徐 劍

（1.中能華辰集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 250011；2.山東輕工業(yè)學(xué)院 山東 濟(jì)南 250353）

0 引言

在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的燃料能源正日益減少，全世界仍然還有超過(guò)20億的人口缺乏正常的能源供應(yīng)，這一點(diǎn)對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出。如何開(kāi)發(fā)新能源就是全世界人們主要的研究對(duì)象，在不久的未來(lái)新能源將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，成為世界能源的主角，成為人類(lèi)能源的來(lái)源。太陽(yáng)光就是用很好的能量來(lái)源，而太陽(yáng)能更是一種無(wú)污染、取之不盡用之不完的能源。每一天，太陽(yáng)光都會(huì)能量送到你的身邊，但是，利用好這種能源，卻是現(xiàn)在人們所欠缺的。普通的太陽(yáng)能光伏電站，不能跟隨著太陽(yáng)一起運(yùn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，只有在中午的時(shí)刻才能獲取最大能量。只有讓太陽(yáng)能光伏組件發(fā)揮最大的能量，人們才能獲得最多的能量，而太陽(yáng)能電站跟蹤器就是實(shí)現(xiàn)這種功效的設(shè)備。通過(guò)太陽(yáng)能電站跟蹤器控制的太陽(yáng)能光伏組件在理論上可以比普通的光伏組件發(fā)電量提高60%，甚至100%，所以太陽(yáng)能跟蹤電站將會(huì)是人們提高利用太陽(yáng)能效率的重要途徑之一。

太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤電站的控制可分為主動(dòng)式與被動(dòng)式，被動(dòng)式就是使用有效的光傳感器。在眾多光傳感器中，大多是使用對(duì)比的方式進(jìn)行比較，輸出相關(guān)指令調(diào)整跟蹤方向，本文分析討論三種光傳感器的使用情況。

1 輸出電壓比較

在我們常用的光傳感器中，大部分是使用兩個(gè)光敏器件的輸出電壓作為采集的信號(hào)。這種光傳感器在一段時(shí)間并且強(qiáng)光下是很有效的，但是由于兩個(gè)光敏器件的的變化曲線(xiàn)不能做到嚴(yán)格的一致，所以在溫度變化及光照強(qiáng)度的變化下輸出的電壓信號(hào)是有誤差的。隨著誤差的累計(jì)，其運(yùn)行結(jié)果就是跟蹤精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

在實(shí)驗(yàn)中，使用這種方式的跟蹤電站在調(diào)整一次后，2個(gè)月后還要調(diào)整一次，并且在中午光照強(qiáng)度很強(qiáng)的條件下調(diào)整后，下午光照強(qiáng)度較弱的條件下又會(huì)出現(xiàn)偏差，所以這種利用輸出電壓比較的光傳感器，不適宜大規(guī)模的使用。

2 輸出電流比較

在使用的光傳感器中，有一種使用光電池的輸出電流作為采集的信號(hào)。通常認(rèn)為，光電池是一種十分特殊的半導(dǎo)體二極管，可以將可見(jiàn)光的能量直接轉(zhuǎn)化為電能，而有的光電池還可以直接將太陽(yáng)光中的紅外射線(xiàn)和紫外射線(xiàn)的能量轉(zhuǎn)化為電能。早期的光電池制作中里含有氧化硅，而氧化硅的作用是影響空穴和電子的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于其它材料，例如GaAs，現(xiàn)在也是開(kāi)發(fā)聚光型光電池的重要材料。半導(dǎo)體材料有二種基本類(lèi)型，分別叫做正電型（或P型態(tài)）和負(fù)電型（或N型態(tài)），這些材料的薄片被一起放置在一個(gè)PV電池中，而且他們之間的實(shí)際交界就做稱(chēng)為P-N節(jié)。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)方式，當(dāng)P-N節(jié)在紅外光或紫外線(xiàn)下，暴露于可見(jiàn)光，射線(xiàn)照射到P-N節(jié)的時(shí)候，在P-N節(jié)的兩側(cè)就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，如果連接P型材料和N型材料上，兩個(gè)電極之間就會(huì)有電流通過(guò)。光電池稱(chēng)作太陽(yáng)能電池，可以直接把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)變成電能，因此光電池的特點(diǎn)就是能夠直接把地球從太陽(yáng)輻射中吸收的大量光能轉(zhuǎn)化換成可應(yīng)用的電能。在同一批次的光電池中，其電流隨溫度的變化率為每度0.05%，而電壓隨溫度的變化率為每度0.35%，這樣就利用光電池輸出的電流作為采集的信號(hào)，從而提高穩(wěn)定度，減少溫度變化及光照強(qiáng)度變化而帶來(lái)的誤差，因?yàn)槭褂猛慌蔚墓怆姵兀潆娏鞯淖兓什淮蟆?/p>

實(shí)驗(yàn)中，將在三周時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光強(qiáng)值越高時(shí)，太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤支架跟蹤精度越高，說(shuō)明這種輸出電流的光傳感器，依然存在漂移的現(xiàn)象。而對(duì)于造成這種現(xiàn)象的原因可能以一下兩點(diǎn)：第一，兩個(gè)光電池器件存在難以克服的物理性能的差異，而導(dǎo)致的增益不一致；第二，人工對(duì)傳感器調(diào)整操作時(shí)，而導(dǎo)致的傳感器受光面不均勻的現(xiàn)象。

3 四象限探測(cè)器

還有一種使用的光傳感器是有四象限探測(cè)器組成的，四象限探測(cè)器是把一塊硅光電池劃分成四個(gè)相同區(qū)域按照直角坐標(biāo)要求排列而成的，常用于激光制導(dǎo)或激光準(zhǔn)直中。

采用四象限探測(cè)器設(shè)計(jì)的光傳感器，當(dāng)探測(cè)器光軸中心對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，四個(gè)象限接收到相同的光功率,輸出相同的信號(hào)。光軸未對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)即太陽(yáng)光與光軸成一角度時(shí),光線(xiàn)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)照射到四象限光電傳感器上形成的光斑必然發(fā)生偏移。由于各象限的光功率與各象限的光斑面積成正比,每個(gè)象限被光斑覆蓋的面積不同,因此各象限光電池產(chǎn)生的信號(hào)不相同。

使用這種光傳感器基本解決了兩個(gè)光敏器件存在物理性能的差異，而且穩(wěn)定度極高。在實(shí)驗(yàn)中，一次調(diào)整好后，今后幾乎不用調(diào)整，誤差極小，精度極高。

4 結(jié)論

通過(guò)分析比較及實(shí)驗(yàn)證明，以四象限探測(cè)器組成的光傳感器，具有高穩(wěn)定性、高精度，符合設(shè)計(jì)要求，非常適合用于太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤電站使用，必將成為今后光傳感器設(shè)計(jì)中的主流。

［1］付躍剛，劉智，張磊，等.四種用于跟蹤的探測(cè)器比較與分析[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2005，26(增刊)：136－138.

［2］匡萃方，馮其波，劉斌.背景光對(duì)四象限探測(cè)器干擾的研究[J].激光與紅外，2004，34(6)：493－495.

［3］張文濤，李賢，胡渝.空問(wèn)光通信探測(cè)技術(shù)中像限探測(cè)器(QD)的研究[J].量子電子學(xué)報(bào)，2003，20(1)：114－116.

［4］張志峰，匡萃方，陳世謙.像光斑和四象限探測(cè)器像限面積大小關(guān)系的理論研究[J].計(jì)量技術(shù)，測(cè)量與設(shè)備，2005，11：29－31.

［5］丁濤，許國(guó)良，張旭蘋(píng)，等.空間光通信中平臺(tái)振動(dòng)對(duì)誤碼率影響的抑制[J].中國(guó)激光，2007，34(4)：499－502.

［6］佟首峰，劉云清，姜會(huì)林.自由空間激光通信系統(tǒng)APT粗跟蹤鏈路功率分析[J].紅外與激光工程，2006，35(3)：322－350.