基于温度补偿的太阳轨迹跟踪传感器设计

摘要：在提高太阳能利用效率方面，采用太阳轨迹跟踪是很常见的方法，本文提出了一种新型高精度太阳轨迹跟踪传感器的设计思想，给出了其外形参数及硬件电路。该传感器利用暗筒阴影实现太阳轨迹由粗到精的跟踪，有效过滤了大部分的环境干扰，并采用温度传感器对传感器信号进行温度特性校正，在数字滤波电路的配合下，实现太阳照射角的高精度测量。实测结果显示，本文设计的传感器可有效提高太阳能电池板的效率。

关键词：太阳轨迹跟踪；温度校正；光电传感器

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1引言

随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本逐渐攀高，各种安全和污染隐患无处不在。太阳能[1]作为一种无污染取用不竭的安全、环保新能源越来越被重视。在西部地区，利用太阳能光伏发电在解决通信、广播、电视电源等方面已经开始取得显著成效。例如通过GPRS通信和太阳能供电技术结合，可实现交通路况信息传递，与传统传输和供电模式相比真正实现了“应需”数据采集。

作为光伏发电的集能装置（电池帆板）与太阳的位置密切相关，要在有限的使用面积内利用更多的太阳能，首选方案之一就是始终保持电池帆板集能面与阳光垂直照射，同时采用装置自动跟踪太阳光线。研究表明，太阳能设备对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，其能量的利用率相差30%以上。近年来为降低光伏发电成本，聚光发电也更加受到人们的关注，尤其是高倍聚光电池（砷化电池）的量产，使高倍聚光应用更加广泛。而高倍聚光对太阳位置的精度要求极高，而传感器则像高精度跟踪设备的“眼睛”尤为重要。

本文设计了一种新型太阳能跟踪传感器，利用暗筒的阴影实现太阳位置由粗到精的跟踪[1]，并通过温度传感器采集传感器附近的温度值，运用敏感元件的温度特性对传感器采集到的信号进行温度补偿[2]，实现高精度的全自动太阳跟踪[3]，价格便宜，功能强大。

2传感器的工作原理

（a）侧视图 （b）俯视图

（a）side elevation(b)top view

图1 传感器结构示意图

2.1传感器的结构

传感器主要由8个参数一致的小型硅光电池组成，其结构见图1。设置一个圆柱形暗筒，屏蔽外界环境的散射光线及其它干扰光线，使得外界干扰光线对跟踪效果的影响降到最低。在暗筒外部东、南、西、北4个方向上分别布置4个小型硅光电池。其中，一对小型硅光电池(E，G)东西对称安装在暗筒外侧，用来粗略地检测太阳由东往西运动的方位角；另一对小型硅光电池(H, F)南北对称安装在暗筒外侧，用来粗略检测太阳的高度角。在暗筒内部，东、南、西、北4个方向上也分别布置4个小型硅光电池，其中，一对小型硅光电池(A，C)东西对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度；另一对小型硅光电池(B，D)南北对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳的高度角。中心o布置一个温度传感器DS18B20，用于测量硅光电池附近的温度，便于温度补偿。传感器的主要参数定义列在表1中。

表1 传感器主要参数定义

Table1 Main defined parameters of sensor

2.2传感器的工作原理

以东西方向(方位角)为例，假设太阳的高度角是不变的，即假设暗筒在高度方向始终正对太阳。当早上太阳从东方升起的时候，光电池G接收到的光强(阳面)大于E接收到的光强(阴面) ，因此，输出一个差分信号，经过处理后传送到控制器中，继而驱动电机使跟踪平台转动。当转动到一定的精度范围内，方位角偏差不太大时，与G串联的C开始起主导作用，使暗筒精确对准太阳。当太阳向西偏移时， E和A分别起作用使平台向西跟踪太阳，当遇到云层遮住太阳等其他原因导致太阳偏离较远时，E起主导作用进行较大范围的搜索跟踪，到一定精度后A慢慢起主导作用进行精确跟踪。高度角的跟踪基本原理和工作方式与方位角类似。中心处0点的温度传感器DS18B20，用于检测传感器附近的空气温度，可直接得到8-10位精度的数字温度值。

光电池C，G串联， 输出电压记为；光电池E, A串联，输出电压记为 ；光电池F,B串联，输出电压记为；光电池H,D串联，输出电压为。输出电压经放大，滤波后进行AD转换。

，分别表示太阳光线在东西方向，南北方向偏离传感器中心的情况，偏差信号控制方位角电机，偏差信号控制俯仰角电机，使整个装置实现完全跟踪，直到，，此时跟踪平台正对太阳。，的关系式定义为：

（1）

（2）

其中为增益系数。

2.3传感器的温度校正

硅光电池的开路电压、短路电流随温度变化的曲线表征了它的温度特性[5]。由于它关系到应用硅光电池的仪器设备的温度漂移，影响测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是硅光电池的重要特性之一。图2为硅光电池的温度特性曲线，图中可以看出硅光电池的开路电压随温度上升而明显下降，短路电流随温度上升却是缓慢下降的，它们与温度成线性关系。硅光电池作为检测元件时，应考虑温度漂移的影响，并采用相应的措施进行补偿。实际应用中利用实测数据，拟合硅光电池输出——温度特性函数[2]，其表达式如下，以此来实时校正传感器的输出值。

（3）

其中为硅光电池开路电压；为常数；为开路电压温度系数；为硅光电池温度值。

由于在本系统中无无法直接测量硅光电池的实际温度，只能通过温度传感器测量硅光电池附近的温度值，所以拟合关系式并不是理论意义上的硅光电池开路电压温度特性方程。

3传感器的结构

3.1传感器的外形参数

最优设计目标[6]是保证太阳相对于传感器的任何位置产生的信号差最大。为此，硅光电池E、C、A、G需满足表2所示三种情况, 图3所示为太阳光角度示意图。

表2 太阳光线角度与硅光电池被照射关系

Table 2 Relationship of the sun's rays angle with the irradiated silicon photocell

注：:太阳光线与传感器平面夹角在东西方向的分量； :筒外硅光电池被光线照射的临界角； :筒内硅光电池被光线照射的临界角。

图3 太阳光角度示意图

Fig.3 Schematic sunlight angle

经计算[7]，每半小时太阳方位角变化最大17°，高度角变化7.5°。假定当前传感器精确对准太阳，此时传感器所在平面与太阳光线垂直，也即与该时刻太阳直射点处切平面平行；半小时后传感器平面应与此时太阳直射点处切平面相平行，才能与太阳光线垂直，所以传感器的输出信号应调整方位角和高度角方向并转动相应角度[8]。

为保证太阳方位角变动较大时传感器能灵敏的感应温度变化，要求传感器每半小时动作一次（变动小时可以忽略不计）。圆筒内部至少要安置两个硅光电池（且两个硅光电池之间需安置一个温度传感器），硅光电池之间应有一定的间距以减小相互干扰的影响，选取，。另外，结合图3需要满足，，的关系，即，由此得出。

3.2传感器的电路

传感器的电路主要包括传感器信号调理部分[9]和单片机最小系统部分[10]。如图4所示为该两部分电路的原理图。硅光电池的电压信号、和、从接线端子引入后，分别送入由LM741组成的可实现减法运算的差分放大电路，得到东西向和南北向的偏差信号、。两个偏差信号分别经过由LM358组成的一阶有源滤波电路后直接送入单片机进行A/D转换。

图4 传感器信号调理电路

Fig.4 Sensor signal conditioning circuit

4实测结果与结论

将传感器安装在太阳能跟踪平台上后，实测上午10:30至下午17：30时段太阳能的输出功率，得到功率曲线图5。横坐标为半小时时段，纵坐标为平台输出功率（单位：KW）。对比传感器跟踪与非跟踪功率曲线可知，在正午12:30时段，传感器跟踪与非跟踪差别不大。但在其它时段，特别是下午16:30时段，二者差值达16%。可见，采用该传感器可以有效提高太阳能的转换效率。

本文设计的传感器结构简单，经过实验验证了传感器运行的可靠性。由于敏感元件尺寸较大使得传感器体积较大，但是利用暗筒屏蔽环境干扰以及传感器的温度校正取得了较理想的效果，因此跟踪器的精度大大提高。

图5 传感器跟踪平台与非跟踪平台输出功率曲线

Fig.5 Output power curve of sensor tracking platform with non- tracking platform

参考文献

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作者简介：

吕祎（1976），硕士，工程师，主要从事新能源开发及利用等方面的工作，