基于一維psd的太陽跟蹤傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非成像目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域，更準(zhǔn)確的說本發(fā)明涉及基于PSD傳感器的太陽位置高精度跟蹤裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)具有目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中最高的轉(zhuǎn)換效率，使用越高倍數(shù)的聚光透鏡，發(fā)電量也就越高，同時電池板也需要更高精度的太陽跟蹤。當(dāng)聚光倍數(shù)為1000倍時，0.15°以上的跟蹤偏差，就會使系統(tǒng)的發(fā)電量下降10%以上，因此高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)所需的太陽跟蹤精度必須達(dá)到0.1°以上。太陽跟蹤系統(tǒng)的工作方式通常有3種:開環(huán)、閉環(huán)以及二者相結(jié)合的方式。開環(huán)工作方式通過天文歷算法，結(jié)合當(dāng)前時間、位置、海拔等信息計算出當(dāng)前太陽的準(zhǔn)確位置，理論精度可達(dá)0.001°以上，但由于蒙氣差和時鐘誤差等因素，實際精度在0.1?0.2°之間，且存在累積誤差。閉環(huán)工作方式通過光電傳感器，實時測量跟蹤太陽位置，目前，可達(dá)0.1°以上精度的傳感器有面陣(XD、二維PSD、四象限光電探測器等，但此類傳感器價格奇高，并且輸出較為復(fù)雜，增加了后續(xù)數(shù)據(jù)采集和處理的難度，增加了傳感器整體的成本。
[0003]使用2只一維PSD也可以實現(xiàn)太陽位置的探測，但此種方法增加了系統(tǒng)成本，以及后續(xù)數(shù)據(jù)采集和處理的難度，并且必須2只一維PSD同時正常才可工作，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本的基于一維PSD的高精度太陽跟蹤傳感器。
[0005]本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:
[0006]基于一維PSD的太陽跟蹤傳感器，該太陽跟蹤傳感器包括透明保護(hù)頂蓋(I)、單色濾光片(2)、圖形光闌(3)、透鏡(4)、傳感器外殼(5)、一維PSD (6)、光敏器件(7)、自限溫電熱保溫器(8)、透鏡擱架a (9)、透鏡擱架b (12)、圖形光闌擱架(11);
[0007]透鏡擱架a(9)內(nèi)壁設(shè)有透鏡高度調(diào)節(jié)螺紋a (10);透鏡擱架b(12)內(nèi)設(shè)有透鏡高度調(diào)節(jié)螺紋b (13);
[0008]一維PSD (6)安裝在傳感器外殼(5)底部中心位置；一維PSD (6)的探測方向是探測窗口(16)矩形長邊所在的方向，并以一維PSD(6)上的缺口位置指出探測正方向；自限溫電熱保溫器(8)設(shè)置在一維PSD(6)的正下方；傳感器外殼(5)內(nèi)壁設(shè)有螺紋，從下至上依次安裝有透鏡擱架a(9)、圖形光闌擱架(11)、透鏡擱架b(12);根據(jù)太陽跟蹤精度要求，調(diào)整圖形光闌擱架(11)與一維PSD(6)間的距離；透鏡⑷用于提升太陽光圖形的銳度，安裝在透鏡擱架a (9)或透鏡擱架b (12)上，且透鏡⑷的焦距大于透明保護(hù)頂蓋⑴與一維PSD (6)之間的距離;
[0009]圖形光闌(3)放置于圖形光闌擱架(11)上，通過調(diào)整圖形光闌(3)在圖形光闌擱架(11)上的位置，使圖形光闌⑶的中心與一維PSD(6)的中心重合，并且使定位劃線(15)垂直于一維PSD(6)的探測方向，V形透光孔(14)的V型開口指向一維PSD(6)的探測正方向；四只光敏器件(7)安裝于透鏡擱架a(12)頂部并以周向?qū)ΨQ方式布置；透明保護(hù)頂蓋
(I)設(shè)置在單色濾光片(2)頂部，透明保護(hù)頂蓋(I)、單色濾光片(2)通過螺紋配合安裝在傳感器外殼(5)頂部并起到密封作用。
[0010]圖形光闌(3)上設(shè)置有V形透光孔(14)和定位劃線(15)…形透光孔(14)透光，圖形光闌(3)上的其余部分不透光…形透光孔(14)為軸對稱圖形，并且只有一個對稱軸；太陽光照下圖形光闌(3)在一維PSD(6)的探測窗口上呈現(xiàn)特定圖形，太陽位置使該得特定圖形處于一維PSD(6)探測窗口的不同位置，令一維PSD(6)輸出不同的位置關(guān)系信號，實現(xiàn)太陽位置的判斷。
[0011]傳感器外殼(5)的材質(zhì)是鋁合金或鋼，外壁為銀白色并經(jīng)過防腐蝕處理；傳感器外殼(5)內(nèi)壁除一維PSD (6)安裝位置和螺紋位置外，其余部位進(jìn)行粗糙化處理并覆蓋有一層光吸收材料；
[0012]透明保護(hù)頂蓋(I)的材質(zhì)是光學(xué)玻璃或超白鋼化玻璃，加入了可于強(qiáng)光下分解的溴化銀粉末；透明保護(hù)頂蓋(I)的厚度為5?15mm ;
[0013]四只光敏器件(7)的光電特性完全相同，并且光譜響應(yīng)介于300?IlOOnm ；
[0014]單色濾光片(2)的材質(zhì)為玻璃，厚度為2?7mm ;
[0015]透鏡⑷的材質(zhì)為光學(xué)玻璃；
[0016]自限溫電熱保溫器⑶通電后的溫度限制范圍為55°C?80°C之間，溫度控制精度為±0.1°C，用于減少一維PSD(6)的溫漂，使得溫漂誤差小于0.005°。
[0017]實際應(yīng)用中使用由一維PSD (6)差分正向輸出(18)和差分負(fù)向輸出(20)構(gòu)成的差分信號，差分信號由A/D轉(zhuǎn)換器配合單片機(jī)系統(tǒng)采集。單片機(jī)系統(tǒng)包含有GPS模塊，用于太陽位置的輔助計算。
[0018]另外，太陽跟蹤傳感器的位置可以微調(diào)，用以實現(xiàn)使用中零點位置的校準(zhǔn)，提升校準(zhǔn)精度。
[0019]本發(fā)明的工作原理是:將一維PSD安裝在圖形光闌下方，太陽位置使得圖形處于PSD探測窗口的不同位置，使其輸出不同的位置關(guān)系信號，結(jié)合適當(dāng)?shù)母櫡椒?，可以判斷?dāng)前太陽位置并實現(xiàn)太陽位置偏差的補(bǔ)償式跟蹤。因為一維PSD對光斑位置的分辨率為2 μπι，又由于圖形光闌到PSD中心的位置可調(diào)，這里設(shè)定為30mm，所以使用三角函數(shù)可知跟蹤精度高于0.01° ;再結(jié)合SPA日歷算法，可以實現(xiàn)各種天氣條件下太陽位置的準(zhǔn)確跟蹤，且復(fù)雜度、成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前的其他類型的高精度的太陽跟蹤傳感器。
【附圖說明】
[0020]圖1為基于一維PSD的太陽跟蹤傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為基于一維PSD的太陽跟蹤傳感器頂視圖。
[0022]圖3為圖形光闌示意圖。
[0023]圖4為一維PSD外形示意圖。
[0024]圖5為一種圖形光闌不意圖。
[0025]圖6為一種圖形光闌示意圖。
[0026]圖7為基于一維PSD的太陽跟蹤傳感器的跟蹤流程圖。
[0027]圖中:1、透明保護(hù)頂蓋，2、單色濾光片，3、圖形光闌，4、透鏡，5、傳感器外殼，6、一維PSD，7、光敏器件，8、自限溫電熱保溫器，9、透鏡擱架a，10、透鏡高度調(diào)節(jié)螺紋a，11、圖形光闌擱架，12、透鏡擱架b，13、透鏡高度調(diào)節(jié)螺紋b，14、V形透光孔，15、定位劃線16、傳感器受光探測窗口，17、空引腳，18、差分正向輸出，19、偏置電壓引腳，20、差分負(fù)向輸出。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的進(jìn)一步說明。
[0029]以方位角高度角跟蹤方式為例對本發(fā)明專利進(jìn)一步說明。
[0030]如圖1所示的基于一維PSD的太陽跟蹤傳感器，該太陽跟蹤傳感器包括透明保護(hù)頂蓋(I)、單色濾光片(2)、圖形光闌(3)、透鏡(4)、傳感器外殼(5)、一維PSD (6)、光敏器件
(7)、自限溫電熱保溫器(8)、透鏡擱架a(9)、透鏡擱架b (12)、透鏡高度調(diào)節(jié)螺紋a(10)、透鏡高度調(diào)節(jié)螺紋b (13)、圖形光闌擱架(11)。
[0031]如圖4為一維PSD外形示意圖，一維PSD(6)包括探測窗口(16)、空引腳(17)、差分正向輸出(18)、偏置電壓引腳(19)、差分負(fù)向輸出(20);探測窗口(16)有一定寬度，探測方向是探測窗口(16)所在矩形的長邊方向。
[0032]組裝完畢后需要進(jìn)行校準(zhǔn)。將基于一維PSD的太陽跟蹤傳感器放入太陽光模擬器的光照中，光照垂直入射于該傳感器。調(diào)整圖形光闌(3)和一維PSD(6)的相對位置，調(diào)整過程中保持圖形光闌(3)的中心位于一維PSD(6)探測方向的對稱軸上，并使定位劃線(15)始終垂直于一維PSD(6)的探測方向，最終令一維PSD(6)的差分信號為O。
[0033]如圖7所示是基于一維PSD的太陽跟蹤傳感器的跟蹤流程圖。
[0034]在太陽電池板上安裝時，一維PSD (6)的安裝平面與太陽電池板平面相平行，一維PSD的探測方向沿著太陽電池板的方位角方向，當(dāng)太陽電池板的方位角為180°時，V形透光孔(14)的V型開口指向正北方向。
[0035]使用時，太陽光透過透明保護(hù)頂蓋⑴、單色濾光片(2)、圖形光闌(3)、透鏡(4)在一維PSD (6)的探測窗口(16)上成像，形成圖形光斑。
[0036]開機(jī)后，單片機(jī)和整個傳感器完成初始化。使用四個光敏器件(7)的輸出強(qiáng)度來判斷太陽光強(qiáng)度是否大于100勒克斯光照下的輸出強(qiáng)度；
[0037]如果光強(qiáng)小于100勒克斯，那么認(rèn)為太陽并未升起，程序結(jié)束。如果光強(qiáng)大于100勒克斯，則啟用日歷查詢，首次查詢使用GPS模塊查找并存儲時間和地理坐標(biāo)信息，以后直接從存儲結(jié)果查詢時間和地理坐標(biāo)信息。使用SPA天文算法，計算出太陽位置，結(jié)合當(dāng)前太陽電池板位置進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整完畢后檢測一維PSD(6)是否有輸出；
[0038]如果沒有輸出信號，則說明一維PSD(6)出現(xiàn)問題，單片機(jī)報錯提醒修理，并繼續(xù)使用日歷查詢算法跟蹤太陽位置，調(diào)整完畢后返回光強(qiáng)檢測繼續(xù)下一輪調(diào)整。如果有輸出信號，則繼續(xù)使用一維PSD (6)以提高跟蹤精度；
[0039]此時向西調(diào)整太陽電池板的方位角，并檢測差分信號是否持續(xù)變小，如果持續(xù)變小，則證明調(diào)整方向正確，繼續(xù)調(diào)整，直到差分信號出現(xiàn)最小值(