傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，能源問(wèn)題已經(jīng)成為不容忽視的全球性問(wèn)題，尋找新能源，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。很快人們把目光聚焦在了身邊的可再生能源，水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)發(fā)電等等，這些新能源都成為替代傳統(tǒng)一次性能源的新目標(biāo)。而每天豐富的太陽(yáng)輻射能是取之不盡、用之不竭的，并且又有著無(wú)污染、廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)，在人們的生活、工作中都有著廣泛的應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)表明，在相同情況下，自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)集熱裝置可以提高集熱溫度和集熱效率，太陽(yáng)能光電自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量高30%。因此，高精度太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤技術(shù)也成為了當(dāng)今的熱點(diǎn)研究技術(shù)。本文在對(duì)當(dāng)前各種跟蹤技術(shù)方案論證的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一種成本低、跟蹤精度高、實(shí)用性強(qiáng)的雙軸太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)。

1、光電式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的光電式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)是由光電探測(cè)器、控制電路和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1、光電探測(cè)器

將太陽(yáng)在天空位置的改變歸結(jié)為兩個(gè)相互垂直的方向，即沿東西方向的變化（從日出到日落的變化）和沿南北方向的變化，分別用方位角和高度角來(lái)描述。用一對(duì)光電探測(cè)器檢測(cè)方位角的變化;用另一對(duì)光電探測(cè)器檢測(cè)高度角的變化。當(dāng)一對(duì)光電探測(cè)器受到的光照度一樣時(shí)，說(shuō)明太陽(yáng)光與太陽(yáng)能電池板法線(xiàn)的夾角為零，太陽(yáng)光是垂直入射到太陽(yáng)能電池板上的;當(dāng)一對(duì)光電探測(cè)器受到的光照度不一樣時(shí)，說(shuō)明太陽(yáng)光與太陽(yáng)能電池板法線(xiàn)間的夾角不為零，太陽(yáng)光偏離了垂直入射方向，則需要調(diào)整太陽(yáng)能電池板的方位。

1.2、控制電路

本設(shè)計(jì)的控制電路由信號(hào)采集、信號(hào)比較兩部分構(gòu)成。控制電路如圖2所示。

本電路的特點(diǎn)是每組由兩只光敏電阻組成，一組檢測(cè)東西方向的光照，另外一組檢測(cè)南北方向的光照。光敏電阻隨光照的變化產(chǎn)生電阻變化，然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)送至比較器LM324的輸入端，LM324輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，及時(shí)調(diào)整電池板的角度，實(shí)現(xiàn)電池板的實(shí)時(shí)跟蹤，從而提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率。所以，本文設(shè)計(jì)的控制電路能夠根據(jù)太陽(yáng)所處的具體位置對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，而且調(diào)試簡(jiǎn)單，成本低，使用方便。

1.3機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性較好，成本低廉，可在各種環(huán)境下使用，克服了其他陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)中機(jī)械傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重的問(wèn)題。因此在機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，在驅(qū)動(dòng)裝置上使用了功率較小的直流減速電機(jī)，降低了驅(qū)動(dòng)部分的能源損耗。

此外，為了實(shí)現(xiàn)全方位控制的目的，本文設(shè)計(jì)了兩塊控制電路來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流減速電機(jī)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)方位角和高度角的雙跟蹤。

2、電路工作原理

本文只分析控制方位角方向的電路，以控制東西方向旋轉(zhuǎn)的電路為例，控制南北方向旋轉(zhuǎn)的電路原理與之相同。圖3所示電路是從整個(gè)控制電路中抽取了控制方位角方向的部分電路，從圖3電路中可知，電阻R1、R2和光敏電阻RXI、RDONG組成橋式比較電路，上臂接電源正，下臂接電源負(fù)。當(dāng)光照強(qiáng)度在這兩個(gè)光敏電阻上不同時(shí)，其中間點(diǎn)輸出偏置電壓V=12×RXI/（RDONG+RXI）與兩個(gè)電阻R1和R2產(chǎn)生的參考電壓VREF=12×R1/（R1+R2）=6V進(jìn)行比較。當(dāng)光敏電阻RDONG受到的光照強(qiáng)度大時(shí)，則光敏電阻RDONG比光敏電阻RXI的阻值小，中間偏置點(diǎn)電壓大于6V，則作比較器使用的LM423（U1:A）就輸出1，LM324（U1:D）就輸出0，這兩個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到中間點(diǎn)輸出偏置電壓為6V為止;當(dāng)光敏電阻受到的光照強(qiáng)度大時(shí)，則光敏電阻RXI比光敏電阻RDONG的阻值小，中間偏置點(diǎn)電壓小于6V，LM423（U1:A）就輸出0，LM324（U1:D）就輸出1，這兩個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到中間點(diǎn)輸出偏置電壓為6V為止。具體工作流程如圖4所示。

圖4工作流程圖

3、硬件調(diào)試

重點(diǎn)介紹圖2中R5和R6這兩個(gè)電阻。剛開(kāi)始設(shè)計(jì)的電路是沒(méi)有這兩個(gè)電阻的，但在做跟蹤太陽(yáng)的試驗(yàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象，無(wú)法鎖定太陽(yáng)。通過(guò)分析電路，決定在對(duì)準(zhǔn)時(shí)制造一個(gè)窗口區(qū)間用來(lái)鎖定裝置，由于LM324的阻抗很大，小電阻產(chǎn)生不了壓降，慢慢加大這兩個(gè)電阻的阻值，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)電阻的阻值為5.1MΩ時(shí)效果最好。最后反復(fù)推敲得出結(jié)論：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度過(guò)快，在對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，因?yàn)榇嬖趹T性無(wú)法立即停止，會(huì)繼續(xù)往前一點(diǎn)，這時(shí)電機(jī)又會(huì)往回糾正，如此反復(fù)，這就是出現(xiàn)顫抖的原因，增加這兩個(gè)5.1MΩ的電阻后，會(huì)產(chǎn)生0.2V的壓降，相當(dāng)于制造了一個(gè)窗口，在這個(gè)窗口內(nèi)，裝置不再檢測(cè)并執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，只有偏離這個(gè)窗口才會(huì)執(zhí)行檢測(cè)，這樣就消除了抖動(dòng)的現(xiàn)象。

本文設(shè)計(jì)的一種由光電探測(cè)器、控制電路、機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成的光電式太陽(yáng)跟蹤器，該跟蹤器以L(fǎng)M324為核心，外圍電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，跟蹤精度高，功耗低。由于該太陽(yáng)跟蹤器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，所以具有發(fā)展?jié)摿Α？蓪?shí)際應(yīng)用于太陽(yáng)能路燈等光電系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有可推廣性。