二座标高精度太阳跟踪传感器 所属技术领域
本发明为一种二座标高精度太阳跟踪传感器， 属于太阳能应用领域， 用于太阳能 集热、 采热系统以及太阳能光伏发电系统、 尤其是太阳能的聚光采集设备的太阳方位的实 时动态跟踪设备的传感器。 背景技术
在全球化石能源即将枯竭的今天， 太阳能的深度开发应用已被人们所关注。但以 往人们仅在太阳能的低温应用领域上开发了一些基础产品， 如太阳能热水器、 太阳能光伏 电池等对跟踪要求不高或基本无需跟踪的产品， 并且， 由于过去的太阳跟踪设备造价高昂、 技术尚未成熟， 所以跟踪技术没有得到广泛应用。今天， 人们已深入到太阳能中、 高温应用 领域和高倍率聚光光伏应用领域的研究和开发， 人们发现， 由于太阳能的能流密度较低， 属 于低品位的热源， 若要将其提升为中、 高品位的热源， 使之产生高温、 高热和高光强， 就得设 法将太阳光进行高倍聚光， 而一旦采用聚光手段， 则离不开对太阳的高精度的适时动态跟 踪， 这就对跟踪传感器提出了很高的要求。
在现有技术中， 太阳跟踪传感器总是难以做到 “高灵敏度” 与 “二座标传感” 兼而 有之， 往往是用两个一座标的传感器组合而成， 或者是采用一个没有防干扰遮光装置的较 低灵敏度的两座标传感器， 应用中常常由于四周环境散射光的影响， 引起工作不稳定。 这给 安装、 调试带来了一定困难， 也给设备的精确运行引入了不应有的误差， 因此， 设计一种能 抗干扰的二座标高灵敏度的太阳跟踪传感器就显得十分必要。 发明内容
本发明的目的， 就是为聚光太阳能集热系统以及光伏发电系统提供一种经济实 用、 性能可靠、 使用方便、 二座标、 宽域、 高灵敏度的传感器， 以保证系统的可靠工作。
本发明的目的是通过以下方案实现的 ：
用两对参数相同的光敏器件 1、 一根四面带有反光镜面的矩形反光立柱 2、 一个四 棱锥台 3、 一个遮光筒 4 和一个底座 5， 构成一个所述的传感器 ； 两对光敏器件 1 分别装贴在 四棱锥台的四个斜面上， 矩形反光立柱 2 垂直立于四棱锥台 3 的顶部， 其四侧的镜面反光面 与四棱锥台的四个斜面分别一一相对分布， 遮光筒 4 与底座 5 相连， 处于本件的最底部。
两对光敏器件 1， 其材料、 光电参数、 形状、 尺寸均两两相同或完全相同， 它们可以 是各种光电池、 光敏电阻、 光敏二极管、 光敏三极管以及各种光电传感器。
两对光敏器件 1 可直接以四棱锥台的四个斜面为基板， 将光敏器件直接制作在其 上形成一体化， 也可以是两对互为独立的平板光电池或光敏电阻或光敏二极管或光敏三极 管或其它光电传感器贴或嵌在四棱锥台的四个斜面上。
矩形反光立柱 2 的俯视图可以是一正方形或矩形， 其四侧面为金属或非金属母材 进行抛光或电镀或表面粘贴反光材料而成的对光线有较强反射能力的不透光镜面， 四个镜 面光洁度相同、 光学性能相同。四棱锥台 3 的上、 下台面的形状可以是一正方形或矩形， 四棱锥台四侧斜面的锥 尖角两两对等或全部相等。
矩形反光立柱 2 和四棱锥台 3、 遮光筒 4、 底座 5， 可以是分别成形或分作两部份成 形后再粘合或胶合或嵌合在一起， 还可以是作为一个整体一次成形。
矩形反光立柱 2 的高度， 可以是四棱锥台 3 的高度的 0.5 至 10 倍， 此高度越高则 本传感器的灵敏度也越高 ； 遮光筒 4 的高度可以是四棱锥台 3 的高度的 0.1 至 5 倍， 此高度 越高则本传感器的抗干扰能力越强， 但所能探测的空域越窄， 此高度越低则本传感器的抗 干扰能力越弱， 但所能探测的空域越宽。
当太阳偏离传感器的中心位置时， 反光立柱 2 上的向阳反光镜面能将投射到其上 的阳光反射到与其相向的那片光敏器件上， 使这片光敏器件受光量增大， 输出的信号也增 大， 而与背阳面相向的那片光敏器件的受光量却被矩形反光立柱 2 部份遮挡或全遮挡而大 为减弱， 输出的信号也大为减小。
矩形反光立柱 2 和四棱锥台 3、 遮光筒 4、 底座 5 可由金属材料如铝合金、 锌合金、 铜等， 或高分子材料如胶木、 尼龙、 ABS、 PP、 PC 等经切削加工或挤压成形或注射成形 ； 遮光 筒 4 的内侧壁涂复吸光材料， 以使得投射进来的光线不致造成二次反射而造成不必要的干 扰。 四棱锥台 3 的底平面上有一层用于安装的底座 5， 底座 5 上留有安装孔和泄水孔， 底座 5 的外缘有一遮光筒 4， 遮光筒内壁贴或喷有吸光层， 使得周边环境的反射光不会影响 光敏器件的正常工作 ； 用一个所述的传感器安装在太阳能采集器的受光面上， 再通过一组 信号分析系统、 电器驱动系统和机械驱动系统并与之随动， 即可组成一个精确的三维太阳 跟踪系统。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图 1 是本发明的主视图
图 2 是本发明的俯视图
图 3 是本发明的阳光偏离中轴线时的工作状态示意图
图 4 是四路输入信号与 A/D 转换器联接示意图 具体实施方式
本传感器实施例之一的结构如图 1 所示
本传感器具有高灵敏度的原理如下 ：
如图 1 所示为本发明的传感器其中一维的工作原理 ： 矩形反光立柱处于四棱锥 台的顶部， 并且具有一定的高度， 此高度可以是四棱锥台本身高度的 0.5 至 10 倍， 此高度 越大， 当太阳转过一个单位角度后， 其背光面的遮光阴影也越长， 越容易遮敝单元光敏元件 ( 如图 3 矩形反光立柱左侧的三角形网影部份所示 )， 对输出电信号的影响也就越大。换言 之： 矩形反光立柱越长， 其阴影遮敝一个单元光敏元件所需的太阳偏转角也越小， 本传感器 也就越灵敏。这就是本发明能达到高灵敏度的原因之一。
如图 3 所示 ： 当阳光产生微量偏移时， 在矩形反光立柱的向阳面会将已偏移部份的光线反射到与之相对应的光敏元件上 ( 如图 3 中右侧箭头部分所示 )， 反射光与直射光迭 加， 提高其光强， 使其输出电信号增强， 以便于后续的逻辑运算电路或单片机的识别与正确 判断。这就是本发明能提高灵敏度的原因之二。
以上二种效应同时存在、 同时起作用， 所以本传感器的灵敏度较常规的传感器提 高了一个数量级以上， 哪怕在云层较薄的阴天， 也能识别天空中散射光的明暗差异， 对太阳 进行准确的跟踪， 对光伏发电系统尤其有利， 能可靠地保证太阳能采集设备全天候地对太 阳的准确高效跟踪， 以让其发挥出最大的效率， 这是其它类型的传感器所无法做到的。
由于本传感器是由两对光敏器件互成 90°放置、 精确制作在同一个元件上， 在工 作中互不影响、 同时起作用， 因此， 用一只本发明的传感器就能实现两座标的对日跟踪。
此外， 由于遮光筒以及遮光筒内壁吸光材料的存在， 使得周边环境的反射光不会 影响光敏器件的正常工作， 使之仅对所探测的空域中投射过来的直射光线保持高度的敏 感， 其它杂射光被其遮挡或吸收。遮光筒 4 的高度可以是四棱锥台 3 的高度的 0.1 至 5 倍， 此高度越高则本传感器的抗干扰能力越强， 但所能探测的空域越窄， 此高度越低则本传感 器的抗干扰能力越弱， 但所能探测的空域越宽。
如图 4 所示， 是实施例之一的四路输入信号与 A/D 转换器联接示意图， 由光敏器件 ( 如硅光电池 ) 采集到的光电信号送到 A/D 转换器进行 A/D 转换， 再通过单片机进行数据比 较， 以检出平衡或不平衡的差值信号， 用以驱动信号放大电路和执行机构， 对太阳跟踪设备 进行正确的姿位调整， 使之受光面始终正对太阳。