太阳跟踪传感器
Solar Tracking Sensor

聚光太阳能设备跟踪式太阳能电池板都要用到太阳跟踪传感器,传感器基本原理是利用对阳光的遮挡变化引起光电子器件的输出变化得到跟踪的方向。太阳跟踪传感器也是一种太阳位置传感器,本课件主要介绍简单的太阳位置传感器与高精度的太阳位置传感器。

隔板式太阳位置传感器

半导体光敏电阻是一种半导体光电子器件,在光电子器件课件中有介绍,这里介绍它在太阳能电池跟踪系统中的应用。一种简单的隔板式太阳位置传感器如图1所示,在底座上垂直安装了两组隔板,两组隔板相互垂直;在底座上还安装了4个光敏电阻器件,4个光敏电阻器件紧贴隔板拐角安装,光敏电阻器件受光面向上,4个光敏电阻器件必须是同一型号,性能相近,见图1与图2。

光敏电阻组成的跟踪传感器

图1--光敏电阻组成的跟踪传感器

隔板式传感器利用隔板两边光敏元件感受到的光强不同来判断太阳的位置,把传感器的隔板按照东西南北方向摆正,如图2右图所示。当太阳位置在隔板的西侧时,东侧的光线受到遮挡,如图2左图所示,西侧光敏电阻受光量大于东侧光敏电阻,西侧器件电阻小于东侧器件电阻,于是可以判断出太阳的位置在西侧。而且在一定范围内光线偏差越大两侧电阻值相差越大。

由于隔板是十字状,隔板式传感器还可检测出太阳在南北方向的位置,将4个传感器信号综合比较后就可得出太阳的位置,例如图中的西偏北位置。

光敏电阻跟踪传感器原理

图2--光敏电阻跟踪传感器原理

对于太阳能电池板单轴跟踪系统,传感器只需一片隔板就可以了,隔板方向与转轴平行。当两侧电阻相同时说明传感器正对太阳,当两侧电阻不同时,太阳能电池板应向电阻小的一侧转动,直到两侧电阻相同。

隔板式传感器也可以采用光敏二极管作为光敏元件,光敏二极管就是一小块光伏电池。在相互垂直的隔板4个角安装4光敏二极管,见图3,利用隔板两边光敏元件感受到的光照面积不同来判断太阳的位置。其工作原理与采用光敏电阻相同,受光强的光敏二极管比受光弱的光敏二极管输出电流大,利用放大器把电流信号转换成电压信号就方便比较了。

光伏电池跟踪传感器原理

图3--光伏电池跟踪传感器原理
隔板式太阳位置传感器结构简单,但受周围环境光影响大,测量精度低。

金字塔式太阳位置传感器

金字塔式太阳位置传感器利用阳光投向光伏电池上的角度不同产生不同的电流进行测量。在一个圆台四周贴了4片相同的光伏电池,图4左图是圆台顶视图,右图是侧视图。太阳光从上方投射下来,当太阳光正中向下方投射时,4个光伏电池光线夹角相同,产生的电流相同。当太阳光偏向左侧(西方)时,左侧光伏电池光照加强,输出电流增大;右侧光伏电池光照减弱,输出电流减小。所以根据各光伏电池电流变化可以判断阳光的偏向。

金字塔式太阳位置传感器原理

图4--金字塔式太阳位置传感器原理

这种结构同样精度不高,同样易受到周围光线干扰。

光筒式太阳位置传感器
光筒式太阳位置传感器采用圆筒来遮光,圆筒上方中心开有圆孔,在圆筒底部中心安装一个四象限光电池,见图5。来自上方的太阳光通过圆孔投向底部,当太阳光正中向下方投射时,投射的光斑中心与四象限光电池中心重合,四象限光电池各电池输出相同。当太阳光偏向左侧(西方)时,见图5左图,投射的光斑偏向东方,见图5右图,四象限光电池左侧两个电池被部分遮挡,右侧电池输出大于左侧电池输出,于是根据各光伏电池电流的变化可以判断出阳光的偏向。

光筒式太阳位置传感器原理

图5--光筒式太阳位置传感器原理

光筒式太阳位置传感器可以防止周围光线的干扰,对光线偏差的灵敏度也高多了,可检测出太阳位置较小的偏差。其缺点是检测的光线角度较小,光线角度偏差大时,光斑跑到四象限光电池之外,就无法检测了。

把光筒式与塔式结合起来可以弥补双方的缺点,图6显示了这种组合的太阳位置传感器,在光筒的上部收口做成圆台状,圆台侧面贴上光伏电池,圆筒底部安装四象限光电池。把这种传感器安装在跟踪设备上,当光线角度偏差大时通过圆台上的光伏电池检测来修正跟踪的角度,当角度偏差较小时,通过四象限光电池检测来实现较准确的跟踪。

光伏电池组成的跟踪传感器

图6--光伏电池组成的跟踪传感器

高精度太阳位置传感器

如果要进一步提高对太阳位置的精确检测,可在光筒入口处加装凸透镜,把光线聚集,缩小光斑,4象限光电池尺寸缩小,在外围排列多个扇形光电池,组成多元光电池,如图7所示。由于聚光增强了光强,在透镜后设置了光圈,强光时缩小光圈可保证电池在正常光照下工作。图中光圈叶片本是黑色,为清楚起见,用橙红色显示。 在传感器上端的喇叭口内侧贴有4片光伏电池,用于对大偏差角度光线的检测,原理同金字塔式太阳位置传感器。

高精度太阳位置传感器

图7--高精度太阳位置传感器

多元光电池可由多个扇面组成,也可以由小块光电池组成阵列,对太阳位置进行准确测量。

目前PSD元件在高精度太阳位置传感器在得到应用,PSD是一种位置检测元件,有分辨率高,精度高的特点,且结构简单,采用PSD元件制作的太阳位置传感器的检测精度可轻易达到0.1度。

还有采用CCD图像元件做检测元件,由于CCD元件有很高的分辨率,很高的线性度,凸透镜可聚焦成很小的光点,由此达到很高的测量精度,但线路与软件都比较复杂。

有关PSD元件与CCD元件的介绍请另找参考资料。

 
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