线聚光太阳能电池自动跟踪传感器的设计

2015-11-30杨宝存

装备制造技术 2015年11期

王波，杨宝存，樊荔，尤源

（盐城师范学院物理科学与电子技术学院，江苏盐城224002）

太阳能光伏发电技术为解决能源问题提供了广阔前景。聚光太阳能电池技术是太阳能发展的一个新趋势，它可以有效降低太阳能光伏发电系统总成本[1]。目前聚光太阳能电池有线聚光和点聚光，它通过聚光器而使较大面积的太阳光会聚在一个较小的范围内，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，可以提高太阳能电池的短路电流，从而大大提高单位太阳电池的输出功率[2-4]。但是聚光高效太阳能电池对入射光线的方向十分敏感，很小的指向误差就会使电池输出功率大大降低[5-6]。要满足实际应用的需要，就必须有一种能够根据太阳光强变化自动改变太阳能电池板倾角的自动探测装置，这对提高太阳能光伏发电的竞争力有着重要的实际意义。因此，本文利用光敏电阻设计一种测光传感器，能够实现精确调节线聚光太阳能电池板的追光角度，从而有效提高线聚光太阳能的发电能力。

1 线聚光太阳能电池精确调光系统的结构

聚光太阳能自动跟踪系统的控制部分主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路。而传感器部分是线聚光太阳能自动跟踪系统设计过程当中的一个难点。本文采用光敏电阻作为传感器，将其放置于菲涅尔透镜的下方恰当的位置。当各个光敏电阻接收到的光强度不同时，通过集成运算放大比较电路将其采集的信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的自动跟踪。

线聚光太阳能电池精确调光的光电探测传感器结构原理图如图1（a）所示，图中壳体包括两部分，半圆形外壳体和圆柱形内壳体，在它们的四周放置若干光敏电阻。其光电探测传感器包括三部分，分别为粗调（光敏电阻A1~光敏电阻A4，光敏电阻B1~光敏电阻B4）、微调（光敏电阻C1~光敏电阻C4，光敏电阻D1-光敏电阻D4）和精调（光敏电阻E）部分。其中粗校准部分如图1（b）所示，由八个光敏二极管构成，图中红色通过各光敏电阻对各位置光强的检测，转化为光电压，进行粗校准。图1（c）为细校准结构示意图。角速度相同，线速度与半径成正比，半径越大角速度越大，光照强度波动越大，而光照强度与接受点到光源距离成正比。如果线光源是非垂直光那么两点距离差越大的接受点测出光强差的误差越小。如果线光源是非垂直平行入射，那么内侧的光敏电阻会受到外环的遮光，则会产生电压降。图1（d）为精校准结构示意图。对于球面镜，只有平行光入射时才能是光线汇聚在焦点（即R/2）处。如果在光敏电阻误差范围内达到理想状态而电压没有达到最大光照度则进行精校准。

图1 线聚光太阳能电池调光系统结构原理图

2 线聚光太阳能电池精确调光系统的状态分析

对于利用线聚光菲涅尔透镜汇聚的光线检测状态可分为理想状况和非理想状况。其中理想状态包括平行、重合、垂直三种情况，而非理想状态可分为五种情况，分别为：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线与太阳能电池板中线平行。重合是指入射光在正平面的投影光线与太阳能电池板中线重合。垂直是指入射光的入射角度垂直于太阳能电池板的正平面。如定义光强为I，光敏电阻A1~E的阻值大小为RA1~RE，切割两圆形的长矩形代表入射光平面，并规定光线沿着入射光平面射入。

（1）平行、重合、垂直理想状态的情况如图2所示。则有：

图2 理想情况

RA1=RA3；RA2=RA4；

RB1=RB2=RB3=RB4；

RC1=RC3；RC2=RC4；

RD1=RD3；RE最大。此时理想状态下中线光强相等；RB1=RB2=RB3=RB4；对应 I左=I右；I有最大值。

（2）平行、重合、不垂直状态如图3所示。

图3 平行、重合、不垂直状态示意图

此时RA1=RA3=RC1=RC3=RD1=RD3不成立；对应I左=I右；对应I下>I上；RE没有最大值。结构右端上升直到下图特殊情况I左=I右.

（3）平行、不重合、垂直如图4所示。则有：

图4 平行、不重合、垂直状态示意图

RA1=RA3；RA2

RB1=RB2

RC1=RC3；RC2

RD1=RD3；RD2I右；I中相等；RE有最大值。结构整体往左平移直到理想状态。

（4）平行、不重合、不垂直状态如图5所示。

图5 平行、不重合、不垂直状态示意图

此时RA1=RA3=RC1=RC3=RD1=RD3不成立；I下>I上；对应 I左>I右；RE没有最大值。结构向左平移直到平行、重合、不垂直情况。

（5）不平行、不重合、垂直如图6所示。

图6 不平行、不重合、垂直状态示意图

此时RA1=RA3=RC1=RC3=RD1=RD3不成立；对应 I左>I右；但此时的 RB1>RB2；RB3>RB4且 RA1，RC1，RD1，RD3，RC3，RA3之间没有逐级变化的规律。结构逆时针旋转到平行、不重合、垂直的情况处理。

（6）不平行、不重合、不垂直的状态如图7所示。

图7 不平行、不重合、不垂直状态示意图

图7 聚光太阳能追光系统最普遍的情形。平行时，对应的左边光强大于右边光强或者右边光强大于左边光强，且中线从下至上光强规律递增或递减，这是平行光照射的一个特性。重合时，在平行基础上，中线光强达到此时的最大值。在以上两个条件的基础上，左右光强对应相等；中线光强相等；RB1=RB2=RB3=RB4；RE有最大值。

3 线聚光太阳能电池精确调光系统的调节

由于聚光太阳能电池与普通太阳能电池有本质区别。普通太阳能电池为了获得最大效率，只需要使太阳能电池板正对太阳光线即可。而聚光太阳能电池所用的线光源首先要保证光线照在聚光器上，然后根据线光源的运动而运动。所以在使用前可以预先将整个装置放在线光源下，然后装置自动调整到最合适的位置。随着线光源的运动而在光敏电阻上产生了电压变化，此时系统可以自适应的调整电池板的方位角。

对于图8所示为不平行、不重合、不垂直的一般情况，调节步骤可分为三步。首先调节装置到平行，如图 8（a）所示。然后平移到重合，如图 8（b）所示。接着调整到垂直状态，如图8（c）所示。调整好的最佳状态如图 8（d）所示。