Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля

Реферат: Винахід належить до систем автоматичного спостереження за джерелом світла та призначений для автоматичної орієнтації площини батареї за джерелом світла по її максимальній освітленості. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів, активний елемент, який розміщений у фокусі параболічного дзеркала, містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), величина сигналу на виході підсилювача, який з'єднаний з активним елементом, аналогово-цифровим перетворювачем та мікропроцесором, залежить від положення світлового зонда між контактами активного елемента, мікропроцесор керує роботою підсилювача з різною періодичністю та тривалістю часу. Винахід має просту конструкцію, забезпечує збільшення його енергоефективності для різних типів поворотного модуля, достатню чутливість реагування на зміну положення джерела світла при малих освітленостях активного елемента або дифузної складової джерела випромінювання. UA 106142 C2 (12) UA 106142 C2 UA 106142 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до систем автоматичного спостереження за джерелом світла та призначений для автоматичної орієнтації площини батареї за джерелом світла по її максимальній освітленості і може бути використаний у приладо- та машинобудуванні, а також в авіаційній та космічній промисловості. Широке використання одержало перетворення енергії, засноване на фотовольтаїчному ефекті в неоднорідних напівпровідникових структурах при дії на них світлового випромінювання, наприклад в сонячних елементах. Однією з умов ефективного використання світлового випромінювання є необхідність постійної корекції положення поворотного модуля так, щоб вести спостереження за джерелом світла або протягом світлої пори доби сонячні елементи перебували під прямим сонячним промінням. Для таких цілей використовують різні датчики спостереження за джерелом світла, що містять фотоприймачі, датчики зміщення або обертання та інші. Відома сонячна фотоелектрична установка [1], що містить сонячну батарею із лінзами Френеля і приймаючими фотоелектричними перетворювачами, які розміщені на механічній системі та систему орієнтації сонячної батареї на Сонце. Система орієнтації батареї містить основний і додатковий датчики положення Сонця. Основний датчик містить затемнюючий екран із отворами та вісім фотоелементів каскадного типу, чотири з яких розміщені справа, зліва, зверху і знизу по зовнішньому контуру екрана та утворюють канали грубої орієнтації на Сонце, а інших чотири фотоелементи розміщені таким же чином, але з внутрішньої сторони екрану та утворюють канали точної орієнтації. Додатковий датчик містить три фотоелементи каскадного типу, два з яких направлені наліво і направо по відношенню до основного датчика, а третій - в протилежну сторону. Полярність третього датчика змінюється при проходження напрямку Південь-Північ. Технічним результатом даного винаходу є спрощення механічної системи, технологія її монтажу та спостереження за положенням Сонця тільки при наявності прямого сонячного випромінювання. Недоліком такої системи орієнтації сонячної батареї на Сонце є складність конструкції, яка містить одинадцять фотоелементів, що понижує надійність системи та недостатня чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих освітленостях фотоелементів і дифузної складової сонячного випромінювання. Відомий фотоелектричний модуль [2], що містить бокові і фронтальну панель, виконану з силікатного скла із лінзами Френеля на її тильній стороні, а також тильну панель з силікатного скла із сонячними фотоелементами на її фронтальній стороні на теплопровідній основі. Між цими панелями розміщена ще одна додаткова проміжна панель з силікатного скла на фронтальній стороні якої встановлені плоско-випуклі лінзи, співвісно з відповідними лінзами Френеля, а фотоприймачі знаходяться у фокусній плямі двох концентраторів - лінз Френеля і плоско-випуклих лінз. Технічним результатом даного винаходу є розробка такої оптичної системи, яка б забезпечувала збільшення енергоефективності фотоелектричного модуля. Недоліком такого фотоелектричного модуля є складність конструкції, яка містить велику кількість оптичних елементів (лінзи Френеля та плоско-випуклі лінзи), понижує надійність системи з часом, внаслідок впливу на оптичні елементи навколишнього середовища та недостатня чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих освітленостях фотоелементів, внаслідок сильної розмитості плями від концентраторів. Відомий поворотний пристрій для сонячного енергомодуля [3], датчик освітленості якого вибраний як прототип, який містить два фотодіоди, закріплені на несучій пластині, установленої на рухливій рамі паралельно площини сонячної батареї, і відбивач, що представляє собою пластину з білою матовою поверхнею, установлену паралельно осі обертання батареї й перпендикулярно її площині таким чином, щоб не попадати в тінь батареї при будь-якому положенні Сонця. При першому вимірі після включення живлення або у випадку, коли знак різниці цих значень змінився в порівнянні з минулим виміром, пристрій обробки сигналу підключає напругу з виходу сонячної батареї до електродвигуна з метою повороту сонячної батареї у бік більше освітленого фотодіода доти, поки не зміниться знак різниці значень освітленості фотодіодів. Технічним результатом даного винаходу є спрощення конструкції системи спостереження та зменшення витрат електроенергії, споживаної поворотним пристроєм. Недоліком такого датчика освітленості є недостатня чутливість реагування на зміну положення Сонця при малих освітленостях фотоелементів і наявності дифузної складової сонячного випромінювання. Відомо [4], що наявність неоднорідностей різних типів та пов'язаного з ними потенціального рельєфу суттєво впливає на властивості нерівноважних напівпровідників, створюючи значні флуктуації електростатичного потенціалу, що приводить до фотовольтаїчних ефектів. 1 UA 106142 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Задачею винаходу є розробка такого фотоелектричного датчика для поворотного модуля, який має просту конструкцію, забезпечує збільшення його енергоефективності для різних типів поворотних модулів, достатню чутливість реагування на зміну положення джерела світла при малих освітленостях активного елемента та наявності дифузної складової світлового випромінювання. Поставлена задача вирішується тим, що фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів, активний елемент, який розміщений у фокусі параболічного дзеркала, містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), величина сигналу на виході підсилювача, який з'єднаний з активним елементом, аналоговоцифровим перетворювачем та мікропроцесором, залежить від положення світлового зонда між контактами активного елемента, мікропроцесор керує роботою підсилювача з різною періодичністю та тривалістю часу. Активний елемент містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку з моносульфіду германію (GeS), легованого сурмою (Sb) в кількості 0,5-1,0 ат. %, з нанесеними компланарними омічними контактами, при освітленні якої світловим зондом виникає фотоерс. Фотоерс досягає максимального значення при розміщенні світлового зонду біля одного з контактів і зменшується по мірі переміщення світлового зонду в бік другого контакту, приймаючи нульове значення посередині між ними, після чого змінивши полярність на протилежну знову зростає і досягає максимального значення біля другого контакту. При цьому змінюється і полярність напруги на контактах активного елемента. Так як зміна положення джерела випромінювання приводить до одночасної зміни положення світлового зонду на поверхні монокристалічної пластинки по відношенню до контактів, то це приводить до зміни величини фотоерс на контактах активного елемента та сигналу на вході підсилювача. Випромінювання від джерела світла, за яким ведеться спостереження, падаючи на параболічне дзеркало, формує у фокусі світловий зонд. Зміна положення джерела світла приводить одночасно до зміни положення світлового зонда в тій же площині. Використання параболічного дзеркала дозволяє отримати необхідну інтенсивність світла у світловому зонді навіть при малих освітленостях джерела випромінювання або наявності його дифузної складової. Змінюючи розміри та форму параболічного дзеркала одержують різний діаметр світлового зонда, що дозволяє забезпечити необхідну чутливість фотоелектричного датчика в різних умовах навколишнього середовища. Робота мікропроцесора з різною періодичністю та тривалістю часу підвищує енергоефективність фотоелектричного датчика у випадку різної зміни положення джерела світла за однакові або різні проміжки часу, наприклад зміна положення Сонця протягом світлової доби та використання різних типів поворотних модулів і умов його використання. На фіг. 1 наведена залежність величини сигналу на вході підсилювача від положення світлового зонда між контактами активного елемента. На фіг. 2 наведена конструкція активного елемента. Активний 1 елемент складається з корпусу 2, на основі якого розміщена плоскопаралельна 3 пластинка, що виготовлена з монокристалічного моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb). Електричні 5 контакти нанесені на плоскопаралельну 3 пластинку в одній площині і з'єднані із струмовиводами 6. На верхній стороні корпусу 2 розміщене прозоре для світлового випромінювання вікно 4. На фіг. 3 наведена функціональна схема фотоелектричного датчика для поворотного модуля. Активний 1 елемент знаходиться у фокусі параболічного 7 дзеркала і підключений до блока 8 обробки електричних сигналів, у який входять з'єднані між собою підсилювач 9, аналоговоцифровий 10 перетворювач та мікропроцесор 11. Фотоелектричний датчик для поворотного модуля працює наступним чином. В положенні, коли світло від джерела випромінювання падає на параболічне 7 дзеркало таким чином, що світловий зонд, пройшовши крізь прозоре для світлового випромінювання вікно 4, попадає на середину активного 1 елемента, спад напруги на вході підсилювача 9 рівний нулю. При переміщенні джерела випромінювання одночасно з ним в тій же площині переміщується і світловий зонд, наближаючись до одного з контактів 5. Така зміна положення світлового зонда приводить до появи спаду напруг певної полярності на вході підсилювача 9. В результаті зміни напруги відповідної полярності на виході підсилювача 9, блок обробки 8 електричних сигналів формує відповідні сигнали керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідну сторону. 2 UA 106142 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При цьому світловий зонд переміщується в початкове положення, а спад напруги на вході підсилювача 9 стає рівний нулю. При переміщенні джерела випромінювання в протилежну сторону одночасно з ним в тій же площині переміщується і світловий зонд, наближаючись до другого контакту 5. Така зміна положення світлового зонда приводить до появи спаду напруг протилежної полярності на вході підсилювача 9. В результаті зміни напруги протилежної полярності на виході підсилювача 9, блок обробки 8 електричних сигналів формує відповідні сигнали керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідну сторону. При цьому світловий зонд переміщується в початкове положення, а спад напруги на вході підсилювача 9 стає рівний нулю. При першому включенні фотоелектричного датчика або у випадку коли виникла напруга на вході підсилювача 9 мікропроцесор 11 подає електричний сигнал для вимірювання величини та полярності напруги на вході підсилювача 9, який з'єднаний з аналогово-цифровим 10 перетворювачем. Величина та полярність напруги на виході підсилювача 9 передається на аналогово-цифровий перетворювач, який генерує для мікропроцесора 11 відповідний цифровий код. У залежності від отриманого цифрового коду мікропроцесор 11 подає відповідний електричний сигнал керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідну сторону. Коли спад напруги на вході підсилювача 9 стане рівний нулю мікропроцесор 11 переходить в режим таймера, що забезпечує енергоефективність фотоелектричного датчика. Робота мікропроцесора 11 з різною періодичністю та тривалістю часу задається апаратно або програмно в залежності від вибраного поворотного модуля та умов його використання. Плоскопаралельна монокристалічна пластинка моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), вирощена із газової фази методом статичної сублімації в герметично запаяних попередньо відкачаних кварцових ампулах. Габітус кристалів - плоскопаралельні пластинки з природними атомно-гладкими поверхнями розміром до 15×8×0,1 мм. На поверхню (001) одержаної монокристалічної пластинки наносилися компланарні індієві контакти. Лінійність вольт-амперних характеристик при освітленості контактів пластинки та в темноті підтверджує омічність контактів. Ширина світлового зонда не перевищувала 1,0 мм. За п. 2 формули винаходу, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності роботи та керування поворотним модулем підсилювач знаходиться в одному корпусі з активним елементом. Таке розміщення підсилювача дозволяє забезпечити чутливість активного елемента у випадку підвищеного дифузійного розсіювання світла або при його розміщенні поза фотоелектричним датчиком. За п. 3 формули винаходу, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності роботи та розширення області його використання датчик містить додатковий активний елемент, який розміщений у фокусі додаткового параболічного дзеркала так, що зміна положення оптичного зонда відбувається перпендикулярно до горизонту. Використання таких додаткових елементів дозволить використовувати фотоелектричний датчик з різними типами поворотних модулів і спостерігати за джерелом випромінювання коли воно рухається по криволінійній траєкторії. За п. 4 формули винаходу, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності роботи та розширення області його використання додатковий активний елемент через додатковий підсилювач з'єднаний з аналогово-цифровим перетворювачем та мікропроцесором. Таке з'єднання додаткового активного елемента дозволяє забезпечити ефективність роботи датчика коли джерело випромінювання рухається нерівномірно по криволінійній траєкторії. За п. 5 формули винаходу, який відрізняється тим, що для підвищення енергоефективності роботи та розширення області його використання мікропроцесор керує роботою підсилювачів з однаковою або різною тривалістю часу незалежно один від одного, що необхідно у випадку різної зміни положення джерела світла за однакові або різні проміжки часу, наприклад зміна положення Сонця протягом світлової доби. За п. 6 формули винаходу, який відрізняється тим, що для забезпечення заданої чутливості активних елементів датчика при роботі в різних умовах навколишнього середовища вони розмішені на теплопровідній основі корпусу активного елемента. За п. 7 формули винаходу, який відрізняється тим, що для спрощення конструкції датчика та його ефективної роботи активні елементи з параболічними дзеркалами розміщені в окремих корпусах, верхня сторона яких прозора для випромінювання джерела світла. Розміщення активних елементів з параболічними дзеркалами в окремих корпусах дозволяє підвищити точність їх налаштування та полегшує сервісне обслуговування датчика. За п. 8 формули винаходу, який відрізняється тим, що для забезпечення заданої чутливості активних елементів датчика при його використанні у різних умовах навколишнього середовища та наявності підвищеної дифузної складової джерела випромінювання активні елементи з параболічними дзеркалами знаходяться поза датчиком. 3 UA 106142 C2 5 10 15 20 За п. 9 формули винаходу, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності його використання при роботі з різним типом поворотних модулів світловий зонд формується оптичним елементом, який здатний концентрувати світлове випромінювання. Такими оптичними елементами можуть бути наприклад, дзеркала з різною формою кривизни, оптичні лінзи, дифракційні решітки та ін. За п. 10 формули винаходу, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності його використання при роботі з різним типом поворотних модулів фотоелектричний датчик додатково містить силовий блок керування поворотним модулем. Запропонований фотоелектричний датчик для поворотного модуля має просту конструкцію, забезпечує збільшення його енергоефективності для різних типів поворотного модуля, достатню чутливість реагування на зміну положення джерела світла при малих освітленостях активного елемента або дифузної складової світлового випромінювання. Джерела інформації: 1. Патент RU № 2286517. Солнечная фотоэлектрическая установка, МПК F24J 2/42 (2006.01). Опуб. 27.10.2005. 2. Патент RU № 2307294 Фотоэлектрический модуль (варианты), МПК F24J 2/08 (2006.01) H01L 31/052 (2006.01). Опуб. 27.09.2007 3. Патент RU № 2381426. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля, МПК F24J 2/54 (2006.01). Опуб. 10.02.2010. 4. Блецкан Д.И. Кристаллические и стеклообразные халькогениды Si, Ge, Sn и сплавы на их основе. - Ужгород. ВАТ "Видавництво "Закарпаття". - 2004. - Т. І. - 292 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 50 55 1. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля, що містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів, який відрізняється тим, що активний елемент, який розміщений у фокусі параболічного дзеркала, містить плоскопаралельну монокристалічну пластинку моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), величина сигналу на виході підсилювача, який з'єднаний з активним елементом, аналоговоцифровим перетворювачем та мікропроцесором, залежить від положення світлового зонда між контактами активного елемента, мікропроцесор керує роботою підсилювача з різною періодичністю та тривалістю часу. 2. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля за п. 1, який відрізняється тим, що підсилювач знаходиться в одному корпусі з активним елементом. 3. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що містить додатковий активний елемент, який розміщений у фокусі додаткового параболічного дзеркала так, що зміна положення світлового зонда відбувається перпендикулярно до горизонту. 4. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля за пп. 2, 3, який відрізняється тим, що додатковий активний елемент через додатковий підсилювач з'єднаний з аналогово-цифровим перетворювачем та мікропроцесором. 5. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля за пп. 3, 4, який відрізняється тим, що мікропроцесор керує роботою підсилювачів незалежно один від одного. 6. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля за пп. 1-5, який відрізняється тим, що активні елементи розміщені на теплопровідній основі. 7. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля за пп. 1-6, який відрізняється тим, що активні елементи з параболічними дзеркалами розміщені в окремих корпусах, верхня сторона яких прозора для випромінювання джерела світла. 8. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля за пп. 1-7, який відрізняється тим, що активні елементи з параболічними дзеркалами знаходяться поза датчиком. 9. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля за пп. 1-8, який відрізняється тим, що світловий зонд формується оптичним елементом, який здатний концентрувати світлове випромінювання. 10. Фотоелектричний датчик спостереження для поворотного модуля за пп. 1-9, який відрізняється тим, що додатково містить силовий блок керування поворотним модулем. 4 UA 106142 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5