光电式太阳光跟踪传感器的应用.docx

《光电式太阳光跟踪传感器的应用.docx》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、光电式太阳光跟踪传感器的应用摘要提出了一种应用于光纤太阳光照明系统的光电式太阳光跟踪传感器。详细叙述了光电传感器的结构、光电器件板的结构、光电探测与信号转换处理电路。通过验证表明，传感器有效地提高了系统的跟踪精度，且结构简单，易加工，具有较高的应用价值和使用前景目前大多数太阳能接收器被安装在聚焦器上，并且是将太阳能转换为热能、化学能或电能之后进行间接利用，由于聚焦器通常是安装在屋顶等室外的地方，造成设备复杂昂贵，维护困难等问题。如果将太阳能聚焦后由光纤将收集到的太阳能传输到远处，既可以直接利用太阳光进行照明，也可以在远程工作地点(如在室内

2、、地而上或在受控制的条件下)将太阳能转化为热能、电能或化学能，而且由于光纤柔韧、径细、质轻，能自由弯曲，具有良好的可埋入性，并且光纤损耗低，传输距离长，因此可以在建筑施工或房屋装修过程中将光纤像电线一样埋入，这样可大大增加自然光传光系统的灵活性，使人们很容易将自然光引入到所需的任意位置，且具有结构简单经济、灵活方便等优点。由于地球自转同时围绕太阳公转，而太阳光采集跟踪装置聚光器的汇聚光束与传输光纤端而只有在垂直的条件下，太阳光才能高效的藕合进入光纤，因此太阳光的跟踪精度便成为了光纤太阳光照明技术中的一项关键技术。笔者提出了一种应用于光纤太

3、阳光照明系统的光电式太阳光跟踪传感器。1光纤太阳光跟踪技术太阳光采集跟踪装置机械结构如图1所示，其为双轴跟踪装置，底部为支撑基座，用于固定在水平平而上，基座中心是竖轴轴套，它与基座固连在一起，而竖轴YY’与支架固定在一起，马达1可以驱动支架沿水平方向旋转。在XX’处有一个横轴;马达2可以驱动聚光器板沿垂直方向旋转。为了精确地跟踪太阳光，让聚光器板跟踪太阳光线，在聚光器板中间设置了一个光电跟踪传感器。经过聚光器汇聚后太阳光束将藕合进入光纤，但是当太阳光线与聚光器板的法线成θ角时(如图2所示)，一部分太阳光线在光纤入射端而附近泄漏掉，当入射角

4、θ满足条件θ<2arcsin(NA)时，对于阶跃型光纤，太阳光藕合进入光纤的效率为:式中:n2为光纤包层的折射率，w为汇聚光束的束腰半径从为光束波长。由式(1)可以计算出太阳光藕合进入光纤的藕合效率与角度θ误差的变化曲线，如图3所示。从图3可以看出，光束藕合效率，随着角度θ误差的增大而减小，当入射角度误差θ取值在2°范围内时，藕合效率基本保持在90%以上。当误差角度达到10°时，藕合效率将会下降到50%以下。考虑到机械装置的加工精度和安装误差，以及现场使用环境的限制，通常情况下将入射角度误差θ限制在1°以内。因此太阳光跟踪系统需要相应的传

5、感装置对其进行闭环反馈控制，以提高系统的跟踪精度。2光电式太阳光跟踪传感器2.1结构组成光电式太阳光跟踪传感器由光电器件板、光栏板、暗筒和聚光透镜等部分组成，如图4所示。太阳光跟踪装置由于受到地区纬度和季节的影响，仅采用视日跟踪误差通常较大，因此本系统中采用视日跟踪和光电跟踪相结合的跟踪方式。现有文献中报道的光电式太阳光跟踪传感器大多采用一片4象限硅光电池来实现，但对于太阳光光纤藕合系统其精度不能满足要求。为了进一步提高传感跟踪精度，笔者提出了一种新颖的光电式太阳光跟踪传感器。该传感器外围是一个遮光暗筒，暗筒顶部是一片聚光透镜，暗筒底部为

6、专门设计的光电器件板，在其上放置一块由大小不同的小孔构成的光栏板，该光栏板有2个作用:一是合理设计光栏板的厚度，他可以起到提高传感跟踪精度的作用;二是起到滤除杂散光的作用。2.2光电探测光电器件板的结构如图5所示，共由8个光电器件组成，其中外围的4块N1、N2、N3、N4;用于对太阳光跟踪机械装置进行大偏差检测。而内侧的4块A,B,C,D用于对装置进行小偏差检测，从而形成外围粗定位，内测精定位的模式。从图5中可以看到，由于太阳光束的入射中心偏移到O，造成太阳光束与暗筒X,Y轴均存在夹角，使得经过透镜汇聚的高密度太阳光束通过光栏板照射在光电

7、器件上的光斑数量不同。由于光斑能量大，则不同光电器件间产生的光电流存在明显差异。显然通过光电器件板反馈信号差的调整，可以提高跟踪装置的精度。以内侧光电器件为例，太阳光照产生的光电流:IA,IB,IC,ID通常需要运算放大器转换放大为uA,uB,uC,uD,使用，现用Ux,UY分别表示太阳光束在横轴X与竖轴Y上产生的电压幅值差，可得由于光电传感器的复杂性和结构特点，将光电池选为光电检测器件是非常合适的。普通光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的器件，他的用途可以分为两类:一类用作电源;另一类作为光电传感器用于光电测量。利用他作为光电

8、传感器这一用途来测量太阳光束与暗筒的角度。硅光电池的基本结构就是一个PN结。当光照PN结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，并且光照不停比，光生电压就将一直存在。光生电压的大小与PN结的性质