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1、精选优质文档-倾情为你奉上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、地而上或在受控制的条
2、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
3、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，当入射角满足条件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
4、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，随着角度误差的增大而减小，当入射角度误差取值在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限制在1以内。因此太阳光跟踪系统需要相应的传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
5、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
6、、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
7、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结的性质及光照度有关。理想状态下，当光电池光敏而材料一致时，产生的光电流的大小与光照而积成正比。利用普通硅光电池的原理并结合光电式太阳光跟踪传感器设计的特殊需要，如图5所示，
8、电器板件上外围平铺安装了一片具有“线性”特点的四象限硅光电池和内侧平铺安装了4块普通硅光电池。 如此选用光电池具有以下优点: (1)光电式太阳光跟踪传感器的外壳是由电路板、光电池的形状决定的，圆形的光电池使传感器外形的加工制造更为简单。 (2)由于四象限光电池的特殊结构，他的光响应度、感光而积、暗电流和结电容等参数都有很高的一致性。而这些参数都将影响测量与定位精度。 (3)因为只关心X轴与Y轴方向上的位置改变，而这种具有“线性”特点的光电池使入射光束在光敏材料以外的照射而积的改变对测量结果没有影响，从而对暗筒和光栏板材料降低要求。2. 3电路设计 根据本设计中光电池的工作原理，对4组8对方向电
9、信号进行差分运算I/U转换放大，即可得到表征X轴和Y轴位置改变的模拟电压量，如图6所示。 信号提取电路为八路相同的转换放大电路，其中八,B端口为一组光电池模拟信号输入端口。为实现较高的增益，同时获得最大的信噪比，本设计中采用一级放大电路。一般来说iSC的取值范围在零点几至数十毫安，为精确测量:户运算放大器的偏执电流应该不大于数毫安。本系统中选用LM324，其内部包括4个独立的运算放大器，由于其具有短路保护输出、真差动输入级、偏置电流高等优点，且价格低廉，使用方便，因此在信号放大处理中得到了广泛的应用。 由于光电池置于暗筒底部，为获取高灵敏度，反馈电阻R1的取值应相对较大，输出电压U、，应符合控制器件转换电压的要求。3结论 设计的光电传感器通过调试己经应用于太阳光自动跟踪系统中，满足了光纤太阳光藕合提出的精度要求。天气条件频繁变化或是设备安装纬度等问题都得以很好的解决。与传统的光电传感器相比，其跟踪精度和适应性均有较大提高，且更容易制造，成本低，装卸方便，因此具有较高的应用价值和使用前景。专心-专注-专业