáng)光的亮度程度來(lái)控制所述太陽(yáng)板的軌道和高度，和第二控制單元，其用于基于在所述四區(qū)域光電二極管上形成的菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)信息來(lái)控制所述太陽(yáng)板的軌道和高度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述太陽(yáng)追蹤傳感器包括 菲涅耳透鏡，其用于會(huì)聚太陽(yáng)光；第一印刷電路基板，其具有用于在照射了所會(huì)聚的太陽(yáng)光并且形成 了所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)時(shí)檢測(cè)所述焦點(diǎn)的所述四區(qū)域光電二極管；禾口太陽(yáng)光損失防止裝置，其用于支持所述菲涅耳透鏡和所述第一印刷 電路基板之間的間隔并防止所會(huì)聚的太陽(yáng)光的損失。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，該裝置還包括 第二印刷電路基板，其連接到所述第一印刷電路基板的下部并且具有接收在所述四區(qū)域光電二極管上形成的菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)信息的所述 第二控制單元。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述太陽(yáng)追蹤傳感器的外部 由隔熱板形成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1和2中任何一項(xiàng)所述的裝置，其中，所述四區(qū)域 光電二極管被劃分成2x2陣列。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中，所述太陽(yáng)光損失防止裝置由透鏡形成。
7、 一種聚光光伏太陽(yáng)追蹤方法，該方法包括以下步驟通過(guò)用于檢測(cè)太陽(yáng)光的至少兩個(gè)太陽(yáng)光檢測(cè)器來(lái)主要地追蹤太陽(yáng)光，所述太陽(yáng)光檢測(cè)器被形成在用于會(huì)聚太陽(yáng)光的太陽(yáng)板的不同軸上；基于所檢測(cè)到的太陽(yáng)光的亮度程度來(lái)主要地控制所述太陽(yáng)板的軌道和高度；通過(guò)太陽(yáng)追蹤傳感器來(lái)輔助地追蹤太陽(yáng)光，所述太陽(yáng)追蹤傳感器用于利用菲涅耳透鏡會(huì)聚照射到所述太陽(yáng)板上的太陽(yáng)光，并且包括用于在照射了所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)時(shí)檢測(cè)該焦點(diǎn)的四區(qū)域光電二極管；以及基于在所述四區(qū)域光電二極管上形成的菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)信息來(lái)輔助地控制所述太陽(yáng)板的軌道和高度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述的通過(guò)太陽(yáng)追蹤傳感器來(lái)輔助地追蹤太陽(yáng)光的步驟包括以下步驟通過(guò)所述菲涅耳透鏡會(huì)聚所述太陽(yáng)光；通過(guò)照射所會(huì)聚的太陽(yáng)光，在所述四區(qū)域光電二極管上形成所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)；以及通過(guò)所述四區(qū)域光電二極管檢測(cè)所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述太陽(yáng)追蹤傳感器包括用于會(huì)聚太陽(yáng)光的所述菲涅耳透鏡；第一印刷電路基板，其具有用于在照射了所會(huì)聚的太陽(yáng)光并且形成了所述菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)時(shí)檢測(cè)所述焦點(diǎn)的所述四區(qū)域光電二極管；以及太陽(yáng)光損失防止裝置，其用于支持所述菲涅耳透鏡和所述第一印刷電路基板之間的間隔并且防止所會(huì)聚的太陽(yáng)光的損失。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，該方法進(jìn)一步包括第二印刷電路基板，其連接到所述第一印刷電路基板的下部并且具有接收在所述四區(qū)域光電二極管上形成的菲涅耳透鏡的焦點(diǎn)信息的所述第二控制單元。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所^E太陽(yáng)追蹤傳感器的外部由隔熱板形成。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9和10中任何一項(xiàng)所述的方法，其中所述四區(qū)域光電二極管被劃分成2x2陣列。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述太陽(yáng)光損失防止裝置由透鏡形成。
全文摘要
提供了一種高效聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置和方法，更具體地說(shuō)，提供了一種聚光光伏太陽(yáng)追蹤裝置和方法，其通過(guò)使用菲涅耳透鏡會(huì)聚太陽(yáng)光并且基于所會(huì)聚的太陽(yáng)光照射在光電二極管上時(shí)形成的焦點(diǎn)信息來(lái)移動(dòng)太陽(yáng)板，由此使會(huì)聚效率最大化。
文檔編號(hào)H02N6/00GK101674033SQ20091017789
公開(kāi)日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月10日
發(fā)明者姜文植, 張丙錫, 洪錫訓(xùn) 申請(qǐng)人:罷漏株式會(huì)社