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。

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。

ｏ ｆ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｇ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ２ ０ １ ４ ， ３ ５ （ １ ） ： ２ ８ ８ ～ ２ ９ １
０ 引 言
太 阳 能作为 一种 清 洁无 污染 且储 能 丰 富的能 源 有 着 巨大 的 开发 意义 ．利 用太 阳能 的关 键 是 时刻保 持 太 阳垂直 照 射太 阳能 电池 板【 １ Ｊ ． 从 而最 大效 率地 采集 太 阳 能 。 目前 太 阳能 跟 踪 系 统大 都 采 用单 一 的跟 踪方 式 ．
转 过 的角度 ．然 后按 照 预先 制定 的程 序 来调 整跟 踪 装
置 对准 太 阳 。这 种 跟踪 方式 的优 点是 能 够实 现全 天 候
跟 踪 ，缺点 是具 有 累积误 差 ，精 度不 高 。光 电跟 踪 是 利 用光 电传 感 器检测 太 阳光 与太 阳能 电池板 法线 偏 离
路 ［ ５ ］ ．用 于 对 太 阳 位 置 的实 时 检 测 系 统 总 体 的结
续 跟踪 ．再 次 出现 晴天 时 ．系 统 又 自动转 入 光 电跟 踪
模 式跟 踪 ．最终 实现 对太 阳能 电池板 方位 的 调整
２ 太 阳 自动 跟 踪 系 统 的 设 计
２ ． １ 系统 总体方 案
整 个 自动 跟 踪 系 统 分 为 时 钟 模 块 、驱 动 模 块 、 光 电 检 测 模 块 、单 片 机 控 制 模 块 和 太 阳能 电 池 板 共 五个 部 分 。单 片 机 是 整 个 自动 跟 踪 系 统 的 核 心 ．对
图 ５ 驱 动模 块 示 意 图
Ｆ ｉ ｇ ． ５ Ｄｒ ｉｖ ｅ ｒ ｍｏ ｄ ｕ ｌ ｅ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｄ ｉ ａ ｇ ｒ ａ ｍ

阳光跟踪定位方法主要有：光敏电阻法［６］、光 伏 电池法［７］和四 象 限 探 测 器 法 几 ［８－９］ 种．前 ２ 种 方 法 存 在 ２ 个 问 题 ：一 是 感 光 范 围 有 限 ，大 于 一 定 的 照 度 时 会 饱 和 ，低 于 一 定 照 度 时 则 没 响 应 ；另 一 个 问 题 是 该 元 件 输 出 特 性 的 线 性 度 较 差 ，不 适 合 测 量 连 续 量 ． 采 用 四 象 限 探 测 器 的 方 法 使 用 定 位 传 感 器 （ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ＰＳＤ）来检测目标的位置．ＰＳＤ 利 用 半 导 体 光 伏 效 应 原 理 ，具 有 很 高 的 检 测 精 度 ，分 辨 率可以达到１μｍ，响 应 时 间 ０．８μｓ，可 用 于 设 计 高 精 度 、自 适 应 的 快 速 智 能 定 位 系 统 ，应 用 于 需 要 精 密 定位的激光 准 直、测 角、自 动 跟 踪 等 精 密 测 量 系 统 中．文献［８－９］中采用 了 ＰＳＤ 器 件，但 是 没 有 考 虑 集 光信号强度变化对 测 量 精 度 的 影 响，当 控 制 系 统 背 景环境出现变化或 者 在 信 号 较 弱 的 情 况 下，会 使 检 测信号的精度 变 差，导 致 系 统 跟 踪 精 度 下 降．本 文 提 出 了 一 种 增 益 可 调 的 快 速 跟 踪 定 位 （ｇａｉｎ ａｄｊｕｓｔａ－ ｂｌｅ ｆａｓｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ，ＧＡＦＴ）算法，改进了计算模 型，实 现了对目标的快速定位以及在弱信号情况下的高精 度跟踪．
个象限产生的阻抗电流相等，即 ＩⅠ ＝ＩⅡ ＝ＩⅢ ＝ＩⅣ ， 各个象限 产 生 的 转 换 电 压 也 相 等，即 ＶⅠ ＝ＶⅡ ＝ ＶⅢ ＝ＶⅣ ．
当激光光斑中心偏离探测器中心时（如 图 １ｂ）， 光斑的偏移 将 改 变 光 斑 在 ４ 个 象 限 上 的 投 影 面 积 Ｓｉ，光斑的偏移量 Δｘ 和 Δｙ 与光斑在４ 个 象 限 上 的 投影面积差成正比，即 与 探 测 器 ４ 个 象 限 的 输 出 电 流差成正比．由 于 电 流 经 过 放 大 电 路 转 换 成 电 压，

系统的误差传递 函数为：
序 的频繁 启动 ．当校 正系 统使 光 电传感 器误 差趋 于
Ｄｅ（ｓ）＝丽１ ＝
（４）
由开 环 传递 函数 （３．２）可 以看 出 系统 为 Ｉ型 系
统 ，因 此 当输 入 为 阶跃 函数 时为 无静 穷 ，当斜 坡输 入时 ：
为 了改善 系统 响应 ，把 放 大器 改为 ＰＩＤ环 节． ＰＩＤ控 制也 称为 比例一 积分一 微分控 制．其 中的 比 例项 用于 纠正偏 差 ；积分 项用 于消 除系统 的稳 态误 差 ；微分项用于减小系统的超调量 ，增加系统的稳 定性 ．
对于前面所说的跟踪系统 ，如果位置反馈出现 误 差 ，则 由于增 量式 算 法 ，测 量 的位置 误 差将 无法 得 到校 正 ．用传 感 器校 正太 阳能 板位 置 的方 法是 规
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系统或闭环系统 ．开环系统在系统出现误差后无法 自行 校 正 ，所 以 系统应 当采用 闭环控 制 ．
给 定 值根 据 太 阳运 行 规 律 由 当地 的 日期 和时 间计 算 ．控制 对象 是 电 动机 ，被 调 量是 电动 机 输 出 的位置 量 ，利用 光学 编码 器实现 负 反馈 ，见 图 ４．
证 太 阳能板 的 受光 面 始终 与 太 阳光 线保 持 垂 直 而 随时间变化始终和计算得出的位置一致 ，必须有电
不 发生偏 离 ，采 用特 制 的 四象 限硅 光 电池作 为太 阳 动机带动太阳能板转动 ，并通过控制系统使 电动机
跟 踪误 差校正 用传感 器 ，如 图 ２所 示．
输 出的位置量与给定值相同．控制系统可以是开环
控制 ，价格昂贵．如果适 当地对 系统的计算对象进 行简 化 ，就 可 以用 成本较 低 的单 片机 代替 昂贵 的可 编 程控 制 器或 者微 型机实 现 数字 化 的跟 踪 控制 系 统．从而大大降低系统的成本 ，同时保 留数字 系统 特有 的灵 活性和精 确度 ．

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 Ｓ Ｔ Ｍ ３ ２ 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 Ｐ Ｉ Ｄ 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 。 关键词 ：太阳能 ；四象 限；光 电跟踪 ；单 片机
中图分类号 ：Ｔ Ｐ ２ ７ ３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９—９ ４ ９ ２（ ２ ０ １ ７）０ ２—０ ０ ３ ７—０ ５
Ａ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｆ ｏ ｕ ｒ － Ｑｕ ａ ｄ ｒ ａ ｎ ｔ Ｓ ｏ ｌ ａ ｒ Ｔ ｒ ａ ｃ ｋ ｉ ｎ ｇ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ｅ ｎ ｏ ｍｅ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｌ ａ ｒ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｎ ｏ ｔ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｔ ｅ ｎ ｏ ｕ ｇ ｈ， ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｓ ａ ｋ ｉ ｎ ｄ ｏ ｆ ｆ ｏ ｕ ｒ ～ ｑ ｕ ａ ｄ ｒ ａ ｎ ｔ
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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。

基于四象限探测器进行太阳跟踪的偏差分析
刘恩超;吴浩宇;邹鹏
【期刊名称】《大气与环境光学学报》
【年(卷),期】2012(7)2
【摘要】为了实现基于四象限探测器的太阳自动跟踪,首先分析了四象限光电探测器工作原理,并说明了选择四象限探测器的依据,介绍了使用四象限探测器进行太阳跟踪的装置,深入研究了太阳光斑几何位置与小孔光阑、四象限探测器安装位置可能存在的偏差影响,对四象限探测器与I-V转换电路系统进行了一致性分析,评价了一致性对跟踪精度的影响,最后介绍了跟踪时四象限探测器电压值存在偏差的原因和合理性。

实验证明,基于四象限探测器的跟踪装置适用于高精度太阳跟踪。

【总页数】8页(P139-146)
【关键词】四象限探测器;太阳跟踪;光斑;一致性分析
【作者】刘恩超;吴浩宇;邹鹏
【作者单位】中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TK513.4
【相关文献】
1.光子计数式四象限跟踪探测器的噪声分析 [J], 朱雅茗;李明全
2.基于四象限探测器的跟踪与通信技术研究 [J], 张艺蓝;姜会林;张磊;范新坤
3.激光导引头四象限探测器偏差信号特性研究 [J], 梁巍巍;黄振宇;张文攀;殷瑞光;刘艳芳
4.基于四象限探测器的红外导引头目标捕获和跟踪系统 [J], 韩文波;杨晓茂
5.基于四象限法则的高精度太阳能跟踪系统设计 [J], 封居强; 杨伟虎; 韩芳
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《太阳能电池板追日自动跟踪系统的研究》篇一一、引言随着科技的不断进步和环保意识的日益增强，太阳能作为一种清洁、可再生的能源，其利用和开发已成为全球关注的焦点。

太阳能电池板作为太阳能利用的核心设备，其效率和性能的优化显得尤为重要。

其中，追日自动跟踪系统作为一种提高太阳能电池板发电效率的有效手段，近年来得到了广泛的研究和应用。

本文旨在深入探讨太阳能电池板追日自动跟踪系统的原理、设计及其应用。

二、太阳能电池板追日自动跟踪系统的原理太阳能电池板追日自动跟踪系统主要通过传感器和控制系统，实现对太阳运动轨迹的实时监测和追踪。

该系统主要由以下几部分组成：1. 传感器部分：负责实时监测太阳的位置和运动轨迹，通常采用光电传感器或太阳位置传感器。

2. 控制部分：根据传感器采集的数据，控制电机或液压系统，驱动太阳能电池板进行追日运动。

3. 执行部分：主要由电机或液压系统组成，负责驱动太阳能电池板进行追日运动。

三、太阳能电池板追日自动跟踪系统的设计设计一个高效的追日自动跟踪系统需要考虑多个因素，包括系统的结构、控制策略、传感器选择等。

以下为设计过程中的关键步骤：1. 系统结构选择：根据实际需求和场地条件，选择适合的追日自动跟踪系统结构，如单轴跟踪和双轴跟踪。

2. 传感器选择：选择灵敏度高、精度高、稳定性好的传感器，如光电传感器或太阳位置传感器。

3. 控制策略设计：根据传感器采集的数据，设计合理的控制策略，实现太阳能电池板的精准追日运动。

4. 执行系统设计：选择合适的电机或液压系统，实现太阳能电池板的快速、平稳运动。

四、太阳能电池板追日自动跟踪系统的应用太阳能电池板追日自动跟踪系统在提高太阳能利用效率方面具有显著的优势，其应用范围广泛。

以下是几个典型的应用场景：1. 家庭光伏发电系统：通过追日自动跟踪系统，提高家庭光伏发电系统的发电效率，降低能源消耗成本。

2. 农业领域：利用追日自动跟踪系统，为温室或大棚提供稳定的能源供应，同时为植物生长提供适宜的光照条件。

《太阳能电池板追日自动跟踪系统的研究》篇一一、引言随着环境问题与能源问题的日益凸显，太阳能作为可再生清洁能源的重要性逐渐被全球所重视。

其中，太阳能电池板的应用得到了广泛关注和开发。

而为了更好地提高太阳能的利用率，对太阳能电池板追日自动跟踪系统的研究就显得尤为重要。

本文旨在深入研究该系统的工作原理、结构以及性能优化等关键问题，为提升太阳能的转换效率和系统的应用范围提供理论依据和实践指导。

二、太阳能电池板追日自动跟踪系统的原理太阳能电池板追日自动跟踪系统是利用传感器检测太阳的方位角和高度角，实时控制太阳能电池板的朝向，使其始终对准太阳，从而最大限度地吸收太阳光能。

该系统主要由传感器、控制器、执行器等部分组成。

三、系统结构与工作原理1. 传感器部分：传感器是该系统的核心部分，负责实时检测太阳的位置信息。

常见的传感器包括光电传感器、光学传感器等。

光电传感器可以通过感知阳光的光强度和方向，为系统提供精确的太阳位置信息。

2. 控制器部分：控制器负责接收传感器的信息，经过计算后输出控制信号，驱动执行器进行工作。

此外，控制器还负责处理和调整接收到的各种数据和指令，使整个系统正常运行。

3. 执行器部分：执行器负责接收控制器的控制信号，调整太阳能电池板的朝向，使其始终对准太阳。

四、系统性能优化为了进一步提高太阳能的利用率，对太阳能电池板追日自动跟踪系统的性能进行优化是必要的。

优化方向主要包括以下几个方面：1. 传感器精度的提高：通过改进传感器技术，提高其检测太阳位置信息的精度和速度，从而保证太阳能电池板始终对准太阳。

2. 控制算法的优化：通过改进控制算法，使系统能够更快速地响应太阳位置的变化，提高系统的响应速度和准确性。

3. 执行器的改进：通过改进执行器的工作原理和结构，提高其驱动太阳能电池板转向的效率和精度。

4. 系统集成与智能化：将多个系统进行集成，如光伏发电系统、储能系统等，实现系统的智能化管理，提高系统的整体性能。

太阳能自动跟踪器系统设计摘要：人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点。

但是太阳能又存在着低密度间歇性空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高，太阳能自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。

采用光线自动跟踪的方式，使太阳能电池板的朝向始终精确跟随太阳位置的变化，保持太阳能电池板表面与太阳光垂直，这样会大大提高发电效率。

本文主要介绍太阳能跟踪控制系统的设计,该控制系统具有结构简单、稳定性好、精度高的特点。

关键词：太阳能；自动跟踪；能源；自动化；光伏发电1系统总体结构太阳能自动跟踪装置由四象限光电探测器、照度传感器、方位角跟踪机构、高度角跟踪机构和自动控制装置组成。

方位角跟踪机构由电源、方位角传感器、放大器、执行器组成。

执行器由步进电机和传动齿轮组成。

方位角传感器由外壳与安装在外壳内的一对光电二极管组成。

高度角跟踪机构由高度角传感器、放大器、执行器组成。

执行器包括电机和传动齿条。

高度角传感器的一对光电二极管与方位角传感器和照度传感器的光电二极管安装在一个传感器壳内。

控制单元由运算放大器、晶体管和继电器组成，并与照度传感器、方位角和高度角传感驱动电机连接。

（见图1）2太阳能自动跟踪器工作原理太阳能自动跟踪装置采用四象限光电探测器，该器件实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，器件由于象限化，当太阳光辐射到器件各象限的辐射通量相等时,各象限输出的光电流相等。

而当光线发生偏移时,象限辐射量的变化将引起各象限输出光电流的变化,由此可测出太阳的方位并实现跟踪。

跟踪方式采用光电跟踪与太阳视日运动轨迹跟踪相结合,可加强系统的稳定性，步骤如下：步骤1 通过太阳视日运动轨迹跟踪,将系统带入一个预知的足够小的范围内,再启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪。

步骤2 开机后光电检测电路检测白天还是黑夜。

当检测为黑夜时系统停止运行;若检测为白天,系统进行初始化。

四象限光伏控制器光伏发电系统是利用太阳能将光能转换为电能的一种可再生能源发电方式。

为了确保光伏发电系统的稳定运行和最大发电效率，需要采用一种高效的控制器对光伏电池板进行控制和管理。

四象限光伏控制器是一种常用的控制器类型，能够实现光伏发电系统的最优控制和运行。

四象限光伏控制器是一种基于功率控制的控制器，能够根据光伏电池板的输出功率和负载功率之间的差异，调整工作状态，实现最佳的功率匹配。

它可以将光伏电池板的输出功率分为四个象限进行控制，分别是锁定功率、升功率、降功率和关闭功率。

在锁定功率象限中，四象限光伏控制器会根据光伏电池板的输出功率和负载功率的平衡点，保持光伏电池板的输出功率稳定，以实现最大的发电效率。

当光伏电池板的输出功率高于负载功率时，控制器会将多余的功率通过逆变器等设备提供给电网，并将光伏电池板的工作状态维持在锁定功率状态。

在升功率象限中，当负载功率需要增加时，四象限光伏控制器会调整光伏电池板的输出功率，使其超过负载功率，从而实现负载功率的升高。

这个过程需要控制器对光伏电池板的电流和电压进行调整，以保证光伏电池板的工作在最佳点。

在降功率象限中，当负载功率需要减少时，四象限光伏控制器会调整光伏电池板的输出功率，使其低于负载功率，从而实现负载功率的降低。

这个过程也需要控制器对光伏电池板的电流和电压进行调整，以保证光伏电池板的工作在最佳点。

在关闭功率象限中，当负载功率需要彻底断开时，四象限光伏控制器会将光伏电池板的输出功率降低到零，从而实现负载功率的关闭。

这个过程需要控制器对光伏电池板的电流和电压进行精确控制，以保证光伏电池板的工作状态稳定。

四象限光伏控制器的主要功能是实现光伏发电系统的最优控制和运行。

它能够根据光伏电池板的工作状态和负载需求，动态调整光伏电池板的输出功率，以实现光伏发电系统的最大发电效率和稳定运行。

同时，四象限光伏控制器还可以监测光伏电池板的工作状态和电气参数，提供实时数据和故障诊断，方便运维人员进行系统管理和维护。

《太阳能电池板追日自动跟踪系统的研究》篇一一、引言随着科技的进步和人类对可再生能源需求的日益增长，太阳能作为清洁、可再生的能源受到了广泛关注。

太阳能电池板作为太阳能利用的核心设备，其效率的提高对于推动绿色能源发展具有重要意义。

追日自动跟踪系统作为一种能够提高太阳能电池板光电转换效率的技术，近年来得到了广泛的研究和应用。

本文旨在研究太阳能电池板追日自动跟踪系统的原理、设计及其应用，以期为太阳能利用技术的发展提供理论支持和实践指导。

二、追日自动跟踪系统的基本原理追日自动跟踪系统基于太阳能电池板对太阳辐射的响应，通过传感器和控制系统实现自动跟踪太阳的运动轨迹，以达到最大化光电转换效率的目的。

系统主要包括以下几个部分：太阳位置传感器、控制单元、驱动单元和太阳能电池板。

太阳位置传感器负责实时监测太阳的位置，将太阳的位置信息传递给控制单元。

控制单元根据太阳的位置信息，结合预设的算法，计算出太阳能电池板需要调整的角度，并发出控制信号给驱动单元。

驱动单元根据控制信号驱动太阳能电池板进行相应的旋转和调整，使其始终保持最佳的光照角度。

三、追日自动跟踪系统的设计1. 硬件设计：追日自动跟踪系统的硬件设计主要包括传感器、电机和控制电路等部分。

传感器负责监测太阳的位置和环境光强等信息；电机用于驱动太阳能电池板的旋转和调整；控制电路则负责将传感器信号转换为控制信号，驱动电机进行相应的动作。

2. 软件设计：软件设计是追日自动跟踪系统的核心部分，主要包括控制算法和控制系统软件等。

控制算法负责根据太阳的位置信息和预设的规则，计算出太阳能电池板需要调整的角度；控制系统软件则负责将控制算法的输出转换为电机驱动信号，实现对太阳能电池板的精确控制。

四、追日自动跟踪系统的应用追日自动跟踪系统在提高太阳能电池板光电转换效率方面具有显著的优势。

通过实时监测太阳的位置，并调整太阳能电池板的姿态，使太阳能电池板始终保持最佳的光照角度，从而提高其光电转换效率。

《太阳能电池板追日自动跟踪系统的研究》篇一一、引言随着全球对可再生能源的日益关注，太阳能作为一种清洁、无污染的能源，其应用日益广泛。

太阳能电池板作为太阳能利用的核心设备，其效率的提高对于推动太阳能产业的发展具有重要意义。

其中，太阳能电池板追日自动跟踪系统作为一种提高太阳能利用率的技术手段，受到了广泛关注。

本文旨在研究太阳能电池板追日自动跟踪系统的原理、设计及其应用，以期为相关研究与应用提供理论支持。

二、太阳能电池板追日自动跟踪系统的原理太阳能电池板追日自动跟踪系统主要通过传感器、控制器和执行机构等部件，实现对太阳位置的实时追踪。

系统通过传感器检测太阳的位置，控制器根据检测结果控制执行机构，使太阳能电池板始终面向太阳，从而提高太阳能的利用率。

三、系统设计1. 传感器设计：传感器是追日自动跟踪系统的关键部件，主要负责检测太阳的位置。

常用的传感器包括光电传感器、GPS定位传感器等。

其中，光电传感器通过检测太阳的光线强度来确定太阳的位置，具有成本低、安装方便等优点。

2. 控制器设计：控制器是系统的“大脑”，负责接收传感器的数据并作出相应的控制决策。

控制器采用高性能的单片机或微处理器，具有高精度、高速度的数据处理能力。

3. 执行机构设计：执行机构负责根据控制器的指令，驱动太阳能电池板进行追日运动。

常用的执行机构包括电机、液压驱动器等。

其中，电机具有结构简单、运行可靠等优点，是追日自动跟踪系统中常用的执行机构。

四、系统应用太阳能电池板追日自动跟踪系统广泛应用于太阳能发电、太阳能热水器等领域。

在太阳能发电领域，追日自动跟踪系统可以提高太阳能的利用率，从而提高发电效率。

在太阳能热水器领域，追日自动跟踪系统可以使热水器始终面向太阳，提高热水的产量和质量。

此外，追日自动跟踪系统还可以应用于农业领域的光伏温室等场景，为农业发展提供可持续的能源支持。

五、研究展望未来，太阳能电池板追日自动跟踪系统将朝着高精度、高效率、低成本的方向发展。

FENG Ju-qiang, YANG Wei-hu, HAN Fang
Abstract: The solar energy device with fixed structure has the problems of low solar energy utilization and poor anti-jamming capability of the tracking structure of the solar control system. In this paper, a dual-axis high-precision solar tracking system based on four-quadrant rule was designed. The system adopted two modes of automatic tracking and artificial correction. With four photosensitive resistors as detection elements, four-quadrant principle was adopted to judge the tracking offset clip angle, through dual-axis stepper motor driven by STC89C52 processor, to achieve the vertical angle and ensure that the solar panel is always in the largest state of the light surface. Under the interference condition, according to the change of the photoresistor in the energy monitoring system, the system could be corrected by modulating the size of the voltage divider. In addition, an energy monitoring system based on LabVIEW was designed. Through real system analysis, it is concluded that the photoelectric energy conversion rate of the fixed solar device is increased by 32.4%. Key words: four-quadrant rule; automatic tracking;STC89C52; energy management system