追日系统中的信号检测电路设计

李成熙，许正望



追日系统中的信号检测电路设计

李成熙，许正望

（湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉430068）

聚光太阳能发电系统对追日检测的精度和稳定性要求很高，针对现有检测器的缺点设计了基于热传感器的检测电路，介绍了检测电路的各个部分和检测原理，该电路具有安装调试容易、精度高、稳定性高的优点，可广泛应用于各种需要追日检测的系统中。

追日 检测电路 电桥 AD620

0 引言

在聚光太阳能发电系统中，聚光透镜将太阳能聚集于光伏芯片上，因为减少了光伏芯片的用量，使用这种结构降低了系统成本，但是需要高精度、高可靠性的追日系统保证太阳能被准确地聚集到光伏芯片。因此出现了各种太阳跟踪装置，以提高太阳能收集效率，但是这些装置均存在这样或者那样的问题，无法满足聚光太阳能发电系统的要求。除了阳光取样的小洞尺寸很小导致信号微弱且容易受到灰尘、污渍影响外，检测元件以各种光电器件为核心是最主要的原因，因为光电器件都是以半导体材料制成，其性能参数随时间增长而逐步劣化，而且两片材料劣化的速度并不一致，从而使得经过一段时间运行的检测系统精度越来越差[1-3]。

在笔者设计的太阳能追日系统中，抛弃了不可靠的半导体材料器件，使用化学性能稳定、物理特性也极其稳定的铂材料制成检测元件，并设计了简单可靠的检测电路，应用这种电路可解决聚光太阳能发电系统不能长期保持高效率的问题。

1总体方案设计

该检测电路的设计主要针对目前聚光太阳能系统中追日系统精度问题，提出新的检测方案，使追日精度可以长期保持，从而使得聚光太阳能系统可以大量推广使用。通过分析造成追日精度不能长期保持的原因，我们发现目前聚光太阳能系统中主要是使用光电方式来检测和追踪太阳，由于光电器件性能不够稳定，再加上有时候工作环境恶劣，使其难以做到长期高精度追踪太阳，从而影响到整个系统的发电效率。

本方案采取的是利用平衡电桥检测电路检测太阳辐射的热来间接地检测太阳光照方向，而使用的热传感器以铂丝绕制而成，其长期稳定性极佳，这样就可以很好的解决传统聚光太阳能系统的检测电路中由传感器直接检测太阳光而导致追日精度下降的问题[4-5]。

整个追日检测电路系统框图如图1所示，以热传感器为基础构成平衡电桥电路，在有追日误差的时候通过平衡电桥电路产生偏差信号：平衡电桥电路输出的偏差信号经过滤波电路和放大电路处理后传送到A/D转换电路，A/D转换电路将电信号转换为成数字信号；后续的控制器再根据该信号判断追日偏差的方向和程度，并发出指令控制执行机构动作，使该偏差逐步减小到可以接受的范围，如此就可以实现对太阳稳定高效的追踪。

2 检测电路设计

2.1 追日传感器平衡电桥电路的设计

在聚光太阳能发电系统中，使用4只直型传感器按正方形布置于光伏芯片（见图2）的四周。聚光透镜聚集的太阳光照射于光伏芯片上，紧挨光伏芯片布置的热传感器也可以接受到一定的热辐射。其中传感器A、C相对布置，用于测量南北方向的追踪误差，传感器B、D相对布置，用于测量东西方向的追踪误差。

电路连接关系如图3所示，RA、RB、RC、RD分别代表热传感器A、B、C、D的电阻值，R1、R2为精密固定电阻，RX1、RX2为精密可调电阻，R1、RX1、RA、RC构成一个平衡电桥，R2、RX2、RB、RD构成另一个平衡电桥。本追日传感器有6个连接端子1、2、3、4、5、6，其中1、6端子之间接稳定的直流电源，从2、3端子输出检测到的南北方向追日误差信号，从4、5端子输出东西方向的追日误差信号。

以南北方向为例，系统安装调试时，可在追日准确的情况下手动调整可调电阻RX1使端子2、3的电位相等，即2、3之间没有电位差，输出电压为0。系统运行中，若发生向北方偏离的追日误差，则RA增大且RC减小，则端子2的电位下降，由于端子3的电位不变，则从端子2、3之间可以输出一个负的电压信号，表明向北偏离，同时该电压信号的大小表明了偏离的程度，电压信号经过后续电路的处理再传输到控制模块，就可以使太阳能追踪器准确跟踪太阳的运动轨迹。东西方向的检测从4、5端子输出信号，原理与此类似。

如图4，从平衡电桥输出偏差信号经过电阻R22和R5耦合至放大电路，为使电路设计简洁并具有良好的信噪比，在平衡电桥电路和AD620放大电路之间设计一组滤波电路对信号进行处理，以除去有用信号频带以外的噪声，提高电路的信噪比，具有抗干扰的作用。经过放大的信号从AD620的6脚输出。

AD620是一款低成本、高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000。由于其输入级采用SuperBeta处理，因此可以实现最大1.0 nA的低输入偏置电流。AD620在1 kHz时具有9 nV/√Hz的低输入电压噪声，在0.1 Hz至10 Hz频带内的噪声峰峰值为0.28μV，输入电流噪声为0.1 pA/√Hz，因而作为前置放大器使用效果很好。同时，AD620的0.01%建立时间为15μs，非常适合多路复用应用；而且成本很低，足以实现每通道一个仪表放大器的设计。本电路中通过AD620可以将偏差信号放大到适合后续A/D转换电路可以转换的大小。AD620的增益通过其1号引脚与8号引脚之间存在的阻抗进行编程，因此安装调试时，通过调整可调电阻R23（见图4）的大小，使AD620的放大倍数达到合适的值。

增益计算公式为：

式中，RG为引脚1与引脚8之间接的阻值，G为放大增益。经过实际的电路调试，东西方向电桥的RG为5.73 kΩ,对应的G为9.621，南北方向电桥的RG为5.64 kΩ,对应的G为9.759。

2.3电平移动电路的设计

由于后续的A/D转换器只能转换正电压，在AD620之后增加了一级电平移动电路（见图5、图6），使用OP07芯片给AD620输出信号加上固定的1.5V电压。

由AD620放大的信号经过图6中R19送入OP07，OP07芯片是一种低噪声、非斩波稳零的双电源供电运算放大器集成电路。由于OP07芯片具有非常低的输入失调电压，所以OP07芯片在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

由图5所示电路产生的固定1.5V电压信号经过图6中R15送入OP07，这两个信号经过相加即可实现对检测信号的电平移动。

在平衡电桥电路（如图3）中，RX1（或RX2）调整好后保持不变；在系统运行时，随着光照方向的不同，传感器受到的热辐射相应变化，从而影响传感器的阻值变化，当RA（或RB）增大时RC（或RD）减小，RA（或RB）减小的时候RC（或RD）增大，则电桥失去平衡输出偏差信号给AD620。其后，从OP07的6脚输出的信号直接进行A/D转换，控制系统会根据转换的数据进行相应的判断和处理，使太阳能追踪器可以准确跟踪太阳的运动轨迹。

3 结语

在聚光太阳能追日系统中，目前出现的各种检测电路都是用传感器直接检测太阳光，但这些检测器件的感光材料稳定性不够，输出特性受温度影响较大，过一段时间的运行后追日精度会明显下降。而本文所设计平衡电桥检测电路是通过检测太阳辐射的热来间接地检测太阳光照方向，持久地保持了追日精度，更好地满足了实际的要求，可推动聚光太阳能发电系统的应用，从而产生巨大的经济和社会效益。

[1] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社，2005.

[2] 冯垛生, 宋金莲.太阳能发电原理与应用[M].人民邮电出版社，2007.

[3] 钱伯章.太阳能技术与应用[M].科学出版社，2010.

[4] 高晋占.微弱信号检测（第2版）[M].清华大学出版社，2011.

[5] 胡鹏程，时玮泽，梅健挺.高精度铂电阻测温系统[J].光学精密工程.

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电信专业本科生。研究方向：电子信息工程。