四象限探测器在太阳能电池板自动追踪系统中的 应用

四象限光伏控制器四象限光伏控制器是一种用于光伏发电系统中的关键设备，它能够实现对光伏电池组的精确控制，有效提高发电效率。

本文将从四象限光伏控制器的原理、功能和应用等方面进行介绍。

一、四象限光伏控制器的原理四象限光伏控制器是一种基于电力电子技术的控制装置，主要由电子元器件和控制算法组成。

其工作原理主要包括以下几个方面：1. 光伏电池发电原理：光伏电池是利用光电效应将太阳能转化为电能的器件。

当太阳光照射到光伏电池上时，光子的能量被电子吸收，形成电压差，从而产生电能。

2. 最大功率点追踪（MPPT）：光伏电池的输出功率与其工作点相关，不同的工作点对应着不同的输出功率。

而太阳能的辐射强度和温度等因素会影响光伏电池的工作点，因此需要通过最大功率点追踪算法来寻找光伏电池的最佳工作点，以实现最大的输出功率。

3. 逆变器控制：逆变器是将光伏电池的直流电转换为交流电的装置。

四象限光伏控制器通过控制逆变器的工作方式，使光伏电池的直流电能以最佳方式转换为交流电，从而实现高效发电。

四象限光伏控制器具有以下几个主要功能：1. 最大功率点追踪功能：通过实时监测光伏电池的电压和电流等参数，采用先进的最大功率点追踪算法，精确计算出光伏电池的最佳工作点，以获取最大的输出功率。

2. 逆变器控制功能：根据光伏电池的输出电压和电流等参数，控制逆变器的工作方式和输出频率，将直流电转换为交流电，并保持输出电压和频率的稳定。

3. 安全保护功能：四象限光伏控制器会监测光伏电池组的电压、电流和温度等参数，一旦发现异常情况，如过压、过流、过温等，会及时采取相应的保护措施，保证光伏发电系统的安全运行。

4. 数据采集和通信功能：四象限光伏控制器可以实时采集光伏电池组的输出功率、电压、电流等数据，并通过通信接口将数据传输给监控系统，方便运维人员对光伏发电系统进行监控和管理。

三、四象限光伏控制器的应用四象限光伏控制器主要应用于光伏发电系统中，可以广泛应用于家庭光伏发电、商业光伏发电和大型光伏电站等场景。

收稿日期:2010-12-24基金项目:江苏省高等学校大学生实践创新训练计划(2008-230);南京信息工程大学科研基金(S8107239001)作者简介:夏江涛(1979-),男,讲师,博士,主要从事光电系统及自动控制技术研究.・电路与控制・太阳能板自动对准装置的设计夏江涛(南京信息工程大学,江苏　南京　210044) 摘　要:构建了基于四象限探测器的双轴机械式自动跟踪定位装置,以低功耗单片机MSP430为核心,设计了使太阳能板始终保持与太阳光垂直的自动跟踪系统,大大提高了太阳能的利用效率.采用高性能的放大电路、滤波电路、A/D 转换电路及精密步进系统,控制精度高,直线跟踪精度达到0.25μm ,视场的跟踪角精度为0.25mrad ,满足设计要求,对于太阳能的应用技术具有较大的参考价值,具有广泛的应用潜力.关键词:太阳能;自动跟踪;四象限探测器;二维转台中图分类号:T N215;TP273 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2010)01-0045-04Design of Autotrack Equipment for Solar PanelXIA Jiang 2tao(N anjing U niversity of Inf orm ation Science &Technology ,N anjing 210044,China ) Abstract :Based on four 2quadrant photodetector ,a double axle autotrack machinery equipment is designed with the low 2power MSP430SCM as its core.It enables the sun panel to keep being vertical to sunlight ,so the utilization efficiency of solar energy was greatly improved.The equipment consists of the amplifying circuit ,fil 2ter circuit ,integrating circuit ,A/D converter and precise stepping system.The linear tracking precision is up to 0.25μm ,and the tracking precision of coverage angle is 0.25mrad.The research is helpful to the applications of solar energy. K ey w ords :solar energy ;autotrack ;four 2quadrant photodetector ;22D revolving platform 随着社会经济的发展,能源和资源的消耗速度越来越快,节约能源和开发利用可再生能源已经成为人类可持续发展的必要条件.太阳能作为一种清洁无污染的能源,发展前景非常广阔,太阳能发电技术已引起世界各国高度关注.然而,其间歇性、光照方向和强度随时间变化的问题对太阳能的收集和利用提出了更高的要求.目前,大多数太阳能电池板阵列采用位置固定的安装方式,此方法不能充分利用太阳能资源,整体发电效率较低.据实验数据表明,在相同条件下,采用自动跟踪式太阳能发电设备要比固定方式的发电量提高35%以上.因此在太阳能资源的利用中,自动跟踪技术是十分重要的研究方向[1].提出了一种新型的太阳光自动跟踪系统设计方案.太阳能板固定在自主设计的二维转台上,系统能自动根据太阳光方向来调整太阳能板朝向,以使其光敏面始终与太阳光保持垂直,进而有效提高系统工作效率.该系统结构简单、成本低,在跟踪过程中能实时自动更正坐标位置,不必人工干预,有效地提高了太阳能的利用率,有较好的推广应用价值.1　系统的结构二维自动转台的机械结构如图1所示.系统主第25卷第1期2010年2月 光电技术应用EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION Vol.25,No.1February.2010要由光电传感器、步进电机、传动机械、控制系统和电源系统组成.基于步进电机的精密传动机构,具有很好的自锁功能,能够根据系统的控制指令动作和维持状态,有效地减少外界的干扰对支架位置的影响[2-4].1—太阳能板;2—探测器模块;3—俯仰角支架;4—方位角转轴;5—滚珠丝杆;6—步进电机A ;7—齿轮组;8—步进电机B图1　二维转台结构图2　系统的工作原理2.1　系统工作过程系统的工作原理如图2所示.太阳光透过光孔,由透镜汇聚到四象限探测器的感光表面,受光面的4个电极就产生电压信号,这些电信号依次经过前置放大电路、滤波电路以及A/D 转换电路后,转换成数字量,并由控制器从A/D 转换器的寄存器中读取4个通道的采样数据.如果入射光斑的位置在受光面的中心,则受光面的各个电极的输出信号相等,此时入射光线与固定平面垂直.如果入射光斑的位置不在受光面的中心,受光面的输出信号不相等,通过下列步骤调整旋转平面:(1)通过数据运算可以确图2　系统工作原理图定入射光斑中心与受光面中心的相对偏移量,从而计算出入射光线与固定平面法线的夹角;(2)计算出控制方位角转动的步进电机和控制俯仰角旋转的步进电机的旋转角度,以使入射光线与固定平面法线之间的夹角为0°;(3)计算出步进电机的旋转步数和旋转方向,通过接口电路输出控制指令,驱动步进电机动作.为了减小功耗,在步进电机停止转动期间,通过控制器关闭步进电机的电源.2.2　传感器工作原理 采用EOS S -010-QD 硅四象限探测器来检测太阳光的入射光线与固定平面法线的夹角,该探测器是在一块芯片上封装了4个单独的感光面(共阴极),敏感面直径为10mm ,工作波长为0.3～1.1μm ,可以提供4路模拟电压输出,因此系统中选择探测器的输出电压作为有效测量信号.安装时,遮光罩的顶部平面以及受光面均要与转台的固定平板面平行,如图3所示[5].1—太阳能板平面;2—避光罩;3—四象限探测器;4—入射光斑位置;5—透光孔及物镜;6—平面的法线;7—入射光线图3　传感器工作原理图四象限探测器是一种基于四象限分解法设计的位敏器件,目标光信号经光学系统后在四象限探测器上成像,当目标成像不在光轴上时,4个象限上输出的信号幅度不相同.根据各象限上能量分布的比例可计算出目标的亮度中心位置,以确定目标的空间位置,即检测目标具体方位可以归结为像斑相对于探测器中心的偏移量大小和方向的计算.文中使用四象限加减求解法来提取目标偏移量,基本公式如下E x =S A +S D -S B -S CS A +S D +S B +S CE Y =S A +S B -S C -S DS A +S B +S C +S D (1)式中,E x 和E Y 分别为x 、y 轴上的偏移量;S A 、S B 、64 光　电　技　术　应　用 第25卷S C 、S D 分别为像斑在4个象限上的分布面积.设光斑的中心坐标为(a ,b ),如图3所示,则入射光线在zox 和zoy 平面中的投影线与平板法线的夹角φx 及φy 分别为φx =arctan (a h)φy =arctan (b h)(2)3　系统的电路设计系统硬件电路采用高性能集成电路芯片为核心来设计,如图4所示.系统采用实时工作方式.在工作过程中,四象限光电探测器的4路输出信号分别经过各通道的放大电路、滤波电路之后,由16位A/D 转换电路对4路模拟信号同时进行采样,然后由控制单元处理器依次从A/D 转换器的寄存器中读取转换结果,根据程序逻辑和处理算法,对前端光斑的接收位置进行判断,以输出相应的控制信号,驱动执行机构的步进电机动作,对太阳能板的接收角度进行实时调整.在整个工作过程中,可以实现完全的自动化控制.但考虑到人员的可控性,系统设置了几个人工操作键,并可以进行自动/手动模式切换,满足某些情况下人工操作的需要.系统的手动模式切换端、方位角加减控制端、俯仰角加减控制量和系统复位端均为开关量.在自动工作模式中,系统对4路输入信号实时采集,自动调整接收位置,以保证入射光垂直作用于太阳能板,整个工作过程自动实现,实时循环执行[6].图4　硬件电路结构图4　系统控制程序的设计由于在一定时间内,太阳光线偏离平面法线的角度很小,同时考虑减少系统损耗,经实验,系统的信号采集时间间隔确定为15min ,时间间隔是通过调用延时子程序来实现的,可以随时根据需要进行调整.为了能够在初始上电时快速地捕获太阳位置,系统设计了预扫描子程序以实现快速粗跟踪,可以对整个范围进行快速扫描,以确定太阳的初始位置,然后才进入到精确跟踪的控制程序.系统采用MSP430F133单片机作为控制核心,该单片机采用精简指令集,只有27条核心指令,指令周期可达125ns ,开发环境采用的是IAR 公司提供的Embedded Workbench 集成环境,使用C 语言编程.程序流程如图5所示[7].5　结　束　语系统采用四象限探测器作为前端探测单元,MSP430单片机作为核心控制单元,利用光电技术、电子技术、自动控制技术以及精密的步进系统实现74第1期 夏江涛:太阳能板自动对准装置的设计 图5　程序流程图了太阳能板自动跟踪瞄准系统的设计.文中给出了完整的系统设计方案,采用高性能的专用集成电路,优化了程序流程,大大提高了系统的性能.在实际工作中,可以根据需要,修改部分电路参数,使系统适用于新的工作环境,也可以通过修改程序,方便地调整系统的控制流程.利用VB 程序语言和串口通讯,可以实现上位机的控制及监视,利用网络通信技术,可以实现远程控制.在此系统基础上,可以方便地增加自动跟踪系统的功能,以应用在更复杂的系统中.同时,可以方便地将系统的设计思路移植到类似的控制系统中.该系统已调试成功,并进行了应用试验.在试验中,太阳移动时,控制系统可以有效地驱动二维转台动作,自动对准目标.系统的直线跟踪精度达到0.25μm ,视场的跟踪角精度为0.25mrad ,工作效果达到预期的开发目的.该系统对于太阳能的高效利用,有重要的应用价值.参考文献[1]　岑幻霞.太阳能热利用[M ].北京:清华大学出版社,1997.[2]　沈乐年,刘向锋.机械设计基础[M ].北京:清华大学出版社,1997:90-91.[3]　李建英,吕文华,贺晓雷,等.一种智能型全自动太阳跟踪装置的机械设计[J ].太阳能学报,2003,24(3):1-3.[4]　S oteris A K alogirou.Design and construction of one axissun tracking system [J ].S olar Energy ,1996,57(6):465-469.[5]　王春雷.五点法自动跟踪太阳装置[J ].太阳能学报,2005(5):30-31.[6]　陈维,李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J ].能源工程,2003(3):18-21.[7]王德银.MSP430系列单片机实用C 语言程序设计[M ].北京:人民邮电出版社,2005:17-100.欢迎订阅!欢迎赐稿!欢迎刊发广告!84 光　电　技　术　应　用 第25卷。

一种四象限太阳跟踪控制系统设计谢漪;谢翠婷;叶创辉【摘要】针对目前太阳能利用率普遍不高的现象,设计了一种高精度双轴控制的四象限太阳追踪系统.该系统以STM32控制电路为核心,选择四象限探测器和光电二极管作为光电传感器,结合数据采集算法以及PID算法,从而控制步进电机和舵机在东西、南北两轴向上的转动,以完成对太阳位置的精确追踪.系统测试表明该装置响应迅速、追踪精度高、稳定性好,可达到良好的追踪效果,具有广泛的应用前景和价值.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2017(046)002【总页数】5页(P37-41)【关键词】太阳能;四象限;光电跟踪;单片机【作者】谢漪;谢翠婷;叶创辉【作者单位】华南师范大学附属中学,广东广州 510630;华南师范大学物理与电信工程学院,广东广州 510006;华南师范大学附属中学,广东广州 510630【正文语种】中文【中图分类】TP273随着能源短缺和环境污染的进一步加剧，太阳能作为清洁、可再生能源已受到广泛的关注。

但由于太阳能的采集方法有限、采集率不高而导致太阳能的使用没有得到普遍的推广。

在太阳光角度与太阳能接受率的关系研究中，香港大学建筑系的HuiS C M和Cheung K P教授发现：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%[1]。

因此对太阳位置进行精确跟踪成为了提高太阳能接收率的突破口。

但像目前市场上比较常见的单轴太阳能自动跟踪器、步进式太阳能自动跟踪器、可自动跟踪的太阳灶等，都存在结构复杂、跟踪精度不高、成本昂贵等缺点[2]。

基于现状和已有的研究基础，本文采用双轴转动模式，重点寻找一种精度高、性价比高的光电传感器以及电机控制系统来追踪太阳位置。

本文设计了一种能够精确测量太阳位置的光电传感器（安装于太阳能电池板平面上），其主要部件包括遮光圆筒、光电二极管、四象限探测器，其结构图如图1所示。

四象限探测器位于遮光筒顶端，四个光电二极管与筒壁成45°夹角紧贴筒外壁并固定在筒壁的四个方位角上（筒壁上的方位角位于四象限探测器两中心轴线的切面上），且保持离地高度一致。

太阳能电池板自动追光系统设计作者：张宗磊徐源杨晨来源：《科技视界》2017年第07期【摘要】本文设计了一种太阳能电池板自动追光系统。

该系统将单片机选为控制器，太阳能电池作为传感器，步进电机作为执行机构，采用光电追踪方式，控制太阳能电池板自动旋转对准太阳光，能有效提高太阳能的利用率，具有一定的实用价值。

【关键词】太阳能；单片机；步进电机；光电追踪0 引言能源是关系一个国家全面发展的重要因素；太阳能作为一种新兴能源不但能够有效解决能源短缺的问题，还能在很大程度上改善环境污染，具有较大的研发前景。

我国的太阳能资源非常丰富，但是对太阳能的开发还面临着很大挑战，如何提高太阳能电池板对太阳能的采集效率是充分利用太阳能的关键。

本文设计的太阳能电池板自动追光系统可实现对太阳的全方位跟踪，具有两个自由度的跟踪能力。

其原理图如图1所示。

利用AT89C51单片机对桥式电路的检测结果进行逻辑运算后，进而控制能够实时调整高度角和方位角的步进电机工作，从而实现对太阳光全方位跟踪。

该系统结构简单、成本低，能够有效提高太阳能的利用率，具有有较好的推广应用价值。

1 追踪方式的选择目前，用于实现追踪太阳的方法较多，概括为两类：视日运动轨迹追踪和光电追踪方式。

太阳的运行轨迹是有规律的，通过对太阳和地球之间的位置关系进行分析，利用球面三角公式来计算出太阳在任何地点任何时间相对于地球的位置，被称为视日运动轨迹追踪方式。

此方案建立在太阳运行规律的天文算法的基础上，需要利用微处理器对太阳的高度角和方位角进行实时计算，再利用电子系统驱动电机实现对太阳的实时跟踪。

其优点是不受天气变化的影响。

缺点有：（1）计算过程复杂，开发成本很高；（2）属于开环控制，容易产生积累误差，且无法自动消除这一误差。

光电追踪方式是利用对太阳光朝向的即时检测实现追踪，需要用到光敏元件组成检测电路。

比如，采用四象限硅光电池传感器作为光电转换元件，以微处理器为核心构建电路控制系统，通过对四象限的四个输出电压信号的分析和运算，输出相应的控制信号去驱动电机，最终由电机驱动执行机构完成追光的任务。

四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用摘要：采用四象限探测器作为前端探测单元,介绍了利用光电技术、电子技术、自动控制技术以及精密的步进系统实现了太阳能板自动跟踪瞄准系统中的四象限探测器的应用设计。

Abstract：Adapt the four quadrant detector as the front detector .Introduced the steeping system based on optoelectronic technology, electronic technology, automatic control technology .Realized the designation of the automatic tracking system of solar panels.目录第一章应用背景 (3)第二章名词解释 (3)2.1 四象限探测器 (3)2.2 步进电机 (5)第三章系统的工作原理 (5)3.1 系统工作过程 (5)3.2 传感器工作原理 (6)3.3 探测器放大器基本原理图 (8)第四章系统的电路设计 (9)第五章系统控制程序设计 (10)第六章问题和缺陷 (11)第七章结束语 (12)一、四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用背景：太阳能热发电和太阳能光伏发电是目前利用太阳能发电的两种主要形式。

光热是通过聚光加热介质, 推动燃气轮机做功发电。

而光伏发电则通过太阳光照射光电池板将光能直接转化为电能。

由于太阳能辐射到地球表面的能量密度比较低, 无论是对于太阳能光伏发电还是太阳能热发电, 能否经济高效利用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。

实验证明在相同条件下, 极轴式太阳能自动跟踪发电的发电量要比固定发电(用太阳能电池板固定朝南安装的方式对太阳能进行采集)提高40% 左右。

而采用聚光技术对太阳跟踪又提出了更高的要求.目前主要的跟踪方式是根据地球自转以及GPS进行粗调节，利用光电传感器设计的系统进行精确调节跟踪，本文主要讲述四象限探测器在太阳能电池板自动跟踪系统中的应用。

《太阳能电池板追日自动跟踪系统的研究》篇一一、引言随着人类对可再生能源的依赖性日益增强，太阳能作为清洁、无污染的能源受到了广泛的关注。

而太阳能电池板作为太阳能转换的核心设备，其效率和稳定性对提高整体能源利用率至关重要。

本文着重探讨了一种提高太阳能电池板能量采集效率的方法——追日自动跟踪系统。

该系统能够根据太阳的运动轨迹，实时调整太阳能电池板的角度，以达到最佳的日照效果。

二、太阳能电池板追日自动跟踪系统的基本原理太阳能电池板追日自动跟踪系统主要通过传感器检测太阳的位置，然后通过驱动装置调整太阳能电池板的角度，使其始终保持与太阳的最佳角度。

这一过程是通过一系列的传感器、控制器和执行器共同完成的。

三、系统组成及工作原理1. 传感器部分：包括太阳位置传感器和光强传感器。

太阳位置传感器用于检测太阳的实时位置，光强传感器则用于检测太阳光的强度。

这些传感器将收集到的信息传递给控制器。

2. 控制器部分：是整个系统的“大脑”，负责接收传感器传递的信息，并根据这些信息计算出最佳的角度，然后向执行器发出指令。

3. 执行器部分：包括电机和传动装置。

电机接收到控制器的指令后，通过传动装置驱动太阳能电池板进行角度调整。

四、系统实现的关键技术1. 传感器技术：选择高精度、高稳定性的传感器是保证系统准确性的关键。

2. 控制算法：采用先进的控制算法，如PID控制、模糊控制等，使系统能够根据太阳的运动轨迹实时调整角度。

3. 驱动技术：选择合适的电机和传动装置，确保系统在各种环境下都能稳定运行。

五、系统性能及优势1. 提高能量采集效率：通过实时调整太阳能电池板的角度，使系统始终处于最佳工作状态，从而提高能量采集效率。

2. 延长设备使用寿命：减少因光照不均或角度不当造成的设备损耗，延长设备的使用寿命。

3. 自动化程度高：系统可实现自动检测、自动调整，减少人工干预，提高工作效率。

4. 适应性强：系统可适用于各种环境，如平原、山区、海边等不同地域和气候条件。