本文介紹了設(shè)計一個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源。無需額外的外部電源。光電探測器的布置使其能夠感應(yīng)太陽輻照度的方向?；谳敵龆说?a target="_blank">信號處理電路，生成兩個高度敏感的電壓信號。這些信號對應(yīng)于太陽相對于光電二極管的俯仰角和滾轉(zhuǎn)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，與太陽輻射水平無關(guān)。

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原理圖如圖 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，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，在光電二極管上獲得的相應(yīng)電壓由下式給出：

其中，V i 是對應(yīng)的第 i 個（i = YU1、YU2、YD1、YD2、XR1、XR2、XL1 和 XL2）光電二極管電壓，V T 是由 V T = K b T/q給出的熱電壓，其中 K b = 1.38×10-23 J/K 是玻爾茲曼常數(shù)，T 是絕對溫度， q = 1.602×10-19 C 是基本電荷，? 是光電二極管響應(yīng)率，P i 是第 i 個光電二極管捕獲的光學(xué)功率，I s 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，因此需要高阻值 R L。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，即它取決于有源光電二極管表面上的陰影分布。這如圖 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。這自然只對光電二極管有效被外殼遮蔽。例如，如果太陽從第一象限照射傳感器，如圖 2 所示，只有光電二極管 PD YU2和 PD XR2 將在陰影中，它們對應(yīng)的照明區(qū)域?qū)⑹?/p>

其中假設(shè)小俯仰 ξ 和滾動 ψ 角 （ξ， ψ ? 1） 因此，在第一個近似值中，照明光電二極管面積相對于相應(yīng)角度的線性相關(guān)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)，在 A ? Kξ 的情況下，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

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 是太陽輻照度。輸出電壓 V X和 V Y由下式給出：

其中 R F是反饋電阻電阻。等式 （2）、（3） 和 （4） 給出：

在第一個近似值中，輸出電壓信號 V X和 V Y與傳感器靈敏度 S 的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角成正比。由于輸出信號與太陽輻照度無關(guān)，因此電路具有固有的自動增益控制。

圖 2：測量太陽相對于傳感器的位置

使用 SLG88103 運算放大器實現(xiàn)

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。為了測試建議的電路，在 LTspice 中進(jìn)行了模擬。圖 3 顯示了僅用于單軸的模擬電路。系統(tǒng)電路由兩個這樣的子電路組成，每個子電路都旨在檢測太陽的單軸位置。作為光電探測器，模擬中使用了來自歐司朗光電半導(dǎo)體的四個 BPW34 光電二極管，因為它們的感應(yīng)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(dǎo)體］。

圖 3：模擬電路原理圖

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(yīng)于以 mW/cm 2為單位的太陽輻照度。太陽輻照度在1 mW/cm 2 （1 mV）和100 mW/cm 2 （100 mV）范圍內(nèi)掃描，其中100 mW/cm 2也代表太陽輻照度的最大可能值。如上所述，如果傳感器表面和太陽之間的角度不垂直，即俯仰角和滾轉(zhuǎn)角不等于零，由于光電二極管的有意部分遮蔽，在光電二極管表面。太陽輻射在光電二極管表面的不均等分布已用不同的太陽輻照度值建模，即電壓源 VPD1 和 VPD2 的不同值。相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖 4 所示。

從仿真結(jié)果可以得出的結(jié)論是，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 的相應(yīng)電壓的變化有關(guān)。所提議設(shè)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。這可以從相同的對數(shù)刻度中傳感器響應(yīng)的斜率。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控制回路，其中整體系統(tǒng)穩(wěn)定性至關(guān)重要。

圖 4：建議電路的仿真結(jié)果

光電二極管分流電阻 R SH由下式給出：

對于 BPW34 光電二極管，在 ? = 0.5 A/W、A = 7.45 mm 2和最小太陽輻照度 E = 1 mW/cm 2 的情況下，給出了光電二極管分流電阻的最大值 R SH ≈ 670 Ω。為了在光伏模式下工作，光電二極管的分流電阻必須遠(yuǎn)小于光電二極管的負(fù)載電阻，即必須滿足 R SH ? R L。通過選擇 R L = 1 MΩ，這個條件肯定會得到滿足?？梢匀我膺x擇反饋電阻 R F的值以獲得所需的靈敏度。在本應(yīng)用中， 選擇了 R F = 30 MΩ的值。

根據(jù)圖 4 中的仿真結(jié)果，最大輸出電壓在 V X ，Y MAX ≈ 1 V范圍內(nèi)。因此，流經(jīng)反饋電阻并流經(jīng)負(fù)載電阻的電流小于 IF MAX = V X ，Y MAX /R F ≈ 33 nA，遠(yuǎn)小于運算放大器靜態(tài)電流 I Q = 375 nA。運算放大器的靜態(tài)電流必須滿足條件 I Q ? ?AE 才能使光電二極管同時工作在光伏模式下并適當(dāng)?shù)仄眠\算放大器。由于 ?AE ≈ 37 μA 對于 E = 1 mW/cm 2的最小太陽輻照度 這個條件也滿足。

示例實現(xiàn)

使用評估板用于測試電路的創(chuàng)建SLG88103運算放大器和光電二極管。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。可以根據(jù)傳感器靈敏度和所需的測量范圍選擇氣缸尺寸。該項目中使用的傳感器具有圓柱體形狀的陰影器，圓柱體的內(nèi)徑為 38 毫米，圓柱體的高度為 35 毫米。

圖 5：測試板與傳感器的照片

為了確定整個傳感器電路傳遞函數(shù)，傳感器安裝在一個平臺上，其傾斜角度可以改變。傳感器指向太陽并通過控制傾斜角，即平臺的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角，將電壓 VX 和 VY 調(diào)整為盡可能接近于零。然后，通過改變平臺的相應(yīng)傾斜角，傳感器的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角相對于太陽在 – 5° 到 + 5° 的范圍內(nèi)發(fā)生變化，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發(fā)電系統(tǒng)（光伏系統(tǒng)）中具有非常重要的作用，可以提高整體系統(tǒng)效率。為了將太陽能電池板朝向太陽，一個控制回路使用從太陽能跟蹤傳感器獲得的信號，將太陽能電池板朝向太陽旋轉(zhuǎn)。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發(fā)電系統(tǒng)的特性。

所提出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的不同組合進(jìn)行測試，以實現(xiàn)能夠更好地滿足最終用戶要求的特性。

審核編輯：郭婷