線聚光太陽(yáng)能電池自動(dòng)跟蹤傳感器的設(shè)計(jì)

王 波，楊寶存，樊 荔，尤 源

（鹽城師范學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，江蘇 鹽城224002）

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)為解決能源問(wèn)題提供了廣闊前景。聚光太陽(yáng)能電池技術(shù)是太陽(yáng)能發(fā)展的一個(gè)新趨勢(shì)，它可以有效降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)總成本[1]。目前聚光太陽(yáng)能電池有線聚光和點(diǎn)聚光，它通過(guò)聚光器而使較大面積的太陽(yáng)光會(huì)聚在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，克服太陽(yáng)輻射能流密度低的缺陷，可以提高太陽(yáng)能電池的短路電流，從而大大提高單位太陽(yáng)電池的輸出功率[2-4]。但是聚光高效太陽(yáng)能電池對(duì)入射光線的方向十分敏感，很小的指向誤差就會(huì)使電池輸出功率大大降低[5-6]。要滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，就必須有一種能夠根據(jù)太陽(yáng)光強(qiáng)變化自動(dòng)改變太陽(yáng)能電池板傾角的自動(dòng)探測(cè)裝置，這對(duì)提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力有著重要的實(shí)際意義。因此，本文利用光敏電阻設(shè)計(jì)一種測(cè)光傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)節(jié)線聚光太陽(yáng)能電池板的追光角度，從而有效提高線聚光太陽(yáng)能的發(fā)電能力。

1 線聚光太陽(yáng)能電池精確調(diào)光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

聚光太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的控制部分主要包括傳感器部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。而傳感器部分是線聚光太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中的一個(gè)難點(diǎn)。本文采用光敏電阻作為傳感器，將其放置于菲涅爾透鏡的下方恰當(dāng)?shù)奈恢?。?dāng)各個(gè)光敏電阻接收到的光強(qiáng)度不同時(shí)，通過(guò)集成運(yùn)算放大比較電路將其采集的信號(hào)送給單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤。

線聚光太陽(yáng)能電池精確調(diào)光的光電探測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)原理圖如圖1（a）所示，圖中殼體包括兩部分，半圓形外殼體和圓柱形內(nèi)殼體，在它們的四周放置若干光敏電阻。其光電探測(cè)傳感器包括三部分，分別為粗調(diào)（光敏電阻A1~光敏電阻A4，光敏電阻B1~光敏電阻B4）、微調(diào)（光敏電阻C1~光敏電阻C4，光敏電阻D1-光敏電阻D4）和精調(diào)（光敏電阻E）部分。其中粗校準(zhǔn)部分如圖1（b）所示，由八個(gè)光敏二極管構(gòu)成，圖中紅色通過(guò)各光敏電阻對(duì)各位置光強(qiáng)的檢測(cè)，轉(zhuǎn)化為光電壓，進(jìn)行粗校準(zhǔn)。圖1（c）為細(xì)校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖。角速度相同，線速度與半徑成正比，半徑越大角速度越大，光照強(qiáng)度波動(dòng)越大，而光照強(qiáng)度與接受點(diǎn)到光源距離成正比。如果線光源是非垂直光那么兩點(diǎn)距離差越大的接受點(diǎn)測(cè)出光強(qiáng)差的誤差越小。如果線光源是非垂直平行入射，那么內(nèi)側(cè)的光敏電阻會(huì)受到外環(huán)的遮光，則會(huì)產(chǎn)生電壓降。圖1（d）為精校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)于球面鏡，只有平行光入射時(shí)才能是光線匯聚在焦點(diǎn)（即R/2）處。如果在光敏電阻誤差范圍內(nèi)達(dá)到理想狀態(tài)而電壓沒有達(dá)到最大光照度則進(jìn)行精校準(zhǔn)。

圖1 線聚光太陽(yáng)能電池調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 線聚光太陽(yáng)能電池精確調(diào)光系統(tǒng)的狀態(tài)分析

對(duì)于利用線聚光菲涅爾透鏡匯聚的光線檢測(cè)狀態(tài)可分為理想狀況和非理想狀況。其中理想狀態(tài)包括平行、重合、垂直三種情況，而非理想狀態(tài)可分為五種情況，分別為：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線與太陽(yáng)能電池板中線平行。重合是指入射光在正平面的投影光線與太陽(yáng)能電池板中線重合。垂直是指入射光的入射角度垂直于太陽(yáng)能電池板的正平面。如定義光強(qiáng)為I，光敏電阻A1~E的阻值大小為RA1~RE，切割兩圓形的長(zhǎng)矩形代表入射光平面，并規(guī)定光線沿著入射光平面射入。

（1）平行、重合、垂直理想狀態(tài)的情況如圖2所示。則有：

圖2 理想情況

RA1=RA3；RA2=RA4；

RB1=RB2=RB3=RB4；

RC1=RC3；RC2=RC4；

RD1=RD3；RE最大。此時(shí)理想狀態(tài)下中線光強(qiáng)相等；RB1=RB2=RB3=RB4；對(duì)應(yīng) I左=I右；I有最大值。

（2）平行、重合、不垂直狀態(tài)如圖3所示。

圖3 平行、重合、不垂直狀態(tài)示意圖

此時(shí)RA1=RA3=RC1=RC3=RD1=RD3不成立；對(duì)應(yīng)I左=I右；對(duì)應(yīng)I下>I上；RE沒有最大值。結(jié)構(gòu)右端上升直到下圖特殊情況I左=I右.

（3）平行、不重合、垂直如圖4所示。則有：

圖4 平行、不重合、垂直狀態(tài)示意圖

RA1=RA3；RA2

RB1=RB2

RC1=RC3；RC2

RD1=RD3；RD2I右；I中相等；RE有最大值。結(jié)構(gòu)整體往左平移直到理想狀態(tài)。

（4）平行、不重合、不垂直狀態(tài)如圖5所示。

圖5 平行、不重合、不垂直狀態(tài)示意圖

此時(shí)RA1=RA3=RC1=RC3=RD1=RD3不成立；I下>I上；對(duì)應(yīng) I左>I右；RE沒有最大值。結(jié)構(gòu)向左平移直到平行、重合、不垂直情況。

（5）不平行、不重合、垂直如圖6所示。

圖6 不平行、不重合、垂直狀態(tài)示意圖

此時(shí)RA1=RA3=RC1=RC3=RD1=RD3不成立；對(duì)應(yīng) I左>I右；但此時(shí)的 RB1>RB2；RB3>RB4且 RA1，RC1，RD1，RD3，RC3，RA3之間沒有逐級(jí)變化的規(guī)律。結(jié)構(gòu)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到平行、不重合、垂直的情況處理。

（6）不平行、不重合、不垂直的狀態(tài)如圖7所示。

圖7 不平行、不重合、不垂直狀態(tài)示意圖

圖7 聚光太陽(yáng)能追光系統(tǒng)最普遍的情形。平行時(shí)，對(duì)應(yīng)的左邊光強(qiáng)大于右邊光強(qiáng)或者右邊光強(qiáng)大于左邊光強(qiáng)，且中線從下至上光強(qiáng)規(guī)律遞增或遞減，這是平行光照射的一個(gè)特性。重合時(shí)，在平行基礎(chǔ)上，中線光強(qiáng)達(dá)到此時(shí)的最大值。在以上兩個(gè)條件的基礎(chǔ)上，左右光強(qiáng)對(duì)應(yīng)相等；中線光強(qiáng)相等；RB1=RB2=RB3=RB4；RE有最大值。

3 線聚光太陽(yáng)能電池精確調(diào)光系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

由于聚光太陽(yáng)能電池與普通太陽(yáng)能電池有本質(zhì)區(qū)別。普通太陽(yáng)能電池為了獲得最大效率，只需要使太陽(yáng)能電池板正對(duì)太陽(yáng)光線即可。而聚光太陽(yáng)能電池所用的線光源首先要保證光線照在聚光器上，然后根據(jù)線光源的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。所以在使用前可以預(yù)先將整個(gè)裝置放在線光源下，然后裝置自動(dòng)調(diào)整到最合適的位置。隨著線光源的運(yùn)動(dòng)而在光敏電阻上產(chǎn)生了電壓變化，此時(shí)系統(tǒng)可以自適應(yīng)的調(diào)整電池板的方位角。

對(duì)于圖8所示為不平行、不重合、不垂直的一般情況，調(diào)節(jié)步驟可分為三步。首先調(diào)節(jié)裝置到平行，如圖 8（a）所示。然后平移到重合，如圖 8（b）所示。接著調(diào)整到垂直狀態(tài)，如圖8（c）所示。調(diào)整好的最佳狀態(tài)如圖 8（d）所示。

圖8 調(diào)節(jié)步驟示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種能夠利用光敏電阻實(shí)現(xiàn)聚光太陽(yáng)能電池的精確調(diào)光的光電探測(cè)傳感器。分析了在不同光照情況下的光敏電阻受照情況，并利用三步法給出了一般情況下調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板傾斜角度的步驟。本文的研究對(duì)聚光太陽(yáng)能的自動(dòng)光強(qiáng)調(diào)整方位角提供了參考，為提高線聚光太陽(yáng)能的光電轉(zhuǎn)換效率提供了一種新的思路。

[1]Welford W T，Winston R.The optics of nonimaging concentrators[M].academic press，1978.132-138.

[2]汪 韜，李曉婷，李寶霞，等.新型菲涅爾線聚光太陽(yáng)電池組件特性分析[J].光子學(xué)報(bào)，2003，32（9）:1138-1141.

[3]浦紹選，夏朝鳳.線聚光菲涅耳集熱器的端部損失與補(bǔ)償[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（1）:282-285.

[4]沈 潔，丁 瑋，于 玲，李 娜.基于PLC的太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（11）:113-114.

[5]黃祥源.基于模糊PLC控制太陽(yáng)能追光系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014，27（12）:53-55.