基于三維光敏傳感器的太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程靜濤，郭愛英，梁美麗，楊晉生

(1．山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西太原　030013；2．天津大學(xué)，天津　300072)

0　引言

太陽能電池又稱為光伏電池，其發(fā)電效率低，發(fā)電成本相對(duì)較高是制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。根據(jù)太陽能電池的光照特性，設(shè)計(jì)靈敏的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)從而提高其轉(zhuǎn)換效率是十分必要的。表1歸納了目前太陽能跟蹤系統(tǒng)的方式，并根據(jù)幾項(xiàng)環(huán)境條件作了比較。

表1　目前太陽能跟蹤系統(tǒng)的方式

從表中可以看出目前所研究的跟蹤方式中都存在一些問題，受地域、時(shí)間、季節(jié)、天氣等幾方面影響[1]，且跟蹤設(shè)備均為靜止?fàn)顟B(tài)下安裝使用，不適用于移動(dòng)物體。

圖1　移動(dòng)物體跟蹤太陽示意圖

文中創(chuàng)新之處是采用“三維光敏傳感器”(3DPS)作為動(dòng)態(tài)坐標(biāo)指示器，圖1中，如果3DPS能夠感知太陽方位角θ，再將其太陽能電池板指向該方位角，就能準(zhǔn)確地跟蹤太陽。

1　三維光敏傳感器(3DPS)的原理與設(shè)計(jì)

1．13DPS結(jié)構(gòu)

3DPS安裝在移動(dòng)物體上，結(jié)構(gòu)如圖2(a)、圖2(b)所示。

(a)3DPS的外型結(jié)構(gòu)

(b)3DPS X軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)

各維結(jié)構(gòu)兩端頂部用一菲涅爾透鏡聚焦光源，在焦點(diǎn)處放置毛玻璃以淡化光點(diǎn)，通過光敏管(LXD/GB5-A1DPH)將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)通過引線輸出。

1．2光學(xué)測(cè)量原理：

光照強(qiáng)度E簡稱照度，單位勒克斯(Lux)，定義為照射在單位面積上的光通量。由公式E=dφ/dS決定。發(fā)光強(qiáng)度I簡稱光強(qiáng)，單位candela(坎德拉)簡寫cd，指單位立體角(一球面度)內(nèi)發(fā)出的光通量。由公式I=dφ/dΩ決定。而dΩ=dS/r2，r為照射半徑，可以推導(dǎo)出：

(1)

即物體的照度與光源照射物體的距離的平方成反比。設(shè)光敏傳感器呈線性μ，則感應(yīng)電壓u等于：

(2)

3DPS嵌入6個(gè)對(duì)稱光敏傳感管作為感應(yīng)器件。各維采用密封管狀不透光材料，消除外界透射、折射光影響，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2(b)。各光敏管輸出電位及差值等于VX=ux+-ux-，VY=uy+-yy-，VZ=uz+-uz-。以水平方向(X)分析如圖3所示。

圖3　光敏傳感器臂長L、光源距離r、入射角θ的關(guān)系

圖3中I為點(diǎn)光源；L為光敏傳感器臂長；r為光源到臂長中點(diǎn)的距離；θ為入射角；r+、r-分別是到兩端的距離[2]。則：

(3)

(4)

由式(4)分析VX與臂長L，中分線r，入射角θ有關(guān)，圖4(a)是當(dāng)θ=12°和24°，r=4 cm和6 cm時(shí)的Matlab仿真，圖4(b)是L=5 cm時(shí)立體仿真圖。

從圖中分析可知，當(dāng)：

L≈2r

(5)

Vx有最大值。增大r時(shí)，Vx的絕對(duì)值減小。減小θ，Vx的絕對(duì)值增大。由于太陽光相當(dāng)于由無數(shù)個(gè)點(diǎn)光源按照一定規(guī)律產(chǎn)生的復(fù)雜光源系統(tǒng)。所以上述分析具有極大的片面性。圖4說明改變臂長L可以調(diào)整傳感器的靈敏度。

1．3方位測(cè)量原理：

圖5為感光原理示意圖。

(a)L與θ、r的關(guān)系

(b)仿真立體圖

圖5　三維光敏管感光原理

水平方向光感強(qiáng)度分量：

(6)

水平面的光感方位角：

(7)

現(xiàn)場(chǎng)光感強(qiáng)度：

(8)

垂直光感仰角：

(9)

VX，VY，VZ的數(shù)值與光照強(qiáng)度有關(guān)，設(shè)：VX=kVX0，VY=kVY0，VZ=kVZ0。則

(10)

式中：VX0、VY0、VZ0可作為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)度；k是與太陽光的強(qiáng)度有關(guān)的數(shù)據(jù)，如晴天時(shí)k值大，陰天時(shí)k值小。

水平面的光感方位角又可以寫成：

(11)

垂直光感仰角又可以寫成：

(12)

從式(11)、式(12)可知，雖然光感強(qiáng)度VF在變化，但水平角θh與仰角θv不變。方位角與陽光強(qiáng)度無關(guān)，只與陽光方位有關(guān)。該特性特別適合在移動(dòng)物體上準(zhǔn)確跟蹤太陽的方位。

2　3DPS電氣性能要求

2．1非線性誤差Δ

該傳感器采用光電集成傳感器LXD/GB5-A1DPH作為傳感器件，典型入射波長為λp=520 nm，可見光范圍內(nèi)高度敏感，輸出電流隨照度呈線性變化，如圖6所示。

圖6　LXD/GB5-A1DPH的光照與電流響應(yīng)特性

圖6中其中L表示照度，I表示光電流，實(shí)驗(yàn)中6個(gè)光敏傳感器必須選用非線性失真最小，K=I/L基本相同的元件。

圖7為測(cè)量光敏管非線性誤差的原理測(cè)量曲線。其中橫坐標(biāo)為照度L，縱坐標(biāo)為感應(yīng)電壓U.A、B點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)光照范圍的最大點(diǎn)lmax和最小點(diǎn)lmin，其標(biāo)準(zhǔn)線性斜率(虛線斜率)為：

(13)

圖7　非線性誤差測(cè)量原理

線性方程組為：

u-umin=kz(l-lmin)

(14)

根據(jù)實(shí)測(cè)值為：

((lmin，umin)，(lp1，up1)，…(lpi，upi)…，(lmax，umax))

求與式(14)的垂線方程，并與式(14)的交點(diǎn)，((lmin，umin)，(l1，u1)，…(li，ui)…，(lmax，umax))，(i=1，2，3…)，由式(15)決定非線性誤差：

(15)

得到一組誤差數(shù)據(jù)(Δ1，Δ2，…Δi…，)。其中必有非線性誤差最大值Δmax，作為該傳感器非線性誤差的性能指標(biāo)。選管時(shí)應(yīng)使非線性誤差Δ<Δmax。

2．2傳感器靈敏度指標(biāo)

光強(qiáng)電壓與照度的導(dǎo)數(shù)，反映了任意測(cè)量點(diǎn)斜率，作為傳感器靈敏度指標(biāo)(KD)，如式(16)。

(16)

3　三維光敏傳感器的電路設(shè)計(jì)3．1　INA2128工作原理

3DPS光敏傳感器光感電壓差的產(chǎn)生采用2片雙路高共模抑制比運(yùn)放電路INA2128。其單路輸出電壓放大增益為：

(17)

調(diào)整RG可改變?cè)撾娐返姆糯笤鲆?。光電集成塊INA2128傳感器對(duì)因溫度而產(chǎn)生的溫漂電壓有較強(qiáng)的抑制比，可以減少因溫度而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。圖8為三維光敏傳感器電壓放大電路。

圖8　三維光敏傳感器的放大電路

其中D1、D2，D3、D4，D5、D6分別加到INA2128的輸入端，經(jīng)過內(nèi)部高共模抑制比電路的放大分別輸出VX，VY，VZ。上述跟蹤方式稱為粗調(diào)。圖中D7、D82個(gè)光敏集成傳感器安裝到太陽能電池板上水平放置，UH+-UH-=UOC=0表明已精確跟蹤了太陽的方位，此為細(xì)調(diào)。

3．2水平轉(zhuǎn)角θh和垂直仰角θv的產(chǎn)生

實(shí)際電路采用具有DSP功能的MCU(dsPIC30F3014)處理器[3]，通過步進(jìn)電機(jī)伺服器(TB6560AHQ)控制步進(jìn)電機(jī)[4]，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤太陽方位。再通過細(xì)調(diào)傳感器精確定位太陽能電池板。利用MCU內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換每隔1 ms進(jìn)行1次采樣，采樣M組VX，VY，VZ數(shù)據(jù)后進(jìn)行DFT變換，取其平均值，根據(jù)式(10)求光強(qiáng)度VF，式(11)求水平轉(zhuǎn)角θh，式(12)求垂直仰角θv。取其一次、二次諧波幅值，可以確定車輛運(yùn)行當(dāng)中光照相對(duì)3DPS的方向變化率(文中不詳述)，從而控制M值的大小，使其達(dá)到快速跟蹤的目的。

3．3確定轉(zhuǎn)動(dòng)角度與步進(jìn)脈沖數(shù)的算法

假設(shè)太陽能電池板相對(duì)3DPS坐標(biāo)的水平方位角為θhq，垂直仰角為θvq，而3DPS測(cè)量水平方位角θh，垂直仰角θv，此時(shí)步進(jìn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角應(yīng)為二者的差值。如式(18)、式(19)。

實(shí)際水平轉(zhuǎn)角：

θhr=θh-θhq

(18)

實(shí)際垂直轉(zhuǎn)角：

θvr=θv-θvq

(19)

為減小功耗，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出θhr、θvr方位角小于5°變化范圍時(shí)，太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率沒有太大的變化，所以當(dāng)角度大于或等于5°時(shí)才進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)調(diào)整。

4　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4．1太陽能電池輸出功率

太陽能電池根據(jù)其PN結(jié)特性可得出式(20)：

(20)

式中：ISC0為光電流；Ipn，Vpn為PN結(jié)電流及電壓；ISh，Rsh為漏電阻電流及電阻；k為波爾茲曼常數(shù)；q為電子電荷量；T為絕對(duì)溫度；IS為逆向飽和電流。

選擇一個(gè)合適的負(fù)載電阻將電流轉(zhuǎn)變成輸出電壓。

(21)

由式(21)可得太陽能電池輸出功率P，檢驗(yàn)比較結(jié)果。

4．2試驗(yàn)方案

選用方向和坡度都改變的一段空曠的環(huán)形公路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用無跟蹤系統(tǒng)(圖9)和有跟蹤系統(tǒng)(圖10)進(jìn)行比較。所謂無跟蹤系統(tǒng)即把太陽能電池板平放在汽車頂部固定。由式(20)可知IL輸出電流受溫度T影響，應(yīng)保證在實(shí)驗(yàn)階段溫度相對(duì)穩(wěn)定。時(shí)間選擇下午1：00～2：00太陽光照較好的時(shí)間段。

圖9、圖10中上圖縱坐標(biāo)為歸一化的光強(qiáng)指數(shù)E，圖中縱坐標(biāo)為光電池輸出功率P，橫坐標(biāo)S為汽車行駛里程。為了比較清楚，將圖9、圖10的變化曲線取平均值(圖中直線所示)。從兩個(gè)系統(tǒng)比較結(jié)果來看，有自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的輸出功率比沒有自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的輸出功率提高了約30%～40%。

圖9　無自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

圖10　有自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

5　結(jié)束語

文中的三維光敏傳感跟蹤技術(shù)，具有設(shè)計(jì)較為簡單，跟蹤精度高的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)操作中三維光敏傳感器采用可伸縮探臂以檢驗(yàn)靈敏度。特別要加以說明的是：(1)光照極弱的情況下，其發(fā)電效率已不足以給蓄電瓶充電，應(yīng)及時(shí)切斷供電回路，可以利用式(10)的光強(qiáng)度進(jìn)行判斷。(2)運(yùn)動(dòng)物體在疾駛調(diào)頭，拐彎當(dāng)中，為避免跟蹤系統(tǒng)頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)，可以采用延時(shí)滯后調(diào)整的方法予以糾正。

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