高精度太阳能聚光器实际跟踪精度的检测装置及检测方法

摘要

高精度太阳能聚光器实际跟踪精度的检测装置，包括壳体以及设置在壳体上端的平凸透镜，在壳体的下端设置有挂于聚光平面的上边缘和挂架和控制显示盒，在壳体下端位于平凸透镜光轴线路上安装有直线步进电机，与显示盒相连的光敏环固定在直线步进电机轴顶端上，且在直线步进电机的轴上安装有位移传感器。本发明所设计的检测装置挂在被测聚光体上并且其保证太阳光垂直入射信号采集器的条件下，该装置将通过智能自动进退光敏环检测汇聚后的太阳光及位移传感器检测的相应位置信号进行处理计算，并直接以数字形式显示出误差范围，有效解决了目前通过理论计算信号采集、处理、驱动等各个环节误差率所得到的总误差率与实际情况相差甚远的问题。

权利要求

1.一种高精度太阳能聚光器实际跟踪精度检测装置的检测方法，其特征在于：

该装置包括壳体（6）以及设置在壳体（6）上端的平凸透镜（5），在壳体（6）的下端设置有挂于聚光平面的上边缘的挂架（7）和控制显示盒（4），在壳体（6）下端位于平凸透镜（5）光轴线路上安装有直线步进电机（1），与控制显示盒（4）相连的光敏环（2）固定在直线步进电机（1）轴顶端，且在直线步进电机（1）的轴上安装有位移传感器（3）；

其检测方法如下：

首先通过挂架（7）将检测装置固定在聚光体上并手动调节使其光轴与聚光平面垂直，然后打开电源，在单片机自检正常后自动开始工作，单片机向直线步进电机发出光敏环上升的指令后光敏环匀速上升，随着光敏环匀速上升到聚光圆锥体的直径与光敏环的内径相等时，太阳光将被光敏传感器检测到并把这个信号提供给单片机后，单片机发出光敏环停止上升并开始下降的指令，直线步进电机驱动光敏环开始以每次一个步程的形式单步下降，然后再检测太阳光信号；如果在三分钟光敏环检测不到太阳光信号的稳定状态下，单片机根据此时位移传感器采集的数据计算出该自动跟踪系统的误差角度数据；如果在此期间再发生光敏环检测到太阳光信号的情况时，单片机将继续通过直线电机驱动光敏环继续下降一个步程后重复前边的动作，继续通过光敏环检测太阳光信号，直至光敏环在设定的时间内检测不到太阳光的信号时计算并显示出误差角度数据并锁定，检测结束。

说明书

高精度太阳能聚光器实际跟踪精度的检测装置及检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种太阳能跟踪检测装置及检测方法，具体涉及一种高精度太阳能聚光器实际跟踪精度的检测装置及检测方法。

背景技术

[0002] 对于太阳能聚光器中自动跟踪系统跟踪效果一般用跟踪精度或者误差范围来表示，而且通常采用将信号检测和处理以及驱动机构的误差累计起来作为总误差或者跟踪精度，但是因为不管如何进行理论计算，由于涉及到太阳光信号采集、处理、驱动电路以及机械传动机构等多个环节因素影响的复杂性及随机性，其理论计算结果经常与实际情况相差甚远。而对于一个太阳能聚光器中的自动跟踪系统来说，人们最关心，也是最有说服力的参数只有一个，那就是该系统实际自动跟踪太阳光的精度。而对此参数的获得至今未有一个成熟的检测方法。所以为了现场检测太阳能聚光器中自动跟踪实际精度，专门研究设计一种新装置来满足科研和生产实际的需要是非常必要的。

[0003] 另外，自动跟踪系统对于不同的使用场合，要求又不一样。如对于光伏发电中的电池板自动跟踪太阳光系统，为了降低成本，以提高性价比。一般对跟踪精度要求比较低甚至为一维跟踪方式。但是由于聚光器中的自动跟踪系统则对跟踪精度要求很高(误差＜0.3°)甚至更高。这是因为一方面受光器区域聚焦面积比较小所致，更严重的是，跟踪误差所造成的在聚光区域内光强分布的不均匀性常常导致受光体因为受热不均匀引起爆裂而损坏。所以这里主要通过仔细分析研究在聚光器中配备高精度自动跟踪的规律特点，进而研制一种简单易行的聚光器工作现场实际跟踪精度的检测装置，方便的完成包括反射式和透射式二种最基本的聚光器跟踪精度的检测，这对于通过提高太阳能密度方式推广其应用具有很大的实用价值，也是市场十分急需的。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种高精度太阳能聚光器实际跟踪精度的检测装置。

[0005] 为达到上述目的，本发明的检测装置包括：包括壳体以及设置在壳体上端的平凸透镜，在壳体的下端设置有挂于聚光平面的上边缘的挂架和控制显示盒，在壳体下端位于平凸透镜光轴线路上安装有直线步进电机，与控制显示盒相连的光敏环固定在直线步进电机轴顶端，且在直线步进电机的轴上安装有位移传感器。

[0006] 本发明的检测方法如下：首先把通过挂架将检测装置固定在聚光体上并手动调节使其光轴与聚光平面垂直，然后打开电源，在单片机自检正常后自动开始工作，单片机向直线步进电机发出光敏环上升的指令后光敏环匀速上升，随着光敏环匀速上升到聚光圆锥体的直径与光敏环的内径相等时，太阳光将被光敏传感器检测到并把这个信号提供给单片机后，单片机发出光敏环停止上升并开始下降的指令，直线步进电机驱动光敏环开始以每次一个步程的形式单步下降，然后再检测太阳光信号；如果在三分钟光敏环检测不到太阳光信号的稳定状态下，单片机根据此时位移传感器采集的数据计算出该自动跟踪系统的误差角度数据；如果在此期间再发生光敏环检测到太阳光信号的情况时，单片机将继续通过直线电机驱动光敏环继续下降一个步程后重复前边的动作，继续通过光敏环检测太阳光信号，直至光敏环在设定的时间内检测不到太阳光的信号时计算并显示出误差角度数据并锁定，检测结束。

[0007] 本发明的检测装置挂在被测聚光体上并且其保证太阳光垂直入射信号采集器的条件下，该装置通过自动进退光敏环检测汇聚后的太阳光及位移传感器检测的相应位置信号进行处理，并直接以数字形式显示出误差范围，有效解决了目前通过理论计算信号采集、处理、驱动等各个环节误差率所得到的总误差率与实际情况相差甚远的问题。

附图说明

[0008] 图1是本发明距离焦点D处垂直于光轴的平面上半径分别为R和R+δR的同心圆关系示意图；

[0009] 图2是本发明的整体结构示意图；

[0010] 图3是图2的A-A剖视图；

[0011] 图4是本发明的工作流程图；

[0012] 图5a、图5b、图5c和图5d分别是本发明的光路分析图。

具体实施方式

[0013] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

[0014] 参见图1，本发明在高精度跟踪(跟踪误差在0.5°立体角)的条件下，可以把跟踪偏差角度用垂直于聚光轴平面圆半径的偏差δR来表示，而该平面圆直径的大小又与其焦点的距离D成为直角三角形的二条直角边，这样以来就能够通过采用光敏环来检测半径R+δR的大小，再通过位移传感器检测的焦点到平面圆的距离D计算出R的大小，依此计算出δR的值并进而得到立体角度偏差值以数字方式显示出来。

[0015] 另外，太阳能聚光器实际跟踪精度的工作现场检测装置既要求测量数据准确又必须操作方便，例如直接把该装置方便的以悬挂方式与聚光体固定在一起，然后在稳定状态下自动以数字形式把跟踪误差(精度)显示并直接读出。

[0016] 根据此思路设计的高精度太阳光自动跟踪器硬件结构如图2，图3所示：

[0017] 本发明的装置包括壳体6以及设置在壳体6上端的平凸透镜5，在壳体6的下端设置有挂于聚光平面的上边缘的挂架7和控制显示盒4，在壳体6下端位于平凸透镜5光轴线路上安装有直线步进电机1，与控制显示盒4相连的光敏环2固定在直线步进电机1的顶瑞，且在直线步进电机1的轴上安装有位移传感器3。

[0018] 其中固定于金属壳6上端的平凸透镜5实现对平行太阳光的点聚光，挂架7的作用是在检测时直接挂于聚光平面的上边缘处，要求只要该装置的光轴垂直于聚光平面即可。直线步进电机1在单片机的控制下驱动光敏环2在光轴方向的上下运动，并且这个位移信号被固定在直线电机轴上的位移传感器3转换成电信号提供给单片机；控制显示盒4主要用来对光敏环2提供的是否接受到太阳光进行判断并依次按照要求发出指令指示电机带动光敏环2上下移动，并且还要根据位移传感器3提供的数据进行判断，在稳定的一段设定时间后，通过计算程序计算出误差范围并以LCD方式直接显示出来，所以该部分还包括保证二个传感器以及电路正常工作的直流电源。

[0019] 工作原理

[0020] 参见图4，在太阳能聚光器工作现场实际检测太阳光自动跟踪误差时，首先把该装置固定在聚光体上并手动调节使其光轴与聚光平面垂直。然后打开电源，在单片机自检正常后自动开始工作。首先单片机向直线步进电机发出光敏环上升的指令后光敏环匀速上升，因为聚光区域是一个倒立的圆锥体，所以随着光敏环匀速上升到聚光圆锥体的直径与光敏环的内径R3相等时，太阳光将被光敏传感器检测到并把这个信号提供给单片机后，单片机发出光敏环停止上升并开始下降的指令，直线步进电机驱动光敏环开始以每次一个步程的形式单步下降，然后再检测太阳光信号；如果在一定时间内(三分钟左右)光敏环检测不到太阳光信号的稳定状态下，单片机根据此时位移传感器采集的数据就可以按照推导的公式计算出该自动跟踪系统的误差角度数据。当然如果在此期间再发生光敏环检测到太阳光信号的情况时，单片机将根据程序要求继续通过直线电机驱动光敏环继续下降一个步程后重复前边的动作，继续通过光敏环检测太阳光信号，直至光敏环在要求的稳定时间内(设定的时间)检测不到太阳光的信号时计算并显示出误差角度数据并锁定，检测结束。

[0021] 下面就跟踪误差在0.5°立体角以内情况下，对跟踪误差与光敏环所处位置(位移传感器)之间的相互关系进行推导计算。利用反推法推导出光敏环位置处光斑在已知跟踪误差下的变化，由此结论可以验证太阳能聚光器的实际跟踪精度。当阳光输送机的跟踪误差在0.1°时，光敏环所在平面上光斑的变化可以由以下方法得到：

[0022] 1)跟踪误差为0.1°在计算时可以等效为入射光偏移了0.1°。当入射光偏移的角度变化为0.1°时，计算出透镜焦平面上光斑偏移量Δx，即为偏移后透镜焦平面上的光斑半径(太阳光垂直入射时，认为透镜焦平面上的会聚光斑为理想情况，即为理想的焦点)。

[0023] 已知凸透镜焦距F＝180mm，半径R＝50mm，折射率n＝1.63由图5a、b可以得到入射光经过2次折射，各角度的关系为：

[0024]

[0025] 其中，θ为透镜入射面的入射角，θ1为入射面折射角，θ2为出射面的入射角，θ3为出射面的折射角，φ为入射面与出射面的夹角。

[0026] 可得折射角

[0027] 由 得到光斑半径为x＝ytanθ3

[0028] 由公式 可得到透镜的曲率半径r为：

[0029] r＝F·(n-1)＝180*0.63＝113.4mm

[0030] 由图5c可以得到在透镜边缘处曲率半径与出射面的夹角α：

[0031]

[0032] α≈63.84°

[0033] ∴φ＝26.12°

[0034] 当太阳光垂直平凸透镜镜面入射时，透镜边缘处的光路分析可以等效认为入射角与透镜的φ角相等(即取θ≈φ)，此时就可以计算出光斑边缘的偏移量，即可认为是所要求的光斑偏移量：

[0035] 取θ＝26.12°时，带入上文中的公式，可以得到θ3＝17.19649983°[0036] 当入射角θ′＝26.12°+0.1°＝26.22°时，可以得到折射角θ′3＝17.10054561°

[0037] 可以得到该平凸透镜焦平面上的光斑偏移为

[0038] Δx＝|x′-x|＝180·|tanθ′3-tanθ3|＝0.330151206mm。

[0039] 2)由图5d可以得到：

[0040] D为光敏环与凸透镜焦平面的距离，当入射光偏移0.1°时，光敏环所处位置的平面上的光斑半径应该为Δx+w。

[0041] 各参数之间关系为(δ和β分别为光斑偏移前后的折射光与水平面的夹角，γ为两次折射光线的夹角)：

[0042] 则δ＝74.475889°，β＝74.57184322°

[0043] 故所求任意与焦平面平行的平面上入射光偏移0.1°时的光斑半径为R′：

[0044]

[0045] 由此公式可以推导出不同尺寸的光敏环在检验精度时所需放置的位置。已知本文所采用的光敏环的直径为5mm，由以下方法可以确定光敏环的放置位置：

[0046] D＝(5/2-0.33)×tan 74.572°＝7.867124mm

[0047] 即当光敏环放置在距平凸透镜焦平面7.867mm高度的位置时，如果聚光器正常工作时，其聚光光束一直处于该高度平面孔径为5毫米范围内，即意味着自动跟踪误差在0.1°内。

[0048] 以上结论仅适应于跟踪误差小于0.5°立体角的情况，而对于更大范围的跟踪误差检测则会由于公式推导过程的取舍和带近似而带来一定的误差，并且这个也是不必要的。