簡單的自供電太陽能跟蹤傳感器電路設(shè)計

本文提出了設(shè)計簡單的自供電太陽能跟蹤傳感器電路的可能性。整個電路是自供電的，因為它僅使用從光電探測器獲得的功率。無需額外的外部電源。布置光電探測器，以便它們可以感應(yīng)太陽輻射的方向?；谳敵龆说?a target="_blank">信號處理電路，將生成兩個高度敏感的電壓信號。這些信號對應(yīng)于太陽相對于光電二極管的俯仰角和側(cè)傾角。該電路具有固有的自動增益控制。因此，輸出信號僅與這些角度成比例，而不與太陽輻射水平成正比。

傳感器電路

擬議的簡單自供電太陽能跟蹤傳感器電路原理圖如圖1所示。處理來自光電探測器的信號僅需要兩個運算放大器和幾個電阻器。此外，由于光電探測器（光電二極管PDYU1，PDYU2，PDYD1，PDYD2，PDXR1，PDXR2，PDXL1和PDXL2）在光伏模式下工作，因此產(chǎn)生的功率足以為運算放大器供電。X和Y方向都使用串聯(lián)連接的四個光電二極管（PDYU1，PDYU2，PDYD1和PDYD2）為運算放大器OP1和OP2供電。在光伏模式下，在光電二極管處獲得的相應(yīng)電壓由下式給出：

其中Vi是對應(yīng)的第i個光電二極管電壓（i = YU1，YU2，YD1，YD2，XR1，XR2，XL1和XL2）光電二極管電壓，VT是由VT= KbT / q給出的熱電壓b= 1.38×10-23 J / K是玻爾茲曼常數(shù)，VT是絕對溫度，Vq = 1.602×10-19 C是基本電荷，?是光電二極管的響應(yīng)度，Pi是第i個光電二極管捕獲的光功率，Is是光電二極管的飽和電流。

為了將光電二極管保持在光伏模式，它們必須連接到高阻抗節(jié)點，因此需要較高的電阻RL值。相應(yīng)的光電二極管捕獲的光功率取決于外殼內(nèi)的陰影位置，即取決于有源光電二極管表面上的陰影分布。如圖1所示。如圖2所示，光電二極管表面上的主動照明區(qū)域取決于太陽相對于光電二極管的俯仰角和側(cè)傾角。這自然僅對具有以下特征的光電二極管有效：被機箱遮蓋。例如，如果太陽從第一象限照亮傳感器，如圖2所示，則只有光電二極管PDYU2和PDXR2將在陰影中，其對應(yīng)的照明區(qū)域?qū)⑹?/p>

其中假設(shè)小間距ξ和滾動ψ角（ξ，ψ? 1），因此在第一近似中給出了照明光電二極管面積相對于相應(yīng)角度的線性依賴性，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：簡單的自供電太陽能跟蹤傳感器電路原理圖

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VX和VY給出為：

其中RF是反饋電阻的電阻。公式（2），（3）和（4）給出：

在第一近似中，輸出電壓信號VX和VY與傳感器靈敏度為S的俯仰角和側(cè)傾角成正比。由于輸出信號與太陽輻射無關(guān)，因此該電路具有固有的自動增益控制。

圖2：相對于傳感器的太陽位置的測量

通過SLG88103運算放大器實現(xiàn)

一個簡單的自供電太陽能跟蹤傳感器電路的實現(xiàn)將基于GreenPAK?SLG88103運算放大器的極低功耗特性。為了測試提出的電路，已經(jīng)在LTspice中進行了仿真。圖3中顯示了僅用于單個軸的模擬電路。系統(tǒng)電路由兩個此類子電路組成，每個子電路旨在感測太陽的單個軸位置。作為光電檢測器，由于歐司朗光電半導(dǎo)體公司的四個BPW34光電二極管的感測面積相對較大，為7.45 mm2，因此已用于仿真中（2.73毫米×2.73毫米）。光電二極管的香料模型也由Opto Semiconductors提供[具有增強的藍光靈敏度的BPW 34 B硅PIN光電二極管；在SMT版本1.6，數(shù)據(jù)表，歐司朗光電半導(dǎo)體中]。

圖3：仿真電路原理圖

太陽輻照度已通過兩個電壓源VPD1和VPD2建模，其中以毫伏（mV）為單位的電壓對應(yīng)于以mW / cm2為單位的太陽輻照度。在1 mW / cm2（1 mV）到100 mW / cm2（100 mV）的范圍內(nèi)掃描太陽輻照度，其中100 mW / cm2也代表太陽輻照度的最大可能值。如上所述，如果傳感器表面和太陽之間的角度不垂直，即俯仰角和滾動角不等于零，由于光電二極管的故意局部陰影，在光電二極管表面。已經(jīng)使用不同的太陽輻照度值，即使用不同的電壓源VPD1和VPD2值對光電二極管表面上太陽輻射的不均勻分布進行了建模。相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖4所示。

可以從仿真結(jié)果得出的結(jié)論是，該電路對太陽能照射方向的變化高度敏感，該變化與電壓源VPD1和VPD2的相應(yīng)電壓的變化相關(guān)。所提出設(shè)計的重要特征是，只要運算放大器的軌到軌電壓大于1.71 V，傳感器的靈敏度就不會取決于太陽的整體照度。傳感器響應(yīng)的斜率以對數(shù)標度表示。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非常重要的特征，特別是如果已將其用于控制??回路中，其中整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖4：擬議電路的仿真結(jié)果

光電二極管分流電阻RSH給出為：

其中，在BPW34光電二極管的情況下，與?= 0.5 A / W，A =7.45毫米2和E的最小太陽輻照= 1毫瓦/厘米2，給出了R的光電二極管分流電阻的最大值SH≈ 670Ω。在光伏模式下操作光電二極管的分流電阻必須大于光電二極管的負載電阻，即，必須滿足- [R小得多SH??大號。通過選擇RL= 1MΩ，此條件肯定可以滿足。反饋電阻RF的值可以任意選擇以獲得期望的靈敏度。在此應(yīng)用中，選擇了RF= 30MΩ的值。

根據(jù)圖4中的模擬結(jié)果，最大輸出電壓在VX，YMAX≈1V范圍內(nèi)。因此，流經(jīng)反饋電阻器并因此流經(jīng)負載電阻器的電流小于IFMAX= VX，YMAX/ R?F≈33 nA的，這比I的運算放大器的靜態(tài)電流小得多Q= 375 nA的。運算放大器的靜態(tài)電流必須滿足條件IQ??AE以使光電二極管的在光伏模式和偏置運算放大器同時工作正確。由于對于最小太陽輻照度E = 1 mW / cm2，?AE≈37μA這個條件也得到滿足。

示例實施

使用評估板用于測試電路的創(chuàng)建SLG88103運算放大器和光電二極管。原型板實現(xiàn)的電路的照片以及基于光電二極管的傳感器一起顯示在圖5中。圓柱體（即陰影器）固定在傳感器板上，以便在被太陽照射時形成陰影。可以根據(jù)傳感器的靈敏度和所需的測量范圍來選擇氣缸尺寸。在該項目中使用的傳感器具有圓柱狀陰影器，圓柱體的內(nèi)徑為38毫米，圓柱體的高度為35毫米。

圖5：測試板和傳感器的照片

為了確定整個傳感器電路的傳遞函數(shù)，將傳感器安裝在一個平臺上，該平臺的傾斜角度可以改變。傳感器對準太陽，并通過控制傾斜角（即平臺的俯仰角和側(cè)傾角），將電壓VX和VY都調(diào)整為盡可能接近零。然后，通過改變平臺的相應(yīng)傾斜角，傳感器的俯仰角和橫滾角相對于太陽的變化范圍為– 5°至+ 5°，同時測量輸出電壓。傳感器電路的傳遞函數(shù)如圖6所示。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)集，估計傳感器的靈敏度約為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，以提高整體系統(tǒng)效率。為了將太陽能電池板引向太陽，控制環(huán)使用從太陽能跟蹤傳感器獲得的信號使電池板向太陽旋轉(zhuǎn)。因此，如本申請所述，一種簡單，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發(fā)電系統(tǒng)的特性。

可以使用光電檢測器和陰影幾何形狀的不同組合來測試提出的自供電太陽能跟蹤傳感器電路，以實現(xiàn)可以更好地適合最終用戶需求的特性。
編輯：hfy