在太阳能自动跟电站中光传感器使用的讨论

2012-08-15徐剑

科技视界 2012年9期

徐剑

（1.中能华辰集团有限公司山东济南 250011；2.山东轻工业学院山东济南 250353）

0 引言

在经济高速发展的今天，传统的燃料能源正日益减少，全世界仍然还有超过20亿的人口缺乏正常的能源供应，这一点对环境造成的危害日益突出。如何开发新能源就是全世界人们主要的研究对象，在不久的未来新能源将逐步代替传统能源，成为世界能源的主角，成为人类能源的来源。太阳光就是用很好的能量来源，而太阳能更是一种无污染、取之不尽用之不完的能源。每一天，太阳光都会能量送到你的身边，但是，利用好这种能源，却是现在人们所欠缺的。普通的太阳能光伏电站，不能跟随着太阳一起运动，跟踪太阳的运行轨迹，只有在中午的时刻才能获取最大能量。只有让太阳能光伏组件发挥最大的能量，人们才能获得最多的能量，而太阳能电站跟踪器就是实现这种功效的设备。通过太阳能电站跟踪器控制的太阳能光伏组件在理论上可以比普通的光伏组件发电量提高60%，甚至100%，所以太阳能跟踪电站将会是人们提高利用太阳能效率的重要途径之一。

太阳能自动跟踪电站的控制可分为主动式与被动式，被动式就是使用有效的光传感器。在众多光传感器中，大多是使用对比的方式进行比较，输出相关指令调整跟踪方向，本文分析讨论三种光传感器的使用情况。

1 输出电压比较

在我们常用的光传感器中，大部分是使用两个光敏器件的输出电压作为采集的信号。这种光传感器在一段时间并且强光下是很有效的，但是由于两个光敏器件的的变化曲线不能做到严格的一致，所以在温度变化及光照强度的变化下输出的电压信号是有误差的。随着误差的累计，其运行结果就是跟踪精度达不到设计要求。

在实验中，使用这种方式的跟踪电站在调整一次后，2个月后还要调整一次，并且在中午光照强度很强的条件下调整后，下午光照强度较弱的条件下又会出现偏差，所以这种利用输出电压比较的光传感器，不适宜大规模的使用。

2 输出电流比较

在使用的光传感器中，有一种使用光电池的输出电流作为采集的信号。通常认为，光电池是一种十分特殊的半导体二极管，可以将可见光的能量直接转化为电能，而有的光电池还可以直接将太阳光中的红外射线和紫外射线的能量转化为电能。早期的光电池制作中里含有氧化硅，而氧化硅的作用是影响空穴和电子的运动。对于其它材料，例如GaAs，现在也是开发聚光型光电池的重要材料。半导体材料有二种基本类型，分别叫做正电型（或P型态）和负电型（或N型态），这些材料的薄片被一起放置在一个PV电池中，而且他们之间的实际交界就做称为P-N节。通过这种结构方式，当P-N节在红外光或紫外线下，暴露于可见光，射线照射到P-N节的时候，在P-N节的两侧就会产生电势差，如果连接P型材料和N型材料上，两个电极之间就会有电流通过。光电池称作太阳能电池，可以直接把太阳光能转变成电能，因此光电池的特点就是能够直接把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成可应用的电能。在同一批次的光电池中，其电流随温度的变化率为每度0.05%，而电压随温度的变化率为每度0.35%，这样就利用光电池输出的电流作为采集的信号，从而提高稳定度，减少温度变化及光照强度变化而带来的误差，因为使用同一批次的光电池，其电流的变化率不大。

实验中，将在三周时间内采集的数据进行比较，发现当光强值越高时，太阳能自动跟踪支架跟踪精度越高，说明这种输出电流的光传感器，依然存在漂移的现象。而对于造成这种现象的原因可能以一下两点：第一，两个光电池器件存在难以克服的物理性能的差异，而导致的增益不一致；第二，人工对传感器调整操作时，而导致的传感器受光面不均匀的现象。

3 四象限探测器

还有一种使用的光传感器是有四象限探测器组成的，四象限探测器是把一块硅光电池划分成四个相同区域按照直角坐标要求排列而成的，常用于激光制导或激光准直中。

采用四象限探测器设计的光传感器，当探测器光轴中心对准太阳时，四个象限接收到相同的光功率,输出相同的信号。光轴未对准太阳时即太阳光与光轴成一角度时,光线经光学系统照射到四象限光电传感器上形成的光斑必然发生偏移。由于各象限的光功率与各象限的光斑面积成正比,每个象限被光斑覆盖的面积不同,因此各象限光电池产生的信号不相同。

使用这种光传感器基本解决了两个光敏器件存在物理性能的差异，而且稳定度极高。在实验中，一次调整好后，今后几乎不用调整，误差极小，精度极高。