【文章內(nèi)容簡介】 。工作時太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分根據(jù)太陽的視日運動繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸做俯仰運動改變太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的傾斜角，從而使能量轉(zhuǎn)換部分所在平面的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤系統(tǒng)的特點是跟蹤精度高，而且太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的重量保持在垂直軸所在的平面，支承結(jié)構(gòu)比較容易。并且根據(jù)天文三角形之間的關(guān)系式可以得到太陽和觀測者位置之間的關(guān)系，以方便程序設(shè)定，換算公式如下：太陽高度角H：sinH=sinδ?sin?+cosδ?cos??cosω太陽方位角A：sinA=cosδ?cosω/cosH式中，為觀測點的地理緯度；為赤緯角上文可知；為太陽時角上文可知。 太陽運行軌跡跟蹤方式目前國內(nèi)外的太陽運行軌跡跟蹤方式有很多，但只要有視日軌跡跟蹤和光電跟蹤兩種方式，下面對上述兩種追蹤方式進行比較分析，并且提出可行的，能夠滿足太陽能路燈的跟蹤方式。 視日運動軌跡跟蹤由上文講述，太陽的運行軌跡周期的并且可以預測，通過計算就可以得到任何地點，任何時間的太陽位置，將其位置參數(shù)轉(zhuǎn)換為調(diào)整太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換裝置所在平面的需要運動的參數(shù)，就可以實時對日跟蹤。雖然這類方式可以適應大部分環(huán)境并且能夠穩(wěn)定的跟蹤，但是對于控制器要求比較高，需要很高的處理能力和較大的存儲空間，算法也比較復雜。根據(jù)跟蹤裝置的軸數(shù)，視日運動軌跡跟蹤裝置可分為單軸和雙軸兩種。目前大多采用雙軸跟蹤。單軸跟蹤裝置一般采用三種方式：傾斜布置東西跟蹤、焦線南北水平布置，東西跟蹤與焦線東西水平布置，南北跟蹤。雙軸跟蹤方式就可以同時跟蹤太陽兩個角度的變化，就能獲得更多的太陽能，雙軸跟蹤的方式通常有一下兩種：極軸式全跟蹤和高度角—方位角式全跟蹤。兩者主要是依據(jù)上文所講述的太陽位置標定的兩種坐標原理，上文以講述。 光電跟蹤光電式跟蹤裝置一般是使用光敏傳感器來測定入射太陽光線和能量轉(zhuǎn)換裝置主光軸的偏差。當偏差超過一個設(shè)定值時，太陽能能量轉(zhuǎn)換裝置的執(zhí)行機構(gòu)開始調(diào)整其位置，直至使太陽光線與能量轉(zhuǎn)換裝置的主光軸重新平行，實現(xiàn)對太陽高度角與方位角的跟蹤。光電跟蹤具有一定的反饋系統(tǒng)，可以消除系統(tǒng)及環(huán)境誤差，控制精度準確。在電路方面，其電路比較容易實現(xiàn)。，主要有由傳感器轉(zhuǎn)換出的模擬信號經(jīng)過兩級放大處理（降噪等）由A/D轉(zhuǎn)換器將，模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號交由處理單元進行處理計算，得出執(zhí)行機構(gòu)的控制脈沖等控制信號，經(jīng)過功率放大等驅(qū)動電路帶動執(zhí)行機構(gòu)運轉(zhuǎn)，調(diào)整能量轉(zhuǎn)換裝置的主光軸位置，主光軸的位置由位置傳感器將信號放大處理交由處理單元處理，進一步反饋，發(fā)出反饋脈沖，進一步微調(diào)太陽能能量轉(zhuǎn)換裝置，提高整個跟蹤系統(tǒng)的精確度，這一反饋也使得光電跟蹤的跟蹤精度叫太陽軌跡跟蹤要精確，但是其在機械結(jié)構(gòu)上要求相對與太陽軌跡跟蹤要高一些。太陽實際位置光敏傳感器執(zhí)行機構(gòu)能量轉(zhuǎn)換裝置位置檢測 光電跟蹤方框圖下面介紹一種運用光敏電阻比較式的光電追蹤系統(tǒng)，在使用光敏電阻的同時增加了一個一定長度的短筒以增加整個系統(tǒng)的精度，整個探測部分比較簡單，設(shè)置了一個長度一定的圓筒，圓筒外側(cè)布置了四個光敏電阻PPPP4。其中P1與P3為東西方向布置，用于粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度即方位角；另一對光敏電阻P2與P4則是難別方向布置，用于粗略的檢測太陽的視高度即高度角。同樣，圓筒內(nèi)部設(shè)置了四個光敏電阻PPPP8，其中P5和P7為東西方向布置，用于精確檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度；而P6與P8為南北方向布置，精確檢測太陽的視高度。 比較式光電追蹤系統(tǒng)探測部件外觀圖這種跟蹤裝置對太陽的高度角和方位角同時進行雙軸跟蹤，內(nèi)部兩組光敏電阻（東西和南北）相互比較，外部的兩組光電阻相互比較。假設(shè)太陽的高度角不變，即假設(shè)圓筒始終在高度方向?qū)侍?，當太陽光線與探測部件所在平面垂直照射在探測部件上，內(nèi)外兩組光電阻接受的光照強度想通，比較電路輸出值即為零。當太陽稍微偏轉(zhuǎn)的時候，圓筒外部的一對光電阻可能會因為太陽光的漫反射無法反映出太陽光線的變化，但是圓筒內(nèi)部的一組光電阻因為在圓筒的屏蔽下，這一對光電阻接受到的光照度會有所偏差，這就是偏離信號，信號經(jīng)過放大之后，傳遞給控制單元，控制單元處理控制自動跟蹤器調(diào)整太陽光接受裝置的角度，使太陽能接受裝置的主光軸同光線的平行。然而當太陽偏離了一個很大的角度之后，圓筒內(nèi)的兩對光電阻可能接收不到太陽光，而圓筒外的光電阻就可以分辨出太陽光線的偏差，產(chǎn)生偏差信號，信號經(jīng)過放大送入控制單元，控制單元控制跟蹤裝置工作，在圓筒內(nèi)的光電阻接收到太陽光的時候，系統(tǒng)就可以對太陽光接收裝置的方位角進一步微調(diào)，提高其精確度。高度角的跟蹤方式基本與方位角的跟蹤方式基本相同。為了提高整個探測部件的精度，首要的是選擇比較出合適的光敏電阻，當光敏電阻的阻值比較小的時候，光電阻在太陽照射下，可能很快就會達到達到飽和狀態(tài)，此時采集的信號就失真，不能正確反應太陽光線的變化情況，會影響到跟蹤效果，跟蹤精度因此降低。但提高光敏電阻的阻值，使得相應的供電電源的電壓要變大才能驅(qū)動跟蹤器，提高了能耗及其成本。還有就是適當?shù)脑龈邎A筒的高度，理論上是圓筒的長度越長，其準確度也就越高。但是隨著圓筒的增長，內(nèi)部兩對光電阻在同時接受太陽光光照的太陽光偏離角度也就越小，這也就意味著在一定程度上整個跟蹤系統(tǒng)要頻繁的啟動關(guān)閉，對于能量的損耗比較大。假設(shè)圓筒內(nèi)的一對光電阻在同時接受光照的條件下，長筒的光照偏離范圍為A，即當太陽光線偏離角度在A范圍內(nèi)時，長筒內(nèi)部的一對光敏電阻不會出現(xiàn)光照偏差，即探測元件不會產(chǎn)生偏離信號；短筒所允許的光照偏離范圍為B，當光線偏離在范圍B之內(nèi)時，短筒內(nèi)部的一對光敏電阻不會出現(xiàn)光照偏差，探測元件亦不會產(chǎn)生偏離信號；假設(shè)當太陽光線偏差在范圍A到范圍B之間的時候，因為太陽光線偏離范圍超出了長筒所允許的范圍，所以筒內(nèi)的光電阻會感應出光照度偏差，產(chǎn)生偏差信號，經(jīng)處理后調(diào)整太陽光接受裝置的位置。但是如果此時使用短筒，則不會進行跟蹤，也就是說，此時系統(tǒng)的精度高于使用短筒時的精度。上述說過長筒又不能夠在光線偏離很大的角度工作，所以圓筒的長度選擇需要適當。 不同長度圓筒太陽光偏離范圍 視日軌跡跟蹤與光電跟蹤結(jié)合視日軌跡跟蹤與光電跟蹤都有一定的缺陷，比如視日軌跡跟蹤，在開始工作之前需要精確的定位，太陽角度在計算的時候不容易計算，容易出現(xiàn)誤差，并且不能自動調(diào)節(jié)，因此需要認為的定期調(diào)節(jié)。而光電跟蹤，對于環(huán)境的適應能力比較差，由于天氣原因，會出現(xiàn)不跟蹤或是跟蹤錯誤的情況，尤其是在陰雨或光線不足的天氣情況下，可能會出現(xiàn)電機反復轉(zhuǎn)動而浪費能源的情況。本設(shè)計將采用一種視日軌跡跟蹤與光電跟蹤結(jié)合的跟蹤方式，即對于視日軌跡跟蹤中太陽軌跡的粗略計算，只需達到光電傳感器能夠捕捉到太陽光線即可，這樣的好處是簡化了視日軌跡跟蹤中太陽軌跡的復雜計算，減少了程序的數(shù)據(jù)量，從而降低了系統(tǒng)對于處理器的要求，一定程度上降低了成本。因為系統(tǒng)中采用了光電傳感器，就解決了視日軌跡跟蹤方法的誤差積累，能夠自我修正自我調(diào)節(jié)。由于傳感器能夠帶來高精度，所以本次的跟蹤系統(tǒng)將以光電跟蹤為主，視日軌跡跟蹤為輔，視日軌跡跟蹤主要是輔助光電跟蹤，使光電跟蹤系統(tǒng)能夠精確的在工作范圍之內(nèi)，這樣大大的提高了整個系統(tǒng)的精度，在一定程度上也克服了天氣狀況對跟蹤裝置的影響。 太陽位置檢測傳感器通常，在檢測太陽位置的時候，常常采用一組同樣規(guī)格的光電器件（光敏電阻、光電池、光電二極管等）按照一定的位置布置，輸出其信號通過運算放大之后系統(tǒng)進行比較處理，跟蹤。這些方式都是基于在同等光強度的情況下，光電流的大小與光照面積成正比。在一定程度上可以追蹤太陽，但是在實際運用中，受限于光電器件彼此之間的差異，彼此對于太陽光的轉(zhuǎn)換效率不同，造成系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，使得整個跟蹤系統(tǒng)往往達不到預期的精度。為了提高跟蹤系統(tǒng)的精確度與穩(wěn)定度，選用一種在激光準直、光電跟蹤與激光制導等方面具有廣發(fā)應用的光電集成元件，四象限光電探測器作為跟蹤檢測系統(tǒng)的探測元件。四象限光電探測器是一種靈敏度很高的光電探測器件，是將四個個性能高度一致的探測器按照直角坐標要求排列而成的光電探測器件，而這些探測器一般為光電二極管，根據(jù)光電二極管的不同，又有四象限PIN光電二極管、四象限雪崩光電二極管等。四象限光電探測器是象限探測起的一種，當太陽光照射在探測器上并成像與在四象限光電探測器光敏表面并形成一個光斑。當太陽光垂直照射與光電傳感器時，光斑的中心與探測器光敏表面的中心重合，也就是說每個象限上的光斑面積大小相同則位置偏差EX=EY=0；當太陽光光線方向與探測器的光軸有夾角的時候，太陽光光斑就會移位，光斑的中心與探測器光敏表面的中心不再重合，在同一軸向的光斑面積不在相等，根據(jù)各象限能量偏差就可以算出位置偏差EX與EY，計算出太陽的位置。用于計算四象限光電探測器的上位置偏差的方法中，常用的是為四象限加減法，計算公式如下：EX=SB+SCSASDEY=SA+SBSCSD其中SA、SB、SC、SD表示四象限光電探測器光敏表面上光斑的面積，由上文可以只光斑的面積與輸出信號成正比；EX、EY為光斑在X軸與Y軸的偏移量，為了進一步減小環(huán)境對運算結(jié)果的影響，將計算公式變型如下：EX39。=SB+SCSASDSA+SB+SC+SDEY39。=SA+SBSCSDSA+SB+SC+SD 光斑偏移對于本系統(tǒng)來說。當EX39。0時，這時代表太陽在方位角方向上向西偏移，反之向東；當EY39。0是、這時代表太陽在高度角方面向南偏移，反之向北。計算機通過AD轉(zhuǎn)換器接受光電探測器每個輸出端的信號進行運算處理，就可以根據(jù)EX39。與EY39。的正負，判斷太陽位置的偏移，從而控制步進電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，跟蹤太陽位置。 方位檢測傳感器的選擇本次采用Pacific Silicon Sensor的雪崩二極管封裝的四象限光電探測器QP50618UTO8進行方位檢測。采用TO8封裝，工作區(qū)域的直徑為14mm。工作波長為633nm，光電流為10 uA， A/W，工作溫度為40+100C，暗電流的峰值為5nA，暗電流為2nA，方向電壓為50V，上升時間為40ns。，6分別對應A、B、C、D四個光電二極管，2號管腳懸空，5號管腳為四個光電二極管的共陰極。 QP50618UTO8實物圖 QP50618UTO8外觀參數(shù)及管腳圖上述介紹的參數(shù)體現(xiàn)了QP50618UTO8的優(yōu)越性能，就是因為它的象限間隙小、響應快速、低暗電流、高分流電阻、高精度等特點，使其應用于各類高端領(lǐng)域，它的探測領(lǐng)域也比較廣?？梢砸姷闷湓诳梢姽夥秶鷥?nèi)有很高的響應率，在波長為900930nm時，其響應率達到峰值，由此可以得出其非常適合在可見光范圍內(nèi)工作。（橫軸代表的是光的波長，單位為nm；豎軸代表的是光電探測器的響應率） QP50618UTO8 光譜響應曲線 太陽方位檢測電路太陽方位檢測電路是檢測太陽的方位角與高度角，主要QP50618UTO8四象限光電探測器與LM324集成運算放大器組成，LM324的特性主要有下文介紹。 太陽方位檢測電路QP50618UTO8型四象限光電探測器四個光電二極管由A、B、C、D分別代表，四個方位的光電二極管受到光照，產(chǎn)生光電流IA、IB、IC、ID經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，并且電壓信號與四個光電二極管光敏表面照射面積成正比。在將電壓信號通過下一步的放大，輸出UA、UB、UC、UD。整個電路四個支路高度對稱，C1=C2=C3=C4；R2=R3=R4=R5；R6=R8=R10=R12；R7=R9=R110=R13，所以這樣就避免了電路引起的不必要的誤差。UA、UB、UC、UD有LM324的四個輸出管腳輸出并且連接A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端，處理器讀取、處理A/D轉(zhuǎn)換器的電壓信號，計算出太陽的方位角與高度角偏差，發(fā)出對步進電機的控制信號，調(diào)整跟蹤太陽位置。上文介紹的四象限加減法中的SA、SB、SC、SD為光電探測器光敏表面四個象限上的光斑面積，UA、UB、UC、UD是方位檢測電路的輸出信號，因為電路的設(shè)計，后者數(shù)值的大小與前者的面積成正比，則太陽的方位角與高度角偏差計算公式則為：EX39。=UB+UCUAUDUA+UB+UC+UDEY39。=UA+UBUCUDUA+UB+UC+UD處理器通過識別EX39。與EY39。的正負與幅值，就可以分別控制太陽能轉(zhuǎn)換裝置的位置，豎直方向的控制即為太陽高度角的追蹤，水平方向的控制即為太陽方位角的追蹤。 太陽光光強檢測模塊本文采用硅光電池作為太陽光光強檢測模塊部分的傳感器，通過檢測太陽光的光強，在一定程度上可以分析出天氣情況，設(shè)置跟蹤系統(tǒng)的光強閾值，提高追蹤的系統(tǒng)的效率，避免追蹤系統(tǒng)的消耗大于其提高的轉(zhuǎn)換效率所得能量，以帶來的不必要的能量浪費。 硅光電池的選擇硅光電池是一種是一個大面積的光電二極管，它設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，它采用產(chǎn)生光生伏特效應的現(xiàn)象作為設(shè)計原理。硅光電池大致分為以下三類：晶體硅光電池（PN結(jié)）、非晶體硅光電池（a－Si）、多晶體硅光電池（P－Si）。硅光電池的工作過程與光電二極管的工作類似，其工作過程與外觀（LXD23CVG）。 硅光電池的構(gòu)造與LXD23CVG外觀圖當有太陽光照射時，由多數(shù)載流子擴散作用造成的阻攔作用被打破，在半導體內(nèi)形成電場，將在P型層中被PN結(jié)阻擋的電子牽引到N型層，同樣將在N型層中被PN結(jié)阻擋的空穴牽引到P型層，這樣就形成了光電流，當失去光照射時，光電流消失。硅光電池的光譜靈敏度最大值在可見光紅光附近（800nm），截止波長為1100nm。太陽光光強檢測模塊目的檢測可見光光強度，所以在選擇硅光電池時選用線性硅光電池LXD23CVG，它的開路電流與光照強度成正比。工作范圍為450650nm，峰值波長為550nm,工作區(qū)域面積33mm2，窗口材料為optical glass。 LXD23CVG的開路電路與暗電流特性。 LXD23CVG的極限額定參數(shù)項目符號額定值單位峰值電壓VR5V工作溫度Topr20+80℃存儲溫