【正文】 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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）。在剛接通電源時，電機還沒有轉(zhuǎn)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(yīng)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。 直流電機驅(qū)動電路的輸入信號較小，要對其進行放大之后才能輸出驅(qū)動電機。相對而言，雖然無法控制直流電機的轉(zhuǎn)角，但可以控制直流電機的轉(zhuǎn)速，只要附加一個 直流電機驅(qū)動電路即可達到跟蹤控制的要求，成本很低。 動力單元 因為直流電機是無法精確控制其轉(zhuǎn)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。 表 51 比較電路輸出真值表 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 窗口電路處理信號的工作原理：當(dāng)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(nèi)，此時輸出信號為零，跟蹤平臺不動。當(dāng) 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。 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 55 電壓比較器電路圖 電壓比較器工作原理：當(dāng)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(dāng)輸出信號 Vi大于等于 VR 時，比較器輸出電壓為 VDD。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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 首先將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)化為輸入信號電壓 Vi的變化，然后將其輸入窗口形成電路。由跟蹤原理知，當(dāng)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(dāng)相應(yīng)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(nèi)），信號處理電路應(yīng)輸出信號驅(qū)動平臺跟蹤。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]。光敏電阻的工作原理：當(dāng)入射光的照度發(fā)生改變時，電阻的電導(dǎo)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。 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。如何將這些參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為控制信號并輸出驅(qū)動平臺轉(zhuǎn)動將是本節(jié)研究的重點。 信號處理與控制單元 根據(jù)前面 的設(shè)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(yīng)。通過設(shè)置復(fù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(fù)雜多變的要求，實現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤，這一技術(shù)是整個跟蹤平臺的核心。 設(shè)置復(fù)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(nèi)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。當(dāng)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(dāng)遇到云層遮住太陽或者下雨等其它原因?qū)е绿柶x較遠時，G1 起主導(dǎo)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(dǎo)作用進行精確跟蹤。當(dāng)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(jīng)過處理后驅(qū)動電機使跟 蹤平臺向東轉(zhuǎn)動。其體結(jié)構(gòu)見圖 54：設(shè)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(cè)，用來粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度即方位角；另一對光敏元件（ G G8）南北對稱安裝在暗筒外側(cè)，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角；在暗筒內(nèi)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 暗筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度；另一對光敏元件（ G G7）南北對稱安裝在暗筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽的視高度。怎樣設(shè)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(jié)構(gòu)、低廉的成本很好的解決了這一問題。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，但是都存在著不能大范圍搜索太陽的問題。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。在理論上，跟蹤器應(yīng)對精度范圍內(nèi)光線的任何變化都能做出反應(yīng)。 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(chǔ)上進行改進和創(chuàng)新發(fā)展而來。 自適應(yīng)復(fù)精度跟蹤平臺包括自適應(yīng)復(fù)精度太陽探測單元、信號處理與控制單元、驅(qū)動平臺運行的動力單元及其機械執(zhí)行機構(gòu)，其系統(tǒng)圖如下所示。 自適應(yīng)的含義：該平臺在安裝后就開始 自動工作，不需手動調(diào)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。 自適應(yīng)復(fù)精度太陽跟蹤平臺 復(fù)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。怎樣才能在保證高精度的同時，滿足復(fù)雜多變的光線照射情況，實現(xiàn)完全的自動跟蹤，這內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 一個問題是本課題的核心問題。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(nèi)反應(yīng)出太陽光線的變化。③多云天氣、陰雨天氣。 早上的復(fù)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(fù)位，成本就不會增多。地球繞太陽旋轉(zhuǎn)，會出現(xiàn)晝夜更替現(xiàn)象，當(dāng)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(dāng)?shù)诙煸缟咸柹饡r，跟蹤平臺仍然朝著西邊，無法跟蹤太陽。這種情況就要求傳感探測單元能夠精確反應(yīng)太陽光線的變化，來實現(xiàn)高精度跟蹤。 2）大自然中大氣情況是復(fù)雜多變的，真正的高精度跟蹤，對跟蹤平臺的要求非常高。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(nèi)。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。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(nèi)。 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(fù)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。其優(yōu)點在于控制較精確，而電路也比較容易實現(xiàn)。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(zhuǎn)動。但是，該機構(gòu)只能用于單軸跟蹤，精度很低。根據(jù)密閉容器內(nèi)所裝介質(zhì)的不同，可分為重力差式，氣壓差式，和液壓式。但對于民用來說，不管是將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，還是直 接轉(zhuǎn)換成電能，采光設(shè)備的面積都較小且數(shù)量較少，用該類跟蹤器控制跟蹤不僅會造成資源浪費，其高價位也很難被廣泛接受。 圖 51 控放式跟蹤器工作原理圖 3）采用計算機控制和天文時間器控制的跟蹤器 這類跟蹤器需要大規(guī)模集成電路以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的計算機處理系統(tǒng)來控制工作，成本很高。 2）時鐘式跟蹤器 時鐘式跟蹤器有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時法：根據(jù)太陽在太空中每內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 分鐘的運動角度，計算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，從而確定出電機的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)變動。但是該跟蹤器容易產(chǎn)生過跟蹤的情況，只能用于單軸跟蹤，精度低。利用控放裝置對此動力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動力，使太陽光接收器向西偏轉(zhuǎn)運動。以下列出的幾種跟蹤器是這兩大類中的比較有代表性、應(yīng)用較多的跟蹤器 [11]。而且瓦數(shù)越大，造價降低就越多，這是因為跟蹤所附加的部件設(shè)備，在一定的范圍內(nèi)，（比如說從 200 瓦到800 瓦）基本上沒有什么大變動的緣故。顯然，在現(xiàn)有的技術(shù)下要降低光伏發(fā)電的成本，除了提高光伏電池裝置的能量轉(zhuǎn)換率（第三章中己介紹），光伏電池列陣還需要隨時跟著太陽的運動而運動才能收到最大的輻射能量。此方法既有擾動 法的跟蹤能力，又有電壓反饋法的穩(wěn)定性，減少了系統(tǒng)運行的振蕩。改進之處在于，當(dāng)系統(tǒng)找到最大功率點所對應(yīng)的電壓后，將在此電壓工作一定時間，而不是不停地搜索下去。 該方法的原理與擾動法相似， MPPT 變換器先擾動輸入電壓值（ Upv+△ U），將測得的功率值與擾動之前功率值相比較，若功率值增加則表明擾動方向正確，一定時間間隔后再朝同一方向擾動△ U:若擾動后的功率值小于擾動前的值，則以相同的方式往相反方向擾動△ U。而擾動法則與之相反，雖能自動搜索 VM，但存在擾動輸出問題。 電導(dǎo)增量法的優(yōu)點是當(dāng)太陽能電池的照度發(fā)生變化時，其輸出端 電壓能以較快的方式追隨其變化，電壓波動較擾動法?。蝗秉c是它容易受到雜波信號的干擾而造成較大的誤動作，并且跟蹤算法比較復(fù)雜，必須逐次調(diào)整以趨近于最大功率點，而無法很快調(diào)整至最大功率點，并且在跟蹤的過程中需花費相當(dāng)多的時間去執(zhí)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 Pm=V*I （ 41） dP/dV=I+V* dI/dV =0 （ 42） dI/dV= I/V （ 43） （ 43）式就是達到最大功率點的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負值時，電池工作于最大功率點。其流程圖如 43： 圖 43 擾動法流程圖 光伏電池列陣 DC 變換器 負載 控制器 I V 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 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，它是通過采集光伏電池端的電壓（電流），并根據(jù)其功率對電壓的變化率與輸出電壓、電流之間的關(guān)系來完成最大功率點追蹤的目的。 b)當(dāng)環(huán)境條件快速變化時，會造成跟蹤速度緩慢，無法快速地保持在最大功率點上振蕩。其控制原理圖如下圖 42： 光伏電池列陣 DC 變換器 負載 控制器 V 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 42 擾動法原理圖 擾動法的優(yōu)點是控制電路較簡單，被測參數(shù)少，容易實現(xiàn)，制造成本較低。其原理是先給定一電壓增量（ Upv+△ U），再測量它變化后的功率，與擾動之前功率值相比，若 功率值增加，則表示擾動方向正確，可朝同一方向擾動△ U；若功率值減小，則向相反的方向擾動△ U。此法能夠自動調(diào)節(jié) VM，但存入的數(shù)值是固定的，在設(shè)備狀態(tài)有變化時將會出現(xiàn)較大的誤差。 為克服溫度變化給系統(tǒng)帶來的影響，可以在此基礎(chǔ)上加以改進： a）對給定的 VM通過電位器手動按季節(jié)調(diào)節(jié)。此方法的優(yōu)點為原理簡單，易于實現(xiàn)，但是這種方法忽略了溫度對陣列開路電壓的影響，在溫差較大的場所使用效果不佳。其控制原理是：從生產(chǎn)廠商處獲得 VM 值，通過控制使陣列的輸出電壓鉗位于 VM 值即可實現(xiàn) MPPT，也就是簡單的穩(wěn)壓控制。 常用最大功率點跟蹤方法比較 光伏系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤的控制方法很多，在許多的文獻中都有相關(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、擾動法和電導(dǎo)增量法。因此使光伏電池工作于最大功率點上是一個提高效率的重要途徑，進行最大功率點跟蹤（ Maximum Power Point Tracking）控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)所必需采取的措施。如圖 24 所示，光伏電池的 IV 和 PV 特性曲線都對應(yīng)著一定的光照強度和結(jié)溫條件，這些條件在實際應(yīng)用中會不斷地變化，所以光伏電池的工作點會不斷地在各個曲線之間轉(zhuǎn)移，最大功率點也就會不斷變化位置。 圖 38 半接受角 ?a 與截斷聚焦比 C 的關(guān)系 由于 CPC 聚光器有較大的接收角，所以其南北走向可以作為一個不跟蹤的聚光器來使用，因此系統(tǒng)僅要求在東西方向上跟蹤太陽即可，這大大減少了跟蹤系統(tǒng)的復(fù)雜性和投入，聚光器東西放置即可每天跟蹤太陽位置的變化。 之間。 根據(jù)以上模型，結(jié)合文獻 [11]的公式計算分析，截斷角 θD可選取在 55176。根據(jù)最大聚焦比的計算公式，作截斷之后，最大半接收角 θa 與 CPC 截斷聚焦比 C 之間的關(guān)系如圖 38 所示