太阳光自动跟踪仪系统设计-毕业论文

内蒙古科技大学毕业设计说明书内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书题目：太阳光自动跟踪仪系统设计

摘要以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源己成为人们的共识。光伏发电系统可以直接将太阳光能转换为高品位能源—电能。由于太阳在天空中的位置是不断变化的，为此本文采用了自动跟踪系统。介绍了目前国内太阳跟踪器的发展现状，各类跟踪器的性能特点。对目前跟踪器存在的问题进行了分析，提出了新型自适应复精度太阳跟踪平台和通过单片机控制步进电机的太阳跟踪平台的系列方案。关键词：太阳能自动跟踪内蒙古科技大学毕业设计说明书Abstract目录TOC\o"1-3"\h\z摘要 IAbstract II第一章绪论太阳能光伏发电概述 11.1开发新能源的迫切需要 11.2光伏发电的特点 11.3光伏发电的现状及发展前景 21.4光伏发电系统的简单介绍 41.5本课题研究目的及所做的工作 5第二章光伏电池的研究与分析 62.1光伏电池的原理 62.1.1光伏电池的光伏效应 62.1.2光伏电池的物理模型 72.2光伏电池的输出特性及其影响因素 92.2.1光伏电池的I-V和P-V特性曲线 92.2.2光伏电池的主要参数 102.2.3太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 112.2.4温度对光伏电池输出特性的影响 12第三章光伏发电系统中聚光器的研究与设计 133.1聚光比 133.2典型聚光器的性能分析 143.2.1抛物面反射镜的聚光性能 143.2.2复合抛物面（CPC）聚光器 163.2.3折射式菲涅尔聚光器 173.3聚光器的选择和开发 193.3.1聚光器的选择 193.3.2CPC聚光器的实际应用设计 20第四章光伏电池最大功率点的跟踪 224.1最大功率点跟踪及其实现目标 224.2常用最大功率点跟踪方法比较 224.2.1电压反馈法 224.2.2扰动法 234.2.3电导增量法 254.3最大功率点控制方法的选择及改进—断续扰动法 26第五章自动跟踪系统 275.1自动跟踪器的研究概况 275.1.1国内太阳能自动跟踪器的研究现状 275.1.2目前太阳能自动跟踪器所存在的问题 295.1.3新型跟踪平台的开发 315.2自适应复精度太阳跟踪平台 315.2.1太阳位置探测单元 325.2.2信号处理与控制单元 345.2.3动力单元 375.2.4实际电路 395.3通过单片机控制步进电机的太阳跟踪平台 415.3.1自动跟踪系统的工作原理 415.3.2传感器光敏二极管的工作过程 415.3.3步进电机及其特性 445.3.4基于单片机ADμC812控制的驱动电路 465.3.5自动跟踪的控制电路 545.3.6软件流程 54第六章蓄电池 566.1蓄电池的概念 566.2光伏发电系统蓄电池的选用 566.3铅酸蓄电池的电池反应 576.4铅酸蓄电池的充放电特性 586.5蓄电池容量的设计及其充电特性 606.5.1蓄电池容量的设计 606.5.2蓄电池的充电特性 61第七章结论 62参考文献 63致谢 64内蒙古科技大学毕业设计说明书绪论太阳能光伏发电概述开发新能源的迫切需要人们很难想象，如果没有电人类的生活会变成什么样子。随着社会生产的日益发展，人类对电的需求每年以很大幅度增加，进而对能源的需求也迅速增长。全世界对能源的消耗在1970年约为83亿吨标准煤，而在1995年，这种消耗达到了140亿吨标准煤，即25年间增长了69.7%，并预计，到2020年全世界对能源的消耗会达到195亿吨标准煤。根据公认的估算，如果人类对能源的需求以目前的速度增长，全世界的石油将在今后40年间被耗尽，而天然气和煤也最多分别能维持60年和200年左右。可见，矿物燃料并不是取之不尽的。不仅如此，大量使用化石能源已经开始造成全球变暖，燃煤会通过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性的重金属和放射性物质，严重污染了人类的生存环境[1]。我国拥有居世界第一位的水能资源，居世界第二位的煤炭探明储量，居世界第11位的石油探明可采储量。但由于我国人口众多，人均能源资源严重不足，而我国现在所面临的却是能源需求量成倍增长的严重挑战。因此，采用新能源和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是保护生态环境、走经济社会可持续发展之路的重大措施。这对于世界尤其是我国是十分迫切的。而太阳能资源丰富、分布广泛、可以再生、不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源，所以开发利用太阳能受到越来越普遍的重视，成为目前各国都在研究的重大课题。光伏发电的特点太阳能利用可分为热利用和光伏发电两种方式，热利用主要在采暖领域多，形式比较单一；而光伏发电可以把太阳能转换为当今最普遍的能源利用形式—电能，从而具有热利用不可比拟的优势，同时光伏发电系统与其他发电系统相比具有许多优点[2]：1.太阳能取之不尽，用之不竭，每天照射到地球上的太阳能是人类消耗的能6000倍。光伏发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击。2.太阳能随处可得，就近供电，不必长距离输送，因而避免了输电线路等电能损失。3.太阳能不用燃料，运行成本很小。4.发电部件不易损坏，维护简单。5.光伏发电不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。安装1KW光伏发电系统，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0.6kg。一个4KW的屋顶家用光伏系统，可以满足普通美国家庭用电需要，每年少排放的二氧化碳6.光伏发电系统建设周期短，由于是模块化安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避免了浪费。但是，目前光伏发电与电网供电的比较，光伏发电价格还比较高，不过其维修费用很少，随着发电量的增加，其价格会下降，优势才逐渐体现出来。光伏发电的现状及发展前景上个世纪的70年代，由于两次石油危机的影响，光伏发电在发达国家受到高度重视，发展较快。随着全球性的自然资源过度开发与消耗，环境的污染和破坏，1992年联合国召开了环境与发展“世界首脑会议”，通过了《里约宣言》和《21世纪议程》，走可持续发展道路成为各国长期共同的发展战略，发展新能源和可再生能源己成为非常紧迫的任务，特别是光伏发电更受到各国政府的重视，美国政府最早制定光伏发电的发展规划，1997年又提出“百万屋顶”计划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量己达到3000MW以上，美国连续3年光伏产业均以高于30%的年增长率上升，其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励引起的；瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程，1990年德国提出1000屋顶发电计划，1998年进一步提出10万屋顶计划。1999年德国光伏上网电价为每千瓦时0.99马克，极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场；印度、马来西亚等东南亚国家，也制定了国家的光伏发展计划。澳大利亚一家名为IntegralEnergy的公司己开始销售适合于家庭和办公楼使用的、可与大电网联接的太阳能成套设备。最小的太阳能成套设备发电出力为150W，包括安装费在内的零售价是290美元，占澳大利亚普通家庭每年耗电量的5%，每年可减少温室气体排放350kg。更大的太阳能发电设备出力为2.5KW，零售价为20000美元，完全能满足澳大利亚一般家庭的用电需求。目前，最大的太阳能发电装置出力已达到10MW，1KW的太阳能发电装置每年发电量为1670KWh，这意味着在澳大利亚每年可节省160美元的电费。由于环保和能源持续供应的需要，太阳能光伏发电（即光伏电池）近年来始终保持30～40%的年增长量，因而被誉为全世界增长最快的能源。1999年世界光伏电池总产量为202MW，2001年增为375MW，随着美国“百万个太阳屋顶计划”、“欧洲可再生能源白皮书”和“日本新阳光计划”的实施，到2010年世界光伏电池容量将达20000MW。目前全球20亿无电人口将从中得益[3]。在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是“西部开发”战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决占国土面积加以上的辽阔地区几千万人口的用电问题这一伟大构想己经逐步成为现实。我国西部幅员辽阔、地广人稀、负荷密度小，不利于常规电网的延伸。但是日照时间长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。通过在人口相对集中的地区建立设备容量100kVA以下的独立光伏电站，解决乡村一级基本生产、办公、生活用电需要是提高用电普及率的有效途径；同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源，有利于提离当地的农牧业机械化、自动化水平。1996年，我国由国家计委牵头制定了实施“中国光明工程”的计划。计划到2010年利用风力发电和光伏发电技术解决2300万边远地区人口的用电问题，使他们达到人均拥有发电容量100瓦的水平，相当于届时全国人均拥有发电容量1/3的水平。2001年11月，由国家计委组织实施的“西部省份无电乡通电工程光伏发电站（含风光互补发电站）建设项目”正式启动，该项目是“中国光明工程”计划的重要组成部分，涉及青海省、新疆维吾尔自治区、西藏自治区、内蒙古自治区、甘肃省、四川省、陕西省等七省区。旨在解决西部地区无电乡的基本生活用电问题。另外，中科院电工所先后建成了西藏双湖25kW、安多100kW、班戈70kW和尼玛40kW光伏电站的建设。北京申办2008年奥运成功，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想。要把2008年奥运会办成最成功的一届奥运会，光伏发电应用必然要担当一个重要的角色，在奥运村和运动场馆规划中，太阳能利用及光伏发电站的建设均占主要的地位[4]。光伏发电系统的简单介绍光伏发电系统是直接将太阳光能转换为高品位能源—电能的装置，根据光伏系统与电网的关系，可以分为独立光伏系统和并网发电系统，独立系统常用在远离电网的偏远地区，它利用蓄电池和太阳能电池构成独立的供电系统来向负载提供电能，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由蓄电池进行补充，而当其输出的功率超出负载需求时，将电能储存在蓄电池中；并网系统是将太阳能电池控制系统和民用电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充；而当其输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。基本的光伏发电系统包括光伏电池板、DC/DC变换装置、储能装置、电能输出变换装置、控制器五大部分（如图1-1）。为了提高光伏电池的转换率，光伏电池板部分可以采用聚光器，常用的聚光器有抛物槽、菲涅耳透镜、CPC聚光器、荧光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它们都可以不同程度的提高光伏电池的转换率。光伏电池产生的电流通过DC/DC变换装置可以直接供给各种直流负载，同时为储能装置充电。储能装置一般采用蓄电池，尤其是铅酸蓄电池。在联网光伏电源系统中还要有交流联网装置和电能计量装置。控制器为整个系统的控制核心，负责对系统各运行参数进行检测，并根据预设和判断做出控制指令，使系统能够自动稳定运行，并工作于最佳状态。如果有自动跟踪装置，也是由同一个控制器进行集中控制，来跟踪太阳位置的变化。图1-1.光伏电源系统的一般结构组成独立光伏发电的跟踪系统主要部分如图1-1中A点左侧所示，主要包括聚光器，对太阳的跟踪，最大功率点的跟踪，以及对蓄电池冲放电的控制。本课题研究目的及所做的工作目前太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是光伏系统发电的投入成本太高，如何最大限度提高太阳能的利用率，降低光伏系统发电的成本，这仍是国内外学者的研究热点。针对这一问题本文主要做了如下工作：1.为了在总功率输出相同的情况下使用最少的光伏电池，设计采用聚光器，提高了光伏电池转换效率。2.为使光伏电池工作于最大输出功率点上，获得最大功率输出，对光伏电池输出最大功率点的跟踪方法进行简单研究。3.为了可以提高太阳能的接收效率，最大效率的利用太阳光的辐射，设计了两套自动跟踪平台，使光伏电池始终跟踪太阳光的方向。4.研究了蓄电池的特性及其运行方式。光伏电池的研究与分析光伏电池的原理光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。它的种类很多，大致可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池。其中硅光伏电池包括单晶硅、多晶硅、非晶硅电池；化合物半导体光伏电池包括砷化稼光伏电池等。目前大规模使用的主要是单晶硅和多晶硅电池，因为其资源丰富、转换效率较高（澳大利亚新南威尔士大学的格林教授已将单晶硅电池的转换效率提高到24%），所以现在开发得也最快。光伏电池的光伏效应当适当波长的光照到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光伏效应。例如，当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子—电子和空穴。由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成生电动势，这就是P-N结的光伏效应。由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，从而在内部构成自N区流向P区的光生电流，在P-N结短路情况下构成短路电流Isc。在P-N结开路情况下，P-N结两端建立起光生电势Voc，这就是开路电压。如将P-N结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P-N结起了电源的作用，这就是光电池的基本工作原理。显然，光伏电池之所以能在光照下形成短路电流Isc，开路电压Voc，都是由于材料内部存在内建静电场的缘故。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。图2-1为光伏电池的单元模型和外观。电池单元是光电转换的最小单元，一般不单独作为电源使用。将每个单元进行串、并联并封装后就成为光伏电池组件，功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦，众多光伏电池组件需要再进行串、并联后形成光伏电池阵列，就构成了“太阳能发电机（SolarGenerator）”。这与传统的发电方式是完全不同的：既没有旋转的转动部分，也不排出气体，是清洁的、无噪声的发电机。图2-1单个光伏电池的模型和外观光伏电池的物理模型光伏电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时，可以将光伏电池看作恒流电源。目前使用的光伏电池可看作P-N结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在P-N结为理想状态的情况下，可根据图2-2表示的等效电路来考虑。图2-2理想状态的太阳能电池等效电路图在这种等效电路中，加给负荷的电压V和流过负荷的电流I之间的关系式，可由下式给出。(2-1)其中I为电池单元输出电流；IL为PN结电流（A）；IO为二极管的反向饱和电流（A）；V为外加电压（V）；q是单位电荷（1.6×10k库仑）；K是玻耳兹曼常数（1.38×10J/K）；T是绝对温度（K）；n为二极管指数[5]。但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻RS来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻RSh来等效表示。此时的等效电路可根据图2-3来描述，其伏安特性可由2-2式给出。图2-3实际光伏电池等效电路图（2-2）此式叫做光伏电池的超越方程式。光伏电池的输出特性及其影响因素光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现。而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。光伏电池的I-V和P-V特性曲线光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的P-N结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率P，即P=VI。如图2-4所示[6]。图2-4光伏电池的I-V和P-V特性曲线可以看出，此I-V曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题，在第四章中将对此问题进行研究。在P-V特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，跟I-V曲线说明了同一个问题，这为光伏发电控制方法的改进提供了途径。光伏电池的主要参数光伏电池的几个重要技术参数[7]：1.短路电流Isc：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。2.开路电压Voc：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。3.最大功率点电流（IM）：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。4.最大功率点电压（VM）：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。5.最大输出功率（PM）：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。6.填充因子：（2-3）7.光伏电池的转换效率：输出功率Po与阳光投射到电池表面上的功率Ps之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率，（2-4）以上各个参数可以在图2-5中表示如下：图2-5光伏电池的伏安特性曲线图2-5中，在I-V曲线上总可以找到一工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点（MPP），即图中M点。M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响图2-5中的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。图2-6是温度不变时，不同日照强度下的光伏电池的特性曲线。图2-6不同日照强度下的光伏特性（a）光伏电池的伏安曲线；（b）光伏电池的功率电压曲线从实验中得到，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。光强从200-1000W/m开路电压变化比较平稳。在实验中也发现，当早晨光线不强和中午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大；而天空光线极差时，开路电压会直线下降，几乎为0。而短路电流是随光强的增加而成正比的增加所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径：可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本。温度对光伏电池输出特性的影响温度上升将使光伏电池开路电压Voc下降，短路电流则略微增大，如图2-7是日照强度不变时，不同温度下的光伏电池的特性曲线。由公式可知其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池转换率具有负的温度系数。所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。图2-7不同温度下的光伏特性（a）光伏电池的伏安曲线；（b）光伏电池的功率电压曲线光伏发电系统中聚光器的研究与设计太阳能聚光器的工作原理：利用光学系统（反射或折射器）使较大面积的入射光聚集在较小面积上，提高单位面积上的入射光强度。对于给定的总能量，聚集在较小的面积上意味着较小的热量损失。虽然太阳光经过会聚之后会造成一定的光学损失，流失一部分能量（相对较少），但实验表明在一定程度的光线会聚之后，工作温度有一定程度的提高。具体的聚光器工作原理和性能特点在下文中将予以详细的分析。聚光比聚光器的聚光比，是反映聚光器聚光性能的一个重要参数，在研究聚光器之前，首先要介绍一下太阳能聚光器的聚光比。聚光比C的定义为：聚光器口径面积和接收器吸收面积A吸之比值。具体公式如下[7]：（3-1）聚光比影响着聚光器的工作温度及其成本。对于给定的入射光，聚光比越高，入射光就能会聚到越小的区域，热能的损失越低，聚光器的工作温度相对越高。同时根据经验可知，聚光比越高，聚光器的成本相对也就越贵。图3-1表示聚光器聚光比C和聚焦中心可能达到的最高温度Tmax之间的关系。图3-1聚光比与聚焦中心可能达到的最高温度的关系典型聚光器的性能分析抛物面反射镜的聚光性能理论和实验都已证明抛物面反射镜是能将平行于镜面光轴的光线会聚于焦点的镜面。由于实际的阳光并非平行光，所以阳光经抛物面镜聚焦后，不可能会聚在一点，而是形成一个焦斑区域。在槽形抛物面反射镜中，接收器通常为圆管；聚焦旋转抛物面聚光器的吸收器可以是球体、圆板、也可以是空腔球体。现以槽形抛物面反射镜和圆管接收器为例来分析抛物面反射镜的聚光性能。图3-2为典型的槽形抛物面反射镜的光路图。图3-2槽形抛物面反射镜的光路图聚光器的聚光比根据定义为：（3-2）式中l—槽形抛物面反射镜的长度；B—槽形抛物面反射镜的开口宽度；d—圆管接收器的直径。图3-3槽形抛物面反射镜局部光路分析图由3-2式可知，接收器的直径的大小是由聚光比决定的。如图3-3，与聚光比关系推导如下：（3-3）式中a为太阳张角的半角，具体的角度为16°；R为抛物面上任何一点到接收器中心的距离，根据抛物而的方程求解得到：（3-4）（3-5）θ—位置角，即任意一点的反射光轴与镜面主光轴之间的夹角。θ是变量，3-5式不等号右边的函数是关于θ的函数，不管θ取何值，接收器直径必须满足3-5式。可以将3-5式理解为接收器的直径（越小损失越小）至少要等于右边函数的最大值。所以，通过求出3-5式右边函数的最大值，得到：（3-6）将上式带入3-2式，求得理想情况下槽形抛物面聚光器几何聚光比C的计算式为：（3-7）以上是当接收器为圆管时得到的结果。其它形状的接收器，可以根据相同的原理进行分析[8]。复合抛物面（CPC）聚光器上一小节所提到的抛物面反射镜聚光器进行聚光成像，需要平行于镜面主光轴的光线，也就是聚光器需要接收太阳直射辐射才能工作。所以抛物面反射镜聚光器需要附加跟踪装置工作。但是跟踪装置开发困难、制造成本较高，这使得人们转向寻找一种不用跟踪装置的聚光器。复合抛物面聚光器，是由二片槽形抛物面反射镜以及装设在底部的接收器构成。这种聚光器只聚光不成像，因而不需要跟踪太阳，至多只需要根据季节变化作少量倾斜度的调整。要分析CPC复合聚光器的性能，我们引入这样一个常量—θmax入射光最大张角。其物理含义为：对任意一个复合抛物面聚光器，对于在θmax范围以内的全部入射光线，都按最大聚光比聚集给接收器，超过θmax范围外的光线经过抛物面镜反射回太空。图3-4复合抛物面聚光器的光路分析图如图3-4，已知抛物线U和抛物线V是轴对称的，且抛物线U的焦点fU在抛物线V上，根据对称性原理抛物线V的焦点fV也在抛物线U上；抛物线的主光轴与CPC中轴的夹角为θmax。根据抛物面聚光器的聚光原理以及θA定义，复合抛物面聚光器有：当入射光与CPC中轴的夹角小于θmax时就被抛物面镜直接反射到底部接收器上；当入射光与CPC中轴的夹角等于θmax时，光线就能被抛物面镜反射到底部接收器的边缘点（抛物面焦点fU或fV上）；当入射光与CPC中轴的夹角大于θmax时，都被抛物面镜反射回天空。也就是说，如果抛物镜是理想的，投射在CPC开口上的在±θmax之间的辐射都会被会聚到接收器上。根据已知理论，理想的二维CPC的聚光比为：（3-8）根据3-8式知，CPC的聚光比完全由θmax决定，要得到大的聚光比，θmax就必须减小，但理论及实验均证明θmax减小会导致一年之中调整CPC的次数增加。设计CPC时要注意这些问题。折射式菲涅尔聚光器菲涅尔聚光器是一种使透射的入射光折射聚焦的聚光器，聚光器一面为平面，另一面为按照一定宽度和角度设计的锯齿棱角，如图3-5所示，它可以设计成点聚焦式（圆盘镜），也可以设计成线聚焦式（长条镜）。图3-5菲涅尔透镜聚光方式折射式菲涅尔聚光器的工作原理相对反射式的聚光器来说较简单。阳光从平面一侧透射到另一侧，经过锯齿棱角折射，会聚到一个小的区域范围内，其光学原理如图3-6所示。图3-6菲涅尔折射聚光器的光折射原理设菲涅尔透镜某一锯齿的棱角为Φ，当阳光垂直于透镜平面入射时，根据光的折射几何关系有：（3-9）式中n—材料的折射率；X—某一锯齿棱的中心到主光轴的距离；f—焦距。当材料和焦距确定之后，就可以根据3-9式计算离开主光轴不同距离处每一个锯齿棱的棱角Φ。由3-9式可知，齿棱离中心距离越远，棱角Φ的数值就越大。因为实际的锯齿是有宽度的，所以阳光透过锯齿折射之后并不是会聚在一点，而是一个焦斑区域。齿棱越窄，焦斑区域的面积就越小，菲涅尔聚光器的精度就越高。聚光器的选择和开发聚光器的选择影响太阳能聚光器设计的有如下几个方面：1)制造成本以及使用方便性2)工作温度及性能3)使用寿命及维修性在已有的理论知识基础上设计聚光器时，首先要根据以上因素选择聚光器的类型。不同类型的聚光器，性能还是有一定的区别，表3-1比较了这几种工程上常用太阳能聚光器的性能参数[9]。表3-1常见太阳能聚光器的性能参数比较常用太阳能聚光器的经济性：抛物面反射镜聚光器加工工艺复杂，加工误差较高，制造费用高。同时，使用抛物面反射镜聚光器，必须附加高精度的跟踪装置，这样也提高了成本。而且它在使用过程中还存在着反射层易脱落、随时间推移性能明显下降的问题。复合抛物面聚光器省去了跟踪装置，最多只需对聚光器进行季节性角度调整，降低了整个系统的成本，但是对聚光器进行调整使得系统方便性有所降低。而且就复合抛物面聚光器本身来说，其结构及其制造工艺与抛物面反射镜聚光器基本相同，使用过程中也存在反射层易脱落、随时间推移性能明显下降的问题。为了保证阳光能垂直的入射到表面，菲涅尔聚光器需要精度较高的跟踪装置辅助工作。目前的菲涅尔聚光器，基本上都采用透明塑料挤压成型的加工方法制成，制造方法简单，成本非常低。因为这一优点，现在国际上也在集中发展薄型菲涅尔聚光器。通过对以上三种典型的聚光器的分析对比可知，对于太阳能中温工业所需要的基本工作温度来说，三种聚光器的性能相差不多，选择的关键就是成本问题。抛物面反射镜的制造成本高，同时需要跟踪装置，成本相对最高；复合抛物面镜的制造成本也很高，虽不需跟踪装置，但是使用的方便性有所降低；菲涅尔聚光器的成本非常低廉，制造工艺也非常简单，适合大规模开发应用。如果有了高精低廉的跟踪装置相配合，同时对目前存在的一些问题进行研究解决，其发展前景非常广阔。CPC聚光器的实际应用设计从理论上讲，增大CPC聚光器的开口面积，其聚光比C也越大，但同时高度也跟着增大，在制造时消耗较多材料，这从大规模太阳能应用的经济角度来看是一个比较重要的问题。由于抛物线末端曲率小，反射作用不大，所以对完整的CPC反光板进行截断处理，可以节省反光板材料，而光学效率并不会降低很多。比如在CPC反光板的的高度被截去40%，而聚焦比只不过减少了12%左右，所以可以对CPC聚光器进行截短40%～60%，使高度h变成h'，这在实际的制作中带来极大的方便，而且节省了材料。同时由于聚光度过大会引起光伏电池的转换率下降，所以聚焦比也无须过大。对聚光器进行截断优化处理之后，CPC反光板的横截面如图3-7所示：图3-7截断后的CPC反光板和真空管CPC截面轮廓上的尖顶与真空管之间的间隙是g=12.0mm，r=8.0mm，则尖顶到真空管的切线长t=18.33mm，该切线与水平面的夹角Φ0=66.4°。根据最大聚焦比的计算公式，作截断之后，最大半接收角θa与CPC截断聚焦比C之间的关系如图3-8所示。从图中可以看出，截断聚焦比C随最大半接收角θa增大而减小的趋势较为平缓。根据以上模型，结合文献[11]的公式计算分析，截断角θD可选取在55°～65°之间。使用聚光器后使光伏电池的转换率由原来的10%～14%提高到20%～38%。图3-8半接受角Өa与截断聚焦比C的关系由于CPC聚光器有较大的接收角，所以其南北走向可以作为一个不跟踪的聚光器来使用，因此系统仅要求在东西方向上跟踪太阳即可，这大大减少了跟踪系统的复杂性和投入，聚光器东西放置即可每天跟踪太阳位置的变化。光伏电池最大功率点的跟踪最大功率点跟踪及其实现目标由2.3节光伏电池的输出特性可知，要利用光伏电池发电，为了使其工作于最佳状态，就要使其工作于最大功率点上。如图2-4所示，光伏电池的I-V和P-V特性曲线都对应着一定的光照强度和结温条件，这些条件在实际应用中会不断地变化，所以光伏电池的工作点会不断地在各个曲线之间转移，最大功率点也就会不断变化位置。就某一条曲线而言，光伏电池的端电压变化时，其工作点也会沿着曲线变化。因此使光伏电池工作于最大功率点上是一个提高效率的重要途径，进行最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking）控制是光伏发电系统所必需采取的措施。最大功率点跟踪控制具体到P/V特性曲线上，就是使光伏电池端电压始终处于VM附近[10]。常用最大功率点跟踪方法比较光伏系统中的最大功率点跟踪的控制方法很多，在许多的文献中都有相关探讨，使用不同的控制方法在其复杂程度及效果上是有很大差异的，但目前常用的方法是电压反馈法、扰动法和电导增量法。电压反馈法从光伏电池的P-V曲线上可以看到，各个曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线的两侧，这说明电池的最大功率输出点的对应电压大致在某个值附近，通过控制输出电压的大小，使得光伏电池始终工作在最大功率点附近。其控制原理是：从生产厂商处获得VM值，通过控制使阵列的输出电压钳位于VM值即可实现MPPT，也就是简单的稳压控制。控制原理图如4-1：光伏电池列阵光伏电池列阵DC变换器负载控制器V图4-1电压反馈法原理图在系统对MPPT的要求不高的情况下，可以用此特点简化控制设计。此方法的优点为原理简单，易于实现，但是这种方法忽略了温度对阵列开路电压的影响，在温差较大的场所使用效果不佳。采用电压反馈法控制的比不带MPPT的直接耦合工作方式可获得多至20%的电能。为克服温度变化给系统带来的影响，可以在此基础上加以改进：a）对给定的VM通过电位器手动按季节调节。这种办法不够精确，而且需要人工干预，不利于生活上使用，但具有简单易实现的优点；b）事先将不同温度下测得的VM值存储于微处理器中，实际运行时，微处理器通过阵列上的温度传感器获取阵列温度，通过查表确定当前的VM值。此法能够自动调节VM，但存入的数值是固定的，在设备状态有变化时将会出现较大的误差。扰动法扰动法主要根据光伏电池的P-V特性，通过扰动端电压来寻找MPP，是目前实现MPPT常用的方法之一。其原理是先给定一电压增量（Upv+△U），再测量它变化后的功率，与扰动之前功率值相比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可朝同一方向扰动△U；若功率值减小，则向相反的方向扰动△U。通过不断扰动使光伏电池逐步向最大功率点逼近。其控制原理图如下图4-2：光伏电池列阵光伏电池列阵DC变换器负载控制器IV图4-2扰动法原理图扰动法的优点是控制电路较简单，被测参数少，容易实现，制造成本较低。但仍有下列缺点：a)始终有△U的存在，其输出会有一定的微小波动，在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损失。b)当环境条件快速变化时，会造成跟踪速度缓慢，无法快速地保持在最大功率点上振荡。c)有时受电压、电流的突变影响，会发生程序在运行中的失序（“误判”）现象。其流程图如4-3：图4-3扰动法流程图电导增量法电导增量法（IncrementalconductanceAlgorithm）也是MPPT控制常用的算法，它是通过采集光伏电池端的电压（电流），并根据其功率对电压的变化率与输出电压、电流之间的关系来完成最大功率点追踪的目的。如下所示，通过光伏电池阵列P-V曲线可知最大功率点PM处的斜率为零，即（4-1）、（4-2）式成立，将（4-2）式进行推算便得到（4-3）式。Pm=V*I（4-1）dP/dV=I+V*dI/dV=0（4-2）dI/dV=-I/V（4-3）（4-3）式就是达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出电导的负值时，电池工作于最大功率点。其控制的流程图如图4-4。电导增量法的优点是当太阳能电池的照度发生变化时，其输出端电压能以较快的方式追随其变化，电压波动较扰动法小；缺点是它容易受到杂波信号的干扰而造成较大的误动作，并且跟踪算法比较复杂，必须逐次调整以趋近于最大功率点，而无法很快调整至最大功率点，并且在跟踪的过程中需花费相当多的时间去执行A/D转换。图4-4电导增量法的流程图最大功率点控制方法的选择及改进—断续扰动法如前面所述，电压反馈法虽然简单无扰动，但不能对最大功率点电压VM参考值进行自动调节，应用范围受到很大的限制。而扰动法则与之相反，虽能自动搜索VM，但存在扰动输出问题。针对这些问题，根据最大功率跟踪的要求，本文将两者的优点相结合，提出一种改进方法—断续扰动观察法。该方法的原理与扰动法相似，MPPT变换器先扰动输入电压值（Upv+△U），将测得的功率值与扰动之前功率值相比较，若功率值增加则表明扰动方向正确，一定时间间隔后再朝同一方向扰动△U:若扰动后的功率值小于扰动前的值，则以相同的方式往相反方向扰动△U。通过不断扰动使阵列工作于最大功率点附近。改进之处在于，当系统找到最大功率点所对应的电压后，将在此电压工作一定时间，而不是不停地搜索下去。当温度的变化幅度超过所设置的值时，再启动扰动搜索。此方法既有扰动法的跟踪能力，又有电压反馈法的稳定性，减少了系统运行的振荡。自动跟踪系统太阳在一天中东出西落，一年之中春、夏、秋、冬位置不定。显然，在现有的技术下要降低光伏发电的成本，除了提高光伏电池装置的能量转换率（第三章中己介绍），光伏电池列阵还需要随时跟着太阳的运动而运动才能收到最大的辐射能量。实践表明，一般平板光伏电池采用跟踪装置后，平均输出能量可提高30%以上。而且瓦数越大，造价降低就越多，这是因为跟踪所附加的部件设备，在一定的范围内，（比如说从200瓦到800瓦）基本上没有什么大变动的缘故。自动跟踪器的研究概况国内太阳能自动跟踪器的研究现状目前我国国内的跟踪器基本有两大类：一类是根据地球绕日运行规律计算跟踪运动轨迹的主动式跟踪器；另一类是实时探测太阳对地位置，控制对日角度的被动式跟踪器。以下列出的几种跟踪器是这两大类中的比较有代表性、应用较多的跟踪器[11]。1.主动式跟踪器的典型代表1）控放式跟踪器控放式跟踪器的基本结构如图5-1所示，其原理为：在太阳光接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力。利用控放装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是该跟踪器容易产生过跟踪的情况，只能用于单轴跟踪，精度低。而且跟踪器不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位机构，这又使得跟踪器的成本提高。2）时钟式跟踪器时钟式跟踪器有单轴和双轴两种形式，其控制方法是定时法：根据太阳在太空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。其特点是电路简单，但由于时钟累积误差不断增加，系统的跟踪精度很低；系统需外接电源，日夜不停的运转，浪费能源。图5-1控放式跟踪器工作原理图3）采用计算机控制和天文时间器控制的跟踪器这类跟踪器需要大规模集成电路以及数据库构成的计算机处理系统来控制工作，成本很高。所以，它们一般用于天文台和气象台对太阳的观测或者大型发电厂，面向的是多个采光设各组成的阵列，其跟踪系统利用计算机控制可收到控制精度高、平均成本低的效果。但对于民用来说，不管是将太阳能转换成热能，还是直接转换成电能，采光设备的面积都较小且数量较少，用该类跟踪器控制跟踪不仅会造成资源浪费，其高价位也很难被广泛接受。2.被动式跟踪器的典型代表1）压差式跟踪器压差式跟踪器的基本结构如图5-2所示，其原理为：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使装跟踪器重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式，和液压式。该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。但是，该机构只能用于单轴跟踪，精度很低。图5-2压差式跟踪器工作原理图2）光敏元件比较式跟踪器光敏元件比较式跟踪器利用光敏元件在光照时性能参数发生变化的原理，将四个完全相同的光敏元件分别放置于采光板的东南西北方向边沿处。如果太阳光垂直照射采光板，东西（南北）两个光敏元件接收到的光照强度相同，此时电机不转动。当太阳光线与采光板的法线有一夹角时，光敏元件反应出照度差，信号采集电路采集到光敏元件的信号差值，控制电路将此差值转换成控制信号，驱动电机转动，直至两个光敏元件上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，而电路也比较容易实现。但是这类跟踪器价格昂贵，且不能适应自然界中光线的变化，跟踪效果不太理想。目前太阳能自动跟踪器所存在的问题根据前面所介绍的典型跟踪器可知：主动式跟踪系统属于不可逆跟踪，在跟踪过程中遇到云彩遮住太阳时，只能以一定速度继续运行，以保证太阳复出后能使跟踪不至于间断；在跟踪过程中，系统对控制误差和机械传动误差无法修正，造成较大的累积误差，跟踪精度会随时间推移降低。跟踪的目的在于提高入射能量密度，如果精度低，跟踪效率低，跟踪装置还额外提高了成本，在太阳能利用系统中添加跟踪器就失去了原来的意义。虽然采用计算机控制和天文时间器控制的跟踪器精度较高，但其高昂的成本不适合民用，所以这些跟踪器都不在本课题的研究范围内。被动式跟踪系统不受地理位置的限制，跟踪精度较高，具有很大的发展潜力。其中成本相对较低、精度较高的光敏元件控制式跟踪器属于比较理想的跟踪器。但这种跟踪器只是从理论上来看比较理想，要把理论变成实际产品，要开发出真正廉价、高精、实用的自动跟踪平台，在理论基础上还得解决以下的问题：1）光敏元件比较式跟踪器虽然原理简单，但目前市场上的价格相对于民用来说还是很高。成本问题是制约太阳能运用发展的一个重要问题，如果想普及太阳能的运用，使之为市场所接受，就必须将其价格降低到市场可以接收的范围之内。如何在保证跟踪效果基础上尽量的降低成本，是本课题组重点研究的问题之一。2）大自然中大气情况是复杂多变的，真正的高精度跟踪，对跟踪平台的要求非常高。在大自然中可能出现：①太阳的由东向西的运动（相对地球）。这种情况就要求传感探测单元能够精确反应太阳光线的变化，来实现高精度跟踪。②昼夜更替。地球绕太阳旋转，会出现昼夜更替现象，当太阳落山时，跟踪平台跟踪太阳面朝向西边，然后停止工作，当第二天早上太阳升起时，跟踪平台仍然朝着西边，无法跟踪太阳。这种情况就要求跟踪平台在早上能够复位。早上的复位工作可以用机械装置来完成，但是该方法成本较高，如果采用传感控制电路来控制跟踪平台完成复位，成本就不会增多。这样就要求跟踪平台的传感探测单元能够在早上反应出太阳光线的大范围变化，快速复位。③多云天气、阴雨天气。太空中的云朵会遮住太阳，这时跟踪平台的传感单元无法反映出太阳光线的变化，当云彩过后太阳可能偏离较大的角度。这种情况就要求跟踪平台的传感探测单元能够在较大范围内反应出太阳光线的变化。设计跟踪平台的时候要考虑到以上要求。怎样才能在保证高精度的同时，满足复杂多变的光线照射情况，实现完全的自动跟踪，这一个问题是本课题的核心问题。新型跟踪平台的开发为了解决上一小节所述问题，满足复杂多变的光线照射情况，本课题提出了两套方案：一种是自适应复精度太阳跟踪平台；另一种是通过单片机控制步进电机的太阳跟踪平台。自适应复精度太阳跟踪平台复精度的含义：跟踪平台有两套（不同精度的）跟踪探测单元，可大范围搜索太阳（这称之为粗跟踪），一旦跟踪到一定范围，则启动精确跟踪单元对太阳进行精确跟踪。通过采用复精度探测单元，满足太阳复杂多变的照射情况要求，实现自适应跟踪，这是本系统的核心技术。自适应的含义：该平台在安装后就开始自动工作，不需手动调整，而且能够自动根据光线的偏移情况，启动不同的精度跟踪单元跟踪太阳，属于装后不管的“傻瓜”型跟踪平台。该跟踪平台跟踪控制系统的设计考虑了经济性问题，在保证工作性能的同时大大降低了成本提高了性价比。自适应复精度跟踪平台包括自适应复精度太阳探测单元、信号处理与控制单元、驱动平台运行的动力单元及其机械执行机构，其系统图如下所示。图5-3跟踪平台系统图本平台的工作原理是：在日光下，平台的自适应复精度探测单元自动搜索太阳的位置，系统自动将太阳方位与平台所正对着的方位进行比较，当两者不一致时，探测单元发出信号，信号经放大处理传至控制单元控制普通直流电机，驱动平台跟踪太阳；粗跟踪找到太阳的大致方位后，精跟踪自动对太阳进行精确定位，驱动平台运行至精确对准太阳为止。太阳位置探测单元本跟踪平台是在传统光敏元件比较跟踪器的基础上进行改进和创新发展而来。传统比较跟踪器的传感探测单元存在着很大问题，不能满足复杂多变大气的需要。在理论上，跟踪器应对精度范围内光线的任何变化都能做出反应。但是在现实情况中，如果光敏元件没有受到适当的保护，在很大程度上就会受到环境散射光的影响，跟踪器只能对太阳光线较大的变化做出反应，跟踪精度大大降低。所以目前这类跟踪器都对其光敏元件进行环境光屏蔽保护，保证精度。但由于加上了这些屏蔽结构，当面临乌云、阴雨天气过后或者昼夜交替等太阳光线偏离较远的情况时，太阳位置变化很大，屏蔽结构会屏蔽太阳光线的变化，光敏元件就不能做出反应，跟踪器不能及时跟踪上太阳光线。所以，目前的这类跟踪器虽然加上了屏蔽结构精确跟踪太阳，但是都存在着不能大范围搜索太阳的问题。在上面章节中，已经讨论了复杂多变的大气对跟踪平台提出的要求，现有的跟踪器是无法完全满足这些要求的。怎样设计探测传感探测单元才能使跟踪平台能够大范围的搜索太阳（粗跟踪），又能对太阳进行精确跟踪呢？本课题采用简单的结构、低廉的成本很好的解决了这一问题。自适应复精度太阳位置探测单元主要是由8只经过挑选的性能优良的光敏元件和8只电阻组成。其体结构见图5-4：设置一个暗筒，在暗筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4只光敏元件：其中一对光敏元件（G1、G4）东西对称安装在暗筒外侧，用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角；另一对光敏元件（G5、G8）南北对称安装在暗筒外侧，用来粗略检测太阳的视高度即高度角；在暗筒内部，东、南、西、北四个方向上也分别布置4只光敏元件：其中一对光敏元件（G2、G3）东西对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度；另一对光敏元件（G6、G7）南北对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳的视高度。图5-4传感器结构示意图自适应复精度太阳位置探测单元的工作原理：以东西方向（即方位角）为例，假设太阳的高度角是不变的，即假设暗筒在高度方向始终对准太阳。当早上太阳从东方升起的时候，光敏元件G4接受到的光强（阳面）大于G1接受到的光强（阴面），因此输出一个正的差动信号给窗口形成电路，经过处理后驱动电机使跟踪平台向东转动。当转动到一定的精度范围内，太阳偏离不太远时，与G4并联的G2（暗筒屏蔽了环境散射光干扰）开始起主导作用，使暗筒精确对准太阳。当太阳向西偏移时，G1和G3分别起作用使平台向西跟踪太阳，当遇到云层遮住太阳或者下雨等其它原因导致太阳偏离较远时，G1起主导作用进行较大范围的搜索跟踪，到一定精度后G3慢慢起主导作用进行精确跟踪。高度角的跟踪基本原理及工作方式与之类似，在此省略。设置复精度探测单元优点在于：暗筒对外界环境的散射光及其它干扰光线进行了很大程度的屏蔽，使得外界的干扰光源对跟踪效果的影响降低，保证了筒内探测单元的精度；而暗筒外的光敏元件在接收器的主光轴与太阳光线偏离很远时能够发挥功能，解决了乌云、阴雨天气、日夜交替等对跟踪效果的影响。传统的跟踪器只是一套太阳探测单元，不能满足太阳光线复杂多变的要求，不能实现对太阳的完全自动跟踪。通过设置复精度探测单元，使跟踪平台既能大范围的搜索太阳（粗跟踪），又能对太阳进行精确跟踪，完全满足太阳光线复杂多变的要求，实现自适应跟踪，这一技术是整个跟踪平台的核心。探测单元的结构简单，只是多加了一些廉价的电子元件，跟踪平台的性价比较高。信号处理与控制单元根据前面的设计，太阳位置探测单元能够探测出太阳的位置，依赖于光敏元件对太阳光线变化做出的反应。但是光敏元件对太阳光线做出的反应是本身参数的改变（例如电阻值发生改变），而不是驱动信号。如何将这些参数的变化转化为控制信号并输出驱动平台转动将是本节研究的重点。1.光敏元件的选择不同的光敏元件对光线变化做出的反应是不同的，相应的信号处理电路也要根据元件本身的性能进行设计，所以光敏元件的选择是信号处理控制单元设计工作的第一步。在常用的光敏元件中，光敏电阻具有工艺简单、体积小、性能稳定、灵敏度高以及成本低等特点。它的用途很广，可用于物体检测、光电检测、光电控制、自动报警等方面。光敏电阻的工作原理：当入射光的照度发生改变时，电阻的电导率会随之发生改变，表现出来的是电阻的阻值发生变化。用光敏电阻实现信号采集时，其输出信号只与照射在两个光敏电阻上光强的相对值有关，不受外界环境的影响，增加了装置的抗干扰能力。这些特点都很适合本课题研究开发的需求，所以选择光敏电阻为信号采集元件[12]。2.窗口形成电路由上一小节知，光敏电阻将阳光强度的变化转变为电阻阻值的变化，信号处理电路处理的是电阻的变化。由跟踪原理知，当两个光敏电阻的照度差（有正有负）较小或为零时（精度范围之外），信号处理电路是不会输出信号的；当相应的两个光敏电阻的照度差（有正有负）达到一定数值的时候（精度范围内），信号处理电路应输出信号驱动平台跟踪。针对这些要求，本课题专门设计了相应的信号处理电路。首先将电阻阻值的变化转化为输入信号电压Vi的变化，然后将其输入窗口形成电路。窗口形成电路主要有四个电压比较器及附属元件组成。比较器的基本电路如图5-5所示，参考电压VR加于比较器的反相端，输入信号电压Vi加于比较器的同相端。VDD和Vss（值为0）为比较器的正、负电源。图5-5电压比较器电路图电压比较器工作原理：当输入信号电压Vi小于参考电压VR时，比较器输出电压V0为0；当输出信号Vi大于等于VR时，比较器输出电压为VDD。根据输入信号电压Vi随着阻值的变化作线性变化这一规律，得出比较器的输入-输出波形如图5-6所示。图5-6电压比较器输入输出波形图由这样的比较器组成的一组窗口比较电路如图5-7所示，图中A、B为比较器，C为“与非门”电路，高电平参考电压为VREF(H)，低电平参考电压为VREF(L)。图5-7单组窗口比较电路图单组窗口比较电路工作原理：当Vi在VREF(H)和VREF(L)之间时，比较器A与B皆输出高电平，与非门输出低电平。当Vi在VREF(H)∶VREF(L)范围之外时，比较器A的输出电平与比较器B的输出电平高低相反，所以与非门输出高电平。当Vi在窗口范围以内，无信号输出；当Vi超出了窗口范围，就会产生输出信号；通过这种方法对Vi就加以区别了，其真值表如表5-1所示。表5-1比较电路输出真值表窗口电路处理信号的工作原理：当两个光敏电阻受到的照度相同时，输入电压Vi在VREF(H)∶VREF(L)范围之内，此时输出信号为零，跟踪平台不动。当两个光敏电阻受到的照度不同时，输入电压Vi会发生改变，随着照度差的增加，Vi逐渐超过了VREF(H)∶VREF(L)这一范围，此时窗口电路会输出一个信号驱动跟踪平台转动，实现对太阳的跟踪。动力单元1.电机的选择因为直流电机是无法精确控制其转动角度的，所以目前太阳能跟踪器常用的动力单元为步进电机。但是步进电机也有较大的缺点：步进电机输出力矩小且昂贵，会使得整个系统的性价比下降。相对而言，虽然无法控制直流电机的转角，但可以控制直流电机的转速，只要附加一个直流电机驱动电路即可达到跟踪控制的要求，成本很低。在满足性能要求的情况下，本方案选择性价比较高的直流电机。2.直流电机驱动电路直流电机驱动电路的输入信号较小，要对其进行放大之后才能输出驱动电机。在确定功率放大器输出电路的具体方案时，首先要针对负载（电机）的特点：它不仅包含有电阻，而且还有电感和速度反电势。在刚接通电源时，电机还没有转起来，它的速度反电势为零，因此流过电枢的电流很大，这就要求起控制作用的电子管能通过较大的瞬时电流以保证快速起动；而在突然断电时，电枢绕组的电感又将感应出较高的电压，这就要求管子有较高的耐压，或者采取有效的保护措施，以免造成击穿。除此之外，还要求加到电枢两端的电压能够根据需要改变极性以实现正转和反转。图5-8功率放大器输出级的桥式接法根据上述情况，采用了如图5-8所示的方案，由T1-T4组成的功率放大器输出级，其中T1和T3组成一个互补对称电路，T2和T4组成另一个互补对称电路，而电枢则接到这两个电路的输出端之间，形成“桥式接法”（即四个管子形成了电桥的四个臂）。当要求电机正转时，使A端电位上升，B端电位下降，则T1和T4导通，有电流沿图中的实线流过电枢，产生正向力矩；当要求电机反转时，则要使A端电位下降，B端电位上升，有电流沿图中的虚线流过电枢，产生反向力矩；当AB两端为等电位时，则电枢两端也是等电位，因此电机不转。这种接法的优点是，通过两对管子的互相切换，电源电压只需要24V就可以使电枢两端得到20V左右的电压而且还能倒换极性，对管子的耐压要求较低。降低管子的耐压还可以减少出现二次击穿的可能性。为了进一步抑制电感性负载在突然断电时所产生的高电压，在每个晶体管两端都（反向）并接着一个二极管（D1-D4），从图中可以看到，不论电枢两端的电压是什么极性，只要它大于24V，总会有一对二极管会导通，使电枢电压的最大值不超过24V，就不会造成功率管过压的现象。此外，可以利用电感性负载在断电时产生的电压进行电机制动。当UAB由某一数值突然回到零（即AB两点等电位）时，设原来电枢为正转，其极性为左正右负，则此时将有电流由电枢的正端经T3和T2回到负端（其路线为+→Re3→b3→A→B→b2→e2→Re2→-），对电机进行制动，则停转迅速，反之亦然。实际电路图5-9为本跟踪平台的实际电路图。实际电路中有很多详细的设计需要加以说明：1）调整RW1∶RW4可以控制窗口大小，以达到控制跟踪精度的目的，适当控制精度可以使得电机不反复启动。2）实际电路在电机控制比较电路的基础上加入射极输出器形成复合驱动级，复合驱动级由T1∶T6组成。射极输出器的带负载能力强，可以减小比较器的负载，提高驱动能力，改善放大电路工作情况。3）为保护系统，设置光控开关TG1，当光线达到一定强度时才接通电源，屏蔽干扰光。4）由于南北方向的跟踪运动相对于东西方向的跟踪运动较少，所以设置异或门控制南北方向启动和停止，达到省电的目的。5）当跟踪范围过大时，接收器转动角度过大，可能会出现电线缠绕的现象，必须对接收器的极限位置进行限制。所以，设置两个位置开关K1、K2，当接收器转动到设定的极限位置时K1闭合，此时T20截止，T1、T2、T7、T8不能工作，只有T3、T4、T5、T6可以工作，意味着电机只可能反转，输出反向力矩。当正向信号输入时，电机不工作，只有反向信号输入时，电机才工作，以此防止接收器超出极限位置。K2的工作原理与K1相同，在此省略。6）跟踪精度：太阳光线偏转1.5°左右，跟踪平台就能做出反应，对太阳进行跟踪。通过这些细节设置，使得实际电路能满足控制要求，实现对机械部分的自适应复精度控制。图5-9控制电路实际电路图本节详细介绍了自适应复精度跟踪平台控制系统的结构、工作原理、性能特点等。包括对太阳探测单元、信号处理及控制单元、动力单元的设计思想和内容的介绍，并给出了控制部分的实际电路。通过单片机控制步进电机的太阳跟踪平台自动跟踪系统的工作原理自动跟踪系统基本结构如图5-10所示，主要由单片机、传感器、步进电机等组成。它的基本原理是：当太阳光照射到传感器上时，把电池列阵和太阳位置偏差（即列阵平面与阳光不垂直时）给出的传感信号，经过前置放大器放大、电压跟随器后保存到单片机中，由单片机进行一定的处理后控制步进电机转动，使聚光器随着太阳移动而移动，从而达到跟踪的目的。自动跟踪系统要实现的工作过程是：从早上时开始跟踪太阳位置的变化，使聚光器始终接收到最强的太阳辐射，当太阳落下或者天空光线极差时，聚光器自动回复到朝向东方的初始位置，再检测到太阳升起或天空光线变强时，继续跟踪最强的光照[13]。图5-10自动跟踪系统结构传感器光敏二极管的工作过程光敏二极管CDS是一种电阻值随光照强度变化而变化的感光电阻，本系统采用3个光敏电阻作为传感器来检测天空光线的变化，跟踪太阳的位置。光敏电阻的特性与人眼最为接近，所以适合可见光的测量。选用的型号是GL5516，它的暗电阻为100K欧，亮电阻为5～l0K欧。CDS的阻值变化与光照的变化之间的关系是线性的，它的阻值的变化是在一个范围内沿着一条直线上升或下降，如图5-11所示。3个光敏电阻中，CDS1用于判断是白天还是黑夜，另外两个光敏电阻CDS2和CDS3用于测量聚光器与太阳位置的偏差，CDS1的优先级高于CDS2和CDS3。图5-11照度－电阻特性光敏电阻分别与滑动变阻器、和两个5K的电阻共同构成惠斯电桥。如图5-12所示。该型号的电阻值较小，所以滑动变阻器比较难容易得到，电桥比较容易组建。电压前置放大器为差动放大器，它将桥臂的输出信号放大，再经电压跟随器741，由单片机ADμC812内置12位高精度的自校准模数转换器进行A/D转换，然后进行数据处理。电压跟随器作用是提高电压信号的负载能力，防止信号受A/D负载的影响。有3路这样的电桥同时采集信号到单片机中。由于ADμC812内置A/D转换器，所以使电路设计减少了设计的复杂性，也减小了电路的体积。它的A/D转换器是一个8通道单电源12位逐次逼近的转换器，线性误差为士1/2LSB，转换时间为5μs，可以提供内部2.5V参考电源，同时也可以外接从2.5V到AVDD的参考电源，通过ADCCON1-3三个特殊功能寄存器来控制A/D转换，转换结果可保存在ADCDATAH/L二个特殊功能寄存器中，转换数据的低8位保存在ADCDATAL寄存器中，而高4位保存在ADCDATAH的低4位中，ADCDATAH的高四位用来保存采样的通道号。如果采样数据较大，如以200kHz的速率对被输入的模拟信号进行连续采样，这时自动采用DMA模式，将采样数据直接保存在外部数据存储器中，采样结束后再对数据进行处理。ADμC812的ADC模块正常工作的模拟输入范围为0～+2.5V，允许输入的电压范围只能为正电压0～+5V。经实验证明，若输入的模拟电压超过+2.5V（最大值为+5V），ADC的采样结果为最大值（OFFFH），虽然结果不对，但并没有影响ADuC812正常工作；但是，一旦输入负的模拟电压，则会影响ADμC812正常工作，表现为ADC的基准电压（VREF=+2.5V）消失和采样结果不正确，且若长时间输入负电压，将有可能损坏芯片。因此，在实际应用中，若发现启动ADC之后VREF端无电压，则应立即将芯片复位，并检查模拟输入信号的采集放大部分。在确保进入ADμC812的模拟信号在0～+2.5V范围内