全方位PSD陽(yáng)光跟蹤傳感器研究

郝虹陽(yáng)，周漢義，謝　勇，李　云

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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全方位PSD陽(yáng)光跟蹤傳感器研究

郝虹陽(yáng)，周漢義，謝勇，李云

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

摘要為滿足聚焦型碟式太陽(yáng)能光熱發(fā)電對(duì)陽(yáng)光跟蹤的高精度要求，文中介紹了一種采用二維PSD傳感器和硅光電池相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了全方位的陽(yáng)光跟蹤，采用差值比例測(cè)量的硬軟件措施克服了溫漂的影響。同時(shí)避免了日歷跟蹤引起的計(jì)算誤差，也節(jié)省了測(cè)量角度編碼器的硬件成本，實(shí)用效果良好。

關(guān)鍵詞陽(yáng)光跟蹤；二維PSD； 硅光電池

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)包括光伏發(fā)電和光熱發(fā)電。根據(jù)聚光器形式的不同，太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)又可分為槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電、塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電和碟式太陽(yáng)能光熱發(fā)電[1-3]。碟式太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)采用點(diǎn)聚焦的方式聚焦于發(fā)動(dòng)機(jī)集熱腔，產(chǎn)生的高溫加熱發(fā)動(dòng)機(jī)熱腔內(nèi)的工作氣體，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作[4]。因此，這對(duì)于陽(yáng)光跟蹤的要求較高[5]。目前常用的跟蹤方法是采用PSD傳感器與日歷算法相結(jié)合的方式，這種算法要求安裝高精度角度傳感器，但其造價(jià)較高。本文介紹了一種采用二維PSD傳感器和4塊硅光電池相配合的方式進(jìn)行陽(yáng)光跟蹤的方法，可大幅降低硬件成本[6]。由于PSD傳感器屬于半導(dǎo)體器件，在陽(yáng)光下跟蹤一天中的溫差較大，故PSD傳感器存在溫度漂移問(wèn)題。且當(dāng)PSD傳感器的測(cè)量精度越高時(shí)，其可跟蹤的范圍就越小。為解決以上問(wèn)題，本文提供了一種寬范圍、高精度的方法以達(dá)到碟式高精度的要求，實(shí)現(xiàn)全天候高精度自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)方位，為發(fā)電裝置提供熱源。同時(shí)又采用差值比例電路消除了PSD傳感器因溫度變化引起的漂移誤差。

1PSD設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)采用依靠PSD傳感器與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法相結(jié)合的跟蹤技術(shù)[7-8]。但這種算法受蒙氣差和累積誤差的影響，且日歷算法過(guò)程也過(guò)于復(fù)雜[9]。在實(shí)際使用過(guò)程中需輸入不同位置的經(jīng)緯度先進(jìn)行計(jì)算，但在大量安裝設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)，額外安裝輸入經(jīng)緯度設(shè)備也會(huì)大幅增加硬件成本。此外，若使用這種跟蹤系統(tǒng)，還需要兩個(gè)編碼器與之配合，但編碼器過(guò)高的價(jià)格也為實(shí)際應(yīng)用造成了難度，且編碼器若長(zhǎng)期在室外使用較容易損壞，工作可靠性較低。在實(shí)際跟蹤過(guò)程中，當(dāng)?shù)竭_(dá)跟蹤點(diǎn)時(shí)需要精確測(cè)量，但當(dāng)偏移角度較大時(shí)，則無(wú)需精確測(cè)量，只需已知太陽(yáng)大致方位即可。本次設(shè)計(jì)中，采用二維PSD傳感器和4塊硅光電池相配合的方式進(jìn)行陽(yáng)光跟蹤。PSD傳感器測(cè)量精度較高，其精度可達(dá)0.05°之內(nèi)，甚至可高達(dá)0.01°。測(cè)量?jī)x器為圓柱形結(jié)構(gòu)，主要包括筒蓋、筒體和底座3部分，其示意圖如圖1所示。當(dāng)高度h越大時(shí)，PSD傳感器測(cè)量精度越高，但此時(shí)可測(cè)量的范圍也就越小。實(shí)際設(shè)計(jì)中高度為37.4 mm，可得當(dāng)測(cè)量精度為0.05°時(shí)，實(shí)際測(cè)量角度為±10°，當(dāng)測(cè)量精度為0.01°時(shí)，實(shí)際測(cè)量角度為±5°?？梢?jiàn)當(dāng)PSD傳感器分辨率越高時(shí)，所能測(cè)量的角度范圍越小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全方位測(cè)量。為擴(kuò)大測(cè)量角度的范圍，可使用大面積的PSD傳感器，但因PSD傳感器的造價(jià)較高，使得實(shí)驗(yàn)最終使用的是10 mm×10 mm的PSD傳感器。為在保證測(cè)量精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)全方位測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)加入了4塊硅光電池，分別代表前后左右4個(gè)方向(左右方向即代表東西方向，因此處測(cè)量設(shè)備并非水平放置，所以用前后方向代替南北方向)，若測(cè)量精度為0.05°，當(dāng)實(shí)際角度超過(guò)±10°范圍時(shí)，則采用硅光電池輔助測(cè)量，分別將代表左、右方向及前、后方向的信號(hào)值相減，差值為正時(shí)，較大值所代表的方向即為太陽(yáng)光線方向。當(dāng)實(shí)際角度進(jìn)入±10°范圍時(shí)，則采用PSD傳感器進(jìn)行精確測(cè)量。

圖1　PSD陽(yáng)光跟蹤模型

2電路設(shè)計(jì)

如圖2為二維PSD光敏面示意圖，經(jīng)公式計(jì)算可得光點(diǎn)位置[10]。其中，X1，X2，Y1，Y2分別代表各個(gè)電極的輸出信號(hào)，(x,y)為光點(diǎn)位置坐標(biāo)。

(1)

(2)

圖2　PSD光敏面示意圖

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)二維PSD電路原理圖如圖3所示。分別采集4個(gè)方向的電極信號(hào)，經(jīng)處理最終得出光點(diǎn)位置。

圖3　PSD電路原理圖

考慮到電路的抗干擾性及穩(wěn)定性，差值比例電路設(shè)計(jì)如圖4所示，B1、B2分別代表左、右方向硅光電池的電壓值。經(jīng)過(guò)求和、反相電路產(chǎn)生兩路電壓值V1、V2，當(dāng)實(shí)際角度大于PSD傳感器可測(cè)量最大范圍時(shí)，硅光電池進(jìn)行輔助測(cè)量。上午時(shí)，B1>B2，經(jīng)過(guò)差值比例電路后，V2為正值，V1為負(fù)值;下午時(shí)，B2

圖4　差值比例電路

先采集x方向、y方向位置A/D值和光強(qiáng)A/D值，在x、y方向，分別用位置A/D值除以光強(qiáng)A/D值，得到只與位置有關(guān)而與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的相對(duì)值Xr和Yr，以消除光強(qiáng)變化所帶來(lái)的影響。另外，將所得到的A/D值標(biāo)定成相應(yīng)的角度。在x方向，將+5°時(shí)左右方向

圖5　軟件流程

硅光電池電壓的差值(VL-VR)設(shè)定為閾值VXH，將-5°時(shí)左右方向硅光電池電壓差值(VL-VR)設(shè)定為閾值VXL。同理可得，y方向的閾值VYH和VYL。以左右方向?yàn)槔?，?dāng)VL-VR>VXH或VL-VR

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

數(shù)據(jù)所測(cè)地在合肥，合肥地處東經(jīng)117.3°，北緯31.8°。經(jīng)計(jì)算可得合肥的正午時(shí)刻為12:10。測(cè)得陽(yáng)光跟蹤數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　陽(yáng)光跟蹤

4結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)可得出以下結(jié)論：(1)采用二維PSD傳感器和硅光電池相配合的方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)全方位高精度的跟蹤;(2)在設(shè)計(jì)中加入了差值比例電路，較好地改善了PSD傳感器的溫漂問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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Study of Omni-directional PSD Sun Tracking Sensors

HAO Hongyang, ZHOU Hanyi, XIE Yong, LI Yun

(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

AbstractThis paper introduces an approach to tracking the sun with the two-dimensional PSD sensors matching with silicon photocells to realize omni-directional highly precise sun tracking. The difference scale circuit eliminates the temperature drift error of PSD sensor. This method avoids the calculation error of calendar tracking and reduces the hardware costs of the encoders measuring the angles with good practical effect.

Keywordssun tracking; two-dimensional PSD; silicon photocell

收稿日期:2015- 11- 02

作者簡(jiǎn)介:郝虹陽(yáng)(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：儀器儀表。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.027

中圖分類號(hào)TP212; TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)07-091-04