光電式光伏電池板自動追光傳感器的設計

周欣鑫 楊志成 王宏

【摘要】針對光伏電池板追光角度方向不準確，導致其發電效能不理想的問題。分析產生問題的原因，提出自動追光的傳感器。并在傳感器的工作原理，電路設計、結構設計和計算方法進行了研究。

【關鍵詞】光伏電池板;追光;角度;方向;傳感器

Abstract：According to the angle of the photovoltaic battery plate light direction is not accurate，leading to the generation efficiency is not ideal problem.Analysis of the reason of this problem，the project personnel proposed automatic light sensor.And the working principle of the sensor，the circuit design，structure design and calculation methods are studied.

Keywords：photovoltaic battery plate;light;angle;direction;sensor

引言

隨著科學技術的不斷發展和我國能源緊張，太陽能作為簡潔環保可再生能源，被國家政府部門大力提倡。但是，人們注重了太陽能板材質的轉換效率、儲存電能的方法，而忽略了高緯度地區太陽照射角度變化明顯的特點，為了提高光伏電池板的轉化效率，基于自動追光的、具有角度、方向補償的傳感器可解決這類問題。現在很多追光的太陽能光伏電池板采用時間延時控制技術，缺點是北方地區緯度大，四季光照變化明顯。本項目提出了一種光電式自動追光的傳感器，它安裝方便，價格低廉。

1.光敏元件的工作原理

光敏元件是光電傳感器的核心元件，在電路中占有重要的地位。光敏元件的基本轉換原理是將被測量參數轉換成電信號并將其輸出。常用的光電傳感器是采用發光二極管作為光源，光源經過透鏡聚焦于空間某一點。如果將太陽光作為光源，如果電池板角度不正對太陽方向，太陽光就照不到光敏元件上，電路處于偏置狀態，PN結截止，反向電流很小。當太陽正對時，光照到光敏二極管上時，PN結附近產生電子——空穴對，并在外.電場和內電場的共同作用下，漂移過PN結，產生光電流。此時，光電流與光照強度成正比，光敏二極管處于導通狀態。

具體方法是在光伏電池板上下左右安裝傳感器，在受光側使用光敏二極管，并將信號處理電路集成制作在一塊芯片上。它的特點是體積小，可靠性高，工作電源電壓范圍寬，接口電路的復雜程度大幅度減少，可直接與TTL，LSTTL和CMLS電路芯片連接。

2.光電傳感器測量仰角和方向的工作原理

2.1 傳感器的結構設計

如圖1所示，將光電傳感器的冠冕元件安裝在太陽能官府電池板的周圍，每個傳感器與電池板存在一定的角度，即水平方向為α垂直方向為β。與之對稱的方向為-α和-β。本文以水平方向為例，上下角度參照操作。

圖1 傳感器安裝位置示意圖

2.2 傳感器的電路設計

Q1光敏二極管與Q2光敏二極管在位置上相差2α，當太陽照射時角度也相差2α，所以它們在光電元件上取得的信號必是相差2α。通過電路處理可以將太陽光照射角度經Q1光敏二極管與Q2光敏二極管轉換得出。方向識別傳感器電路如圖2所示。圖2中UA、UB、UC是LM324運算放大電路的一部分。UA將偏差信號放大;UB、UC是判別陽光的照射角度。當太陽在偏左方照射時，UO1，為1，UO2為0。當太陽在偏右方照射時，UO1，為0，UO2為1。

有了方向識別還要測量出角度的大小。因為電路比較復雜，采用美國Lattice半導體公司推出的ispEXPXRT軟件對CPLD器件進行硬件編程，如圖3所示，電路圖是基于CPLD設計的。將UO1，和UO2端子連接到圖3中的X，Y端。當太陽照射角度偏右時，或門C1產生的信號作為D鎖存器Q3的置位端只許X產生的正脈沖通過，而D鎖存器Q4因為C1作用時Y信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q4輸出低電平，門電路在加減計數器中作加法運算。當太陽照射角度偏左時，則Y產生的負值信號超前X產生的信號，或門C1產生的信號作為D鎖存器Q4的置位端只讓Y產生的負脈沖通過，而D鎖存器Q3因為C1作用時X信號尚在低電平，信號被屏蔽，Q1輸出低電平，門電路在可逆計數器中作減法運算。這樣就完成了辨向過程。OUT3是輸出，OUT4是進位，Z是控制端輸入。

圖3 角度測量電路

2.3 驅動電路的設計

為了讓光伏電池板更好的追光運動，采用自動方式驅動更加符合實際意義。電機運動受驅動電路的控制，由于光伏電池板的電壓不夠穩定，驅動電路驅動壓降越小越好，因此，設計了下面的驅動電路，將圖1中UO1，和UO2端子連接到圖4中的In1和In2端子。當太陽在偏左方照射時，UO1，為1，UO2為0。In1為1，In2端子為0，電機帶動電池板左轉。當太陽在偏右方照射時，UO1，為0，UO2為1，In1為0和In2為1。電機帶動電池板右轉。當太陽正中照射時，In1和In2端子電壓相等，電機靜止。

圖4 電機驅動電路

3.結束語

本文介紹了基于光電式自動追光傳感器的設計方法。設計的電路結構簡單，采用元件價格低廉，安裝方便，抗干擾能力強的特點，易被采用和推廣，也為光伏電池板采用自動追光發電方式，提供新的思路。

參考文獻

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基金項目：北京聯合大學“啟明星”大學生科技創新項目經費資助（項目編號：201411417SJ067）。

作者簡介：

周欣鑫，女，大學本科，北京聯合大學“啟明星”項目負責人。

通信作者：楊志成，項目指導教師，長期從事智能儀表、數字電路等教學科研工作。