基于三维光敏传感器的太阳能电池板自动跟踪系统设计

程静涛，郭爱英，梁美丽，杨晋生

(1．山西轻工职业技术学院，山西太原　030013；2．天津大学，天津　300072)

0　引言

太阳能电池又称为光伏电池，其发电效率低，发电成本相对较高是制约其大规模应用的重要因素。根据太阳能电池的光照特性，设计灵敏的自动跟踪系统从而提高其转换效率是十分必要的。表1归纳了目前太阳能跟踪系统的方式，并根据几项环境条件作了比较。

表1　目前太阳能跟踪系统的方式

从表中可以看出目前所研究的跟踪方式中都存在一些问题，受地域、时间、季节、天气等几方面影响[1]，且跟踪设备均为静止状态下安装使用，不适用于移动物体。

图1　移动物体跟踪太阳示意图

文中创新之处是采用“三维光敏传感器”(3DPS)作为动态坐标指示器，图1中，如果3DPS能够感知太阳方位角θ，再将其太阳能电池板指向该方位角，就能准确地跟踪太阳。

1　三维光敏传感器(3DPS)的原理与设计

1．13DPS结构

3DPS安装在移动物体上，结构如图2(a)、图2(b)所示。

(a)3DPS的外型结构

(b)3DPS X轴内部结构

各维结构两端顶部用一菲涅尔透镜聚焦光源，在焦点处放置毛玻璃以淡化光点，通过光敏管(LXD/GB5-A1DPH)将光照强度转换为电信号通过引线输出。

1．2光学测量原理：

光照强度E简称照度，单位勒克斯(Lux)，定义为照射在单位面积上的光通量。由公式E=dφ/dS决定。发光强度I简称光强，单位candela(坎德拉)简写cd，指单位立体角(一球面度)内发出的光通量。由公式I=dφ/dΩ决定。而dΩ=dS/r2，r为照射半径，可以推导出：

(1)

即物体的照度与光源照射物体的距离的平方成反比。设光敏传感器呈线性μ，则感应电压u等于：

(2)

3DPS嵌入6个对称光敏传感管作为感应器件。各维采用密封管状不透光材料，消除外界透射、折射光影响，内部结构见图2(b)。各光敏管输出电位及差值等于VX=ux+-ux-，VY=uy+-yy-，VZ=uz+-uz-。以水平方向(X)分析如图3所示。

图3　光敏传感器臂长L、光源距离r、入射角θ的关系

图3中I为点光源；L为光敏传感器臂长；r为光源到臂长中点的距离；θ为入射角；r+、r-分别是到两端的距离[2]。则：

(3)

(4)

由式(4)分析VX与臂长L，中分线r，入射角θ有关，图4(a)是当θ=12°和24°，r=4 cm和6 cm时的Matlab仿真，图4(b)是L=5 cm时立体仿真图。

从图中分析可知，当：

L≈2r

(5)

Vx有最大值。增大r时，Vx的绝对值减小。减小θ，Vx的绝对值增大。由于太阳光相当于由无数个点光源按照一定规律产生的复杂光源系统。所以上述分析具有极大的片面性。图4说明改变臂长L可以调整传感器的灵敏度。

1．3方位测量原理：

图5为感光原理示意图。

(a)L与θ、r的关系

(b)仿真立体图

图5　三维光敏管感光原理

水平方向光感强度分量：

(6)

水平面的光感方位角：

(7)

现场光感强度：

(8)

垂直光感仰角：

(9)

VX，VY，VZ的数值与光照强度有关，设：VX=kVX0，VY=kVY0，VZ=kVZ0。则

(10)

式中：VX0、VY0、VZ0可作为标准光强度；k是与太阳光的强度有关的数据，如晴天时k值大，阴天时k值小。

水平面的光感方位角又可以写成：

(11)

垂直光感仰角又可以写成：

(12)

从式(11)、式(12)可知，虽然光感强度VF在变化，但水平角θh与仰角θv不变。方位角与阳光强度无关，只与阳光方位有关。该特性特别适合在移动物体上准确跟踪太阳的方位。

2　3DPS电气性能要求

2．1非线性误差Δ

该传感器采用光电集成传感器LXD/GB5-A1DPH作为传感器件，典型入射波长为λp=520 nm，可见光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化，如图6所示。

图6　LXD/GB5-A1DPH的光照与电流响应特性

图6中其中L表示照度，I表示光电流，实验中6个光敏传感器必须选用非线性失真最小，K=I/L基本相同的元件。

图7为测量光敏管非线性误差的原理测量曲线。其中横坐标为照度L，纵坐标为感应电压U.A、B点分别对应光照范围的最大点lmax和最小点lmin，其标准线性斜率(虚线斜率)为：

(13)

图7　非线性误差测量原理

线性方程组为：

u-umin=kz(l-lmin)

(14)

根据实测值为：

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

求与式(14)的垂线方程，并与式(14)的交点，((lmin，umin)，(l1，u1)，…(li，ui)…，(lmax，umax))，(i=1，2，3…)，由式(15)决定非线性误差：

(15)

得到一组误差数据(Δ1，Δ2，…Δi…，)。其中必有非线性误差最大值Δmax，作为该传感器非线性误差的性能指标。选管时应使非线性误差Δ<Δmax。

2．2传感器灵敏度指标

光强电压与照度的导数，反映了任意测量点斜率，作为传感器灵敏度指标(KD)，如式(16)。

(16)

3　三维光敏传感器的电路设计3．1　INA2128工作原理

3DPS光敏传感器光感电压差的产生采用2片双路高共模抑制比运放电路INA2128。其单路输出电压放大增益为：

(17)

调整RG可改变该电路的放大增益。光电集成块INA2128传感器对因温度而产生的温漂电压有较强的抑制比，可以减少因温度而产生的测量误差。图8为三维光敏传感器电压放大电路。

图8　三维光敏传感器的放大电路

其中D1、D2，D3、D4，D5、D6分别加到INA2128的输入端，经过内部高共模抑制比电路的放大分别输出VX，VY，VZ。上述跟踪方式称为粗调。图中D7、D82个光敏集成传感器安装到太阳能电池板上水平放置，UH+-UH-=UOC=0表明已精确跟踪了太阳的方位，此为细调。

3．2水平转角θh和垂直仰角θv的产生

实际电路采用具有DSP功能的MCU(dsPIC30F3014)处理器[3]，通过步进电机伺服器(TB6560AHQ)控制步进电机[4]，步进电机旋转带动太阳能电池板转动跟踪太阳方位。再通过细调传感器精确定位太阳能电池板。利用MCU内部A/D转换每隔1 ms进行1次采样，采样M组VX，VY，VZ数据后进行DFT变换，取其平均值，根据式(10)求光强度VF，式(11)求水平转角θh，式(12)求垂直仰角θv。取其一次、二次谐波幅值，可以确定车辆运行当中光照相对3DPS的方向变化率(文中不详述)，从而控制M值的大小，使其达到快速跟踪的目的。

3．3确定转动角度与步进脉冲数的算法

假设太阳能电池板相对3DPS坐标的水平方位角为θhq，垂直仰角为θvq，而3DPS测量水平方位角θh，垂直仰角θv，此时步进电机的实际转角应为二者的差值。如式(18)、式(19)。

实际水平转角：

θhr=θh-θhq

(18)

实际垂直转角：

θvr=θv-θvq

(19)

为减小功耗，经实验得出θhr、θvr方位角小于5°变化范围时，太阳能电池板的转换效率没有太大的变化，所以当角度大于或等于5°时才进行步进电机调整。

4　试验数据分析

4．1太阳能电池输出功率

太阳能电池根据其PN结特性可得出式(20)：

(20)

式中：ISC0为光电流；Ipn，Vpn为PN结电流及电压；ISh，Rsh为漏电阻电流及电阻；k为波尔兹曼常数；q为电子电荷量；T为绝对温度；IS为逆向饱和电流。

选择一个合适的负载电阻将电流转变成输出电压。

(21)

由式(21)可得太阳能电池输出功率P，检验比较结果。

4．2试验方案

选用方向和坡度都改变的一段空旷的环形公路进行实验。实验采用无跟踪系统(图9)和有跟踪系统(图10)进行比较。所谓无跟踪系统即把太阳能电池板平放在汽车顶部固定。由式(20)可知IL输出电流受温度T影响，应保证在实验阶段温度相对稳定。时间选择下午1：00～2：00太阳光照较好的时间段。

图9、图10中上图纵坐标为归一化的光强指数E，图中纵坐标为光电池输出功率P，横坐标S为汽车行驶里程。为了比较清楚，将图9、图10的变化曲线取平均值(图中直线所示)。从两个系统比较结果来看，有自动跟踪系统的输出功率比没有自动跟踪系统的输出功率提高了约30%～40%。

图9　无自动跟踪系统

图10　有自动跟踪系统

5　结束语

文中的三维光敏传感跟踪技术，具有设计较为简单，跟踪精度高的特点。实验操作中三维光敏传感器采用可伸缩探臂以检验灵敏度。特别要加以说明的是：(1)光照极弱的情况下，其发电效率已不足以给蓄电瓶充电，应及时切断供电回路，可以利用式(10)的光强度进行判断。(2)运动物体在疾驶调头，拐弯当中，为避免跟踪系统频繁转动，可以采用延时滞后调整的方法予以纠正。

参考文献：

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