一種太陽光入射方向檢測與控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太陽光入射方向的檢測與控制方法，以圓柱形密閉腔體作為光線入射方向的傳感器，在密閉腔體的上面板上設(shè)置透光孔，在上面板設(shè)有飛緣，采用吸光處理密閉腔體內(nèi)部桶壁，在密閉腔體的底板縱橫向上均勻布置光敏檢測元件；光線通過透光孔照射到密閉腔體底板的光敏元件受光面上，接受到光線照射的光敏元件輸出狀態(tài)信息，根據(jù)光敏元件的位置及其所輸出的狀態(tài)信息，獲得太陽光入射方向與太陽能電池板之間的偏移關(guān)系，決定傳動機(jī)構(gòu)在水平和前傾后仰方向的運動，以調(diào)整太陽能電池板的方位，完成電池板的對光控制。本發(fā)明采用光敏三極管實現(xiàn)光點位置檢測，確定太陽光入射方向，可以使太陽能電池板實時調(diào)節(jié)運動，保證太陽能電池板正對太陽光。
【專利說明】一種太陽光入射方向檢測與控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電檢測技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種太陽光入射方向檢測與控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了讓太陽能電池板獲得最大光能，除了采用最大功率點跟蹤MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制算法之外,還需要將電池板實施對光控制，以保證太陽能電池板以最大的正對面積正對太陽光線，電池板能夠接收到最大的太陽能。
[0003]實施太陽能電池板對光控制的方法主要有實時探測太陽光入射角度的被動式跟蹤和根據(jù)天文知識計算太陽位置的主動式跟蹤。前者不受計算誤差及節(jié)氣變更的影響，只要光線檢測傳感器檢測的精度足夠高，就可以滿足太陽能電池板的對光控制。后者需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，需要繁復(fù)的天文知識支撐，太陽能電池板的控制精度受制于計算結(jié)果的精確度，受節(jié)氣變更的影響比較大，不管天氣如何，太陽能電池板均按照其自身的控制軌跡運行，如要進(jìn)行合適地調(diào)整控制，需要輔以其他的控制手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種太陽光入射方向檢測與控制方法，使其具有良好的屏蔽效果、抗干擾性、防水性等特點，滿足使用需求。
[0005]技術(shù)方案:為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]—種太陽光入射方向的檢測與控制方法:以一圓柱形密閉腔體作為光線入射方向的傳感器，密閉腔體的上表面設(shè)置一透光孔，上表面的面板設(shè)有飛緣，容器內(nèi)部桶壁采用吸光處理，底板縱橫向均勻布置光敏檢測元件；光線通過透光孔照射到密閉腔體底板的光敏元件受光面上，接受到光線照射的光敏元件輸出狀態(tài)信息，根據(jù)光敏元件的位置及其所輸出的狀態(tài)信息，獲得太陽光入射方向與太陽能電池板之間的偏移關(guān)系，決定傳動機(jī)構(gòu)在水平和前傾后仰方向的運動，以調(diào)整太陽能電池板的方位，完成電池板的對光控制。
[0007]所述的光敏檢測元件接收到太陽光照射后產(chǎn)生光電流經(jīng)過放大后驅(qū)動后續(xù)的兩路放大電路，后續(xù)兩路放大電路輸出低電平，其余沒有接受到太陽光照射的光敏元件所對應(yīng)的后續(xù)電路輸出高電平；將所有橫坐標(biāo)位置相同的元件，所產(chǎn)生的一路輸出X全部相連；將所有縱坐標(biāo)位置相同的元件，所產(chǎn)生的一路輸出I全部相連，則在太陽光照射下，以傳感器中心為基準(zhǔn)，傳感器X方向輸出兩組狀態(tài)碼，傳感器y方向也輸出兩組狀態(tài)碼，將這四組代碼進(jìn)行邏輯運算后所形成的狀態(tài)信息便確定太陽能電池板需要調(diào)整的控制要求。
[0008]所述的以傳感器的中心為基準(zhǔn)，X軸方向過零點兩側(cè)形成的兩組狀態(tài)信息分別進(jìn)行“與非”運算輸出X+、X-，y軸方向過零點上下兩側(cè)形成的兩組狀態(tài)信息分別進(jìn)行“與非”運算輸出Y+、Y-，狀態(tài)X+、X-、Y+、Y-反映太陽能電池板移動的需求，X+表示太陽能電池板需要實現(xiàn)以中心點為基準(zhǔn)的右側(cè)近光運動、X-表示太陽能電池板需要實現(xiàn)以中心點為基準(zhǔn)的左側(cè)近光運動、Y+表示太陽能電池板需要實現(xiàn)以中心點為基準(zhǔn)的上側(cè)近光運動、Y—表示太陽能電池板需要實現(xiàn)以中心點為基準(zhǔn)的下側(cè)近光運動。
[0009]所述的安裝于底板上的光敏檢測元件在設(shè)置時，確保傳感器的上表面入射孔直徑大于對角兩光敏元件的感光外邊距，同時傳感器的上表面入射孔直徑小于水平或垂直方向相隔的兩光敏元件感光外邊距。
[0010]所述的將檢測電路輸出的四組信號按照大偏角狀態(tài)置于高位組合的二進(jìn)制數(shù)作為傳動系統(tǒng)相對應(yīng)電機(jī)移動的速度控制信號，保證太陽能電池板大偏角情況下電機(jī)移動有比較快的速度，使電池板快速完成對光控制。
[0011]所述的為適應(yīng)大偏角情況下的檢測，在傳感器上邊緣的X軸兩側(cè)、y軸兩側(cè)各設(shè)置一個光敏元件，此處設(shè)置為光敏電阻，傳感器上邊緣設(shè)置凸出的飛緣，飛緣的遮光效果保證光線照射到傳感器底板邊緣時光敏元件受光面接受到太陽光的照射，以保證在入射角較大時裝置的準(zhǔn)確檢測與控制。其輸出狀態(tài)與所對應(yīng)的狀態(tài)組進(jìn)行邏輯運算，構(gòu)成傳動機(jī)構(gòu)運動控制信息，與對應(yīng)的狀態(tài)組的最高位進(jìn)行與非運算作為移動電機(jī)速度控制的最高位數(shù)決定電機(jī)運行控制的速度信息。
[0012]本發(fā)明借助于傳感器底板檢測面上均勻布置的光敏元件，實現(xiàn)太陽光入射光點位置的檢測，反映太陽入射光與太陽能電池板面之間的角度偏移信息。根據(jù)檢測電路所確定的太陽入射光與太陽能電池板之間的角度偏移信息，由邏輯電路的輸出狀態(tài)決定太陽能電池板是否實現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)、前傾后仰運動，以保證太陽能電池板正對太陽光，盡可能獲得最大光能。為獲得太陽光入射方向信息，以傳感器中心點為基準(zhǔn)點，縱、橫向均勻布置多列(行)光敏檢測元件，被光線照射的光敏元件形成的光電流經(jīng)過放大后驅(qū)動后接電子放大電路，產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)信息。檢測電路的縱、橫向狀態(tài)輸出端口狀態(tài)反映了入射光形成光點的位置，以此信息為基礎(chǔ)通過邏輯運算產(chǎn)生太陽能電池板需要移動的狀態(tài)控制信息。如果太陽能電池板相對太陽光偏移的位置較大，希望太陽能電池板對光移動控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度快一些，以盡快完成對光控制。為此，將檢測電路輸出狀態(tài)信息進(jìn)行組合，形成二進(jìn)制數(shù)，該數(shù)值的大小反映了太陽能電池板偏移太陽入射光角度的程度，偏移角度越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行的速度越快。針對大偏角時該傳感器所檢測狀態(tài)信息會出現(xiàn)錯誤的情況，采用在傳感器上表面設(shè)置飛緣，光敏檢測元件置于飛緣之下，當(dāng)偏角較大時由該檢測元件反映偏角信息。該信息與內(nèi)部底板上檢測電路信息進(jìn)行邏輯運算，構(gòu)成太陽能電池板偏移控制信息，并同時構(gòu)成執(zhí)行機(jī)構(gòu)運行的速度控制信息。
[0013]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的太陽光入射方向檢測與控制方法，采用光敏三極管實現(xiàn)光點位置檢測，確定太陽光照射到太陽能電池板的入射方向，可以使太陽能電池板準(zhǔn)確、可靠地獲得正對太陽光的調(diào)節(jié)運動，保證太陽能電池板正對太陽光，太陽能電池板可以獲得最大光能，能滿足太陽能電池板對光控制的使用需求，具有很好的實用性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是傳感器底部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3是傳感器底板感光元件布置示意圖；
[0017]圖4是光點大小與感光元件之間的關(guān)系示意圖；
[0018]圖5是傳感器底板感光檢測電路不意圖；[0019]圖6是大偏角情況下太陽光入射形成的光點示意圖；
[0020]圖7是外側(cè)入射光方向檢測電路圖；
[0021]圖8是太陽能電池板對光控制方法流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合具體附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0023]—種太陽光入射方向檢測與控制方法,為基于光點位置檢測的太陽能電池板對光方位檢測與控制方法。使用一只在面板上設(shè)置透光孔，在底板上均勻布置感光元件的圓形密閉容器構(gòu)成太陽光入射方向檢測的傳感器。傳感器與太陽能電池板固定連接，且傳感器的底板與太陽能電池的板面平行。太陽光通過透射孔照射到底板的感光元件上，與感光元件相連的后續(xù)電路反映出感光元件被太陽光照射的情況，被太陽光照射的感光元件所處位置便由其后續(xù)電路的輸出狀態(tài)反映出來。根據(jù)橫向、縱向感光元件所反映的狀態(tài)信息，通過邏輯電路輸出太陽能電池板需要移動的方向信息，并根據(jù)太陽光所照射的位置，用檢測電路狀態(tài)反映電池板需要調(diào)整的迫切程度，使得調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)在太陽光偏移方向較大的情況下有較快的移動速度，使太陽能電池板的位置盡快地被調(diào)整到位，以正對太陽光，最大限度地接受太陽能。
[0024]太陽光入射方位檢測傳感器，如圖1所示，為光線入射方位檢測傳感器的三維立體基本結(jié)構(gòu)，該傳感器本體I為一圓柱體密封不透光結(jié)構(gòu)，在其上表面的上面板正中央開有一直徑3-5_的透光孔2，太陽光3可以通過該透光孔2射入腔內(nèi)。圖2為底板4視圖，光線通過小孔入射到腔內(nèi)后投射到底板4上，形成一個光點5。該光點5的位置反映了太陽光的入射方向，若該傳感器與太陽能電池板固定連接，按照傳感器所檢測的太陽光入射方向，可以獲得太陽能電池板方位調(diào)整的移動需求信息。
[0025]在該傳感器底板上，按照橫向、縱向均勻布置若干個感光元件，如圖3所示。為實現(xiàn)太陽能電池板位置的準(zhǔn)確檢測，底板所布置的感光元件應(yīng)該緊湊、均勻，保證入射到腔內(nèi)的太陽光可以照射到底板上的感光元件表面。至于光點直徑與感光元件大小之間的關(guān)系說明如圖4所示。圖4中，實線圓表示所布置的感光元件，虛線圓表示光點位置及大小示意。顯然，為保證在任意情況下，光點移動時感光元件可以接受到太陽光照射的透光孔直徑必須大于對角兩光敏元件感光面邊緣之間的距離，即傳感器的上表面入射孔直徑應(yīng)該大于對角兩光敏元件的感光外邊距。同時，為提升傳感器檢測精確度，光點直徑不要大于水平或者垂直方向相隔的兩感光元件外圓之間的距離，即傳感器的上表面入射孔直徑應(yīng)小于水平或垂直方向相隔的兩光敏元件感光外邊距(即中間間隔一個光敏元件時橫向或者縱向兩光敏元件外邊緣之間的距離)。
[0026]傳感器底板上各光點的檢測電路如圖5所示，選擇的光敏檢測元件為光敏三極管。各光點檢測電路包括供電電源母線及電源地線，在母線和地線之間并聯(lián)有三個分支串聯(lián)電路，檢測分支串聯(lián)電路由連接至電源的電阻和光敏三極管串聯(lián)組成，兩串聯(lián)分支放大電路均由連接至電源母線的電阻和晶體三極管串聯(lián)組成，晶體三極管的發(fā)射極接地。當(dāng)太陽光入射到底板表面時，布置于底板表面的光敏三極管接收到太陽光的照射，形成光電流，該光電流作為光敏三極管的基極驅(qū)動電流，經(jīng)過光敏三極管電流放大，其發(fā)射極流出光電流β+l倍的發(fā)射極電流(β為光敏三極管的電流放大倍數(shù))，該發(fā)射極電流成為后接晶體管的基極驅(qū)動電流，使后接晶體管導(dǎo)通，其集電極x、y輸出電平由高電平變成低電平，其它沒有接受到光線照射的檢測單元的晶體管輸出狀態(tài)為高電平。
[0027]為實現(xiàn)光點位置的定位檢測，將該光點檢測電路輸出端X與該點橫坐標(biāo)位置相同(垂直方向)的各檢測點輸出端X相連，則在該點接受到光線照射后，與該點相連的所有垂直方向上各檢測點輸出端X均被該點拉低電位，共同輸出電平“O”(正邏輯)。同樣，將該光點檢測電路輸出端y與該點縱坐標(biāo)位置相同(沿水平方向)的各檢測點輸出端y相連，則在該點接受到光線照射后，與該點相連的所有水平方向上各檢測點輸出端y均被該點拉低電位，共同輸出電平“O”(正邏輯)。若只有這一檢測點接收到光線照射，該點檢測電路輸出X = “0”，y = “0”，觀察圖3有:
[0028]V, =0， I 二() i， j Cl -/7 一 nC 1.)
[0029]式⑴表明，檢測電路的橫向第i列、縱向第j行位置接受到光線的照射，除此之外的所有狀態(tài)均為高電平“I”。 [0030]如果因為要保證在任意情況下光點的位置均能被檢測電路所反映，光點的直徑總是設(shè)置得比光敏元件的受光面直徑要大，則在光點移動(入射光移動)過程中，會出現(xiàn)相鄰的兩個、三個、甚至是相鄰的四個光點檢測元件接收到入射光的照射，則檢測電路輸出狀態(tài)為“0”，其余為“I”。即:
[0031]1、橫向或者縱向相鄰的兩個光點檢測元件接收到入射光的照射:
[0032]xt = xi+l=Q, ^7=O, i, j [ -η ~η(2)
[0033]或者:
[0034]\ =().V7 = Vzll=O, i，j [ -η ~nC3
[0035]2、相鄰的三個、四個光點檢測元件接收到入射光的照射:
[0036]Xi = Xw =0，J1- = yj+l =()，i，jc—n~n{4)
[0037]從圖3可見，傳感器底板直徑越大，底板上設(shè)置的檢測元件越多，該檢測器所能檢測光線移動的范圍越寬。但是，檢測點越多，檢測的信號狀態(tài)也越多，檢測電路越復(fù)雜，后續(xù)電路成本越高。而且，在傳感器檢測到光線入射角的過程中，因為實際控制跟蹤裝置的驅(qū)動使太陽能電池板跟蹤光線移動，電路所需要的檢測光點也只是中心點附近變化，除非是因為光線被云層所阻擋，云層移動后太陽光瞬間照射時才會有比較大的入射角變化。因此，傳感器底板的直徑，即傳感器的直徑不需要設(shè)置得太大。
[0038]為方便檢測并簡化電路，傳感器中心點兩側(cè)及上下側(cè)設(shè)置的檢測光點數(shù)η < 8，若設(shè)置數(shù)為8，傳感器底板所設(shè)置的檢測光點將有17行、17列之多，足以實現(xiàn)光線入射角檢測。沿縱、橫向中心線所布置的檢測元件，其檢測電路只需要輸出一種狀態(tài)，如位于橫軸上的檢測元件只需要輸出橫向位置狀態(tài)，位于縱軸上的檢測元件只需要輸出縱向位置狀態(tài)。此時，以中心點為基準(zhǔn)，中心點右側(cè)狀態(tài)X1X2…X8、中心點左側(cè)狀態(tài)X-A2-χ_8、中心點上側(cè)狀態(tài)中心點下側(cè)狀態(tài)…I均為8路輸出，水平方向Xtl處、垂直方向Iq處不設(shè)置控制輸出，僅設(shè)置狀態(tài)完成告示，表示對角控制已經(jīng)完成，因為Xtl = (Kyci = O表示光點位于傳感器中心位置，對光控制已經(jīng)完成，沒有調(diào)節(jié)的需求。如XtI = O, Yj =“1”, j古O,或者Xi = “I”，yo = O, i古O分別表示光點處于過傳感器中心點的垂直線和處于過傳感器中心點的水平線上，其狀態(tài)調(diào)整的需求在前面的四個狀態(tài)中均有反映，如式(I)~(4)所示。[0039]按照η = 8設(shè)置傳感器底板光點檢測元件，按圖3分析，其水平方向有兩組輸出信號，為別是=X1X2…X8^1Xj…X-8，狀態(tài)xlV x8中有輸出為“O”時表不光點位于中心點的右側(cè)，狀態(tài)X4X-2…X-8中有輸出為“O”時表不光點位于中心點的左側(cè)。垂直方向也有兩組輸出信號，為別是-.W.HiWy_8，狀態(tài)U2...1%中有輸出為“O”時表不光點位于中心點的上側(cè)，狀態(tài)y-1yyy-8中有輸出為“O”時表示光點位于中心點的下側(cè)。
[0040]設(shè)計邏輯電路，對各組的每路輸出信號實現(xiàn)“與非”運算，并設(shè)狀態(tài)信號X+、X_、Y+、Y-為:
【權(quán)利要求】
1.一種太陽光入射方向的檢測與控制方法，其特征在于:以圓柱形密閉腔體作為光線入射方向的傳感器，在密閉腔體的上面板上設(shè)置透光孔，在上面板設(shè)有飛緣，采用吸光處理密閉腔體內(nèi)部桶壁，在密閉腔體的底板縱橫向上均勻布置光敏檢測元件；光線通過透光孔照射到密閉腔體底板的光敏元件受光面上，接受到光線照射的光敏元件輸出狀態(tài)信息，根據(jù)光敏元件的位置及其所輸出的狀態(tài)信息，獲得太陽光入射方向與太陽能電池板之間的偏移關(guān)系，決定傳動機(jī)構(gòu)在水平和前傾后仰方向的運動，以調(diào)整太陽能電池板的方位，完成電池板的對光控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光入射方向的檢測與控制方法，其特征在于:所述的光敏檢測元件接收到太陽光照射后產(chǎn)生光電流經(jīng)過放大后驅(qū)動后續(xù)的兩路放大電路，后續(xù)兩路放大電路輸出低電平，其余沒有接受到太陽光照射的光敏元件所對應(yīng)的后續(xù)電路輸出高電平；將所有橫坐標(biāo)位置相同的元件，所產(chǎn)生的一路輸出X全部相連；將所有縱坐標(biāo)位置相同的元件，所產(chǎn)生的一路輸出y全部相連，則在太陽光照射下，以傳感器中心為基準(zhǔn)，傳感器X方向輸出兩組狀態(tài)碼，傳感器y方向也輸出兩組狀態(tài)碼，將這四組代碼進(jìn)行邏輯運算后所形成的狀態(tài)信息便確定太陽能電池板需要調(diào)整的控制要求。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽光入射方向的檢測與控制方法，其特征在于:所述的檢測與控制方法以傳感器的中心為基準(zhǔn)，X軸方向過零點兩側(cè)形成的兩組狀態(tài)信息分別進(jìn)行“與非”運算輸出、，y軸方向過零點上下兩側(cè)形成的兩組狀態(tài)信息分別進(jìn)行“與非”運算輸出、，狀態(tài)、、、反映太陽能電池板移動的需求，表示太陽能電池板需要實現(xiàn)以中心點為基準(zhǔn)的右側(cè)近光運動、表示太陽能電池板需要實現(xiàn)以中心點為基準(zhǔn)的左側(cè)近光運動、表示太陽能電池板需要實現(xiàn)以中心點為基準(zhǔn)的上側(cè)近光運動、表示太陽能電池板需要實現(xiàn)以中心點為基準(zhǔn)的下側(cè)近光運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光入射方向的檢測與控制方法，其特征在于:所述的光敏檢測元件在設(shè)置時，確保傳感器的上表面入射孔直徑大于對角兩光敏元件的感光外邊距，同時傳感器的上表面入射孔直徑小于水平或垂直方向相隔的兩光敏元件感光外邊距。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光入射方向的檢測與控制方法，其特征在于:所述的檢測與控制方法將檢測電路輸出的四組信號按照大偏角狀態(tài)置于高位組合的二進(jìn)制數(shù)作為傳動系統(tǒng)相對應(yīng)電機(jī)移動的速度控制信號，保證太陽能電池板大偏角情況下電機(jī)移動有比較快的速度，使太陽能電池板快速完成對光控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光入射方向的檢測與控制方法，其特征在于:所述的檢測與控制方法為適應(yīng)大偏角情況下的檢測，在傳感器上邊緣的X軸兩側(cè)、y軸兩側(cè)各設(shè)置一個光敏元件，傳感器上邊緣設(shè)置凸出的飛緣，飛緣的遮光效果保證光線照射到傳感器底板邊緣時光敏元件受光面接受到太陽光的照射，以保證在入射角較大時裝置的準(zhǔn)確控制；其輸出狀態(tài)與所對應(yīng)的狀態(tài)組進(jìn)行邏輯運算，構(gòu)成傳動機(jī)構(gòu)運動控制信息，與對應(yīng)的狀態(tài)組的最高位進(jìn)行與非運算作為速度控制的最高位數(shù)決定電機(jī)運行控制的速度信息。
【文檔編號】G05D3/12GK103968803SQ201410204566
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】陳榮, 陳益飛, 王如剛, 陳多飛, 鐘加杰 申請人:鹽城工學(xué)院