社會的發展與進步，更加重視傾角傳感器在太陽能跟蹤系統中的應用。傾角傳感器在太陽能跟蹤系統中的應用的有關內容。 關鍵詞； 傾角；傳感器；太陽能；跟蹤系統；應用； 中圖分類號： 文獻標識碼： a 文章編號： 引言 隨著經濟的高速發展，對于能源的需求和由之帶來的高污染問題 日趨突出。太陽能作為一種新型、清潔能源，發展前景相當廣闊， 目前已成為各國競相研究和開發的熱點，而如何高效地獲得太陽能 資源是當前一個重要的課題。傳統的太陽能接收板大部分采用固定 安裝形式，而太陽的方位角度和高度是隨時間變化的，所以這種固 定安裝的電池接收板的轉換效率較低。經理論分析，光伏發電系統 是否采用對太陽的自動跟蹤方式， 能量的接收效率相差達 40%～50% 之多，而采用雙軸跟蹤可增加發電量 35%～40%，因此，開展對太陽 光線自動跟蹤方面的研究，對于光伏發電系統的發展有著積極的實 際意義。 一、傾角傳感器原理 傾角傳感器經常用于系統的水平測量，從工作原理上可分為“固 體擺”式、 “液體擺”式、 “氣體擺”三種傾角傳感器，下面就它們 的工作原理進行介紹。
1、 “固體擺”式慣性器件固體擺在設計中廣泛采用力平衡式伺服
系統，由擺錘、擺線、支架組成， 擺錘受重力 g 和擺拉力 t 的作 用，其合外力 f 為： f＝g sinq = mg sinq （1） 其中，θ 為擺線與垂直方向的夾角。在小角度范圍內測量時，可 以認為 f 與θ 成線性關系。如應變式傾角傳感器就是基于此原理。 圖 1 液體擺原理示意圖 2、 “液體擺”式慣性器件液體擺的結構原理是在玻璃殼體內裝有 導電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距 相等，如圖 1 所示。當殼體水平時，電極插入導電液的深度相同。 如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時，電極之間會形成 離子電流，兩根電極之間的液體相當于兩個電阻 ri 和 riii。若液 體擺水平時，則 ri＝riii。當玻璃殼體傾斜時，電極間的導電液不 相等，三根電極浸入液體的深度也發生變化，但中間電極浸入深度 基本保持不變。 如圖 2 所示， 左邊電極浸入深度小， 則導電液減少， 導電的離子數減少，電阻 ri 增大，相對極則導電液增加，導電的 離子數增加，而使電阻 riii 減少，即 ri＞riii。反之，若傾斜方 向相反，則 ri＜riii。在液體擺的應用中也有根據液體位置變化引 起應變片的變化，從而引起輸出電信號變化感知傾角的變化。在實 用中除此類型外，還有在電解質溶液中留下一氣泡，當裝置傾斜時 氣泡會運動使電容發生變化而感應出傾角的“液體擺” 。
圖 2 傾角為α 時液體擺原理簡圖
3 “氣體擺”式慣性器件氣體在受熱時受到浮升力的作用，如同 固體擺和液體擺也具有的敏感質量一樣，熱氣流總是力圖保持在鉛 垂方向上，因此也具有擺的特性。 “氣體擺”式慣性元件由密閉腔 體、氣體和熱線組成。當腔體所在平面相對水平面傾斜或腔體受到 加速度的作用時，熱線的阻值發生變化，并且熱線阻值的變化是角 度 q 或加速度的函數，因而也具有擺的效應。其中熱線阻值的變化 是氣體與熱線之間的能量交換引起的。 “氣體擺”式慣性器件的敏 感機理基于密閉腔體中的能量傳遞，在密閉腔體中有氣體和熱線， 熱線是唯一的熱源。當裝置通電時，對氣體加熱。在熱線能量交換 中對流是主要形式。 二、太陽能跟蹤控制系統方案 本文研究的太陽能跟蹤系統由監控中心、太陽能跟蹤控制兩大部 分組成。監控中心主要完成太陽能板的狀態監測與控制，而太陽能 跟蹤控制則是本系統的核心部分，由水平方向與俯仰方向(即傾角) 上的兩個電機驅動，完成電池板的自動跟蹤功能，其機械示意圖如 圖 3 所示。
圖 3 雙軸支架機械結構圖 實際系統控制中，根據 gps 輸出的時間信息、經緯度信息，可以 得到太陽的實時方位角和高度角，通過控制電機來調整雙軸支架， 完成對太陽的跟蹤。系統采用步進式視日跟蹤，即雙軸支架的運轉 并非連續性的，而是給定一個閾值，如果當前太陽角度與太陽能電
池板角度的差值超過設定的閾值時，再啟動兩個電機完成角度的調 整，這樣既降低了支架轉動而消耗的能量，又提高了太陽能轉換效 率。 三、傾角檢測模塊設計 硬件電路設計 傾角傳感器模塊安裝在太陽能電池板的下表面，完成支架傾角的 采集。工作狀態下，sca60c 的模擬電壓輸出信號輸入到單片機的 a/d 采集端口，轉換后的數字量信號通過串口與主控箱中的單片機 通信，完成角度反饋，其硬件電路設計如圖 4 所示。
圖 4 傾角檢測模塊系統結構圖 軟件設計 單片機的 8 路 a/d 口需要通過對 adc_contr 寄存器中 chs0\chs1\chs2 三位的設置來選擇使用的模擬輸入通道， 并且必須 將其設置為開漏模式或高阻模式，即需要對 p1m0(0～7)，p1m1(0～ 7)中相應位進行設置，如本例中選擇 為 sca60c 的電壓信號采 集端，為開漏模式，則設置為： adc_contr |= 0x02；// 選擇 為 a/d 的轉換端口 p1m0 |= 0x40； // 設置轉換端口為開漏模式 p1m1 |= 0x40； 第一次啟動 a/d 轉換時，需給適當延時以確保內部模擬電源的穩 定；轉換結束后，結束標志位需要由軟件清零。該傾角模塊軟件流
程圖如圖 5 所示。
圖 5 軟件設計流程圖 四、傾角傳感器數據采集與濾波處理 本文中， 每隔 300 ms 采集一次傾角傳感器輸出電壓， 電池板從 0° 勻速轉到 90°后得到的數據如圖 6 所示。 圖中 x 軸表示電池板轉動 90°所用的時間，y 軸為對應時間下傳感器輸出的電壓值。 圖 6 中所示的傳感器輸出電壓信號顯然不能作為電池板的角度信 號反饋給 mcu，否則可能會導致俯仰方向上驅動電機的誤動作，產 生意想不到的后果，因此需要進行濾波，去除毛刺信號。
圖 6 傾角傳感器輸出的原始信號 設傾角傳感器輸出電壓值為 xi，則每 n 組數據進行平均后，得到 平滑后的輸出值為： yi=1n(x1+x2+„+xn)=1n∑ni=1xi 如果 n 取值很大，輸出信號的平滑度則很高，但是會降低靈敏度， 且還受到本文中所選擇單片機 ram 的大小的限制；n 取值很小則又 達不到濾波效果。實驗驗證，本應用中 n 取 20 可得到很好的濾波 效果。 由圖 6 可以看出，輸出信號脈沖干擾信號很多，所以必須要做限幅處理。限幅濾波設置一個閾值， 如果前后兩次輸出值的差值小于 等于這個閾值時，本次值有效；相反則舍棄本次值，同時用上次值
代替本次值。本文依據太陽初升及落山時刻，電池板初始對準及回 收動作下的電壓變化最大幅值設置閾值。可算得其最大轉動速度為 °/s，則對應的輸出電壓最大差值應該為 25 mv。本方法有效地結合了限幅濾波和算術平均濾波各自的優點，先利 用限幅濾波算法去除了超出閾值的無效脈沖數據，再使用算術平均 濾波平滑輸出信號，輸出信號效果圖如圖 7 所示。
圖 7 聯合濾波后的數據圖 可以看出，其平滑度有了很大的改善，滿足了控制系統的要求， 表明了此聯合濾波算法的應用是有效的。 結束語 研究傾角傳感器在太陽能跟蹤發電系統中的應用，可以設計模塊 的硬件電路，根據本應用環境的因素，利用兩種濾波方法的優點對 輸出信號進行處理，達到理想的輸出效果，精確地反饋太陽能電池 板俯仰角度，使得對太陽的跟蹤實時有效，提高太陽能電池板的接收效率。
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