Оптоелектронний модуль спостереження за рухомим джерелом світла

Реферат: Оптоелектронний модуль спостереження за рухомим джерелом світла містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів. Не менше двох активних елементів, які розміщені у фокусах відповідних параболічних дзеркал, містять плоскопаралельні монокристалічні пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), щонайменше один з активних елементів розміщений у фокусі параболічного дзеркала так, що зміна положення світлового зонда відбувається перпендикулярно до горизонту, плоскопаралельні монокристалічні пластинки розміщені на теплопровідних основах, активні елементи з'єднані з підсилювачами і розміщені у відповідних окремих корпусах, верхня сторона яких прозора для випромінювання джерела світла та разом з параболічними дзеркалами знаходяться поза блоком обробки електричних сигналів, величина сигналу на вході кожного з підсилювачів, які з'єднані з аналогово-цифровим перетворювачем та мікропроцесором, залежить від положення світлових зондів між контактами відповідних активних елементів, мікропроцесор керує роботою блока обробки електричних сигналів з різною періодичністю та тривалістю часу. UA 80953 U (12) UA 80953 U UA 80953 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до сонячних енергетичних установок з фотоелектричним датчиком автоматичного спостереження за джерелом світла та призначена для автоматичної орієнтації площини модуля за її максимальною освітленістю і може бути використана у приладо- та машинобудуванні, а також в авіаційній та космічній промисловості. Однією з умов ефективного використання світлового випромінювання є необхідність постійної корекції положення модуля, наприклад сонячних елементів так, щоб протягом світлої доби вони перебували під прямим сонячним промінням. Для таких цілей використовують різні фотоелектричні 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 екрана 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 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 плосковипуклих 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 у собі два фотодіоди, закріплених на несучій пластині, установленій на рухливій рамі паралельно площини сонячної батареї, і відбивач, що являє 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 убік 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 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. Задачею корисної моделі є розробка такого оптоелектронного модуля спостереження за рухомим джерелом світла, який має просту конструкцію, забезпечує збільшення його ефективності для різних типів поворотних модулів, задану чутливість реагування на зміну 1 UA 80953 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 положення Сонця при малих освітленостях активного елемента та дифузної складової джерела випромінювання. Поставлена задача вирішується тим, що оптоелектронний модуль спостереження за рухомим джерелом світла містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів, не менше двох активних елементів, які розміщені у фокусах відповідних параболічних дзеркал, містять плоскопаралельні монокристалічні пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), щонайменше один з активних елементів розміщений у фокусі параболічного дзеркала так, що зміна положення світлового зонда відбувається перпендикулярно до горизонту, плоскопаралельні монокристалічні пластинки розміщені на теплопровідних основах, активні елементи з'єднані з підсилювачами і розміщені у відповідних окремих корпусах, верхня сторона яких прозора для випромінювання джерела світла та разом з параболічними дзеркалами знаходяться поза блоком обробки електричних сигналів, величина сигналу на вході кожного з підсилювачів, які з'єднані з аналогово-цифровим перетворювачем та мікропроцесором, залежить від положення світлових зондів між контактами відповідних активних елементів, мікропроцесор керує роботою блока обробки електричних сигналів 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 зонда біля одного з контактів і зменшується по мірі переміщення світлового зонда 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 зонда на поверхні монокристалічної пластинки по відношенню до контактів, то це приводить до зміни величини фотоерс на контактах активного елемента та сигналу на вході підсилювача. Використання хоча б одного активного елемента, розміщеного по відношенню до параболічного дзеркала так, що зміна положення світлового зонда відбувається перпендикулярно до горизонту, дозволяє забезпечити спостереження за зміною положення джерела випромінювання одночасно або окремо по горизонталі та вертикалі. Розміщення плоскопаралельних монокристалічних пластинок на теплопровідних основах і використання активних елементів разом з підсилювачами у окремих корпусах, верхня сторона яких прозора для випромінювання джерела світла дозволяє значно розширити температурний діапазон використання оптоелектронного модуля, а знаходження їх разом з параболічними дзеркалами поза блоком обробки електричних сигналів забезпечити надійність його роботи в різних умовах навколишнього середовища. Використання параболічного дзеркала дозволяє отримати необхідну інтенсивність світла у світловому зонді навіть при малих освітленостях джерела випромінювання або його дифузної складової. Розмірами та формою параболічного дзеркала можна регулювати інтенсивність та розміри плями світлового зонда, який падає на активний елемент, що дозволяє забезпечити необхідну чутливість оптоелектронного датчика при різних умовах навколишнього середовища. Робота мікропроцесора з різною періодичністю та тривалістю часу підвищує ефективність датчика у випадку криволінійної зміни положення джерела випромінювання і при використанні різних типів поворотних модулів у різних умовах навколишнього середовища. 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 теплопровідній 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 оптоелектронного модуля спостереження за рухомим джерелом світла. Активний 1 елемент, який розмішений горизонтально у фокусі параболічного 7 дзеркала і повернутий до нього так, що світловий зонд, пройшовши крізь прозоре для світлового випромінювання вікно 4, попадає перпендикулярно на плоскопаралельну пластинку кристала, підключений до підсилювача 11 та разом з ним знаходяться у корпусі 10, верхня сторона якого прозора для випромінювання джерела світла. Активний 1 елемент з підсилювачем 11 і 2 UA 80953 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 параболічним 7 дзеркалом знаходяться поза блоком 14 обробки електричних сигналів. Активний 9 елемент, який розмішений вертикально у фокусі параболічного 8 дзеркала і повернутий до нього так, що світловий зонд, пройшовши крізь прозоре для світлового випромінювання вікно 4, попадає перпендикулярно на плоскопаралельну пластинку кристала, підключений до підсилювача 12 та разом з ним знаходяться у корпусі 13, верхня сторона якого прозора для випромінювання джерела світла. Активний 9 елемент з підсилювачем 12 і параболічним 8 дзеркалом знаходяться поза блоком 14 обробки електричних сигналів. Блок 14 обробки електричних сигналів підключений до підсилювачів 11 і 12 та містить з'єднані між собою аналогово-цифровий 15 перетворювач та мікропроцесор 16. Оптоелектронний модуль спостереження за рухомим джерелом світла працює наступним чином. В положенні, коли світло падає на параболічні 7 і 8 дзеркала таким чином, що світлові зонди попадають на середину активних 1 і 9 елементів, спади напруг на входах підсилювачів 11 і 12 рівні нулю. При переміщенні джерела випромінювання відповідно зміщуються і світлові зонди, наближаючись до одного з контактів 5 активних 1 і 9 елементів. Така зміна положення світлових зондів приводить до появи спаду напруг певної полярності на входах підсилювачів 11 і 12. В результаті зміни напруги відповідної полярності на виходах підсилювачів 11 і 12 блок 14 обробки електричних сигналів формує відповідні сигнали керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідну горизонтальну і вертикальну сторони. При цьому світлові зонди, що падають на активні 1 і 9 елементи переміщуються в початкове положення, а спад напруги на входах підсилювачів 11 і 12 стає рівний нулю. При першому включенні оптоелектронного модуля спостереження за рухомим джерелом світла або у випадку коли виникла напруга на входах підсилювачів 11 і/або 12 мікропроцесор 14 подає електричний сигнал для вимірювання величини та полярності напруги на входах підсилювачів 11 і/або 12, які з'єднані з аналогово-цифровим 15 перетворювачем. Величина та полярність напруги на виходах підсилювачів 11 і/або 12 передається на аналогово-цифровий 15 перетворювач, який генерує для мікропроцесора 16 відповідні цифрові коди. У залежності від отриманих цифрових кодів мікропроцесор 16 подає відповідні електричні сигнали керування поворотним модулем, з метою повороту датчика в необхідні сторони. Коли спад напруги на вході підсилювачів 11 і 12 стане рівний нулю мікропроцесор 16 переходить в режим таймера. Робота мікропроцесора 16 з різною періодичністю та тривалістю часу задається апаратно або програмно в залежності від вибраного типу поворотного модуля та умов навколишнього середовища. Плоскопаралельна монокристалічна 3 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. Запропонований оптоелектронний модуль спостереження за рухомим джерелом світла має просту конструкцію, забезпечує його ефективність для різних типів поворотних модулів, достатню чутливість реагування на зміну положення рухомого джерела світла при малих освітленостях активного елемента або наявної дифузної складової світлового випромінювання. Джерела інформації:. 1. Патент RU № 2286517. Солнечная фотоэлектрическая установка, МПК F24J2/42 (2006.01). Опуб. 27.10.2005. 2. Патент RU № 2307294 Фотоэлектрический модуль (варианты), МПК F24J2/08 (2006.01) H01L31/052 (2006.01). Опуб. 27.09.2007. 3. Патент RU № 2381426. Поворотное устройство для солнечного энергомодуля, МПК F24J2/54 (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 КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Оптоелектронний модуль спостереження за рухомим джерелом світла, що містить активні елементи та блок обробки електричних сигналів, який відрізняється тим, що не менше двох активних елементів, які розміщені у фокусах відповідних параболічних дзеркал, містять плоскопаралельні монокристалічні пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 3 UA 80953 U 5 10 ат. % сурми (Sb), щонайменше один з активних елементів розміщений у фокусі параболічного дзеркала так, що зміна положення світлового зонда відбувається перпендикулярно до горизонту, плоскопаралельні монокристалічні пластинки розміщені на теплопровідних основах, активні елементи з'єднані з підсилювачами і розміщені у відповідних окремих корпусах, верхня сторона яких прозора для випромінювання джерела світла, та разом з параболічними дзеркалами знаходяться поза блоком обробки електричних сигналів, величина сигналу на вході кожного з підсилювачів, які з'єднані з аналогово-цифровим перетворювачем та мікропроцесором, залежить від положення світлових зондів між контактами відповідних активних елементів, мікропроцесор керує роботою блока обробки електричних сигналів з різною періодичністю та тривалістю часу. 4 UA 80953 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 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