線聚光太陽能電池自動跟蹤傳感器的設計

王 波，楊寶存，樊 荔，尤 源

（鹽城師范學院物理科學與電子技術學院，江蘇 鹽城224002）

太陽能光伏發電技術為解決能源問題提供了廣闊前景。聚光太陽能電池技術是太陽能發展的一個新趨勢，它可以有效降低太陽能光伏發電系統總成本[1]。目前聚光太陽能電池有線聚光和點聚光，它通過聚光器而使較大面積的太陽光會聚在一個較小的范圍內，克服太陽輻射能流密度低的缺陷，可以提高太陽能電池的短路電流，從而大大提高單位太陽電池的輸出功率[2-4]。但是聚光高效太陽能電池對入射光線的方向十分敏感，很小的指向誤差就會使電池輸出功率大大降低[5-6]。要滿足實際應用的需要，就必須有一種能夠根據太陽光強變化自動改變太陽能電池板傾角的自動探測裝置，這對提高太陽能光伏發電的競爭力有著重要的實際意義。因此，本文利用光敏電阻設計一種測光傳感器，能夠實現精確調節線聚光太陽能電池板的追光角度，從而有效提高線聚光太陽能的發電能力。

1 線聚光太陽能電池精確調光系統的結構

聚光太陽能自動跟蹤系統的控制部分主要包括傳感器部分、信號轉換電路、單片機系統和電機驅動電路。而傳感器部分是線聚光太陽能自動跟蹤系統設計過程當中的一個難點。本文采用光敏電阻作為傳感器，將其放置于菲涅爾透鏡的下方恰當的位置。當各個光敏電阻接收到的光強度不同時，通過集成運算放大比較電路將其采集的信號送給單片機，驅動步進電機正反轉，實現電池板對太陽的自動跟蹤。

線聚光太陽能電池精確調光的光電探測傳感器結構原理圖如圖1（a）所示，圖中殼體包括兩部分，半圓形外殼體和圓柱形內殼體，在它們的四周放置若干光敏電阻。其光電探測傳感器包括三部分，分別為粗調（光敏電阻A1~光敏電阻A4，光敏電阻B1~光敏電阻B4）、微調（光敏電阻C1~光敏電阻C4，光敏電阻D1-光敏電阻D4）和精調（光敏電阻E）部分。其中粗校準部分如圖1（b）所示，由八個光敏二極管構成，圖中紅色通過各光敏電阻對各位置光強的檢測，轉化為光電壓，進行粗校準。圖1（c）為細校準結構示意圖。角速度相同，線速度與半徑成正比，半徑越大角速度越大，光照強度波動越大，而光照強度與接受點到光源距離成正比。如果線光源是非垂直光那么兩點距離差越大的接受點測出光強差的誤差越小。如果線光源是非垂直平行入射，那么內側的光敏電阻會受到外環的遮光，則會產生電壓降。圖1（d）為精校準結構示意圖。對于球面鏡，只有平行光入射時才能是光線匯聚在焦點（即R/2）處。如果在光敏電阻誤差范圍內達到理想狀態而電壓沒有達到最大光照度則進行精校準。

圖1 線聚光太陽能電池調光系統結構原理圖

2 線聚光太陽能電池精確調光系統的狀態分析

對于利用線聚光菲涅爾透鏡匯聚的光線檢測狀態可分為理想狀況和非理想狀況。其中理想狀態包括平行、重合、垂直三種情況，而非理想狀態可分為五種情況，分別為：平行、重合、不垂直；平行、不重合、垂直；平行、不重合、不垂直；不平行、不重合、垂直；不平行、不重合、不垂直。平行是指入射光在正平面的投影光線與太陽能電池板中線平行。重合是指入射光在正平面的投影光線與太陽能電池板中線重合。垂直是指入射光的入射角度垂直于太陽能電池板的正平面。如定義光強為I，光敏電阻A1~E的阻值大小為RA1~RE，切割兩圓形的長矩形代表入射光平面，并規定光線沿著入射光平面射入。

（1）平行、重合、垂直理想狀態的情況如圖2所示。則有：

圖2 理想情況

RA1=RA3；RA2=RA4；

RB1=RB2=RB3=RB4；

RC1=RC3；RC2=RC4；

RD1=RD3；RE最大。此時理想狀態下中線光強相等；RB1=RB2=RB3=RB4；對應 I左=I右；I有最大值。

（2）平行、重合、不垂直狀態如圖3所示。

圖3 平行、重合、不垂直狀態示意圖

此時RA1=RA3=RC1=RC3=RD1=RD3不成立；對應I左=I右；對應I下>I上；RE沒有最大值。結構右端上升直到下圖特殊情況I左=I右.

（3）平行、不重合、垂直如圖4所示。則有：

圖4 平行、不重合、垂直狀態示意圖

RA1=RA3；RA2

RB1=RB2

RC1=RC3；RC2

RD1=RD3；RD2I右；I中相等；RE有最大值。結構整體往左平移直到理想狀態。

（4）平行、不重合、不垂直狀態如圖5所示。

圖5 平行、不重合、不垂直狀態示意圖

此時RA1=RA3=RC1=RC3=RD1=RD3不成立；I下>I上；對應 I左>I右；RE沒有最大值。結構向左平移直到平行、重合、不垂直情況。

（5）不平行、不重合、垂直如圖6所示。

圖6 不平行、不重合、垂直狀態示意圖

此時RA1=RA3=RC1=RC3=RD1=RD3不成立；對應 I左>I右；但此時的 RB1>RB2；RB3>RB4且 RA1，RC1，RD1，RD3，RC3，RA3之間沒有逐級變化的規律。結構逆時針旋轉到平行、不重合、垂直的情況處理。

（6）不平行、不重合、不垂直的狀態如圖7所示。

圖7 不平行、不重合、不垂直狀態示意圖

圖7 聚光太陽能追光系統最普遍的情形。平行時，對應的左邊光強大于右邊光強或者右邊光強大于左邊光強，且中線從下至上光強規律遞增或遞減，這是平行光照射的一個特性。重合時，在平行基礎上，中線光強達到此時的最大值。在以上兩個條件的基礎上，左右光強對應相等；中線光強相等；RB1=RB2=RB3=RB4；RE有最大值。

3 線聚光太陽能電池精確調光系統的調節

由于聚光太陽能電池與普通太陽能電池有本質區別。普通太陽能電池為了獲得最大效率，只需要使太陽能電池板正對太陽光線即可。而聚光太陽能電池所用的線光源首先要保證光線照在聚光器上，然后根據線光源的運動而運動。所以在使用前可以預先將整個裝置放在線光源下，然后裝置自動調整到最合適的位置。隨著線光源的運動而在光敏電阻上產生了電壓變化，此時系統可以自適應的調整電池板的方位角。

對于圖8所示為不平行、不重合、不垂直的一般情況，調節步驟可分為三步。首先調節裝置到平行，如圖 8（a）所示。然后平移到重合，如圖 8（b）所示。接著調整到垂直狀態，如圖8（c）所示。調整好的最佳狀態如圖 8（d）所示。

圖8 調節步驟示意圖

4 結束語

本文設計一種能夠利用光敏電阻實現聚光太陽能電池的精確調光的光電探測傳感器。分析了在不同光照情況下的光敏電阻受照情況，并利用三步法給出了一般情況下調節太陽能電池板傾斜角度的步驟。本文的研究對聚光太陽能的自動光強調整方位角提供了參考，為提高線聚光太陽能的光電轉換效率提供了一種新的思路。

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