[发明专利]追踪太阳高度角的装置和方法

说明书

本发明提出一种追踪太阳高度角的装置和方法，该装置包括凸透镜、安置于所述凸透镜的焦平面上的聚焦平板、紧贴所述聚焦平板背面安置的温度传感器阵列和计算装置；该方法利用太阳光经过凸透镜折射后形成焦斑，通过数学推导得到焦斑相对位置与太阳高度角的关系，利用焦斑温度和周围的温度差异，通过测量焦斑位置和温度达到追踪太阳的目的。本发明可以提高在太阳光强不足的情况下追踪太阳高度角的灵敏度，这对在早晚时间段与高纬度地区提高太阳能利用效率有巨大的意义。

技术领域

本发明涉及一种追踪太阳高度角的装置和方法，尤其涉及一种基于温度场测量的追踪太阳高度角的装置和方法。

背景技术

追踪太阳位置的装置是塔式太阳能热发电系统中关键部件，以保证太阳能硅电池板尽可能垂直于阳光入射方向，达到最佳的发电效率。目前成熟的追踪太阳位置的装置主要有时钟式太阳追踪装置和光电式追踪装置。

时钟式太阳追踪装置是一种主动式装置，有单轴和双轴两种类型，系统根据时间将方位角和俯仰角分为几等份在固定时间段内通过控制器驱动电机按固定的角度旋转进而追踪太阳。然而，时钟式太阳追踪装置由于设定了固定时间段内的旋转角度，因此其精度非常依赖于系统时钟精度，运行误差随着系统的运行而累积，这导致时钟式太阳追踪装置的灵敏度不高。

光电式追踪装置的灵敏度通常高于时钟式太阳追踪装置。是一种被动式太阳追踪方式，其使用了光敏传感器(例如，硅光电管)。当太阳西移时，遮光板的阴影将偏移硅光电管，使得硅光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，通过将该微电流作为偏差信号经放大电路放大，便可以计算得到最佳角度。但是，光电式追踪装置在太阳辐射较低的天气、时段或地区，如阴雨天气、早晚时段或高纬地区，其灵敏度大幅降低。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种基于温度场测量的追踪太阳高度角的装置和方法，以改进现有技术中存在的在太阳辐射较低的天气、时段或地区灵敏度不高的问题。

技术方案：本发明所述的基于温度场测量的追踪太阳高度角的装置包括凸透镜，其透镜平面平行于水平面而安置，用于汇聚太阳光；聚焦平板，其安置于所述凸透镜的焦平面上；温度传感器阵列，紧贴所述聚焦平板的背部，用于测量所述聚焦平板上的温度场数据；计算装置，用于确定温度最高点的位置，并基于所述位置计算太阳高度角。

进一步地，所述聚焦平板由导热系数低于0.5W/m*k的材料(例如，玻璃钢)制成。

进一步地，所述计算装置通过以下公式计算得到所述太阳高度角：

其中H为太阳高度角，x'和y'分别为所述太阳光在所述聚焦平面上沿南北方向和东西方向投影的坐标值，r为所述聚焦平面的半径，其中所述聚焦平面的坐标原点为所述凸透镜的光心在所述聚焦平面上的垂直投影点。

进一步地，所述太阳光在所述聚焦平板上产生的焦斑的直径不大于1.5mm。

进一步地，所述温度传感器阵列中各温度传感器的布置间距不大于所述焦斑的半径。

进一步地，所述聚焦平板的形状和面积与所述凸透镜的透镜平面一致，且与所述透镜平面共轴。

进一步地，所述温度传感器阵列中的温度传感器为高温贴片热敏电阻。

本发明所述的追踪太阳高度角的方法包括如下步骤：(1)使太阳光经过透镜平面平行于水平面安置的凸透镜；(2)将聚焦平板安置于所述凸透镜的焦平面上；(3)将温度传感器阵列紧贴所述聚焦平板的背部，并通过所述温度传感器阵列测量所述聚焦平板上的温度场数据；(4)基于所述温度场数据确定温度最高点的位置，并基于所述位置计算太阳高度角。

进一步地，所述聚焦平板由导热系数低于0.5W/m*k的材料(例如，玻璃钢)制成。

进一步地，在步骤(4)中，所述太阳高度角是通过以下公式计算得到：