帶自供電系統(tǒng)的太陽能跟蹤傳感器

本文介紹了設計一種簡單的自供電太陽能跟蹤傳感器電路的可能性。整個電路是自供電的，因為它只使用從光電探測器獲得的電力。無需額外的外部電源。光電探測器的布置使得它們可以感知太陽輻照度的方向。基于輸出端的信號處理電路，產(chǎn)生兩個高度敏感的電壓信號。這些信號對應于太陽相對于光電二極管的俯仰角和滾動角。該電路具有固有的自動增益控制。因此，輸出信號僅與這些角度成正比，而不與太陽輻照水平成正比。

傳感器電路

所提出的簡單自供電太陽能跟蹤傳感器電路的示意圖如圖 1 所示。處理來自光電探測器的信號只需要兩個運算放大器和幾個電阻器。此外，由于光電探測器（光電二極管 PDYU1、PDYU2、PDYD1、PDYD2、PDXR1、PDXR2、PDXL1 和 PDXL2）在光伏模式下工作，因此產(chǎn)生的功率足以為運算放大器供電。X 和 Y 方向均使用四個串聯(lián)的光電二極管（PDYU1、PDYU2、PDYD1 和 PDYD2）為運算放大器 OP1 和 OP2 供電。在光伏模式下在光電二極管處獲得的相應電壓由下式給出：

其中 V1 是對應的第 i 個（i = YU1、YU2、YD1、YD2、XR1、XR2、XL1 和 XL2）光電二極管電壓，是由下式給出的熱電壓 其中 = 1.38×10-23 J/K 是玻爾茲曼常數(shù)，是絕對溫度，= 1.602×10-19 C 是基本電荷，? 是光電二極管響應度，是第 i 個光電二極管捕獲的光功率，并且是光電二極管飽和電流。

為了將光電二極管保持在光伏模式，它們必須連接到高阻抗節(jié)點，因此需要高電阻值 RL。相應的光電二極管捕獲的光功率取決于外殼內(nèi)的陰影位置，即它取決于有源光電二極管表面上的陰影分布。如圖 1 所示。光電二極管表面上的主動照明區(qū)域取決于太陽相對于光電二極管的俯仰角和滾動角，如圖 2 所示。這自然只對滿足以下條件的光電二極管有效。被外殼遮住了。例如，如果太陽從第一象限照射傳感器，如圖 2 所示，則只有光電二極管 PDYU2 和 PDXR2 處于陰影中，它們對應的照射區(qū)域將是：

其中假設小間距 ξ 和滾動 ψ 角 (ξ, ψ ? 1) 因此在第一近似中給出了被照射光電二極管區(qū)域相對于相應角度的線性相關性，其中 A 是光電二極管有源表面的面積, K 是取決于傳感器幾何形狀的正比例常數(shù)，其中 A ? Kξ, Kψ 也是有效的。

圖 1：簡單的自供電太陽能跟蹤傳感器電路原理圖

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根據(jù)等式 (1) 的相應光電二極管電壓由下式給出：

其中 E 是太陽輻照度。輸出電壓 V _X和 V _Y如下所示：

其中 R _F是反饋電阻器的電阻。等式 (2)、(3) 和 (4) 給出：

在第一近似中，輸出電壓信號 V _X和 V _Y與傳感器靈敏度 S 的俯仰角和滾動角成正比。由于輸出信號與太陽輻照度無關，因此電路具有固有的自動增益控制。

圖 2：太陽相對于傳感器的位置測量

使用 SLG88103 運算放大器實現(xiàn)

一個簡單的自供電太陽能跟蹤傳感器電路的實現(xiàn)將基于GreenPAK? SLG88103運算放大器的極低功耗特性。為了測試所提出的電路，已經(jīng)在 LTspice 中進行了仿真。僅針對單軸的仿真電路如圖 3 所示。系統(tǒng)電路由兩個這樣的子電路組成，每個子電路都旨在感測太陽的單軸位置。作為光電探測器，歐司朗光電半導體的四個 BPW34 光電二極管已用于仿真，因為它們的感應面積相對較大，為 7.45 mm ²（2.73 毫米 × 2.73 毫米）。光電二極管的 spice 模型也由 Opto Semiconductors 提供 [BPW 34 B Silicon PIN Photodiode with Enhanced Blue Sensitivity; 在 SMT 版本 1.6，數(shù)據(jù)表，歐司朗光電半導體]。

圖 3：仿真電路原理圖

太陽輻照度由兩個電壓源 VPD1 和 VPD2 建模，其中以毫伏 (mV) 為單位的電壓對應于以 mW/cm2 為單位的太陽輻照度。太陽輻照度在1 mW/cm2（1 mV）和100 mW/cm2（100 mV）的范圍內(nèi)進行掃描，其中100 mW/cm2也代表了太陽輻照度的最大可能值。如上所述，如果傳感器表面與太陽之間的角度不垂直，即俯仰角和滾動角不等于 0，由于光電二極管的故意部分遮蔽，在光電二極管表面。太陽輻射在光電二極管表面上的不均勻分布已用不同的太陽輻照度值進行建模，即電壓源 VPD1 和 VPD2 的不同值。

從仿真結果可以得出結論，該電路對太陽光照方向的變化高度敏感，這與電壓源 VPD1 和 VPD2 相應電壓的變化有關。所提出設計的重要特征是傳感器靈敏度不依賴于太陽的整體照明，前提是運算放大器的軌到軌電壓大于 1.71 V。這可以從相同的傳感器響應的斜率以對數(shù)刻度表示。因此，傳感器具有固有的增益控制，這是該傳感器電路的一個非常重要的特性，特別是如果它已用于整體系統(tǒng)穩(wěn)定性至關重要的控制回路中。

圖 4：建議電路的仿真結果

光電二極管分流電阻 RSH 為：

_{其中，對于 BPW34 光電二極管，? = 0.5 A/W、A = 7.45 mm2 和 E = 1 mW/cm2 的最小太陽輻照度，給出了 R SH} ?≈ 670 Ω的光電二極管分流電阻的最大值. 要在光伏模式下工作，光電二極管的分流電阻必須遠小于光電二極管的負載電阻，即必須滿足 R _SH ?? R _L。通過選擇 R _L ?= 1 MΩ，這個條件肯定得到滿足。可以任意選擇反饋電阻 R _{F的值以獲得所需的靈敏度。}在本應用中，選擇了 R _F ?= 30 MΩ 的值。

根據(jù)圖 4 中的仿真結果，最大輸出電壓在 V _X ,Y _MAX ?≈ 1 V 的范圍內(nèi)。因此，流經(jīng)反饋電阻和負載電阻的電流小于 IF _MAX? = V _X ,Y _MAX /R _F ?≈ 33 nA，遠小于運算放大器的靜態(tài)電流IQ = 375 nA。運算放大器的靜態(tài)電流必須滿足條件 IQ ? ?AE 才能使光電二極管在光伏模式下同時工作并適當?shù)仄眠\算放大器。^{因為對于 E = 1 mW/cm 2}的最小太陽輻照度，?AE ≈ 37 μA，這個條件也得到了滿足。

示例實現(xiàn)

使用SLG88103 運算放大器和光電二極管的評估板創(chuàng)建了測試電路。原型板實現(xiàn)電路的照片，連同基于光電二極管的傳感器，如圖 5 所示。圓柱體，即陰影器，固定在傳感器板上，以便在被太陽照射時形成陰影。氣缸尺寸可以根據(jù)傳感器靈敏度和所需的測量范圍進行選擇。該項目中使用的傳感器具有圓柱形狀的陰影，圓柱內(nèi)徑為 38 毫米，圓柱高度為 35 毫米。

圖 5：測試板與傳感器的照片

為了確定整體傳感器電路傳遞函數(shù)，傳感器安裝在一個平臺上，其傾斜角度可以變化。傳感器指向太陽，通過控制傾斜角，即平臺的俯仰角和滾動角，將電壓 VX 和 VY 調(diào)整為盡可能接近零。然后，通過改變平臺的相應傾斜角，傳感器的俯仰角和滾動角相對于太陽在 – 5° 到 + 5° 的范圍內(nèi)變化，同時測量輸出電壓。傳感器電路的傳遞函數(shù)如圖 6 所示。根據(jù)測量數(shù)據(jù)集，估計傳感器靈敏度約為 S ≈ 56 mV/°。

圖 6：傳感器電路的傳遞函數(shù)

總而言之，太陽能跟蹤傳感器在許多太陽能系統(tǒng)（光伏系統(tǒng)）中具有非常重要的作用，可以提高整個系統(tǒng)的效率。為了將太陽能電池板指向太陽，控制回路使用從太陽跟蹤傳感器獲得的信號，將太陽能電池板朝向太陽旋轉。因此，本申請中介紹的簡單、可靠（無需額外電源）且具有成本效益的傳感器將改善太陽能系統(tǒng)的特性。

所展示的自供電太陽能跟蹤傳感器電路可以使用光電探測器和陰影幾何形狀的不同組合進行測試，以實現(xiàn)更好地滿足最終用戶要求的特性。

　　審核編輯：湯梓紅

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