光电式光伏电池板自动追光传感器的设计

周欣鑫 杨志成 王宏

【摘要】针对光伏电池板追光角度方向不准确，导致其发电效能不理想的问题。分析产生问题的原因，提出自动追光的传感器。并在传感器的工作原理，电路设计、结构设计和计算方法进行了研究。

【关键词】光伏电池板;追光;角度;方向;传感器

Abstract：According to the angle of the photovoltaic battery plate light direction is not accurate，leading to the generation efficiency is not ideal problem.Analysis of the reason of this problem，the project personnel proposed automatic light sensor.And the working principle of the sensor，the circuit design，structure design and calculation methods are studied.

Keywords：photovoltaic battery plate;light;angle;direction;sensor

引言

随着科学技术的不断发展和我国能源紧张，太阳能作为简洁环保可再生能源，被国家政府部门大力提倡。但是，人们注重了太阳能板材质的转换效率、储存电能的方法，而忽略了高纬度地区太阳照射角度变化明显的特点，为了提高光伏电池板的转化效率，基于自动追光的、具有角度、方向补偿的传感器可解决这类问题。现在很多追光的太阳能光伏电池板采用时间延时控制技术，缺点是北方地区纬度大，四季光照变化明显。本项目提出了一种光电式自动追光的传感器，它安装方便，价格低廉。

1.光敏元件的工作原理

光敏元件是光电传感器的核心元件，在电路中占有重要的地位。光敏元件的基本转换原理是将被测量参数转换成电信号并将其输出。常用的光电传感器是采用发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某一点。如果将太阳光作为光源，如果电池板角度不正对太阳方向，太阳光就照不到光敏元件上，电路处于偏置状态，PN结截止，反向电流很小。当太阳正对时，光照到光敏二极管上时，PN结附近产生电子——空穴对，并在外.电场和内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。

具体方法是在光伏电池板上下左右安装传感器，在受光侧使用光敏二极管，并将信号处理电路集成制作在一块芯片上。它的特点是体积小，可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL，LSTTL和CMLS电路芯片连接。

2.光电传感器测量仰角和方向的工作原理

2.1 传感器的结构设计

如图1所示，将光电传感器的冠冕元件安装在太阳能官府电池板的周围，每个传感器与电池板存在一定的角度，即水平方向为α垂直方向为β。与之对称的方向为-α和-β。本文以水平方向为例，上下角度参照操作。

图1 传感器安装位置示意图

2.2 传感器的电路设计

Q1光敏二极管与Q2光敏二极管在位置上相差2α，当太阳照射时角度也相差2α，所以它们在光电元件上取得的信号必是相差2α。通过电路处理可以将太阳光照射角度经Q1光敏二极管与Q2光敏二极管转换得出。方向识别传感器电路如图2所示。图2中UA、UB、UC是LM324运算放大电路的一部分。UA将偏差信号放大;UB、UC是判别阳光的照射角度。当太阳在偏左方照射时，UO1，为1，UO2为0。当太阳在偏右方照射时，UO1，为0，UO2为1。

有了方向识别还要测量出角度的大小。因为电路比较复杂，采用美国Lattice半导体公司推出的ispEXPXRT软件对CPLD器件进行硬件编程，如图3所示，电路图是基于CPLD设计的。将UO1，和UO2端子连接到图3中的X，Y端。当太阳照射角度偏右时，或门C1产生的信号作为D锁存器Q3的置位端只许X产生的正脉冲通过，而D锁存器Q4因为C1作用时Y信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q4输出低电平，门电路在加减计数器中作加法运算。当太阳照射角度偏左时，则Y产生的负值信号超前X产生的信号，或门C1产生的信号作为D锁存器Q4的置位端只让Y产生的负脉冲通过，而D锁存器Q3因为C1作用时X信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q1输出低电平，门电路在可逆计数器中作减法运算。这样就完成了辨向过程。OUT3是输出，OUT4是进位，Z是控制端输入。

图3 角度测量电路

2.3 驱动电路的设计

为了让光伏电池板更好的追光运动，采用自动方式驱动更加符合实际意义。电机运动受驱动电路的控制，由于光伏电池板的电压不够稳定，驱动电路驱动压降越小越好，因此，设计了下面的驱动电路，将图1中UO1，和UO2端子连接到图4中的In1和In2端子。当太阳在偏左方照射时，UO1，为1，UO2为0。In1为1，In2端子为0，电机带动电池板左转。当太阳在偏右方照射时，UO1，为0，UO2为1，In1为0和In2为1。电机带动电池板右转。当太阳正中照射时，In1和In2端子电压相等，电机静止。

图4 电机驱动电路

3.结束语

本文介绍了基于光电式自动追光传感器的设计方法。设计的电路结构简单，采用元件价格低廉，安装方便，抗干扰能力强的特点，易被采用和推广，也为光伏电池板采用自动追光发电方式，提供新的思路。

参考文献

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[3]梁森.自动检测技术[M].机械工业出版社，2004，6.

[4]刘笃仁.传感器原理及应用技术[M].西安电子科技大学出版社，2003，8.

基金项目：北京联合大学“启明星”大学生科技创新项目经费资助（项目编号：201411417SJ067）。

作者简介：

周欣鑫，女，大学本科，北京联合大学“启明星”项目负责人。

通信作者：杨志成，项目指导教师，长期从事智能仪表、数字电路等教学科研工作。