【正文】 在確定功率放大器輸出電路的具體方案時(shí)，首先要針對(duì)負(fù)載（電機(jī)）的特點(diǎn)：它不僅包含有電阻，而且還有電感和速度反電勢(shì)。當(dāng) Vi在窗口范圍以內(nèi)，無(wú)信號(hào)輸出；當(dāng) Vi 超出了窗口范圍，就會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)；通過(guò)這種方法對(duì) Vi 就加以區(qū)別了，其真值表如表 51 所示。窗口形成電路主要有四個(gè)電壓比較器及附屬元件組成。 它的用途很廣，可用于物體檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電控制、自動(dòng)報(bào)警等方面。傳統(tǒng)的跟蹤器只是一套太陽(yáng)探測(cè)單元，不能滿足太陽(yáng)光線復(fù)雜多變的要求，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的完全自動(dòng)跟蹤。 自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)位置探測(cè)單元主要是由 8 只經(jīng)過(guò)挑選的性能優(yōu)良的光敏元件和 8只電阻組成。傳統(tǒng)比較跟蹤器的傳感探測(cè)單元存在著很大問(wèn)題，不能滿足復(fù)雜多變大氣的需要。 新型跟蹤平臺(tái)的開(kāi)發(fā) 為了解決上一小節(jié)所述問(wèn)題，滿足復(fù)雜多變的光線照射情況，本課題提出了兩套方案：一種是自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)；另一種是通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)。這種情況就要求跟蹤平臺(tái)在早上能夠復(fù)位。但這種跟蹤器只是從理論上來(lái)看比較理想，要把理論變成實(shí)際產(chǎn)品，要開(kāi)發(fā)出真正廉價(jià)、高精、實(shí)用的自動(dòng)跟蹤平臺(tái)，在理論基礎(chǔ)上還得解決以下的問(wèn)題： 1）光敏元件比較式跟蹤器雖然原理簡(jiǎn)單，但目前市場(chǎng)上的價(jià)格相對(duì)于民用來(lái)說(shuō)還是很高。當(dāng)太陽(yáng)光線與采光板的法線有一夾角時(shí)，光敏元件反應(yīng)出照度差，信號(hào)采集電路采集到光敏元件的信號(hào)差值，控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏元件上的光照強(qiáng)度相同。所以，它們一般用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)或者大型發(fā)電廠，面向的是多個(gè)采光設(shè)各組成的陣列，其跟蹤系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制可收到控制精度高、平均成本低的效果。 1）控放式跟蹤器 控放式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖 51 所示，其原理為：在太陽(yáng)光接收器的西 側(cè)放置一偏重，作為太陽(yáng)光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力。當(dāng)溫度的變化幅度超過(guò)所設(shè)置的值時(shí)，再啟動(dòng)擾動(dòng)搜索。其控制的流程圖如圖 44 。通過(guò)不斷擾動(dòng)使光伏電池逐步向最大功率點(diǎn)逼近。控制原理圖如 41： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖 41 電壓反饋法原理圖 在系統(tǒng)對(duì) MPPT 的要求不高的情況下，可以用此特點(diǎn)簡(jiǎn)化控制設(shè)計(jì)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第四章 光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤 最大功率點(diǎn)跟蹤及其實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 由 節(jié)光伏電池的輸出特性可知，要利用光伏電池發(fā)電 ，為了使其工作于最佳狀態(tài)，就要使其工作于最大功率點(diǎn)上。 。拋物面反射鏡的制造成本高，同時(shí)需要跟蹤裝置，成本相對(duì)最高；復(fù)合拋物面鏡的制造成本也很高，雖不需跟蹤裝置，但是使用的方便性有所降低；菲涅爾聚光器的成本非常低廉，制造工藝也非常簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模開(kāi)發(fā)應(yīng)用。同時(shí)，使用拋物面反射鏡聚光器，必須 附加高精度的跟蹤裝置，這樣也提高了成本。 圖 36菲涅爾折射聚光器的光折射原理 設(shè)菲涅爾透鏡某一鋸齒的棱角為Φ，當(dāng)陽(yáng)光垂直于透鏡平面入射時(shí)，根據(jù)光的折射幾何關(guān)系有： ? ?22ta n xn x f f? ? ?? （ 39） 式中 n— 材料的折射率； X— 某一鋸齒棱的中心到主光軸的距離； f— 焦距。根據(jù)拋物面聚光器的聚光原理以及 θA 定義，復(fù)合拋物面聚光器有：當(dāng)入射光與 CPC 中軸的夾角小于 θmax 時(shí)就被拋物面鏡直接反射到底部接收器上；當(dāng)入射光 與CPC 中軸的夾角等于 θmax 時(shí)，光線就能被拋物面鏡反射到底部接收器的邊緣點(diǎn)（拋物面焦點(diǎn) fU 或 fV上）；當(dāng)入射光與 CPC 中軸的夾角大于 θmax 時(shí)，都被拋物面鏡反射回天空。 復(fù)合 拋物面（ CPC）聚光器 上一小節(jié)所提到的拋物面反射鏡聚光器進(jìn)行聚光成像，需要平行于鏡面主光軸的光線，也就是聚光器需要接收太陽(yáng)直射輻射才能工作。 圖 32槽形拋物面反射鏡的光路圖 聚光器的聚光比根據(jù)定義為： A B l BC A d l d? ???? ? ??吸 （ 32） 式中 l— 槽形拋物面反射鏡的長(zhǎng)度； B— 槽形拋物面反射鏡的開(kāi)口寬度； d— 圓管接收器的直徑。對(duì)于給定的入射光，聚光比越高，入射光就能會(huì)聚到越小的區(qū)域，熱能的損失越低，聚光器的 工作溫度相對(duì)越高。所以在應(yīng)用時(shí)，如果使用聚光器，則聚光 器的聚光倍數(shù)不能過(guò)大，以免造成結(jié)溫過(guò)高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。 圖 26 不同日照強(qiáng)度下的光伏特性 （ a）光伏電池的伏安曲線；（ b）光伏電池的功率電壓曲線 從實(shí)驗(yàn)中得到，電池的開(kāi)路電壓近似的與光強(qiáng)的對(duì)數(shù)成正比。 （ IM）：在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。 光伏電池的 IV 和 PV 特性曲線 光伏電池的伏安特性是一定光強(qiáng)、一定溫度下，電池的負(fù)載外特性，直接反映出電池輸出功率。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖 22 理想狀態(tài)的太陽(yáng)能電池等效電路圖 在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓 V 和流過(guò)負(fù)荷的電流 I 之間的關(guān)系式， 可由下式給出。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成了可以付諸實(shí)用的電能。 光伏電池的光伏效應(yīng) 當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光照到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電 動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。針對(duì)這一問(wèn)題本文主要做了如下工作： ，設(shè)計(jì)采用聚光器，提高了光伏電池轉(zhuǎn)換效率。為了提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率，光 伏電池板部分可以內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 采用聚光器，常用的聚光器有拋物槽、菲涅耳透鏡、 CPC 聚 光器、熒光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它們都可以不同程度的提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率。計(jì)劃到 20xx 年利用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)解決 2300 萬(wàn)邊遠(yuǎn)地區(qū)人口的用電問(wèn)題，使他們達(dá) 到人均擁有發(fā)電容量 100 瓦的水平，相當(dāng)于屆時(shí)全國(guó)人均擁有發(fā)電容量 1/3 的水 平。 由于環(huán)保和能源持續(xù)供應(yīng)的需要，太陽(yáng)能光伏發(fā)電 （ 即光伏電池 ） 近年來(lái)始終 保持30～ 40%的年增長(zhǎng)量，因而被譽(yù)為全世界增長(zhǎng)最快的能源。 但是，目前光伏發(fā)電與電網(wǎng)供電的比較，光伏發(fā)電價(jià)格還比較高，不過(guò)其維 修費(fèi)用很少，隨著發(fā)電量的增加，其價(jià)格會(huì)下降，優(yōu)勢(shì)才逐漸體現(xiàn)出來(lái)。光伏發(fā)電安全可靠，不會(huì)遭受能源危機(jī)或燃料市場(chǎng)不穩(wěn)定的沖擊?？梢?jiàn)，礦物燃料并不是取之不盡的。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以直接將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為高品位能源 — 電能。隨著社會(huì)生產(chǎn)的日益發(fā)展，人類對(duì)電的需求每年以很大幅度增加，進(jìn)而對(duì)能源的需求也迅速增長(zhǎng)。這對(duì)于世界尤其是我國(guó)是十分迫切的。安裝 1KW 光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年可少排放 二氧化碳 600～ 2300kg，一氧化氮 16kg，二氧化硫 9kg 及其他微粒 。最小的太陽(yáng)能成套設(shè)備發(fā)電出力為 150W，包括安裝費(fèi)在內(nèi)的零售價(jià) 是 290 美元，占澳大利亞普通家庭每年耗電量的 5%，每年可減少溫室氣體排放 350kg。但是日照時(shí)間 長(zhǎng)，日射強(qiáng)度大，為光伏發(fā)電提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。要把 20xx 年奧運(yùn)會(huì)辦成最成功的一屆奧運(yùn)會(huì)， 光 伏發(fā)電應(yīng)用必然要擔(dān)當(dāng)一個(gè)重要的角色，在奧運(yùn)村和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館規(guī)劃中，太陽(yáng)能利用及光伏發(fā)電站的建設(shè)均占主要的地位[4]。如果有自動(dòng)跟蹤裝置，也是由同一個(gè)控制器進(jìn)行集中控制，來(lái)跟蹤太陽(yáng)位置的變化。它的種類很多，大致可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池。如將 PN 結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過(guò)電路，PN 結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。 圖 21單個(gè)光伏電池的模型和外觀 光伏電池的物理模型 光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。 光伏電池的輸出特性及其影響因素 光伏電池的輸出特性包括伏安特性、溫度特性和光譜特性，其中伏安特性和溫度特性主要通過(guò) IV 和 PV 特性曲線來(lái)加以體現(xiàn)。在 PV 特性曲線中，可以看出隨著端電壓由零逐漸增長(zhǎng)輸出功率先上升然后下降，說(shuō)明存在一個(gè)端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，跟 IV 曲線說(shuō)明了同一個(gè)問(wèn)題，這為光伏發(fā)電控制方法的改進(jìn)提供了途徑。 M 點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流 IM 為最佳工作電流， VM 為最佳工作電壓， PM 為最大輸出功率，由圖和公式還可以看出，光伏電池不工作于最大功率點(diǎn)時(shí)，其效率都低于按此定義的效率值，甚至?xí)偷搅?。而這個(gè)結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過(guò)加裝聚光器來(lái)加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本。 聚光比 聚光器的聚光比，是反映聚光器聚光性能的一個(gè)重要參數(shù)，在研究聚光器之前，首先要介紹一下太陽(yáng)能聚光器的聚光比。在槽形拋物面反射鏡中，接收器通常為圓管；聚焦旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的吸收器可以是球體、圓板、也可以是空 腔球體?？梢詫?5 式理解為接收器的直徑（越小損失越?。┲辽僖扔谟疫吅瘮?shù)的最大值。 要分析 CPC 復(fù)合聚光器的性能，我們引入這樣一個(gè)常量 — θmax 入射光最大張角。 折射式菲涅爾聚光器 菲涅爾聚光器是一種使透射的入射光折射聚焦的聚光器，聚光器一面為平面，另一面為按照一定寬度和角度設(shè)計(jì)的鋸齒棱角，如圖 35 所示，它可以設(shè)計(jì)成點(diǎn)聚焦式（圓盤鏡），也可以設(shè)計(jì)成線聚焦式（長(zhǎng)條鏡）。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 聚光器的選擇和開(kāi)發(fā) 聚光器的選擇 影響太陽(yáng)能聚光器設(shè)計(jì)的有如下幾個(gè)方面： 1)制造成本以及使用方便性 2)工作溫度及性能 3)使用壽命及維修性 在已有的理論知識(shí)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)聚光器時(shí)，首先要根據(jù)以上因素選擇聚光器的類型。目前的菲涅爾聚光器，基本上都采用透明塑料擠壓成型 的加工方法制成，制造方法簡(jiǎn)單，成本非常低。這在實(shí)際的制作中帶來(lái)極大的方便，而且節(jié)省了材料。 之間。 常用最大功率點(diǎn)跟蹤方法比較 光伏系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法很多，在許多的文獻(xiàn)中都有相關(guān)探討，使用不同的控制方法在其復(fù)雜程度及效果上是有很大差異的，但目前常用的方法是電壓反饋法、擾動(dòng)法和電導(dǎo)增量法。此法能夠自動(dòng)調(diào)節(jié) VM，但存入的數(shù)值是固定的，在設(shè)備狀態(tài)有變化時(shí)將會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。其流程圖如 43： 圖 43 擾動(dòng)法流程圖 光伏電池列陣 DC 變換器 負(fù)載 控制器 I V 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法（ Incremental conductance Algorithm）也是 MPPT 控制常用的算法，它是通過(guò)采集光伏電池端的電壓（電流），并根據(jù)其功率對(duì)電壓的變化率與輸出電壓、電流之間的關(guān)系來(lái)完成最大功率點(diǎn)追蹤的目的。 該方法的原理與擾動(dòng)法相似， MPPT 變換器先擾動(dòng)輸入電壓值（ Upv+△ U），將測(cè)得的功率值與擾動(dòng)之前功率值相比較，若功率值增加則表明擾動(dòng)方向正確，一定時(shí)間間隔后再朝同一方向擾動(dòng)△ U:若擾動(dòng)后的功率值小于擾動(dòng)前的值，則以相同的方式往相反方向擾動(dòng)△ U。而且瓦數(shù)越大，造價(jià)降低就越多，這是因?yàn)楦櫵郊拥牟考O(shè)備，在一定的范圍內(nèi)，（比如說(shuō)從 200 瓦到800 瓦）基本上沒(méi)有什么大變動(dòng)的緣故。 2）時(shí)鐘式跟蹤器 時(shí)鐘式跟蹤器有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時(shí)法：根據(jù)太陽(yáng)在太空中每?jī)?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽(yáng)光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽(yáng)光接收器根據(jù)太陽(yáng)的位置而相應(yīng)變動(dòng)。但是，該機(jī)構(gòu)只能用于單軸跟蹤，精度很低。雖然采用計(jì)算機(jī)控制和天文時(shí)間器控制的跟蹤器精度較高，但其高昂 的成本不適合民用，所以這些跟蹤器都不在本課題的研究范圍內(nèi)。這種情況就要求傳感探測(cè)單元能夠精確反應(yīng)太陽(yáng)光線的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。這種情況就要求跟蹤平臺(tái)的傳感探測(cè)單元能夠在較大范圍內(nèi)反應(yīng)出太陽(yáng)光線的變化。 自適應(yīng)復(fù)精度跟蹤平臺(tái)包括自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)探測(cè)單元、信號(hào)處理與控制單元、驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行的動(dòng)力單元及其機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其系統(tǒng)圖如下所示。所以，目前的這類跟蹤器雖然加上了屏蔽結(jié)構(gòu)精確跟蹤太陽(yáng)，但是都存在著不能大范圍搜索太陽(yáng)的問(wèn)題。當(dāng)太陽(yáng)向西偏移時(shí)， G1 和 G3 分別起作用使平臺(tái)向西跟蹤太陽(yáng)，當(dāng)遇到云層遮住太陽(yáng)或者下雨等其它原因?qū)е绿?yáng)偏離較遠(yuǎn)時(shí)，G1 起主導(dǎo)作用進(jìn)行較大范圍的搜索跟蹤，到一定精度后 G3 慢慢起主導(dǎo)作用進(jìn)行精確跟蹤。如何將這些參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)并輸出驅(qū)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)將是本節(jié)研究的重點(diǎn)。由跟蹤原理知，當(dāng)兩個(gè) 光敏電阻的照度差（有正有負(fù)）較小或?yàn)榱銜r(shí)（精度范圍之外），信號(hào)處理電路是不會(huì)輸出信號(hào)的；當(dāng)相應(yīng)的兩個(gè)光敏電阻的照度差（有正有負(fù)）達(dá)到一定數(shù)值的時(shí)候（精度范圍內(nèi)），信號(hào)處理電路應(yīng)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)跟蹤。 圖 56 電壓比較器輸入輸出波形圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 由這樣的比較器組成的一組窗口比較電路如圖 57 所示，圖中 A、 B 為比較器， C為“與非門”電路，高電平參考電壓為 VREF(H)，低電平參考電壓為 VREF(L) 。相對(duì)而言，雖然無(wú)法控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)角，但可以控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要附加一個(gè) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路即可達(dá)到跟蹤控制的要求，成本很低。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 圖 58 功率放大器輸出級(jí)的橋式接法 根據(jù)上述情況，采用了如圖 58 所示的方案，由 T1T4 組成的功率放大器輸出級(jí)，其中 T1 和 T3 組成一個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱電路， T2 和 T4 組成另一個(gè)互補(bǔ)對(duì)稱電路，而電樞則接到這兩個(gè)電路的輸出端之間，形成“橋式接法”（即四個(gè)管子形成了電橋的四個(gè)臂）。 動(dòng)力單元 因?yàn)橹绷麟姍C(jī)是無(wú)法精確控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度的，所以目前太陽(yáng)能跟蹤器常用的動(dòng)力單元為步進(jìn)電機(jī)。 圖 55 電壓比較器電路圖