帶自供電系統(tǒng)的太陽能跟蹤傳感器

其中假設(shè)小間距 ξ 和滾動(dòng) ψ 角 (ξ, ψ ? 1) 因此在第一近似中給出了被照射光電二極管區(qū)域相對(duì)于相應(yīng)角度的線性相關(guān)性，其中 A 是光電二極管有源表面的面積, K 是取決于傳感器幾何形狀的正比例常數(shù)，其中 A ? Kξ, Kψ 也是有效的。

圖 1：簡(jiǎn)單的自供電太陽能跟蹤傳感器電路原理圖

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根據(jù)等式 (1) 的相應(yīng)光電二極管電壓由下式給出：

其中 E 是太陽輻照度。輸出電壓 V _X和 V _Y如下所示：

其中 R _F是反饋電阻器的電阻。等式 (2)、(3) 和 (4) 給出：

在第一近似中，輸出電壓信號(hào) V _X和 V _Y與傳感器靈敏度 S 的俯仰角和滾動(dòng)角成正比。由于輸出信號(hào)與太陽輻照度無關(guān)，因此電路具有固有的自動(dòng)增益控制。

圖 2：太陽相對(duì)于傳感器的位置測(cè)量

使用 SLG88103 運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)

一個(gè)簡(jiǎn)單的自供電太陽能跟蹤傳感器電路的實(shí)現(xiàn)將基于GreenPAK? SLG88103運(yùn)算放大器的極低功耗特性。為了測(cè)試所提出的電路，已經(jīng)在 LTspice 中進(jìn)行了仿真。僅針對(duì)單軸的仿真電路如圖 3 所示。系統(tǒng)電路由兩個(gè)這樣的子電路組成，每個(gè)子電路都旨在感測(cè)太陽的單軸位置。作為光電探測(cè)器，歐司朗光電半導(dǎo)體的四個(gè) BPW34 光電二極管已用于仿真，因?yàn)樗鼈兊母袘?yīng)面積相對(duì)較大，為 7.45 mm ²（2.73 毫米 × 2.73 毫米）。光電二極管的 spice 模型也由 Opto Semiconductors 提供 [BPW 34 B Silicon PIN Photodiode with Enhanced Blue Sensitivity; 在 SMT 版本 1.6，數(shù)據(jù)表，歐司朗光電半導(dǎo)體]。

圖 3：仿真電路原理圖

太陽輻照度由兩個(gè)電壓源 VPD1 和 VPD2 建模，其中以毫伏 (mV) 為單位的電壓對(duì)應(yīng)于以 mW/cm2 為單位的太陽輻照度。太陽輻照度在1 mW/cm2（1 mV）和100 mW/cm2（100 mV）的范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，其中100 mW/cm2也代表了太陽輻照度的最大可能值。如上所述，如果傳感器表面與太陽之間的角度不垂直，即俯仰角和滾動(dòng)角不等于 0，由于光電二極管的故意部分遮蔽，在光電二極管表面。太陽輻射在光電二極管表面上的不均勻分布已用不同的太陽輻照度值進(jìn)行建模，即電壓源 VPD1 和 VPD2 的不同值。

從仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，該電路對(duì)太陽光照方向的變化高度敏感，這與電壓源 VPD1 和 VPD2 相應(yīng)電壓的變化有關(guān)。所提出設(shè)計(jì)的重要特征是傳感器靈敏度不依賴于太陽的整體照明，前提是運(yùn)算放大器的軌到軌電壓大于 1.71 V。這可以從相同的傳感器響應(yīng)的斜率以對(duì)數(shù)刻度表示。因此，傳感器具有固有的增益控制，這是該傳感器電路的一個(gè)非常重要的特性，特別是如果它已用于整體系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要的控制回路中。

圖 4：建議電路的仿真結(jié)果

光電二極管分流電阻 RSH 為：

_{其中，對(duì)于 BPW34 光電二極管，? = 0.5 A/W、A = 7.45 mm2 和 E = 1 mW/cm2 的最小太陽輻照度，給出了 R SH} ?≈ 670 Ω的光電二極管分流電阻的最大值. 要在光伏模式下工作，光電二極管的分流電阻必須遠(yuǎn)小于光電二極管的負(fù)載電阻，即必須滿足 R _SH ?? R _L。通過選擇 R _L ?= 1 MΩ，這個(gè)條件肯定得到滿足。可以任意選擇反饋電阻 R _{F的值以獲得所需的靈敏度。}在本應(yīng)用中，選擇了 R _F ?= 30 MΩ 的值。

根據(jù)圖 4 中的仿真結(jié)果，最大輸出電壓在 V _X ,Y _MAX ?≈ 1 V 的范圍內(nèi)。因此，流經(jīng)反饋電阻和負(fù)載電阻的電流小于 IF _MAX? = V _X ,Y _MAX /R _F ?≈ 33 nA，遠(yuǎn)小于運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流IQ = 375 nA。運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流必須滿足條件 IQ ? ?AE 才能使光電二極管在光伏模式下同時(shí)工作并適當(dāng)?shù)仄眠\(yùn)算放大器。^{因?yàn)閷?duì)于 E = 1 mW/cm 2}的最小太陽輻照度，?AE ≈ 37 μA，這個(gè)條件也得到了滿足。

示例實(shí)現(xiàn)

使用SLG88103 運(yùn)算放大器和光電二極管的評(píng)估板創(chuàng)建了測(cè)試電路。原型板實(shí)現(xiàn)電路的照片，連同基于光電二極管的傳感器，如圖 5 所示。圓柱體，即陰影器，固定在傳感器板上，以便在被太陽照射時(shí)形成陰影。氣缸尺寸可以根據(jù)傳感器靈敏度和所需的測(cè)量范圍進(jìn)行選擇。該項(xiàng)目中使用的傳感器具有圓柱形狀的陰影，圓柱內(nèi)徑為 38 毫米，圓柱高度為 35 毫米。

圖 5：測(cè)試板與傳感器的照片

為了確定整體傳感器電路傳遞函數(shù)，傳感器安裝在一個(gè)平臺(tái)上，其傾斜角度可以變化。傳感器指向太陽，通過控制傾斜角，即平臺(tái)的俯仰角和滾動(dòng)角，將電壓 VX 和 VY 調(diào)整為盡可能接近零。然后，通過改變平臺(tái)的相應(yīng)傾斜角，傳感器的俯仰角和滾動(dòng)角相對(duì)于太陽在 – 5° 到 + 5° 的范圍內(nèi)變化，同時(shí)測(cè)量輸出電壓。傳感器電路的傳遞函數(shù)如圖 6 所示。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)集，估計(jì)傳感器靈敏度約為 S ≈ 56 mV/°。

圖 6：傳感器電路的傳遞函數(shù)

總而言之，太陽能跟蹤傳感器在許多太陽能系統(tǒng)（光伏系統(tǒng)）中具有非常重要的作用，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。為了將太陽能電池板指向太陽，控制回路使用從太陽跟蹤傳感器獲得的信號(hào)，將太陽能電池板朝向太陽旋轉(zhuǎn)。因此，本申請(qǐng)中介紹的簡(jiǎn)單、可靠（無需額外電源）且具有成本效益的傳感器將改善太陽能系統(tǒng)的特性。

所展示的自供電太陽能跟蹤傳感器電路可以使用光電探測(cè)器和陰影幾何形狀的不同組合進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)更好地滿足最終用戶要求的特性。

　　審核編輯：湯梓紅

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