魏 萌，毛佳琪，王晉萱，馬 瑜，羅海軍

(1．溫州大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，浙江 溫州 325035；2．杭州市和睦小學(xué)，浙江 杭州 310000)

隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問(wèn)題日益突出，優(yōu)先發(fā)展太陽(yáng)能這個(gè)清潔可再生能源受到許多國(guó)家高度重視[1-5]。目前在光伏發(fā)電技術(shù)中，提高太陽(yáng)能的接收效率是提高太陽(yáng)能的利用率的關(guān)鍵問(wèn)題之一，其中一種有效的解決便是設(shè)計(jì)一類能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光線的裝置，最大程度上保證裝置接收面垂直于太陽(yáng)能光線，達(dá)到對(duì)太陽(yáng)光輻射量的最大利用率[6-10]。

針對(duì)該問(wèn)題，本文介紹一種基于非平衡電橋原理的雙軸太陽(yáng)能跟蹤設(shè)備，該設(shè)備具有精度高、體積小、低能耗、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以用于真實(shí)的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，同時(shí)由于物理原理清晰、設(shè)計(jì)巧妙，可廣泛用于大中專院校、中小學(xué)等課堂演示實(shí)驗(yàn)和科普演示實(shí)驗(yàn)。

1 基本原理

圖1是非平衡電橋電路示意圖。當(dāng)R1R3=R2R4時(shí)，電橋平衡，Uab=0。當(dāng)R1R3≠R2R4時(shí)，電橋不平衡，Uab≠0。根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律，可列方程解得：

圖1 非平衡電橋測(cè)電壓原理圖

(1)

將R1和R4用相同的光敏電阻替代，R2和R3均用定值電阻R替代。此時(shí)電橋的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)三種情況：

(1)當(dāng)R1接收的光強(qiáng)大于R4時(shí)，即R10；

(2)當(dāng)R1接收的光強(qiáng)小于R4時(shí)，即R1>R4，則Uab<0；

(3)當(dāng)R1接收的光強(qiáng)等于R4時(shí)，即，R1R3=R2R4，此時(shí)電橋平衡，Uab=0。

從式(1)中看出，當(dāng)R2和R3一定時(shí)(一般取相等值)，總體上Uab存在一種趨勢(shì)：在Ucd一定時(shí)，R1、R4的阻值差值越大，Uab越大。

本設(shè)備中，我們用兩個(gè)光敏電阻替代R1和R4，為了更加形象地顯示光敏電阻對(duì)a、b兩點(diǎn)電壓Uab的影響情況，在a、b兩點(diǎn)之間接入兩個(gè)方向相反的發(fā)光二極管L1、L2，如圖2所示，若Uab足夠大，有：

圖2 非平衡電橋控制發(fā)光二極管示意圖

(1)光敏電阻R1接收到的光強(qiáng)大于R4時(shí)，則L1發(fā)光，L2由于接入反向電壓，不發(fā)光；

(2)光敏電阻R1接收到的光強(qiáng)小于R4時(shí)，則L2發(fā)光，L1不發(fā)光。

(3)光敏電阻R1接收到的光強(qiáng)等于R4時(shí)，Uab=0，L1、L2均不發(fā)光。

本項(xiàng)目的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就在于，當(dāng)光敏電阻R1接收到的光強(qiáng)不等于R4時(shí)，要確保a、b兩點(diǎn)的電流(電壓)足夠大，可以改變繼電器的通斷狀態(tài)，從而影響差速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)。下面就來(lái)分析如何實(shí)現(xiàn)這一要求。

光電耦合器(圖3)是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種“電→光→電”轉(zhuǎn)換器件。一般情況下，圖2中光敏電阻R1或R4阻值變化時(shí)，a、b兩點(diǎn)電壓Uab或Uba經(jīng)過(guò)光電耦合器后，仍然較小，還不足以改變繼電器的通斷狀態(tài)。因此還需要在光電耦合器后再接入2個(gè)三極管，進(jìn)行兩次電流放大。這樣當(dāng)R1或R4阻值發(fā)生輕微改變時(shí)，放大的電流足以改變繼電器的通斷狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)差速電機(jī)正反轉(zhuǎn)的同步控制。

圖3 光電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2 儀器結(jié)構(gòu)

圖4是設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖，儀器底座上設(shè)置有一個(gè)用于控制水平角度的水平角電機(jī)，水平角電機(jī)一側(cè)設(shè)置有電機(jī)電源，底座上端面上設(shè)置有控制端電源和降壓穩(wěn)壓模塊，電機(jī)的主軸上設(shè)置有太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能電池板下端置有降壓穩(wěn)壓模塊，太陽(yáng)能電池板上端面中部設(shè)置有高度角電機(jī)，高度角電機(jī)的主軸上設(shè)置有工作平臺(tái)，工作平臺(tái)上設(shè)置有T型板；電機(jī)電源分別與水平角電機(jī)和高度角電機(jī)連接，并給水平角電機(jī)和高度角電機(jī)供電；控制端電源連接有雙軸控制電路。

圖4 太陽(yáng)能雙蹤系統(tǒng)演示儀成品示意圖

圖5是太陽(yáng)能雙蹤系統(tǒng)演示儀成品圖。該產(chǎn)品可對(duì)光源進(jìn)行360°全方位跟蹤，最高效率接收太陽(yáng)能。當(dāng)光從右上方照入時(shí)，水平電機(jī)正轉(zhuǎn)，垂直電機(jī)正轉(zhuǎn)，最終使工作平臺(tái)直面光源。

圖5 太陽(yáng)能雙蹤系統(tǒng)演示儀實(shí)物圖

3 設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)分析太陽(yáng)光單軸跟蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。操控目標(biāo)是：當(dāng)陽(yáng)光從某個(gè)方向(比如從水平西側(cè))照入時(shí)，光敏電阻R1阻值變小，控制水平角的電機(jī)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，光照逐漸朝光敏電阻R4垂直照射，最終使得R1和R4光照一致，此時(shí)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。反之，則水平角的電機(jī)逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。

根據(jù)一維控制端操控目標(biāo)，設(shè)計(jì)了如圖6所示的太陽(yáng)光單軸跟蹤系統(tǒng)，我們采用繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。繼電器是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。在此，我們利用繼電器控制電流的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)某一個(gè)方向上的太陽(yáng)光跟蹤功能。

圖6 太陽(yáng)能單軸跟蹤系統(tǒng)的控制圖

電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，正常工作條件下，兩個(gè)繼電器只會(huì)出現(xiàn)J1吸合J2不吸合、J2吸合J1不吸合、J1和J2都不吸合三種情況，電機(jī)根據(jù)繼電器吸合實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 單軸跟蹤系統(tǒng)的電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路圖

圖8 T型擋板俯視圖

其次，通過(guò)精心設(shè)計(jì)和反復(fù)測(cè)試，兩套單軸控制電路和兩套電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路所構(gòu)成的完整的雙軸控制電路如圖9所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示。

圖9 太陽(yáng)能雙軸跟蹤系統(tǒng)的控制圖

圖10 雙軸跟蹤系統(tǒng)的電機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電路圖

在此，由于兩個(gè)方向上跟蹤系統(tǒng)的工作原理一致，所以本文僅以垂直方向?yàn)槔?，作一?jiǎn)要敘述，如圖9所示：

這樣，就在水平維度和高度維度互不干擾又完美結(jié)合之下，巧妙地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備自動(dòng)跟蹤光信號(hào)的這一“智能化”功能。整個(gè)雙蹤控制的邏輯判斷流程如圖11所示。

圖11 太陽(yáng)能雙蹤系統(tǒng)邏輯框架圖

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)本文所述，可制得一種自動(dòng)追蹤光線的太陽(yáng)能雙軸跟蹤系統(tǒng)，該設(shè)備將光敏電阻、太陽(yáng)能電池等與光照緊密聯(lián)系的器件融于一套設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)光敏電阻對(duì)太陽(yáng)能電池接收效率最大化的精準(zhǔn)控制。相比于芯片和復(fù)雜程序控制的機(jī)械式太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)跟蹤靈敏度高，反應(yīng)迅速，且具有成本低、體積小、性能穩(wěn)定、精度高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該設(shè)備由于物理背景突出、原理簡(jiǎn)單，可用于大中專院校、中小學(xué)等課堂演示實(shí)驗(yàn)和科普演示實(shí)驗(yàn)。