本文提出了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路的可能性。整個(gè)電路是自供電的，因?yàn)樗鼉H使用從光電探測(cè)器獲得的功率。無需額外的外部電源。布置光電探測(cè)器，以便它們可以感應(yīng)太陽(yáng)輻射的方向。基于輸出端的信號(hào)處理電路，將生成兩個(gè)高度敏感的電壓信號(hào)。這些信號(hào)對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)相對(duì)于光電二極管的俯仰角和側(cè)傾角。該電路具有固有的自動(dòng)增益控制。因此，輸出信號(hào)僅與這些角度成比例，而不與太陽(yáng)輻射水平成正比。

傳感器電路

擬議的簡(jiǎn)單自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路原理圖如圖1所示。處理來自光電探測(cè)器的信號(hào)僅需要兩個(gè)運(yùn)算放大器和幾個(gè)電阻器。此外，由于光電探測(cè)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(yùn)算放大器供電。X和Y方向都使用串聯(lián)連接的四個(gè)光電二極管（PDYU1，PDYU2，PDYD1和PDYD2）為運(yùn)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(yīng)電壓由下式給出：

其中Vi是對(duì)應(yīng)的第i個(gè)光電二極管電壓（i = YU1，YU2，YD1，YD2，XR1，XR2，XL1和XL2）光電二極管電壓，VT是由VT= KbT / q給出的熱電壓b= 1.38×10-23 J / K是玻爾茲曼常數(shù)，VT是絕對(duì)溫度，Vq = 1.602×10-19 C是基本電荷，?是光電二極管的響應(yīng)度，Pi是第i個(gè)光電二極管捕獲的光功率，Is是光電二極管的飽和電流。

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(diǎn)，因此需要較高的電阻RL值。相應(yīng)的光電二極管捕獲的光功率取決于外殼內(nèi)的陰影位置，即取決于有源光電二極管表面上的陰影分布。如圖1所示。如圖2所示，光電二極管表面上的主動(dòng)照明區(qū)域取決于太陽(yáng)相對(duì)于光電二極管的俯仰角和側(cè)傾角。這自然僅對(duì)具有以下特征的光電二極管有效：被機(jī)箱遮蓋。例如，如果太陽(yáng)從第一象限照亮傳感器，如圖2所示，則只有光電二極管PDYU2和PDXR2將在陰影中，其對(duì)應(yīng)的照明區(qū)域?qū)⑹?/p>

其中假設(shè)小間距ξ和滾動(dòng)ψ角（ξ，ψ? 1），因此在第一近似中給出了照明光電二極管面積相對(duì)于相應(yīng)角度的線性依賴性，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(jiǎn)單的自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路原理圖

根據(jù)等式（1）的相應(yīng)光電二極管電壓由下式給出：

其中E是太陽(yáng)輻照度。輸出電壓VX和VY給出為：

其中RF是反饋電阻的電阻。公式（2），（3）和（4）給出：

在第一近似中，輸出電壓信號(hào)VX和VY與傳感器靈敏度為S的俯仰角和側(cè)傾角成正比。由于輸出信號(hào)與太陽(yáng)輻射無關(guān)，因此該電路具有固有的自動(dòng)增益控制。

圖2：相對(duì)于傳感器的太陽(yáng)位置的測(cè)量

通過SLG88103運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)

一個(gè)簡(jiǎn)單的自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路的實(shí)現(xiàn)將基于GreenPAK?SLG88103運(yùn)算放大器的極低功耗特性。為了測(cè)試提出的電路，已經(jīng)在LTspice中進(jìn)行了仿真。圖3中顯示了僅用于單個(gè)軸的模擬電路。系統(tǒng)電路由兩個(gè)此類子電路組成，每個(gè)子電路旨在感測(cè)太陽(yáng)的單個(gè)軸位置。作為光電檢測(cè)器，由于歐司朗光電半導(dǎo)體公司的四個(gè)BPW34光電二極管的感測(cè)面積相對(duì)較大，為7.45 mm2，因此已用于仿真中（2.73毫米×2.73毫米）。光電二極管的香料模型也由Opto Semiconductors提供[具有增強(qiáng)的藍(lán)光靈敏度的BPW 34 B硅PIN光電二極管；在SMT版本1.6，數(shù)據(jù)表，歐司朗光電半導(dǎo)體中]。

圖3：仿真電路原理圖

太陽(yáng)輻照度已通過兩個(gè)電壓源VPD1和VPD2建模，其中以毫伏（mV）為單位的電壓對(duì)應(yīng)于以mW / cm2為單位的太陽(yáng)輻照度。在1 mW / cm2（1 mV）到100 mW / cm2（100 mV）的范圍內(nèi)掃描太陽(yáng)輻照度，其中100 mW / cm2也代表太陽(yáng)輻照度的最大可能值。如上所述，如果傳感器表面和太陽(yáng)之間的角度不垂直，即俯仰角和滾動(dòng)角不等于零，由于光電二極管的故意局部陰影，在光電二極管表面。已經(jīng)使用不同的太陽(yáng)輻照度值，即使用不同的電壓源VPD1和VPD2值對(duì)光電二極管表面上太陽(yáng)輻射的不均勻分布進(jìn)行了建模。相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖4所示。

可以從仿真結(jié)果得出的結(jié)論是，該電路對(duì)太陽(yáng)能照射方向的變化高度敏感，該變化與電壓源VPD1和VPD2的相應(yīng)電壓的變化相關(guān)。所提出設(shè)計(jì)的重要特征是，只要運(yùn)算放大器的軌到軌電壓大于1.71 V，傳感器的靈敏度就不會(huì)取決于太陽(yáng)的整體照度。傳感器響應(yīng)的斜率以對(duì)數(shù)標(biāo)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(gè)非常重要的特征，特別是如果已將其用于控制??回路中，其中整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖4：擬議電路的仿真結(jié)果

光電二極管分流電阻RSH給出為：

其中，在BPW34光電二極管的情況下，與?= 0.5 A / W，A =7.45毫米2和E的最小太陽(yáng)輻照= 1毫瓦/厘米2，給出了R的光電二極管分流電阻的最大值SH≈ 670Ω。在光伏模式下操作光電二極管的分流電阻必須大于光電二極管的負(fù)載電阻，即，必須滿足- [R小得多SH??大號(hào)。通過選擇RL= 1MΩ，此條件肯定可以滿足。反饋電阻RF的值可以任意選擇以獲得期望的靈敏度。在此應(yīng)用中，選擇了RF= 30MΩ的值。

根據(jù)圖4中的模擬結(jié)果，最大輸出電壓在VX，YMAX≈1V范圍內(nèi)。因此，流經(jīng)反饋電阻器并因此流經(jīng)負(fù)載電阻器的電流小于IFMAX= VX，YMAX/ R?F≈33 nA的，這比I的運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流小得多Q= 375 nA的。運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流必須滿足條件IQ??AE以使光電二極管的在光伏模式和偏置運(yùn)算放大器同時(shí)工作正確。由于對(duì)于最小太陽(yáng)輻照度E = 1 mW / cm2，?AE≈37μA這個(gè)條件也得到滿足。

示例實(shí)施

使用評(píng)估板用于測(cè)試電路的創(chuàng)建SLG88103運(yùn)算放大器和光電二極管。原型板實(shí)現(xiàn)的電路的照片以及基于光電二極管的傳感器一起顯示在圖5中。圓柱體（即陰影器）固定在傳感器板上，以便在被太陽(yáng)照射時(shí)形成陰影?？梢愿鶕?jù)傳感器的靈敏度和所需的測(cè)量范圍來選擇氣缸尺寸。在該項(xiàng)目中使用的傳感器具有圓柱狀陰影器，圓柱體的內(nèi)徑為38毫米，圓柱體的高度為35毫米。

圖5：測(cè)試板和傳感器的照片

為了確定整個(gè)傳感器電路的傳遞函數(shù)，將傳感器安裝在一個(gè)平臺(tái)上，該平臺(tái)的傾斜角度可以改變。傳感器對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，并通過控制傾斜角（即平臺(tái)的俯仰角和側(cè)傾角），將電壓VX和VY都調(diào)整為盡可能接近零。然后，通過改變平臺(tái)的相應(yīng)傾斜角，傳感器的俯仰角和橫滾角相對(duì)于太陽(yáng)的變化范圍為– 5°至+ 5°，同時(shí)測(cè)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(cè)得的數(shù)據(jù)集，估計(jì)傳感器的靈敏度約為S≈56 mV /°。

圖6：傳感器電路的傳遞函數(shù)

總而言之，太陽(yáng)能跟蹤傳感器在許多太陽(yáng)能系統(tǒng)（光伏系統(tǒng)）中具有非常重要的作用，以提高整體系統(tǒng)效率。為了將太陽(yáng)能電池板引向太陽(yáng)，控制環(huán)使用從太陽(yáng)能跟蹤傳感器獲得的信號(hào)使電池板向太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。因此，如本申請(qǐng)所述，一種簡(jiǎn)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的特性。

可以使用光電檢測(cè)器和陰影幾何形狀的不同組合來測(cè)試提出的自供電太陽(yáng)能跟蹤傳感器電路，以實(shí)現(xiàn)可以更好地適合最終用戶需求的特性。
編輯：hfy