【導讀】要，加速開發(fā)利用以太陽能為主體的可再生能源己成為人們的共識。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以。直接將太陽光能轉換為高品位能源—電能。由于太陽在天空中的位置是不斷變化的，為。此本文采用了自動跟蹤系統(tǒng)。介紹了目前國內太陽跟蹤器的發(fā)展現(xiàn)狀，各類跟蹤器的性。對目前跟蹤器存在的問題進行了分析，提出了新型自適應復精度太陽跟蹤平臺。和通過單片機控制步進電機的太陽跟蹤平臺的系列方案。

　　

【正文】 圖 52 壓差式跟蹤 器工作原理圖 2）光敏元件比較式跟蹤器 光敏元件比較式跟蹤器利用光敏元件在光照時性能參數(shù)發(fā)生變化的原理，將四個完全相同的光敏元件分別放置于采光板的東南西北方向邊沿處。如果太陽光垂直照射采光板，東西（南北）兩個光敏元件接收到的光照強度相同，此時電機不轉動。當太陽光線與采光板的法線有一夾角時，光敏元件反應出照度差，信號采集電路采集到光敏元件的信號差值，控制電路將此差值轉換成控制信號，驅動電機轉動，直至兩個光敏元件上的光照強度相同。其優(yōu)點在于控制較精確，而電路也比較容易實現(xiàn)。但是這類跟蹤器價格昂貴，且不能適應自然 界中光線的變化，跟蹤效果不太理想。 目前太陽能自動跟蹤器所存在的問題 根據(jù)前面所介紹的典型跟蹤器可知：主動式跟蹤系統(tǒng)屬于不可逆跟蹤，在跟蹤過程中遇到云彩遮住太陽時，只能以一定速度繼續(xù)運行，以保證太陽復出后能使跟蹤不至于間斷；在跟蹤過程中，系統(tǒng)對控制誤差和機械傳動誤差無法修正，造成較大的累積誤差，跟蹤精度會隨時間推移降低。跟蹤的目的在于提高入射能量密度，如果精度低，跟蹤效內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 率低，跟蹤裝置還額外提高了成本，在太陽能利用系統(tǒng)中添加跟蹤器就失去了原來的意義。雖然采用計算機控制和天文時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。 被動式跟蹤系統(tǒng)不受地理位置的限制，跟蹤精度較高，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。其中成本相對較低、精度較高的光敏元件控制式跟蹤器屬于比較理想的跟蹤器。但這種跟蹤器只是從理論上來看比較理想，要把理論變成實際產品，要開發(fā)出真正廉價、高精、實用的自動跟蹤平臺，在理論基礎上還得解決以下的問題： 1）光敏元件比較式跟蹤器雖然原理簡單，但目前市場上的價格相對于民用來說還是很高。成本問題是制約太陽能運用發(fā)展的一個重要問題，如果想普及太陽能的運用，使之為市場所接受，就必須將其 價格降低到市場可以接收的范圍之內。如何在保證跟蹤效果基礎上盡量的降低成本，是本課題組重點研究的問題之一。 2）大自然中大氣情況是復雜多變的，真正的高精度跟蹤，對跟蹤平臺的要求非常高。在大自然中可能出現(xiàn)：①太陽的由東向西的運動（相對地球）。這種情況就要求傳感探測單元能夠精確反應太陽光線的變化，來實現(xiàn)高精度跟蹤。②晝夜更替。地球繞太陽旋轉，會出現(xiàn)晝夜更替現(xiàn)象，當太陽落山時，跟蹤平臺跟蹤太陽面朝向西邊，然后停止工作，當?shù)诙煸缟咸柹饡r，跟蹤平臺仍然朝著西邊，無法跟蹤太陽。這種情況就要求跟蹤平臺在早上能夠復位。 早上的復位工作可以用機械裝置來完成，但是該方法成本較高，如果采用傳感控制電路來控制跟蹤平臺完成復位，成本就不會增多。這樣就要求跟蹤平臺的傳感探測單元能夠在早上反應出太陽光線的大范圍變化，快速復位。③多云天氣、陰雨天氣。太空中的云朵會遮住太陽，這時跟蹤平臺的傳感單元無法反映出太陽光線的變化，當云彩過后太陽可能偏離較大的角度。這種情況就要求跟蹤平臺的傳感探測單元能夠在較大范圍內反應出太陽光線的變化。設計跟蹤平臺的時候要考慮到以上要求。怎樣才能在保證高精度的同時，滿足復雜多變的光線照射情況，實現(xiàn)完全的自動跟蹤，這內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 一個問題是本課題的核心問題。 新型跟蹤平臺的開發(fā) 為了解決上一小節(jié)所述問題，滿足復雜多變的光線照射情況，本課題提出了兩套方案：一種是自適應復精度太陽跟蹤平臺；另一種是通過單片機控制步進電機的太陽跟蹤平臺。 自適應復精度太陽跟蹤平臺 復精度的含義：跟蹤平臺有兩套（不同精度的）跟蹤探測單元，可大范圍搜索太陽（這稱之為粗跟蹤），一旦跟蹤到一定范圍，則啟動精確跟蹤單元對太陽進行精確跟蹤。通過采用復精度探測單元，滿足太陽復雜多變的照射情況要求，實現(xiàn)自適應跟蹤，這是本系統(tǒng)的核心技術。 自適應的含義：該平臺在安裝后就開始 自動工作，不需手動調整，而且能夠自動根據(jù)光線的偏移情況，啟動不同的精度跟蹤單元跟蹤太陽，屬于裝后不管的“傻瓜”型跟蹤平臺。 該跟蹤平臺跟蹤控制系統(tǒng)的設計考慮了經濟性問題，在保證工作性能的同時大大降低了成本提高了性價比。 自適應復精度跟蹤平臺包括自適應復精度太陽探測單元、信號處理與控制單元、驅動平臺運行的動力單元及其機械執(zhí)行機構，其系統(tǒng)圖如下所示。 圖 53 跟蹤平臺系統(tǒng)圖 本平臺的工作原理是：在日光下，平臺的自適應復精度探測單元自動搜索太陽的位置，系統(tǒng)自動將太陽方位與平臺所正對著的方位進行比較，當兩者不一 致時，探測單元內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 發(fā)出信號，信號經放大處理傳至控制單元控制普通直流電機，驅動平臺跟蹤太陽；粗跟蹤找到太陽的大致方位后，精跟蹤自動對太陽進行精確定位，驅動平臺運行至精確對準太陽為止。 太陽位置探測單元 本跟蹤平臺是在傳統(tǒng)光敏元件比較跟蹤器的基礎上進行改進和創(chuàng)新發(fā)展而來。傳統(tǒng)比較跟蹤器的傳感探測單元存在著很大問題，不能滿足復雜多變大氣的需要。在理論上，跟蹤器應對精度范圍內光線的任何變化都能做出反應。但是在現(xiàn)實情況中，如果光敏元件沒有受到適當?shù)谋Ｗo，在很大程度上就會受到環(huán)境散射光的影響，跟蹤器只能對太陽光線較大的變化 做出反應，跟蹤精度大大降低。所以目前這類跟蹤器都對其光敏元件進行環(huán)境光屏蔽保護，保證精度。但由于加上了這些屏蔽結構，當面臨烏云、陰雨天氣過后或者晝夜交替等太陽光線偏離較遠的情況時，太陽位置變化很大，屏蔽結構會屏蔽太陽光線的變化，光敏元件就不能做出反應，跟蹤器不能及時跟蹤上太陽光線。所以，目前的這類跟蹤器雖然加上了屏蔽結構精確跟蹤太陽，但是都存在著不能大范圍搜索太陽的問題。在上面章節(jié)中，已經討論了復雜多變的大氣對跟蹤平臺提出的要求，現(xiàn)有的跟蹤器是無法完全滿足這些要求的。怎樣設計探測傳感探測單元才能使跟蹤平臺能 夠大范圍的搜索太陽（粗跟蹤），又能對太陽進行精確跟蹤呢？本課題采用簡單的結構、低廉的成本很好的解決了這一問題。 自適應復精度太陽位置探測單元主要是由 8 只經過挑選的性能優(yōu)良的光敏元件和 8只電阻組成。其體結構見圖 54：設置一個暗筒，在暗筒外部東、南、西、北四個方向上分別布置 4 只光敏元件：其中一對光敏元件（ G G4）東西對稱安裝在暗筒外側，用來粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉角度即方位角；另一對光敏元件（ G G8）南北對稱安裝在暗筒外側，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角；在暗筒內部，東、南、西、北四個方向上 也分別布置 4 只光敏元件：其中一對光敏元件（ G G3）東西對稱安裝在內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 暗筒的內側，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉角度；另一對光敏元件（ G G7）南北對稱安裝在暗筒的內側，用來精確檢測太陽的視高度。 圖 54 傳感器結構示意圖 自適應復精度太陽位置探測單元的工作原理：以東西方向（即方位角）為例，假設太陽的高度角是不變的，即假設暗筒在高度方向始終對準太陽。當早上太陽從東方升起的時候，光敏元件 G4 接受到的光強（陽面）大于 G1 接受到的光強（陰面），因此輸出一個正的差動信號給窗口形成電路，經過處理后驅動電機使跟 蹤平臺向東轉動。當轉動到一定的精度范圍內，太陽偏離不太遠時，與 G4 并聯(lián)的 G2（暗筒屏蔽了環(huán)境散射光干擾）開始起主導作用，使暗筒精確對準太陽。當太陽向西偏移時， G1 和 G3 分別起作用使平臺向西跟蹤太陽，當遇到云層遮住太陽或者下雨等其它原因導致太陽偏離較遠時，G1 起主導作用進行較大范圍的搜索跟蹤，到一定精度后 G3 慢慢起主導作用進行精確跟蹤。高度角的跟蹤基本原理及工作方式與之類似，在此省略。 設置復精度探測單元優(yōu)點在于：暗筒對外界環(huán)境的散射光及其它干擾光線進行了很大程度的屏蔽，使得外界的干擾光源對跟蹤效果的影響降低 ，保證了筒內探測單元的精度；而暗筒外的光敏元件在接收器的主光軸與太陽光線偏離很遠時能夠發(fā)揮功能，解決了烏云、陰雨天氣、日夜交替等對跟蹤效果的影響。傳統(tǒng)的跟蹤器只是一套太陽探測單元，不能滿足太陽光線復雜多變的要求，不能實現(xiàn)對太陽的完全自動跟蹤。通過設置復內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 精度探測單元，使跟蹤平臺既能大范圍的搜索太陽（粗跟蹤），又能對太陽進行精確跟蹤，完全滿足太陽光線復雜多變的要求，實現(xiàn)自適應跟蹤，這一技術是整個跟蹤平臺的核心。探測單元的結構簡單，只是多加了一些廉價的電子元件，跟蹤平臺的性價比較高。 信號處理與控制單元 根據(jù)前面 的設計，太陽位置探測單元能夠探測出太陽的位置，依賴于光敏元件對太陽光線變化做出的反應。但是光敏元件對太陽光線做出的反應是本身參數(shù)的改變（例如電阻值發(fā)生改變），而不是驅動信號。如何將這些參數(shù)的變化轉化為控制信號并輸出驅動平臺轉動將是本節(jié)研究的重點。 不同的光敏元件對光線變化做出的反應是不同的，相應的信號處理電路也要根據(jù)元件本身的性能進行設計，所以光敏元件的選擇是信號處理控制單元設計工作的第一步。 在常用的光敏元件中，光敏電阻具有工藝簡單、體積小、性能穩(wěn)定、靈敏度高以及成本低等特點。 它的用途很廣，可用于物體檢測、光電檢測、光電控制、自動報警等方面。光敏電阻的工作原理：當入射光的照度發(fā)生改變時，電阻的電導率會隨之發(fā)生改變，表現(xiàn)出來的是電阻的阻值發(fā)生變化。用光敏電阻實現(xiàn)信號采集時，其輸出信號只與照射在兩個光敏電阻上光強的相對值有關，不受外界環(huán)境的影響，增加了裝置的抗干擾能力。這些特點都很適合本課題研究開發(fā)的需求，所以選擇光敏電阻為信號采集元件 [12]。 由上一小節(jié)知，光敏電阻將陽光強度的變化轉變?yōu)殡娮枳柚档淖兓盘柼幚黼娐诽幚淼氖请娮璧淖兓?。由跟蹤原理知，當兩個 光敏電阻的照度差（有正有負）較小或為零時（精度范圍之外），信號處理電路是不會輸出信號的；當相應的兩個光敏電阻的照度差（有正有負）達到一定數(shù)值的時候（精度范圍內），信號處理電路應輸出信號驅動平臺跟蹤。針對這些要求，本課題專門設計了相應的信號處理電路。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 首先將電阻阻值的變化轉化為輸入信號電壓 Vi的變化，然后將其輸入窗口形成電路。窗口形成電路主要有四個電壓比較器及附屬元件組成。比較器的基本電路如圖 55 所示，參考電壓 VR 加于比較器的反相端，輸入信號電壓 Vi 加于比較器的同相端。 VDD 和 Vss（值為 0）為比較器的正、 負電源。 圖 55 電壓比較器電路圖 電壓比較器工作原理：當輸入信號電壓 Vi 小于參考電壓 VR 時，比較器輸出電壓 V0為 0；當輸出信號 Vi大于等于 VR 時，比較器輸出電壓為 VDD。根據(jù)輸入信號電壓 Vi隨著阻值的變化作線性變化這一規(guī)律，得出比較器的輸入 輸出波形如圖 56 所示。 圖 56 電壓比較器輸入輸出波形圖 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 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) 。 圖 57 單組窗口比較電路圖 單組窗口比較電路工作原理：當 Vi在 VREF(H)和 VREF(L)之間時，比較器 A 與 B 皆輸出高電平，與非門輸出低電平。當 Vi在 VREF(H)∶ VREF(L)范圍之外時，比較器 A 的輸出電平與比較器 B 的輸出電平高低相反，所以與非門輸出高電平。當 Vi在窗口范圍以內，無信號輸出；當 Vi 超出了窗口范圍，就會產生輸出信號；通過這種方法對 Vi 就加以區(qū)別了，其真值表如表 51 所示。 表 51 比較電路輸出真值表 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 窗口電路處理信號的工作原理：當兩個光敏電阻受到的照度相同時，輸入電壓 Vi在 VREF(H)∶ VREF(L)范圍之內，此時輸出信號為零，跟蹤平臺不動。當兩個光敏電阻受到的照度不同時，輸入電壓 Vi會發(fā)生改變，隨著照度差的增加， Vi逐漸超過了 VREF(H)∶ VREF(L)這一范圍，此時窗口電路會輸出一個信號驅動跟蹤平臺轉動，實現(xiàn)對太陽的跟蹤。 動力單元 因為直流電機是無法精確控制其轉動角度的，所以目前太陽能跟蹤器常用的動力單元為步進電機。但是步進電機也有較大的缺點：步進電機輸出力矩小且昂貴，會使得整個系統(tǒng)的性價比下降。相對而言，雖然無法控制直流電機的轉角，但可以控制直流電機的轉速，只要附加一個 直流電機驅動電路即可達到跟蹤控制的要求，成本很低。在滿足性能要求的情況下，本方案選擇性價比較高的直流電機。 直流電機驅動電路的輸入信號較小，要對其進行放大之后才能輸出驅動電機。在確定功率放大器輸出電路的具體方案時，首先要針對負載（電機）的特點：它不僅包含有電阻，而且還有電感和速度反電勢。在剛接通電源時，電機還沒有轉起來，它的速度反電勢為零，因此流過電樞的電流很大，這就要求起控制作用的電子管能通過較大的瞬時電流以保證快速起動；而在突然斷電時，電樞繞組的電感又將感應出較高的電壓，這就要求管 子有較高的耐壓，或者采取有效的保護措施，以免造成擊穿。除此之外，還要求加到電樞兩端的電壓能夠根據(jù)需要改變極性以實現(xiàn)正轉和反轉。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 圖 58 功率放大器輸出級的橋式接法 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，其中 T1 和 T3 組成一個互補對稱電路， T2 和 T4 組成另一個互補對稱電路，而電樞則接到這兩個電路的輸出端之間，形成“橋式接法”（即四個管子形成了電橋的四個臂）。當要求電機正轉時，使 A 端電位上升， B 端電位