全方位PSD阳光跟踪传感器研究

郝虹阳，周汉义，谢　勇，李　云

(合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)



全方位PSD阳光跟踪传感器研究

郝虹阳，周汉义，谢勇，李云

(合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)

摘要为满足聚焦型碟式太阳能光热发电对阳光跟踪的高精度要求，文中介绍了一种采用二维PSD传感器和硅光电池相结合的方法，实现了全方位的阳光跟踪，采用差值比例测量的硬软件措施克服了温漂的影响。同时避免了日历跟踪引起的计算误差，也节省了测量角度编码器的硬件成本，实用效果良好。

关键词阳光跟踪；二维PSD； 硅光电池

太阳能发电技术包括光伏发电和光热发电。根据聚光器形式的不同，太阳能光热发电技术又可分为槽式太阳能光热发电、塔式太阳能光热发电和碟式太阳能光热发电[1-3]。碟式太阳能光热发电系统采用点聚焦的方式聚焦于发动机集热腔，产生的高温加热发动机热腔内的工作气体，推动活塞运动，通过连杆机构带动发动机工作[4]。因此，这对于阳光跟踪的要求较高[5]。目前常用的跟踪方法是采用PSD传感器与日历算法相结合的方式，这种算法要求安装高精度角度传感器，但其造价较高。本文介绍了一种采用二维PSD传感器和4块硅光电池相配合的方式进行阳光跟踪的方法，可大幅降低硬件成本[6]。由于PSD传感器属于半导体器件，在阳光下跟踪一天中的温差较大，故PSD传感器存在温度漂移问题。且当PSD传感器的测量精度越高时，其可跟踪的范围就越小。为解决以上问题，本文提供了一种宽范围、高精度的方法以达到碟式高精度的要求，实现全天候高精度自动跟踪太阳方位，为发电装置提供热源。同时又采用差值比例电路消除了PSD传感器因温度变化引起的漂移误差。

1PSD设计

传统的阳光跟踪系统采用依靠PSD传感器与视日运动轨迹跟踪法相结合的跟踪技术[7-8]。但这种算法受蒙气差和累积误差的影响，且日历算法过程也过于复杂[9]。在实际使用过程中需输入不同位置的经纬度先进行计算，但在大量安装设备的现场，额外安装输入经纬度设备也会大幅增加硬件成本。此外，若使用这种跟踪系统，还需要两个编码器与之配合，但编码器过高的价格也为实际应用造成了难度，且编码器若长期在室外使用较容易损坏，工作可靠性较低。在实际跟踪过程中，当到达跟踪点时需要精确测量，但当偏移角度较大时，则无需精确测量，只需已知太阳大致方位即可。本次设计中，采用二维PSD传感器和4块硅光电池相配合的方式进行阳光跟踪。PSD传感器测量精度较高，其精度可达0.05°之内，甚至可高达0.01°。测量仪器为圆柱形结构，主要包括筒盖、筒体和底座3部分，其示意图如图1所示。当高度h越大时，PSD传感器测量精度越高，但此时可测量的范围也就越小。实际设计中高度为37.4 mm，可得当测量精度为0.05°时，实际测量角度为±10°，当测量精度为0.01°时，实际测量角度为±5°。可见当PSD传感器分辨率越高时，所能测量的角度范围越小，无法实现全方位测量。为扩大测量角度的范围，可使用大面积的PSD传感器，但因PSD传感器的造价较高，使得实验最终使用的是10 mm×10 mm的PSD传感器。为在保证测量精度的同时实现全方位测量，本实验加入了4块硅光电池，分别代表前后左右4个方向(左右方向即代表东西方向，因此处测量设备并非水平放置，所以用前后方向代替南北方向)，若测量精度为0.05°，当实际角度超过±10°范围时，则采用硅光电池辅助测量，分别将代表左、右方向及前、后方向的信号值相减，差值为正时，较大值所代表的方向即为太阳光线方向。当实际角度进入±10°范围时，则采用PSD传感器进行精确测量。

图1　PSD阳光跟踪模型

2电路设计

如图2为二维PSD光敏面示意图，经公式计算可得光点位置[10]。其中，X1，X2，Y1，Y2分别代表各个电极的输出信号，(x,y)为光点位置坐标。

(1)

(2)

图2　PSD光敏面示意图

在此基础上，设计二维PSD电路原理图如图3所示。分别采集4个方向的电极信号，经处理最终得出光点位置。

图3　PSD电路原理图

考虑到电路的抗干扰性及稳定性，差值比例电路设计如图4所示，B1、B2分别代表左、右方向硅光电池的电压值。经过求和、反相电路产生两路电压值V1、V2，当实际角度大于PSD传感器可测量最大范围时，硅光电池进行辅助测量。上午时，B1>B2，经过差值比例电路后，V2为正值，V1为负值;下午时，B2

图4　差值比例电路

先采集x方向、y方向位置A/D值和光强A/D值，在x、y方向，分别用位置A/D值除以光强A/D值，得到只与位置有关而与光强无关的相对值Xr和Yr，以消除光强变化所带来的影响。另外，将所得到的A/D值标定成相应的角度。在x方向，将+5°时左右方向

图5　软件流程

硅光电池电压的差值(VL-VR)设定为阈值VXH，将-5°时左右方向硅光电池电压差值(VL-VR)设定为阈值VXL。同理可得，y方向的阈值VYH和VYL。以左右方向为例，当VL-VR>VXH或VL-VR

3实验结果

数据所测地在合肥，合肥地处东经117.3°，北纬31.8°。经计算可得合肥的正午时刻为12:10。测得阳光跟踪数据如表1所示。

表1　阳光跟踪

4结束语

根据上述实验可得出以下结论：(1)采用二维PSD传感器和硅光电池相配合的方式可实现对太阳全方位高精度的跟踪;(2)在设计中加入了差值比例电路，较好地改善了PSD传感器的温漂问题。

参考文献

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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

作者简介:郝虹阳(1991-)，女，硕士研究生。研究方向：仪器仪表。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.07.027

中图分类号TP212; TM615

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)07-091-04