在太陽能自動跟電站中光傳感器使用的討論

徐 劍

（1.中能華辰集團有限公司 山東 濟南 250011；2.山東輕工業學院 山東 濟南 250353）

0 引言

在經濟高速發展的今天，傳統的燃料能源正日益減少，全世界仍然還有超過20億的人口缺乏正常的能源供應，這一點對環境造成的危害日益突出。如何開發新能源就是全世界人們主要的研究對象，在不久的未來新能源將逐步代替傳統能源，成為世界能源的主角，成為人類能源的來源。太陽光就是用很好的能量來源，而太陽能更是一種無污染、取之不盡用之不完的能源。每一天，太陽光都會能量送到你的身邊，但是，利用好這種能源，卻是現在人們所欠缺的。普通的太陽能光伏電站，不能跟隨著太陽一起運動，跟蹤太陽的運行軌跡，只有在中午的時刻才能獲取最大能量。只有讓太陽能光伏組件發揮最大的能量，人們才能獲得最多的能量，而太陽能電站跟蹤器就是實現這種功效的設備。通過太陽能電站跟蹤器控制的太陽能光伏組件在理論上可以比普通的光伏組件發電量提高60%，甚至100%，所以太陽能跟蹤電站將會是人們提高利用太陽能效率的重要途徑之一。

太陽能自動跟蹤電站的控制可分為主動式與被動式，被動式就是使用有效的光傳感器。在眾多光傳感器中，大多是使用對比的方式進行比較，輸出相關指令調整跟蹤方向，本文分析討論三種光傳感器的使用情況。

1 輸出電壓比較

在我們常用的光傳感器中，大部分是使用兩個光敏器件的輸出電壓作為采集的信號。這種光傳感器在一段時間并且強光下是很有效的，但是由于兩個光敏器件的的變化曲線不能做到嚴格的一致，所以在溫度變化及光照強度的變化下輸出的電壓信號是有誤差的。隨著誤差的累計，其運行結果就是跟蹤精度達不到設計要求。

在實驗中，使用這種方式的跟蹤電站在調整一次后，2個月后還要調整一次，并且在中午光照強度很強的條件下調整后，下午光照強度較弱的條件下又會出現偏差，所以這種利用輸出電壓比較的光傳感器，不適宜大規模的使用。

2 輸出電流比較

在使用的光傳感器中，有一種使用光電池的輸出電流作為采集的信號。通常認為，光電池是一種十分特殊的半導體二極管，可以將可見光的能量直接轉化為電能，而有的光電池還可以直接將太陽光中的紅外射線和紫外射線的能量轉化為電能。早期的光電池制作中里含有氧化硅，而氧化硅的作用是影響空穴和電子的運動。對于其它材料，例如GaAs，現在也是開發聚光型光電池的重要材料。半導體材料有二種基本類型，分別叫做正電型（或P型態）和負電型（或N型態），這些材料的薄片被一起放置在一個PV電池中，而且他們之間的實際交界就做稱為P-N節。通過這種結構方式，當P-N節在紅外光或紫外線下，暴露于可見光，射線照射到P-N節的時候，在P-N節的兩側就會產生電勢差，如果連接P型材料和N型材料上，兩個電極之間就會有電流通過。光電池稱作太陽能電池，可以直接把太陽光能轉變成電能，因此光電池的特點就是能夠直接把地球從太陽輻射中吸收的大量光能轉化換成可應用的電能。在同一批次的光電池中，其電流隨溫度的變化率為每度0.05%，而電壓隨溫度的變化率為每度0.35%，這樣就利用光電池輸出的電流作為采集的信號，從而提高穩定度，減少溫度變化及光照強度變化而帶來的誤差，因為使用同一批次的光電池，其電流的變化率不大。

實驗中，將在三周時間內采集的數據進行比較，發現當光強值越高時，太陽能自動跟蹤支架跟蹤精度越高，說明這種輸出電流的光傳感器，依然存在漂移的現象。而對于造成這種現象的原因可能以一下兩點：第一，兩個光電池器件存在難以克服的物理性能的差異，而導致的增益不一致；第二，人工對傳感器調整操作時，而導致的傳感器受光面不均勻的現象。

3 四象限探測器

還有一種使用的光傳感器是有四象限探測器組成的，四象限探測器是把一塊硅光電池劃分成四個相同區域按照直角坐標要求排列而成的，常用于激光制導或激光準直中。

采用四象限探測器設計的光傳感器，當探測器光軸中心對準太陽時，四個象限接收到相同的光功率,輸出相同的信號。光軸未對準太陽時即太陽光與光軸成一角度時,光線經光學系統照射到四象限光電傳感器上形成的光斑必然發生偏移。由于各象限的光功率與各象限的光斑面積成正比,每個象限被光斑覆蓋的面積不同,因此各象限光電池產生的信號不相同。

使用這種光傳感器基本解決了兩個光敏器件存在物理性能的差異，而且穩定度極高。在實驗中，一次調整好后，今后幾乎不用調整，誤差極小，精度極高。

4 結論

通過分析比較及實驗證明，以四象限探測器組成的光傳感器，具有高穩定性、高精度，符合設計要求，非常適合用于太陽能自動跟蹤電站使用，必將成為今后光傳感器設計中的主流。

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