带自供电系统的太阳能跟踪传感器

本文介绍了设计一种简单的自供电太阳能跟踪传感器电路的可能性。整个电路是自供电的，因为它只使用从光电探测器获得的电力。无需额外的外部电源。光电探测器的布置使得它们可以感知太阳辐照度的方向。基于输出端的信号处理电路，产生两个高度敏感的电压信号。这些信号对应于太阳相对于光电二极管的俯仰角和滚动角。该电路具有固有的自动增益控制。因此，输出信号仅与这些角度成正比，而不与太阳辐照水平成正比。

所提出的简单自供电太阳能跟踪传感器电路的示意图如图 1 所示。处理来自光电探测器的信号只需要两个运算放大器和几个电阻器。此外，由于光电探测器（光电二极管 PDYU1、PDYU2、PDYD1、PDYD2、PDXR1、PDXR2、PDXL1 和 PDXL2）在光伏模式下工作，因此产生的功率足以为运算放大器供电。X 和 Y 方向均使用四个串联的光电二极管（PDYU1、PDYU2、PDYD1 和 PDYD2）为运算放大器 OP1 和 OP2 供电。在光伏模式下在光电二极管处获得的相应电压由下式给出：

其中 V1 是对应的第 i 个（i = YU1、YU2、YD1、YD2、XR1、XR2、XL1 和 XL2）光电二极管电压，是由下式给出的热电压 其中 = 1.38×10-23 J/K 是玻尔兹曼常数，是绝对温度，= 1.602×10-19 C 是基本电荷，ℜ 是光电二极管响应度，是第 i 个光电二极管捕获的光功率，并且是光电二极管饱和电流。

为了将光电二极管保持在光伏模式，它们必须连接到高阻抗节点，因此需要高电阻值 RL。相应的光电二极管捕获的光功率取决于外壳内的阴影位置，即它取决于有源光电二极管表面上的阴影分布。如图 1 所示。光电二极管表面上的主动照明区域取决于太阳相对于光电二极管的俯仰角和滚动角，如图 2 所示。这自然只对满足以下条件的光电二极管有效。被外壳遮住了。例如，如果太阳从第一象限照射传感器，如图 2 所示，则只有光电二极管 PDYU2 和 PDXR2 处于阴影中，它们对应的照射区域将是：

其中假设小间距 ξ 和滚动 ψ 角 (ξ, ψ ≪ 1) 因此在第一近似中给出了被照射光电二极管区域相对于相应角度的线性相关性，其中 A 是光电二极管有源表面的面积, K 是取决于传感器几何形状的正比例常数，其中 A ≫ Kξ, Kψ 也是有效的。

图 1：简单的自供电太阳能跟踪传感器电路原理图