太陽光自動(dòng)跟蹤儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題目：太陽光自動(dòng)跟蹤儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷耗用將愈來愈不適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要，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(shí)。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以直接將太陽光能轉(zhuǎn)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(dòng)跟蹤系統(tǒng)。介紹了目前國內(nèi)太陽跟蹤器的發(fā)展現(xiàn)狀，各類跟蹤器的性能特點(diǎn)。對目前跟蹤器存在的問題進(jìn)行了分析，提出了新型自適應(yīng)復(fù)精度太陽跟蹤平臺(tái)和通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽跟蹤平臺(tái)的系列方案。關(guān)鍵詞：太陽能自動(dòng)跟蹤內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書Abstract目錄TOC\o"1-3"\h\z摘要 IAbstract II第一章緒論太陽能光伏發(fā)電概述 11.1開發(fā)新能源的迫切需要 11.2光伏發(fā)電的特點(diǎn) 11.3光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 21.4光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡單介紹 41.5本課題研究目的及所做的工作 5第二章光伏電池的研究與分析 62.1光伏電池的原理 62.1.1光伏電池的光伏效應(yīng) 62.1.2光伏電池的物理模型 72.2光伏電池的輸出特性及其影響因素 92.2.1光伏電池的I-V和P-V特性曲線 92.2.2光伏電池的主要參數(shù) 102.2.3太陽的光照強(qiáng)度對光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響 112.2.4溫度對光伏電池輸出特性的影響 12第三章光伏發(fā)電系統(tǒng)中聚光器的研究與設(shè)計(jì) 133.1聚光比 133.2典型聚光器的性能分析 143.2.1拋物面反射鏡的聚光性能 143.2.2復(fù)合拋物面（CPC）聚光器 163.2.3折射式菲涅爾聚光器 173.3聚光器的選擇和開發(fā) 193.3.1聚光器的選擇 193.3.2CPC聚光器的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì) 20第四章光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤 224.1最大功率點(diǎn)跟蹤及其實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 224.2常用最大功率點(diǎn)跟蹤方法比較 224.2.1電壓反饋法 224.2.2擾動(dòng)法 234.2.3電導(dǎo)增量法 254.3最大功率點(diǎn)控制方法的選擇及改進(jìn)—斷續(xù)擾動(dòng)法 26第五章自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 275.1自動(dòng)跟蹤器的研究概況 275.1.1國內(nèi)太陽能自動(dòng)跟蹤器的研究現(xiàn)狀 275.1.2目前太陽能自動(dòng)跟蹤器所存在的問題 295.1.3新型跟蹤平臺(tái)的開發(fā) 315.2自適應(yīng)復(fù)精度太陽跟蹤平臺(tái) 315.2.1太陽位置探測單元 325.2.2信號(hào)處理與控制單元 345.2.3動(dòng)力單元 375.2.4實(shí)際電路 395.3通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽跟蹤平臺(tái) 415.3.1自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的工作原理 415.3.2傳感器光敏二極管的工作過程 415.3.3步進(jìn)電機(jī)及其特性 445.3.4基于單片機(jī)ADμC812控制的驅(qū)動(dòng)電路 465.3.5自動(dòng)跟蹤的控制電路 545.3.6軟件流程 54第六章蓄電池 566.1蓄電池的概念 566.2光伏發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的選用 566.3鉛酸蓄電池的電池反應(yīng) 576.4鉛酸蓄電池的充放電特性 586.5蓄電池容量的設(shè)計(jì)及其充電特性 606.5.1蓄電池容量的設(shè)計(jì) 606.5.2蓄電池的充電特性 61第七章結(jié)論 62參考文獻(xiàn) 63致謝 64內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書緒論太陽能光伏發(fā)電概述開發(fā)新能源的迫切需要人們很難想象，如果沒有電人類的生活會(huì)變成什么樣子。隨著社會(huì)生產(chǎn)的日益發(fā)展，人類對電的需求每年以很大幅度增加，進(jìn)而對能源的需求也迅速增長。全世界對能源的消耗在1970年約為83億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而在1995年，這種消耗達(dá)到了140億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，即25年間增長了69.7%，并預(yù)計(jì)，到2020年全世界對能源的消耗會(huì)達(dá)到195億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)公認(rèn)的估算，如果人類對能源的需求以目前的速度增長，全世界的石油將在今后40年間被耗盡，而天然氣和煤也最多分別能維持60年和200年左右?？梢姡V物燃料并不是取之不盡的。不僅如此，大量使用化石能源已經(jīng)開始造成全球變暖，燃煤會(huì)通過煤渣和煙塵放出大量有化學(xué)毒性的重金屬和放射性物質(zhì)，嚴(yán)重污染了人類的生存環(huán)境[1]。我國擁有居世界第一位的水能資源，居世界第二位的煤炭探明儲(chǔ)量，居世界第11位的石油探明可采儲(chǔ)量。但由于我國人口眾多，人均能源資源嚴(yán)重不足，而我國現(xiàn)在所面臨的卻是能源需求量成倍增長的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此，采用新能源和可再生能源以逐漸減少和替代化石能源的使用，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、走經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展之路的重大措施。這對于世界尤其是我國是十分迫切的。而太陽能資源豐富、分布廣泛、可以再生、不污染環(huán)境，是國際社會(huì)公認(rèn)的理想替代能源，所以開發(fā)利用太陽能受到越來越普遍的重視，成為目前各國都在研究的重大課題。光伏發(fā)電的特點(diǎn)太陽能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多，形式比較單一；而光伏發(fā)電可以把太陽能轉(zhuǎn)換為當(dāng)今最普遍的能源利用形式—電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢，同時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)點(diǎn)[2]：1.太陽能取之不盡，用之不竭，每天照射到地球上的太陽能是人類消耗的能6000倍。光伏發(fā)電安全可靠，不會(huì)遭受能源危機(jī)或燃料市場不穩(wěn)定的沖擊。2.太陽能隨處可得，就近供電，不必長距離輸送，因而避免了輸電線路等電能損失。3.太陽能不用燃料，運(yùn)行成本很小。4.發(fā)電部件不易損壞，維護(hù)簡單。5.光伏發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，沒有污染、噪聲等公害，對環(huán)境無不良影響，是理想的清潔能源。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0.6kg。一個(gè)4KW的屋頂家用光伏系統(tǒng)，可以滿足普通美國家庭用電需要，每年少排放的二氧化碳6.光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽能計(jì)算器的幾個(gè)毫瓦，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負(fù)荷的增減，任意添加或減少太陽電池容量，既方便靈活，又避免了浪費(fèi)。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)勢才逐漸體現(xiàn)出來。光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展前景上個(gè)世紀(jì)的70年代，由于兩次石油危機(jī)的影響，光伏發(fā)電在發(fā)達(dá)國家受到高度重視，發(fā)展較快。隨著全球性的自然資源過度開發(fā)與消耗，環(huán)境的污染和破壞，1992年聯(lián)合國召開了環(huán)境與發(fā)展“世界首腦會(huì)議”，通過了《里約宣言》和《21世紀(jì)議程》，走可持續(xù)發(fā)展道路成為各國長期共同的發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展新能源和可再生能源己成為非常緊迫的任務(wù)，特別是光伏發(fā)電更受到各國政府的重視，美國政府最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃，1997年又提出“百萬屋頂”計(jì)劃，能源部和有關(guān)州政府制定了光伏發(fā)電的財(cái)政補(bǔ)貼政策，總光伏安裝量己達(dá)到3000MW以上，美國連續(xù)3年光伏產(chǎn)業(yè)均以高于30%的年增長率上升，其主要原因是光伏組件并網(wǎng)應(yīng)用和政策激勵(lì)引起的；瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也紛紛制定光伏發(fā)展計(jì)劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程，1990年德國提出1000屋頂發(fā)電計(jì)劃，1998年進(jìn)一步提出10萬屋頂計(jì)劃。1999年德國光伏上網(wǎng)電價(jià)為每千瓦時(shí)0.99馬克，極大地刺激了德國乃至世界的光伏市場；印度、馬來西亞等東南亞國家，也制定了國家的光伏發(fā)展計(jì)劃。澳大利亞一家名為IntegralEnergy的公司己開始銷售適合于家庭和辦公樓使用的、可與大電網(wǎng)聯(lián)接的太陽能成套設(shè)備。最小的太陽能成套設(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。更大的太陽能發(fā)電設(shè)備出力為2.5KW，零售價(jià)為20000美元，完全能滿足澳大利亞一般家庭的用電需求。目前，最大的太陽能發(fā)電裝置出力已達(dá)到10MW，1KW的太陽能發(fā)電裝置每年發(fā)電量為1670KWh，這意味著在澳大利亞每年可節(jié)省160美元的電費(fèi)。由于環(huán)保和能源持續(xù)供應(yīng)的需要，太陽能光伏發(fā)電（即光伏電池）近年來始終保持30～40%的年增長量，因而被譽(yù)為全世界增長最快的能源。1999年世界光伏電池總產(chǎn)量為202MW，2001年增為375MW，隨著美國“百萬個(gè)太陽屋頂計(jì)劃”、“歐洲可再生能源白皮書”和“日本新陽光計(jì)劃”的實(shí)施，到2010年世界光伏電池容量將達(dá)20000MW。目前全球20億無電人口將從中得益[3]。在我國，隨著國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展、綜合國力的不斷提高和科技的進(jìn)步，特別是“西部開發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，利用西部地區(qū)豐富的太陽能、風(fēng)能資源解決占國土面積加以上的遼闊地區(qū)幾千萬人口的用電問題這一偉大構(gòu)想己經(jīng)逐步成為現(xiàn)實(shí)。我國西部幅員遼闊、地廣人稀、負(fù)荷密度小，不利于常規(guī)電網(wǎng)的延伸。但是日照時(shí)間長，日射強(qiáng)度大，為光伏發(fā)電提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。通過在人口相對集中的地區(qū)建立設(shè)備容量100kVA以下的獨(dú)立光伏電站，解決鄉(xiāng)村一級基本生產(chǎn)、辦公、生活用電需要是提高用電普及率的有效途徑；同時(shí)獨(dú)立光伏電站還可為小型農(nóng)場、畜牧養(yǎng)殖中心提供電源，有利于提離當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化水平。1996年，我國由國家計(jì)委牽頭制定了實(shí)施“中國光明工程”的計(jì)劃。計(jì)劃到2010年利用風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)解決2300萬邊遠(yuǎn)地區(qū)人口的用電問題，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)全國人均擁有發(fā)電容量1/3的水平。2001年11月，由國家計(jì)委組織實(shí)施的“西部省份無電鄉(xiāng)通電工程光伏發(fā)電站（含風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電站）建設(shè)項(xiàng)目”正式啟動(dòng)，該項(xiàng)目是“中國光明工程”計(jì)劃的重要組成部分，涉及青海省、新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)、甘肅省、四川省、陜西省等七省區(qū)。旨在解決西部地區(qū)無電鄉(xiāng)的基本生活用電問題。另外，中科院電工所先后建成了西藏雙湖25kW、安多100kW、班戈70kW和尼瑪40kW光伏電站的建設(shè)。北京申辦2008年奧運(yùn)成功，提出了“綠色奧運(yùn)、人文奧運(yùn)、科技奧運(yùn)”的指導(dǎo)思想。要把2008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)場館規(guī)劃中，太陽能利用及光伏發(fā)電站的建設(shè)均占主要的地位[4]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的簡單介紹光伏發(fā)電系統(tǒng)是直接將太陽光能轉(zhuǎn)換為高品位能源—電能的裝置，根據(jù)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)的關(guān)系，可以分為獨(dú)立光伏系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，獨(dú)立系統(tǒng)常用在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，它利用蓄電池和太陽能電池構(gòu)成獨(dú)立的供電系統(tǒng)來向負(fù)載提供電能，當(dāng)太陽能電池輸出電能不能滿足負(fù)載要求時(shí)，由蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充，而當(dāng)其輸出的功率超出負(fù)載需求時(shí)，將電能儲(chǔ)存在蓄電池中；并網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池控制系統(tǒng)和民用電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng)太陽能電池輸出電能不能滿足負(fù)載要求時(shí)，由電網(wǎng)來進(jìn)行補(bǔ)充；而當(dāng)其輸出的功率超出負(fù)載需求時(shí)，將電能輸送到電網(wǎng)中?；镜墓夥l(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池板、DC/DC變換裝置、儲(chǔ)能裝置、電能輸出變換裝置、控制器五大部分（如圖1-1）。為了提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率，光伏電池板部分可以采用聚光器，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。光伏電池產(chǎn)生的電流通過DC/DC變換裝置可以直接供給各種直流負(fù)載，同時(shí)為儲(chǔ)能裝置充電。儲(chǔ)能裝置一般采用蓄電池，尤其是鉛酸蓄電池。在聯(lián)網(wǎng)光伏電源系統(tǒng)中還要有交流聯(lián)網(wǎng)裝置和電能計(jì)量裝置?？刂破鳛檎麄€(gè)系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測，并根據(jù)預(yù)設(shè)和判斷做出控制指令，使系統(tǒng)能夠自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行，并工作于最佳狀態(tài)。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，來跟蹤太陽位置的變化。圖1-1.光伏電源系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)組成獨(dú)立光伏發(fā)電的跟蹤系統(tǒng)主要部分如圖1-1中A點(diǎn)左側(cè)所示，主要包括聚光器，對太陽的跟蹤，最大功率點(diǎn)的跟蹤，以及對蓄電池沖放電的控制。本課題研究目的及所做的工作目前太陽能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是光伏系統(tǒng)發(fā)電的投入成本太高，如何最大限度提高太陽能的利用率，降低光伏系統(tǒng)發(fā)電的成本，這仍是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。針對這一問題本文主要做了如下工作：1.為了在總功率輸出相同的情況下使用最少的光伏電池，設(shè)計(jì)采用聚光器，提高了光伏電池轉(zhuǎn)換效率。2.為使光伏電池工作于最大輸出功率點(diǎn)上，獲得最大功率輸出，對光伏電池輸出最大功率點(diǎn)的跟蹤方法進(jìn)行簡單研究。3.為了可以提高太陽能的接收效率，最大效率的利用太陽光的輻射，設(shè)計(jì)了兩套自動(dòng)跟蹤平臺(tái)，使光伏電池始終跟蹤太陽光的方向。4.研究了蓄電池的特性及其運(yùn)行方式。光伏電池的研究與分析光伏電池的原理光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。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。其中硅光伏電池包括單晶硅、多晶硅、非晶硅電池；化合物半導(dǎo)體光伏電池包括砷化稼光伏電池等。目前大規(guī)模使用的主要是單晶硅和多晶硅電池，因?yàn)槠滟Y源豐富、轉(zhuǎn)換效率較高（澳大利亞新南威爾士大學(xué)的格林教授已將單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高到24%），所以現(xiàn)在開發(fā)得也最快。光伏電池的光伏效應(yīng)當(dāng)適當(dāng)波長的光照到半導(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，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。例如，當(dāng)光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí)，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子—電子和空穴。由于P-N結(jié)勢壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向運(yùn)動(dòng)，離開勢壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，P-N結(jié)兩端形成生電動(dòng)勢，這就是P-N結(jié)的光伏效應(yīng)。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu)成自N區(qū)流向P區(qū)的光生電流，在P-N結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流Isc。在P-N結(jié)開路情況下，P-N結(jié)兩端建立起光生電勢Voc，這就是開路電壓。如將P-N結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過電路，P-N結(jié)起了電源的作用，這就是光電池的基本工作原理。顯然，光伏電池之所以能在光照下形成短路電流Isc，開路電壓Voc，都是由于材料內(nèi)部存在內(nèi)建靜電場的緣故。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就直接變成了可以付諸實(shí)用的電能。圖2-1為光伏電池的單元模型和外觀。電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一般不單獨(dú)作為電源使用。將每個(gè)單元進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝后就成為光伏電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦，眾多光伏電池組件需要再進(jìn)行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，就構(gòu)成了“太陽能發(fā)電機(jī)（SolarGenerator）”。這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式是完全不同的：既沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，也不排出氣體，是清潔的、無噪聲的發(fā)電機(jī)。圖2-1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。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)的增加而增大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時(shí)，可以將光伏電池看作恒流電源。目前使用的光伏電池可看作P-N結(jié)型二極管，因?yàn)樵诠獾恼丈湎庐a(chǎn)生正向偏壓，所以在P-N結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖2-2表示的等效電路來考慮。圖2-2理想狀態(tài)的太陽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和流過負(fù)荷的電流I之間的關(guān)系式，可由下式給出。(2-1)其中I為電池單元輸出電流；IL為PN結(jié)電流（A）；IO為二極管的反向飽和電流（A）；V為外加電壓（V）；q是單位電荷（1.6×10k庫侖）；K是玻耳茲曼常數(shù)（1.38×10J/K）；T是絕對溫度（K）；n為二極管指數(shù)[5]。但是在實(shí)際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過它們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻RS來表示；同時(shí)，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負(fù)載的電流短路，這種作用可用一個(gè)并聯(lián)電阻RSh來等效表示。此時(shí)的等效電路可根據(jù)圖2-3來描述，其伏安特性可由2-2式給出。圖2-3實(shí)際光伏電池等效電路圖（2-2）此式叫做光伏電池的超越方程式。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I-V和P-V特性曲線來加以體現(xiàn)。而光譜特性主要研究光伏電池與入射光譜的關(guān)系，所以本文不對其進(jìn)行討論。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。光伏電池的I-V和P-V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。在一定的光強(qiáng)的照射下，特性曲線完全由電池的P-N結(jié)特性和電阻分散參數(shù)確定。對應(yīng)不同的光照強(qiáng)度時(shí)，電池有不同的輸出特性曲線，曲線上任何一點(diǎn)都可以作為工作點(diǎn)，工作點(diǎn)所對應(yīng)的縱和橫坐標(biāo)分別為工作電流和工作電壓，兩者之積即為電池的輸出功率P，即P=VI。如圖2-4所示[6]。圖2-4光伏電池的I-V和P-V特性曲線可以看出，此I-V曲線具有高度的非線性特征，這樣就存在一個(gè)最大功率輸出問題，在第四章中將對此問題進(jìn)行研究。在P-V特性曲線中，可以看出隨著端電壓由零逐漸增長輸出功率先上升然后下降，說明存在一個(gè)端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，跟I-V曲線說明了同一個(gè)問題，這為光伏發(fā)電控制方法的改進(jìn)提供了途徑。光伏電池的主要參數(shù)光伏電池的幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)[7]：1.短路電流Isc：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電流。2.開路電壓Voc：在給定日照強(qiáng)度和溫度下的最大輸出電壓。3.最大功率點(diǎn)電流（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。4.最大功率點(diǎn)電壓（VM）：在給定日照和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓。5.最大輸出功率（PM）：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。6.填充因子：（2-3）7.光伏電池的轉(zhuǎn)換效率：輸出功率Po與陽光投射到電池表面上的功率Ps之比，其值取決于工作點(diǎn)。通常采用光伏電池的最大效率值作為其效率，（2-4）以上各個(gè)參數(shù)可以在圖2-5中表示如下：圖2-5光伏電池的伏安特性曲線圖2-5中，在I-V曲線上總可以找到一工作點(diǎn)，此點(diǎn)處的輸出功率最大，此點(diǎn)就是最大功率點(diǎn)（MPP），即圖中M點(diǎn)。M點(diǎn)所對應(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?。太陽的光照?qiáng)度對光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響圖2-5中的伏安特性曲線是在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下得到的，在實(shí)際運(yùn)用中，光伏電池的開路電壓和短路電流都會(huì)隨著兩者的變化而變化。圖2-6是溫度不變時(shí)，不同日照強(qiáng)度下的光伏電池的特性曲線。圖2-6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，電池的開路電壓近似的與光強(qiáng)的對數(shù)成正比。光強(qiáng)從200-1000W/m開路電壓變化比較平穩(wěn)。在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)早晨光線不強(qiáng)和中午烈日當(dāng)空時(shí)，所測量的開路電壓相差不大；而天空光線極差時(shí)，開路電壓會(huì)直線下降，幾乎為0。而短路電流是隨光強(qiáng)的增加而成正比的增加所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。對于一個(gè)給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn)換效率決定了所需的電池板的數(shù)量，所以電池達(dá)到盡可能高的轉(zhuǎn)換效率是極其重要的。而這個(gè)結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過加裝聚光器來加強(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。溫度對光伏電池輸出特性的影響溫度上升將使光伏電池開路電壓Voc下降，短路電流則略微增大，如圖2-7是日照強(qiáng)度不變時(shí)，不同溫度下的光伏電池的特性曲線。由公式可知其效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負(fù)的溫度系數(shù)。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)不能過大，以免造成結(jié)溫過高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。圖2-7不同溫度下的光伏特性（a）光伏電池的伏安曲線；（b）光伏電池的功率電壓曲線光伏發(fā)電系統(tǒng)中聚光器的研究與設(shè)計(jì)太陽能聚光器的工作原理：利用光學(xué)系統(tǒng)（反射或折射器）使較大面積的入射光聚集在較小面積上，提高單位面積上的入射光強(qiáng)度。對于給定的總能量，聚集在較小的面積上意味著較小的熱量損失。雖然太陽光經(jīng)過會(huì)聚之后會(huì)造成一定的光學(xué)損失，流失一部分能量（相對較少），但實(shí)驗(yàn)表明在一定程度的光線會(huì)聚之后，工作溫度有一定程度的提高。具體的聚光器工作原理和性能特點(diǎn)在下文中將予以詳細(xì)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個(gè)重要參數(shù)，在研究聚光器之前，首先要介紹一下太陽能聚光器的聚光比。聚光比C的定義為：聚光器口徑面積和接收器吸收面積A吸之比值。具體公式如下[7]：（3-1）聚光比影響著聚光器的工作溫度及其成本。對于給定的入射光，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越高。同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，聚光比越高，聚光器的成本相對也就越貴。圖3-1表示聚光器聚光比C和聚焦中心可能達(dá)到的最高溫度Tmax之間的關(guān)系。圖3-1聚光比與聚焦中心可能達(dá)到的最高溫度的關(guān)系典型聚光器的性能分析拋物面反射鏡的聚光性能理論和實(shí)驗(yàn)都已證明拋物面反射鏡是能將平行于鏡面光軸的光線會(huì)聚于焦點(diǎn)的鏡面。由于實(shí)際的陽光并非平行光，所以陽光經(jīng)拋物面鏡聚焦后，不可能會(huì)聚在一點(diǎn)，而是形成一個(gè)焦斑區(qū)域。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?，F(xiàn)以槽形拋物面反射鏡和圓管接收器為例來分析拋物面反射鏡的聚光性能。圖3-2為典型的槽形拋物面反射鏡的光路圖。圖3-2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：（3-2）式中l(wèi)—槽形拋物面反射鏡的長度；B—槽形拋物面反射鏡的開口寬度；d—圓管接收器的直徑。圖3-3槽形拋物面反射鏡局部光路分析圖由3-2式可知，接收器的直徑的大小是由聚光比決定的。如圖3-3，與聚光比關(guān)系推導(dǎo)如下：（3-3）式中a為太陽張角的半角，具體的角度為16°；R為拋物面上任何一點(diǎn)到接收器中心的距離，根據(jù)拋物而的方程求解得到：（3-4）（3-5）θ—位置角，即任意一點(diǎn)的反射光軸與鏡面主光軸之間的夾角。θ是變量，3-5式不等號(hào)右邊的函數(shù)是關(guān)于θ的函數(shù)，不管θ取何值，接收器直徑必須滿足3-5式?？梢詫?-5式理解為接收器的直徑（越小損失越小）至少要等于右邊函數(shù)的最大值。所以，通過求出3-5式右邊函數(shù)的最大值，得到：（3-6）將上式帶入3-2式，求得理想情況下槽形拋物面聚光器幾何聚光比C的計(jì)算式為：（3-7）以上是當(dāng)接收器為圓管時(shí)得到的結(jié)果。其它形狀的接收器，可以根據(jù)相同的原理進(jìn)行分析[8]。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直射輻射才能工作。所以拋物面反射鏡聚光器需要附加跟蹤裝置工作。但是跟蹤裝置開發(fā)困難、制造成本較高，這使得人們轉(zhuǎn)向?qū)ふ乙环N不用跟蹤裝置的聚光器。復(fù)合拋物面聚光器，是由二片槽形拋物面反射鏡以及裝設(shè)在底部的接收器構(gòu)成。這種聚光器只聚光不成像，因而不需要跟蹤太陽，至多只需要根據(jù)季節(jié)變化作少量傾斜度的調(diào)整。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。其物理含義為：對任意一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器，對于在θmax范圍以內(nèi)的全部入射光線，都按最大聚光比聚集給接收器，超過θmax范圍外的光線經(jīng)過拋物面鏡反射回太空。圖3-4復(fù)合拋物面聚光器的光路分析圖如圖3-4，已知拋物線U和拋物線V是軸對稱的，且拋物線U的焦點(diǎn)fU在拋物線V上，根據(jù)對稱性原理拋物線V的焦點(diǎn)fV也在拋物線U上；拋物線的主光軸與CPC中軸的夾角為θmax。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。也就是說，如果拋物鏡是理想的，投射在CPC開口上的在±θmax之間的輻射都會(huì)被會(huì)聚到接收器上。根據(jù)已知理論，理想的二維CPC的聚光比為：（3-8）根據(jù)3-8式知，CPC的聚光比完全由θmax決定，要得到大的聚光比，θmax就必須減小，但理論及實(shí)驗(yàn)均證明θmax減小會(huì)導(dǎo)致一年之中調(diào)整CPC的次數(shù)增加。設(shè)計(jì)CPC時(shí)要注意這些問題。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3-5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（長條鏡）。圖3-5菲涅爾透鏡聚光方式折射式菲涅爾聚光器的工作原理相對反射式的聚光器來說較簡單。陽光從平面一側(cè)透射到另一側(cè)，經(jīng)過鋸齒棱角折射，會(huì)聚到一個(gè)小的區(qū)域范圍內(nèi)，其光學(xué)原理如圖3-6所示。圖3-6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：（3-9）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。當(dāng)材料和焦距確定之后，就可以根據(jù)3-9式計(jì)算離開主光軸不同距離處每一個(gè)鋸齒棱的棱角Φ。由3-9式可知，齒棱離中心距離越遠(yuǎn)，棱角Φ的數(shù)值就越大。因?yàn)閷?shí)際的鋸齒是有寬度的，所以陽光透過鋸齒折射之后并不是會(huì)聚在一點(diǎn)，而是一個(gè)焦斑區(qū)域。齒棱越窄，焦斑區(qū)域的面積就越小，菲涅爾聚光器的精度就越高。聚光器的選擇和開發(fā)聚光器的選擇影響太陽能聚光器設(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。不同類型的聚光器，性能還是有一定的區(qū)別，表3-1比較了這幾種工程上常用太陽能聚光器的性能參數(shù)[9]。表3-1常見太陽能聚光器的性能參數(shù)比較常用太陽能聚光器的經(jīng)濟(jì)性：拋物面反射鏡聚光器加工工藝復(fù)雜，加工誤差較高，制造費(fèi)用高。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。而且它在使用過程中還存在著反射層易脫落、隨時(shí)間推移性能明顯下降的問題。復(fù)合拋物面聚光器省去了跟蹤裝置，最多只需對聚光器進(jìn)行季節(jié)性角度調(diào)整，降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，但是對聚光器進(jìn)行調(diào)整使得系統(tǒng)方便性有所降低。而且就復(fù)合拋物面聚光器本身來說，其結(jié)構(gòu)及其制造工藝與拋物面反射鏡聚光器基本相同，使用過程中也存在反射層易脫落、隨時(shí)間推移性能明顯下降的問題。為了保證陽光能垂直的入射到表面，菲涅爾聚光器需要精度較高的跟蹤裝置輔助工作。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，制造方法簡單，成本非常低。因?yàn)檫@一優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在國際上也在集中發(fā)展薄型菲涅爾聚光器。通過對以上三種典型的聚光器的分析對比可知，對于太陽能中溫工業(yè)所需要的基本工作溫度來說，三種聚光器的性能相差不多，選擇的關(guān)鍵就是成本問題。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，制造工藝也非常簡單，適合大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。如果有了高精低廉的跟蹤裝置相配合，同時(shí)對目前存在的一些問題進(jìn)行研究解決，其發(fā)展前景非常廣闊。CPC聚光器的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)從理論上講，增大CPC聚光器的開口面積，其聚光比C也越大，但同時(shí)高度也跟著增大，在制造時(shí)消耗較多材料，這從大規(guī)模太陽能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)角度來看是一個(gè)比較重要的問題。由于拋物線末端曲率小，反射作用不大，所以對完整的CPC反光板進(jìn)行截?cái)嗵幚恚梢怨?jié)省反光板材料，而光學(xué)效率并不會(huì)降低很多。比如在CPC反光板的的高度被截去40%，而聚焦比只不過減少了12%左右，所以可以對CPC聚光器進(jìn)行截短40%～60%，使高度h變成h'，這在實(shí)際的制作中帶來極大的方便，而且節(jié)省了材料。同時(shí)由于聚光度過大會(huì)引起光伏電池的轉(zhuǎn)換率下降，所以聚焦比也無須過大。對聚光器進(jìn)行截?cái)鄡?yōu)化處理之后，CPC反光板的橫截面如圖3-7所示：圖3-7截?cái)嗪蟮腃PC反光板和真空管CPC截面輪廓上的尖頂與真空管之間的間隙是g=12.0mm，r=8.0mm，則尖頂?shù)秸婵展艿那芯€長t=18.33mm，該切線與水平面的夾角Φ0=66.4°。根據(jù)最大聚焦比的計(jì)算公式，作截?cái)嘀螅畲蟀虢邮战铅萢與CPC截?cái)嗑劢贡菴之間的關(guān)系如圖3-8所示。從圖中可以看出，截?cái)嗑劢贡菴隨最大半接收角θa增大而減小的趨勢較為平緩。根據(jù)以上模型，結(jié)合文獻(xiàn)[11]的公式計(jì)算分析，截?cái)嘟铅菵可選取在55°～65°之間。使用聚光器后使光伏電池的轉(zhuǎn)換率由原來的10%～14%提高到20%～38%。圖3-8半接受角?a與截?cái)嗑劢贡菴的關(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(gè)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。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2.3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。如圖2-4所示，光伏電池的I-V和P-V特性曲線都對應(yīng)著一定的光照強(qiáng)度和結(jié)溫條件，這些條件在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)不斷地變化，所以光伏電池的工作點(diǎn)會(huì)不斷地在各個(gè)曲線之間轉(zhuǎn)移，最大功率點(diǎn)也就會(huì)不斷變化位置。就某一條曲線而言，光伏電池的端電壓變化時(shí)，其工作點(diǎn)也會(huì)沿著曲線變化。因此使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)上是一個(gè)提高效率的重要途徑，進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MaximumPowerPointTracking）控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)所必需采取的措施。最大功率點(diǎn)跟蹤控制具體到P/V特性曲線上，就是使光伏電池端電壓始終處于VM附近[10]。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。電壓反饋法從光伏電池的P-V曲線上可以看到，各個(gè)曲線的最大功率點(diǎn)幾乎分布于一條垂直線的兩側(cè)，這說明電池的最大功率輸出點(diǎn)的對應(yīng)電壓大致在某個(gè)值附近，通過控制輸出電壓的大小，使得光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近。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(shí)現(xiàn)MPPT，也就是簡單的穩(wěn)壓控制?？刂圃韴D如4-1：光伏電池列陣光伏電池列陣DC變換器負(fù)載控制器V圖4-1電壓反饋法原理圖在系統(tǒng)對MPPT的要求不高的情況下，可以用此特點(diǎn)簡化控制設(shè)計(jì)。此方法的優(yōu)點(diǎn)為原理簡單，易于實(shí)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。采用電壓反饋法控制的比不帶MPPT的直接耦合工作方式可獲得多至20%的電能。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(jìn)：a）對給定的VM通過電位器手動(dòng)按季節(jié)調(diào)節(jié)。這種辦法不夠精確，而且需要人工干預(yù)，不利于生活上使用，但具有簡單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)；b）事先將不同溫度下測得的VM值存儲(chǔ)于微處理器中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，微處理器通過陣列上的溫度傳感器獲取陣列溫度，通過查表確定當(dāng)前的VM值。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。擾動(dòng)法擾動(dòng)法主要根據(jù)光伏電池的P-V特性，通過擾動(dòng)端電壓來尋找MPP，是目前實(shí)現(xiàn)MPPT常用的方法之一。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(dòng)之前功率值相比，若功率值增加，則表示擾動(dòng)方向正確，可朝同一方向擾動(dòng)△U；若功率值減小，則向相反的方向擾動(dòng)△U。通過不斷擾動(dòng)使光伏電池逐步向最大功率點(diǎn)逼近。其控制原理圖如下圖4-2：光伏電池列陣光伏電池列陣DC變換器負(fù)載控制器IV圖4-2擾動(dòng)法原理圖擾動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)是控制電路較簡單，被測參數(shù)少，容易實(shí)現(xiàn)，制造成本較低。但仍有下列缺點(diǎn)：a)始終有△U的存在，其輸出會(huì)有一定的微小波動(dòng)，在最大功率跟蹤過程中將導(dǎo)致些微功率損失。b)當(dāng)環(huán)境條件快速變化時(shí)，會(huì)造成跟蹤速度緩慢，無法快速地保持在最大功率點(diǎn)上振蕩。c)有時(shí)受電壓、電流的突變影響，會(huì)發(fā)生程序在運(yùn)行中的失序（“誤判”）現(xiàn)象。其流程圖如4-3：圖4-3擾動(dòng)法流程圖電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法（IncrementalconductanceAlgorithm）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(diǎn)追蹤的目的。如下所示，通過光伏電池陣列P-V曲線可知最大功率點(diǎn)PM處的斜率為零，即（4-1）、（4-2）式成立，將（4-2）式進(jìn)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）式就是達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，電池工作于最大功率點(diǎn)。其控制的流程圖如圖4-4。電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)太陽能電池的照度發(fā)生變化時(shí)，其輸出端電壓能以較快的方式追隨其變化，電壓波動(dòng)較擾動(dòng)法??；缺點(diǎn)是它容易受到雜波信號(hào)的干擾而造成較大的誤動(dòng)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(diǎn)，而無法很快調(diào)整至最大功率點(diǎn)，并且在跟蹤的過程中需花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間去執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。圖4-4電導(dǎo)增量法的流程圖最大功率點(diǎn)控制方法的選擇及改進(jìn)—斷續(xù)擾動(dòng)法如前面所述，電壓反饋法雖然簡單無擾動(dòng)，但不能對最大功率點(diǎn)電壓VM參考值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍受到很大的限制。而擾動(dòng)法則與之相反，雖能自動(dòng)搜索VM，但存在擾動(dòng)輸出問題。針對這些問題，根據(jù)最大功率跟蹤的要求，本文將兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出一種改進(jìn)方法—斷續(xù)擾動(dòng)觀察法。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。通過不斷擾動(dòng)使陣列工作于最大功率點(diǎn)附近。改進(jìn)之處在于，當(dāng)系統(tǒng)找到最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的電壓后，將在此電壓工作一定時(shí)間，而不是不停地搜索下去。當(dāng)溫度的變化幅度超過所設(shè)置的值時(shí)，再啟動(dòng)擾動(dòng)搜索。此方法既有擾動(dòng)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(yùn)行的振蕩。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)太陽在一天中東出西落，一年之中春、夏、秋、冬位置不定。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(shí)跟著太陽的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)才能收到最大的輻射能量。實(shí)踐表明，一般平板光伏電池采用跟蹤裝置后，平均輸出能量可提高30%以上。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)，（比如說從200瓦到800瓦）基本上沒有什么大變動(dòng)的緣故。自動(dòng)跟蹤器的研究概況國內(nèi)太陽能自動(dòng)跟蹤器的研究現(xiàn)狀目前我國國內(nèi)的跟蹤器基本有兩大類：一類是根據(jù)地球繞日運(yùn)行規(guī)律計(jì)算跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡的主動(dòng)式跟蹤器；另一類是實(shí)時(shí)探測太陽對地位置，控制對日角度的被動(dòng)式跟蹤器。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]。1.主動(dòng)式跟蹤器的典型代表1）控放式跟蹤器控放式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，其原理為：在太陽光接收器的西側(cè)放置一偏重，作為太陽光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力。利用控放裝置對此動(dòng)力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動(dòng)力，使太陽光接收器向西偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)成本低廉，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源。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。而且跟蹤器不能自動(dòng)復(fù)位，不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求，除非另外加復(fù)位機(jī)構(gòu)，這又使得跟蹤器的成本提高。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)太陽在太空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)變動(dòng)。其特點(diǎn)是電路簡單，但由于時(shí)鐘累積誤差不斷增加，系統(tǒng)的跟蹤精度很低；系統(tǒng)需外接電源，日夜不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，浪費(fèi)能源。圖5-1控放式跟蹤器工作原理圖3）采用計(jì)算機(jī)控制和天文時(shí)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(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)來控制工作，成本很高。所以，它們一般用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對太陽的觀測或者大型發(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。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(huì)造成資源浪費(fèi)，其高價(jià)位也很難被廣泛接受。2.被動(dòng)式跟蹤器的典型代表1）壓差式跟蹤器壓差式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖5-2所示，其原理為：當(dāng)入射太陽光發(fā)生偏斜時(shí)，密閉容器的兩側(cè)受光面積不同，會(huì)產(chǎn)生壓力差，在壓力的作用下，使裝跟蹤器重新對準(zhǔn)太陽。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。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制作費(fèi)用低，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源。但是，該機(jī)構(gòu)只能用于單軸跟蹤，精度很低。圖5-2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(shí)性能參數(shù)發(fā)生變化的原理，將四個(gè)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(gè)光敏元件接收到的光照強(qiáng)度相同，此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽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。其優(yōu)點(diǎn)在于控制較精確，而電路也比較容易實(shí)現(xiàn)。但是這類跟蹤器價(jià)格昂貴，且不能適應(yīng)自然界中光線的變化，跟蹤效果不太理想。目前太陽能自動(dòng)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(dòng)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(shí)，只能以一定速度繼續(xù)運(yùn)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(jī)械傳動(dòng)誤差無法修正，造成較大的累積誤差，跟蹤精度會(huì)隨時(shí)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(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)。被動(dòng)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(shí)際產(chǎn)品，要開發(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(jià)格相對于民用來說還是很高。成本問題是制約太陽能運(yùn)用發(fā)展的一個(gè)重要問題，如果想普及太陽能的運(yùn)用，使之為市場所接受，就必須將其價(jià)格降低到市場可以接收的范圍之內(nèi)。如何在保證跟蹤效果基礎(chǔ)上盡量的降低成本，是本課題組重點(diǎn)研究的問題之一。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(tái)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(yùn)動(dòng)（相對地球）。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(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。②晝夜更替。地球繞太陽旋轉(zhuǎn)，會(huì)出現(xiàn)晝夜更替現(xiàn)象，當(dāng)太陽落山時(shí)，跟蹤平臺(tái)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(shí)，跟蹤平臺(tái)仍然朝著西邊，無法跟蹤太陽。這種情況就要求跟蹤平臺(tái)在早上能夠復(fù)位。早上的復(fù)位工作可以用機(jī)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(tái)完成復(fù)位，成本就不會(huì)增多。這樣就要求跟蹤平臺(tái)的傳感探測單元能夠在早上反應(yīng)出太陽光線的大范圍變化，快速復(fù)位。③多云天氣、陰雨天氣。太空中的云朵會(huì)遮住太陽，這時(shí)跟蹤平臺(tái)的傳感單元無法反映出太陽光線的變化，當(dāng)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(tái)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。設(shè)計(jì)跟蹤平臺(tái)的時(shí)候要考慮到以上要求。怎樣才能在保證高精度的同時(shí)，滿足復(fù)雜多變的光線照射情況，實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)跟蹤，這一個(gè)問題是本課題的核心問題。新型跟蹤平臺(tái)的開發(fā)為了解決上一小節(jié)所述問題，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)精度太陽跟蹤平臺(tái)；另一種是通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽跟蹤平臺(tái)。自適應(yīng)復(fù)精度太陽跟蹤平臺(tái)復(fù)精度的含義：跟蹤平臺(tái)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(dòng)精確跟蹤單元對太陽進(jìn)行精確跟蹤。通過采用復(fù)精度探測單元，滿足太陽復(fù)雜多變的照射情況要求，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤，這是本系統(tǒng)的核心技術(shù)。自適應(yīng)的含義：該平臺(tái)在安裝后就開始自動(dòng)工作，不需手動(dòng)調(diào)整，而且能夠自動(dòng)根據(jù)光線的偏移情況，啟動(dòng)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(tái)。該跟蹤平臺(tái)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了經(jīng)濟(jì)性問題，在保證工作性能的同時(shí)大大降低了成本提高了性價(jià)比。自適應(yīng)復(fù)精度跟蹤平臺(tái)包括自適應(yīng)復(fù)精度太陽探測單元、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。圖5-3跟蹤平臺(tái)系統(tǒng)圖本平臺(tái)的工作原理是：在日光下，平臺(tái)的自適應(yīng)復(fù)精度探測單元自動(dòng)搜索太陽的位置，系統(tǒng)自動(dòng)將太陽方位與平臺(tái)所正對著的方位進(jìn)行比較，當(dāng)兩者不一致時(shí)，探測單元發(fā)出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大處理傳至控制單元控制普通直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)跟蹤太陽；粗跟蹤找到太陽的大致方位后，精跟蹤自動(dòng)對太陽進(jìn)行精確定位，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行至精確對準(zhǔn)太陽為止。太陽位置探測單元本跟蹤平臺(tái)是在傳統(tǒng)光敏元件比較跟蹤器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)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(fù)雜多變大氣的需要。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)。但是在現(xiàn)實(shí)情況中，如果光敏元件沒有受到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，在很大程度上就會(huì)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(yīng)，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(jìn)行環(huán)境光屏蔽保護(hù)，保證精度。但由于加上了這些屏蔽結(jié)構(gòu)，當(dāng)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(yuǎn)的情況時(shí)，太陽位置變化很大，屏蔽結(jié)構(gòu)會(huì)屏蔽太陽光線的變化，光敏元件就不能做出反應(yīng)，跟蹤器不能及時(shí)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(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。在上面章節(jié)中，已經(jīng)討論了復(fù)雜多變的大氣對跟蹤平臺(tái)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(shè)計(jì)探測傳感探測單元才能使跟蹤平臺(tái)能夠大范圍的搜索太陽（粗跟蹤），又能對太陽進(jìn)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。自適應(yīng)復(fù)精度太陽位置探測單元主要是由8只經(jīng)過挑選的性能優(yōu)良的光敏元件和8只電阻組成。其體結(jié)構(gòu)見圖5-4：設(shè)置一個(gè)暗筒，在暗筒外部東、南、西、北四個(gè)方向上分別布置4只光敏元件：其中一對光敏元件（G1、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(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度即方位角；另一對光敏元件（G5、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(gè)方向上也分別布置4只光敏元件：其中一對光敏元件（G2、G3）東西對稱安裝在暗筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度；另一對光敏元件（G6、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。圖5-4傳感器結(jié)構(gòu)示意圖自適應(yīng)復(fù)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(shè)太陽的高度角是不變的，即假設(shè)暗筒在高度方向始終對準(zhǔn)太陽。當(dāng)早上太陽從東方升起的時(shí)候，光敏元件G4接受到的光強(qiáng)（陽面）大于G1接受到的光強(qiáng)（陰面），因此輸出一個(gè)正的差動(dòng)信號(hào)給窗口形成電路，經(jīng)過處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)使跟蹤平臺(tái)向東轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定的精度范圍內(nèi)，太陽偏離不太遠(yuǎn)時(shí)，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(dǎo)作用，使暗筒精確對準(zhǔn)太陽。當(dāng)太陽向西偏移時(shí)，G1和G3分別起作用使平臺(tái)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(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。高度角的跟蹤基本原理及工作方式與之類似，在此省略。設(shè)置復(fù)精度探測單元優(yōu)點(diǎn)在于：暗筒對外界環(huán)境的散射光及其它干擾光線進(jìn)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(yuǎn)時(shí)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(fù)雜多變的要求，不能實(shí)現(xiàn)對太陽的完全自動(dòng)跟蹤。通過設(shè)置復(fù)精度探測單元，使跟蹤平臺(tái)既能大范圍的搜索太陽（粗跟蹤），又能對太陽進(jìn)行精確跟蹤，完全滿足太陽光線復(fù)雜多變的要求，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤，這一技術(shù)是整個(gè)跟蹤平臺(tái)的核心。探測單元的結(jié)構(gòu)簡單，只是多加了一些廉價(jià)的電子元件，跟蹤平臺(tái)的性價(jià)比較高。信號(hào)處理與控制單元根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，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)。但是光敏元件對太陽光線做出的反應(yīng)是本身參數(shù)的改變（例如電阻值發(fā)生改變），而不是驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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)。1.光敏元件的選擇不同的光敏元件對光線變化做出的反應(yīng)是不同的，相應(yīng)的信號(hào)處理電路也要根據(jù)元件本身的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以光敏元件的選擇是信號(hào)處理控制單元設(shè)計(jì)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(diǎn)。它的用途很廣，可用于物體檢測、光電檢測、光電控制、自動(dòng)報(bào)警等方面。光敏電阻的工作原理：當(dāng)入射光的照度發(fā)生改變時(shí)，電阻的電導(dǎo)率會(huì)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(shí)現(xiàn)信號(hào)采集時(shí)，其輸出信號(hào)只與照射在兩個(gè)光敏電阻上光強(qiáng)的相對值有關(guān)，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(diǎn)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(hào)采集元件[12]。2.窗口形成電路由上一小節(jié)知，光敏電阻將陽光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳柚档淖兓?，信?hào)處理電路處理的是電阻的變化。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。針對這些要求，本課題專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)處理電路。首先將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)化為輸入信號(hào)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(gè)電壓比較器及附屬元件組成。比較器的基本電路如圖5-5所示，參考電壓VR加于比較器的反相端，輸入信號(hào)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(fù)電源。圖5-5電壓比較器電路圖電壓比較器工作原理：當(dāng)輸入信號(hào)電壓Vi小于參考電壓VR時(shí)，比較器輸出電壓V0為0；當(dāng)輸出信號(hào)Vi大于等于VR時(shí)，比較器輸出電壓為VDD。根據(jù)輸入信號(hào)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5-6所示。圖5-6電壓比較器輸入輸出波形圖由這樣的比較器組成的一組窗口比較電路如圖5-7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5-7單組窗口比較電路圖單組窗口比較電路工作原理：當(dāng)Vi在VREF(H)和VREF(L)之間時(shí)，比較器A與B皆輸出高電平，與非門輸出低電平。當(dāng)Vi在VREF(H)∶VREF(L)范圍之外時(shí)，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(dāng)Vi在窗口范圍以內(nèi)，無信號(hào)輸出；當(dāng)Vi超出了窗口范圍，就會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)；通過這種方法對Vi就加以區(qū)別了，其真值表如表5-1所示。表5-1比較電路輸出真值表窗口電路處理信號(hào)的工作原理：當(dāng)兩個(gè)光敏電阻受到的照度相同時(shí)，輸入電壓Vi在VREF(H)∶VREF(L)范圍之內(nèi)，此時(shí)輸出信號(hào)為零，跟蹤平臺(tái)不動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)光敏電阻受到的照度不同時(shí)，輸入電壓Vi會(huì)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(shí)窗口電路會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)跟蹤平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。動(dòng)力單元1.電機(jī)的選擇因?yàn)橹绷麟姍C(jī)是無法精確控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度的，所以目前太陽能跟蹤器常用的動(dòng)力單元為步進(jìn)電機(jī)。但是步進(jìn)電機(jī)也有較大的缺點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)輸出力矩小且昂貴，會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比下降。相對而言，雖然無法控制直流電機(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。在滿足性能要求的情況下，本方案選擇性價(jià)比較高的直流電機(jī)。2.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)較小，要對其進(jìn)行放大之后才能輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在確定功率放大器輸出電路的具體方案時(shí)，首先要針對負(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。在剛接通電源時(shí)，電機(jī)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(shí)電流以保證快速起動(dòng)；而在突然斷電時(shí)，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(hù)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(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。圖5-8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5-8所示的方案，由T1-T4組成的功率放大器輸出級，其中T1和T3組成一個(gè)互補(bǔ)對稱電路，T2和T4組成另一個(gè)互補(bǔ)對稱電路，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）。當(dāng)要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使A端電位上升，B端電位下降，則T1和T4導(dǎo)通，有電流沿圖中的實(shí)線流過電樞，產(chǎn)生正向力矩；當(dāng)要求電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，則要使A端電位下降，B端電位上升，有電流沿圖中的虛線流過電樞，產(chǎn)生反向力矩；當(dāng)AB兩端為等電位時(shí)，則電樞兩端也是等電位，因此電機(jī)不轉(zhuǎn)。這種接法的優(yōu)點(diǎn)是，通過兩對管子的互相切換，電源電壓只需要24V就可以使電樞兩端得到20V左右的電壓而且還能倒換極性，對管子的耐壓要求較低。降低管子的耐壓還可以減少出現(xiàn)二次擊穿的可能性。為了進(jìn)一步抑制電感性負(fù)載在突然斷電時(shí)所產(chǎn)生的高電壓，在每個(gè)晶體管兩端都（反向）并接著一個(gè)二極管（D1-D4），從圖中可以看到，不論電樞兩端的電壓是什么極性，只要它大于24V，總會(huì)有一對二極管會(huì)導(dǎo)通，使電樞電壓的最大值不超過24V，就不會(huì)造成功率管過壓的現(xiàn)象。此外，可以利用電感性負(fù)載在斷電時(shí)產(chǎn)生的電壓進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)。當(dāng)UAB由某一數(shù)值突然回到零（即AB兩點(diǎn)等電位）時(shí)，設(shè)原來電樞為正轉(zhuǎn)，其極性為左正右負(fù)，則此時(shí)將有電流由電樞的正端經(jīng)T3和T2回到負(fù)端（其路線為+→Re3→b3→A→B→b2→e2→Re2→-），對電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，則停轉(zhuǎn)迅速，反之亦然。實(shí)際電路圖5-9為本跟蹤平臺(tái)的實(shí)際電路圖。實(shí)際電路中有很多詳細(xì)的設(shè)計(jì)需要加以說明：1）調(diào)整RW1∶RW4可以控制窗口大小，以達(dá)到控制跟蹤精度的目的，適當(dāng)控制精度可以使得電機(jī)不反復(fù)啟動(dòng)。2）實(shí)際電路在電機(jī)控制比較電路的基礎(chǔ)上加入射極輸出器形成復(fù)合驅(qū)動(dòng)級，復(fù)合驅(qū)動(dòng)級由T1∶T6組成。射極輸出器的帶負(fù)載能力強(qiáng)，可以減小比較器的負(fù)載，提高驅(qū)動(dòng)能力，改善放大電路工作情況。3）為保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)置光控開關(guān)TG1，當(dāng)光線達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)才接通電源，屏蔽干擾光。4）由于南北方向的跟蹤運(yùn)動(dòng)相對于東西方向的跟蹤運(yùn)動(dòng)較少，所以設(shè)置異或門控制南北方向啟動(dòng)和停止，達(dá)到省電的目的。5）當(dāng)跟蹤范圍過大時(shí)，接收器轉(zhuǎn)動(dòng)角度過大，可能會(huì)出現(xiàn)電線纏繞的現(xiàn)象，必須對接收器的極限位置進(jìn)行限制。所以，設(shè)置兩個(gè)位置開關(guān)K1、K2，當(dāng)接收器轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定的極限位置時(shí)K1閉合，此時(shí)T20截止，T1、T2、T7、T8不能工作，只有T3、T4、T5、T6可以工作，意味著電機(jī)只可能反轉(zhuǎn)，輸出反向力矩。當(dāng)正向信號(hào)輸入時(shí)，電機(jī)不工作，只有反向信號(hào)輸入時(shí)，電機(jī)才工作，以此防止接收器超出極限位置。K2的工作原理與K1相同，在此省略。6）跟蹤精度：太陽光線偏轉(zhuǎn)1.5°左右，跟蹤平臺(tái)就能做出反應(yīng)，對太陽進(jìn)行跟蹤。通過這些細(xì)節(jié)設(shè)置，使得實(shí)際電路能滿足控制要求，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械部分的自適應(yīng)復(fù)精度控制。圖5-9控制電路實(shí)際電路圖本節(jié)詳細(xì)介紹了自適應(yīng)復(fù)精度跟蹤平臺(tái)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、性能特點(diǎn)等。包括對太陽探測單元、信號(hào)處理及控制單元、動(dòng)力單元的設(shè)計(jì)思想和內(nèi)容的介紹，并給出了控制部分的實(shí)際電路。通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽跟蹤平臺(tái)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的工作原理自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖5-10所示，主要由單片機(jī)、傳感器、步進(jìn)電機(jī)等組成。它的基本原理是：當(dāng)太陽光照射到傳感器上時(shí)，把電池列陣和太陽位置偏差（即列陣平面與陽光不垂直時(shí)）給出的傳感信號(hào)，經(jīng)過前置放大器放大、電壓跟隨器后保存到單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行一定的處理后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使聚光器隨著太陽移動(dòng)而移動(dòng)，從而達(dá)到跟蹤的目的。自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的工作過程是：從早上時(shí)開始跟蹤太陽位置的變化，使聚光器始終接收到最強(qiáng)的太陽輻射，當(dāng)太陽落下或者天空光線極差時(shí)，聚光器自動(dòng)回復(fù)到朝向東方的初始位置，再檢測到太陽升起或天空光線變強(qiáng)時(shí)，繼續(xù)跟蹤最強(qiáng)的光照[13]。圖5-10自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳感器光敏二極管的工作過程光敏二極管CDS是一種電阻值隨光照強(qiáng)度變化而變化的感光電阻，本系統(tǒng)采用3個(gè)光敏電阻作為傳感器來檢測天空光線的變化，跟蹤太陽的位置。光敏電阻的特性與人眼最為接近，所以適合可見光的測量。選用的型號(hào)是GL5516，它的暗電阻為100K歐，亮電阻為5～l0K歐。CDS的阻值變化與光照的變化之間的關(guān)系是線性的，它的阻值的變化是在一個(gè)范圍內(nèi)沿著一條直線上升或下降，如圖5-11所示。3個(gè)光敏電阻中，CDS1用于判斷是白天還是黑夜，另外兩個(gè)光敏電阻CDS2和CDS3用于測量聚光器與太陽位置的偏差，CDS1的優(yōu)先級高于CDS2和CDS3。圖5-11照度－電阻特性光敏電阻分別與滑動(dòng)變阻器、和兩個(gè)5K的電阻共同構(gòu)成惠斯電橋。如圖5-12所示。該型號(hào)的電阻值較小，所以滑動(dòng)變阻器比較難容易得到，電橋比較容易組建。電壓前置放大器為差動(dòng)放大器，它將橋臂的輸出信號(hào)放大，再經(jīng)電壓跟隨器741，由單片機(jī)ADμC812內(nèi)置12位高精度的自校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。電壓跟隨器作用是提高電壓信號(hào)的負(fù)載能力，防止信號(hào)受A/D負(fù)載的影響。有3路這樣的電橋同時(shí)采集信號(hào)到單片機(jī)中。由于ADμC812內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，所以使電路設(shè)計(jì)減少了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，也減小了電路的體積。它的A/D轉(zhuǎn)換器是一個(gè)8通道單電源12位逐次逼近的轉(zhuǎn)換器，線性誤差為士1/2LSB，轉(zhuǎn)換時(shí)間為5μs，可以提供內(nèi)部2.5V參考電源，同時(shí)也可以外接從2.5V到AVDD的參考電源，通過ADCCON1-3三個(gè)特殊功能寄存器來控制A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果可保存在ADCDATAH/L二個(gè)特殊功能寄存器中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)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的高四位用來保存采樣的通道號(hào)。如果采樣數(shù)據(jù)較大，如以200kHz的速率對被輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，這時(shí)自動(dòng)采用DMA模式，將采樣數(shù)據(jù)直接保存在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，采樣結(jié)束后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。ADμC812的ADC模塊正常工作的模擬輸入范圍為0～+2.5V，允許輸入的電壓范圍只能為正電壓0～+5V。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，若輸入的模擬電壓超過+2.5V（最大值為+5V），ADC的采樣結(jié)果為最大值（OFFFH），雖然結(jié)果不對，但并沒有影響ADuC812正常工作；但是，一旦輸入負(fù)的模擬電壓，則會(huì)影響ADμC812正常工作，表現(xiàn)為ADC的基準(zhǔn)電壓（VREF=+2.5V）消失和采樣結(jié)果不正確，且若長時(shí)間輸入負(fù)電壓，將有可能損壞芯片。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，若發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)ADC之后VREF端無電壓，則應(yīng)立即將芯片復(fù)位，并檢查模擬輸入信號(hào)的采集放大部分。在確保進(jìn)入ADμC812的模擬信號(hào)在0～+2.5V范圍內(nèi)