基于非平衡电桥原理的太阳能双轴跟踪系统的设计

魏 萌，毛佳琪，王晋萱，马 瑜，罗海军

(1．温州大学 数理学院，浙江 温州 325035；2．杭州市和睦小学，浙江 杭州 310000)

随着现代工业发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，优先发展太阳能这个清洁可再生能源受到许多国家高度重视[1-5]。目前在光伏发电技术中，提高太阳能的接收效率是提高太阳能的利用率的关键问题之一，其中一种有效的解决便是设计一类能自动跟踪太阳光线的装置，最大程度上保证装置接收面垂直于太阳能光线，达到对太阳光辐射量的最大利用率[6-10]。

针对该问题，本文介绍一种基于非平衡电桥原理的双轴太阳能跟踪设备，该设备具有精度高、体积小、低能耗、性能稳定等优点，不仅可以用于真实的太阳能跟踪系统，同时由于物理原理清晰、设计巧妙，可广泛用于大中专院校、中小学等课堂演示实验和科普演示实验。

1 基本原理

图1是非平衡电桥电路示意图。当R1R3=R2R4时，电桥平衡，Uab=0。当R1R3≠R2R4时，电桥不平衡，Uab≠0。根据基尔霍夫电压和电流定律，可列方程解得：

图1 非平衡电桥测电压原理图

(1)

将R1和R4用相同的光敏电阻替代，R2和R3均用定值电阻R替代。此时电桥的输出电压会出现三种情况：

(1)当R1接收的光强大于R4时，即R10；

(2)当R1接收的光强小于R4时，即R1>R4，则Uab<0；

(3)当R1接收的光强等于R4时，即，R1R3=R2R4，此时电桥平衡，Uab=0。

从式(1)中看出，当R2和R3一定时(一般取相等值)，总体上Uab存在一种趋势：在Ucd一定时，R1、R4的阻值差值越大，Uab越大。

本设备中，我们用两个光敏电阻替代R1和R4，为了更加形象地显示光敏电阻对a、b两点电压Uab的影响情况，在a、b两点之间接入两个方向相反的发光二极管L1、L2，如图2所示，若Uab足够大，有：

图2 非平衡电桥控制发光二极管示意图

(1)光敏电阻R1接收到的光强大于R4时，则L1发光，L2由于接入反向电压，不发光；

(2)光敏电阻R1接收到的光强小于R4时，则L2发光，L1不发光。

(3)光敏电阻R1接收到的光强等于R4时，Uab=0，L1、L2均不发光。

本项目的一个关键技术就在于，当光敏电阻R1接收到的光强不等于R4时，要确保a、b两点的电流(电压)足够大，可以改变继电器的通断状态，从而影响差速电机的正反转动。下面就来分析如何实现这一要求。

光电耦合器(图3)是以光为媒介传输电信号的一种“电→光→电”转换器件。一般情况下，图2中光敏电阻R1或R4阻值变化时，a、b两点电压Uab或Uba经过光电耦合器后，仍然较小，还不足以改变继电器的通断状态。因此还需要在光电耦合器后再接入2个三极管，进行两次电流放大。这样当R1或R4阻值发生轻微改变时，放大的电流足以改变继电器的通断状态，从而实现差速电机正反转的同步控制。

图3 光电耦合器内部结构示意图

2 仪器结构

图4是设备结构示意图，仪器底座上设置有一个用于控制水平角度的水平角电机，水平角电机一侧设置有电机电源，底座上端面上设置有控制端电源和降压稳压模块，电机的主轴上设置有太阳能电池板，太阳能电池板下端置有降压稳压模块，太阳能电池板上端面中部设置有高度角电机，高度角电机的主轴上设置有工作平台，工作平台上设置有T型板；电机电源分别与水平角电机和高度角电机连接，并给水平角电机和高度角电机供电；控制端电源连接有双轴控制电路。

图4 太阳能双踪系统演示仪成品示意图

图5是太阳能双踪系统演示仪成品图。该产品可对光源进行360°全方位跟踪，最高效率接收太阳能。当光从右上方照入时，水平电机正转，垂直电机正转，最终使工作平台直面光源。

图5 太阳能双踪系统演示仪实物图

3 设计原理

现分析太阳光单轴跟踪系统的实现方法。操控目标是：当阳光从某个方向(比如从水平西侧)照入时，光敏电阻R1阻值变小，控制水平角的电机顺时针方向转动，光照逐渐朝光敏电阻R4垂直照射，最终使得R1和R4光照一致，此时电机停止转动。反之，则水平角的电机逆时针方向转动。

根据一维控制端操控目标，设计了如图6所示的太阳光单轴跟踪系统，我们采用继电器来实现上述目标。继电器是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。在此，我们利用继电器控制电流的通断来实现某一个方向上的太阳光跟踪功能。

图6 太阳能单轴跟踪系统的控制图

电机正反转驱动电路如图7所示，正常工作条件下，两个继电器只会出现J1吸合J2不吸合、J2吸合J1不吸合、J1和J2都不吸合三种情况，电机根据继电器吸合实现正反转动。

图7 单轴跟踪系统的电机正反转驱动电路图

图8 T型挡板俯视图

其次，通过精心设计和反复测试，两套单轴控制电路和两套电机驱动电路所构成的完整的双轴控制电路如图9所示，电机驱动电路如图10所示。

图9 太阳能双轴跟踪系统的控制图

图10 双轴跟踪系统的电机正反转驱动电路图

在此，由于两个方向上跟踪系统的工作原理一致，所以本文仅以垂直方向为例，作一简要叙述，如图9所示：

这样，就在水平维度和高度维度互不干扰又完美结合之下，巧妙地实现了设备自动跟踪光信号的这一“智能化”功能。整个双踪控制的逻辑判断流程如图11所示。

图11 太阳能双踪系统逻辑框架图

4 结 语

根据本文所述，可制得一种自动追踪光线的太阳能双轴跟踪系统，该设备将光敏电阻、太阳能电池等与光照紧密联系的器件融于一套设备中，实现光敏电阻对太阳能电池接收效率最大化的精准控制。相比于芯片和复杂程序控制的机械式太阳能跟踪系统，该设备结构设计合理，系统跟踪灵敏度高，反应迅速，且具有成本低、体积小、性能稳定、精度高等优点。同时，该设备由于物理背景突出、原理简单，可用于大中专院校、中小学等课堂演示实验和科普演示实验。