追日系統(tǒng)中的信號檢測電路設(shè)計

李成熙，許正望

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追日系統(tǒng)中的信號檢測電路設(shè)計

李成熙，許正望

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢430068）

聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)對追日檢測的精度和穩(wěn)定性要求很高，針對現(xiàn)有檢測器的缺點設(shè)計了基于熱傳感器的檢測電路，介紹了檢測電路的各個部分和檢測原理，該電路具有安裝調(diào)試容易、精度高、穩(wěn)定性高的優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于各種需要追日檢測的系統(tǒng)中。

追日 檢測電路 電橋 AD620

0 引言

在聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，聚光透鏡將太陽能聚集于光伏芯片上，因為減少了光伏芯片的用量，使用這種結(jié)構(gòu)降低了系統(tǒng)成本，但是需要高精度、高可靠性的追日系統(tǒng)保證太陽能被準(zhǔn)確地聚集到光伏芯片。因此出現(xiàn)了各種太陽跟蹤裝置，以提高太陽能收集效率，但是這些裝置均存在這樣或者那樣的問題，無法滿足聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的要求。除了陽光取樣的小洞尺寸很小導(dǎo)致信號微弱且容易受到灰塵、污漬影響外，檢測元件以各種光電器件為核心是最主要的原因，因為光電器件都是以半導(dǎo)體材料制成，其性能參數(shù)隨時間增長而逐步劣化，而且兩片材料劣化的速度并不一致，從而使得經(jīng)過一段時間運行的檢測系統(tǒng)精度越來越差[1-3]。

在筆者設(shè)計的太陽能追日系統(tǒng)中，拋棄了不可靠的半導(dǎo)體材料器件，使用化學(xué)性能穩(wěn)定、物理特性也極其穩(wěn)定的鉑材料制成檢測元件，并設(shè)計了簡單可靠的檢測電路，應(yīng)用這種電路可解決聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)不能長期保持高效率的問題。

1總體方案設(shè)計

該檢測電路的設(shè)計主要針對目前聚光太陽能系統(tǒng)中追日系統(tǒng)精度問題，提出新的檢測方案，使追日精度可以長期保持，從而使得聚光太陽能系統(tǒng)可以大量推廣使用。通過分析造成追日精度不能長期保持的原因，我們發(fā)現(xiàn)目前聚光太陽能系統(tǒng)中主要是使用光電方式來檢測和追蹤太陽，由于光電器件性能不夠穩(wěn)定，再加上有時候工作環(huán)境惡劣，使其難以做到長期高精度追蹤太陽，從而影響到整個系統(tǒng)的發(fā)電效率。

本方案采取的是利用平衡電橋檢測電路檢測太陽輻射的熱來間接地檢測太陽光照方向，而使用的熱傳感器以鉑絲繞制而成，其長期穩(wěn)定性極佳，這樣就可以很好的解決傳統(tǒng)聚光太陽能系統(tǒng)的檢測電路中由傳感器直接檢測太陽光而導(dǎo)致追日精度下降的問題[4-5]。

整個追日檢測電路系統(tǒng)框圖如圖1所示，以熱傳感器為基礎(chǔ)構(gòu)成平衡電橋電路，在有追日誤差的時候通過平衡電橋電路產(chǎn)生偏差信號：平衡電橋電路輸出的偏差信號經(jīng)過濾波電路和放大電路處理后傳送到A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路將電信號轉(zhuǎn)換為成數(shù)字信號；后續(xù)的控制器再根據(jù)該信號判斷追日偏差的方向和程度，并發(fā)出指令控制執(zhí)行機構(gòu)動作，使該偏差逐步減小到可以接受的范圍，如此就可以實現(xiàn)對太陽穩(wěn)定高效的追蹤。

2 檢測電路設(shè)計

2.1 追日傳感器平衡電橋電路的設(shè)計

在聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，使用4只直型傳感器按正方形布置于光伏芯片（見圖2）的四周。聚光透鏡聚集的太陽光照射于光伏芯片上，緊挨光伏芯片布置的熱傳感器也可以接受到一定的熱輻射。其中傳感器A、C相對布置，用于測量南北方向的追蹤誤差，傳感器B、D相對布置，用于測量東西方向的追蹤誤差。

電路連接關(guān)系如圖3所示，RA、RB、RC、RD分別代表熱傳感器A、B、C、D的電阻值，R1、R2為精密固定電阻，RX1、RX2為精密可調(diào)電阻，R1、RX1、RA、RC構(gòu)成一個平衡電橋，R2、RX2、RB、RD構(gòu)成另一個平衡電橋。本追日傳感器有6個連接端子1、2、3、4、5、6，其中1、6端子之間接穩(wěn)定的直流電源，從2、3端子輸出檢測到的南北方向追日誤差信號，從4、5端子輸出東西方向的追日誤差信號。

以南北方向為例，系統(tǒng)安裝調(diào)試時，可在追日準(zhǔn)確的情況下手動調(diào)整可調(diào)電阻RX1使端子2、3的電位相等，即2、3之間沒有電位差，輸出電壓為0。系統(tǒng)運行中，若發(fā)生向北方偏離的追日誤差，則RA增大且RC減小，則端子2的電位下降，由于端子3的電位不變，則從端子2、3之間可以輸出一個負(fù)的電壓信號，表明向北偏離，同時該電壓信號的大小表明了偏離的程度，電壓信號經(jīng)過后續(xù)電路的處理再傳輸?shù)娇刂颇K，就可以使太陽能追蹤器準(zhǔn)確跟蹤太陽的運動軌跡。東西方向的檢測從4、5端子輸出信號，原理與此類似。

如圖4，從平衡電橋輸出偏差信號經(jīng)過電阻R22和R5耦合至放大電路，為使電路設(shè)計簡潔并具有良好的信噪比，在平衡電橋電路和AD620放大電路之間設(shè)計一組濾波電路對信號進(jìn)行處理，以除去有用信號頻帶以外的噪聲，提高電路的信噪比，具有抗干擾的作用。經(jīng)過放大的信號從AD620的6腳輸出。

AD620是一款低成本、高精度儀表放大器，僅需要一個外部電阻來設(shè)置增益，增益范圍為1至1000。由于其輸入級采用SuperBeta處理，因此可以實現(xiàn)最大1.0 nA的低輸入偏置電流。AD620在1 kHz時具有9 nV/√Hz的低輸入電壓噪聲，在0.1 Hz至10 Hz頻帶內(nèi)的噪聲峰峰值為0.28μV，輸入電流噪聲為0.1 pA/√Hz，因而作為前置放大器使用效果很好。同時，AD620的0.01%建立時間為15μs，非常適合多路復(fù)用應(yīng)用；而且成本很低，足以實現(xiàn)每通道一個儀表放大器的設(shè)計。本電路中通過AD620可以將偏差信號放大到適合后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換電路可以轉(zhuǎn)換的大小。AD620的增益通過其1號引腳與8號引腳之間存在的阻抗進(jìn)行編程，因此安裝調(diào)試時，通過調(diào)整可調(diào)電阻R23（見圖4）的大小，使AD620的放大倍數(shù)達(dá)到合適的值。

增益計算公式為：

式中，RG為引腳1與引腳8之間接的阻值，G為放大增益。經(jīng)過實際的電路調(diào)試，東西方向電橋的RG為5.73 kΩ,對應(yīng)的G為9.621，南北方向電橋的RG為5.64 kΩ,對應(yīng)的G為9.759。

2.3電平移動電路的設(shè)計

由于后續(xù)的A/D轉(zhuǎn)換器只能轉(zhuǎn)換正電壓，在AD620之后增加了一級電平移動電路（見圖5、圖6），使用OP07芯片給AD620輸出信號加上固定的1.5V電壓。

由AD620放大的信號經(jīng)過圖6中R19送入OP07，OP07芯片是一種低噪聲、非斬波穩(wěn)零的雙電源供電運算放大器集成電路。由于OP07芯片具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07芯片在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。

由圖5所示電路產(chǎn)生的固定1.5V電壓信號經(jīng)過圖6中R15送入OP07，這兩個信號經(jīng)過相加即可實現(xiàn)對檢測信號的電平移動。

在平衡電橋電路（如圖3）中，RX1（或RX2）調(diào)整好后保持不變；在系統(tǒng)運行時，隨著光照方向的不同，傳感器受到的熱輻射相應(yīng)變化，從而影響傳感器的阻值變化，當(dāng)RA（或RB）增大時RC（或RD）減小，RA（或RB）減小的時候RC（或RD）增大，則電橋失去平衡輸出偏差信號給AD620。其后，從OP07的6腳輸出的信號直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，控制系統(tǒng)會根據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的判斷和處理，使太陽能追蹤器可以準(zhǔn)確跟蹤太陽的運動軌跡。

3 結(jié)語

在聚光太陽能追日系統(tǒng)中，目前出現(xiàn)的各種檢測電路都是用傳感器直接檢測太陽光，但這些檢測器件的感光材料穩(wěn)定性不夠，輸出特性受溫度影響較大，過一段時間的運行后追日精度會明顯下降。而本文所設(shè)計平衡電橋檢測電路是通過檢測太陽輻射的熱來間接地檢測太陽光照方向，持久地保持了追日精度，更好地滿足了實際的要求，可推動聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1] 沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2] 馮垛生, 宋金蓮.太陽能發(fā)電原理與應(yīng)用[M].人民郵電出版社，2007.

[3] 錢伯章.太陽能技術(shù)與應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2010.

[4] 高晉占.微弱信號檢測（第2版）[M].清華大學(xué)出版社，2011.

[5] 胡鵬程，時瑋澤，梅健挺.高精度鉑電阻測溫系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程.

Signal Detecting Circuit of the Solar Tracking System

Li Chengxi, Xu Zhengwang

(School of Electrical & Electronics, Hubei University of technology, Wuhan 430068, China)

TN707

A

1003-4862（2016）05-0005-03

2015-10-09

李成熙(1995-)，男，14電信專業(yè)本科生。研究方向：電子信息工程。