四象限探测器在太阳能电池板自动追踪系统中的应用

1 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. 2 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· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 123 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。二、名词解释2.1 、 四象限探测器： 是把 4个性能完全相同的光伏电池板 , 按照直角坐标要求排列而成的光伏探测器件 , 它们之间有个十字形沟道相隔 , 如图 I 所示，其实物图如图 II 所示。4 图 I 图 II 光信号经过光学系统在探测器上成像。 当光信号偏离探测器法向时 , 4个象限上的成像面积不同 , 探测器输出的电压信号幅度不同 , 比较4个象限的输出 , 即可确定光信号的方向。5 2.2 、步进电机： 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。 在非超载的情况下， 电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数， 而不受负载变化的影响， 当步进驱动器接收到一个脉冲信号， 它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度， 称为 “ 步距角 ” ， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的； 同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。三、 系统的工作原理：3.1 系统工作过程系统的工作原理如图 1 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6 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3.2 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 10 mm,工作波长为 0.3~1.1μ m,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 2 所示：7 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 2 传感器工作原理图此外：为了加强入射光的强度降低损耗，可以在遮光罩的前端加一个长焦距正透镜，使得入射的光汇聚到一个较小的光斑，既可以提高输出信号强度，又能降低噪声干扰 ,但是应当注意的是不可使光斑过小，否则会烧坏探测器。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：8 图 i 式中 ,Ex 和 EY 分别为 x、 y 轴上的偏移量 ;SA、 SB、 SC、 SD 分别为像斑在 4 个象限上的分布面积如图 i 所示 .设光斑的中心坐标为 (a,b),如图 2 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 φ x 及 φ y 分别为：3． 3 四象限探测器放大的基本原理图如图 ii 所示：9 图 ii A、 B、 C、 D 四个光电二极管分别组成四象限探测器的某一个象限。每个象限输出的光电转换信号经各自的信号放大器放大后输入到下一级信号处理电路。四、 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10 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。图 3 硬件电路结构图五、 系统控制程序的设计：使用 C 语言编程 .程序流程如图 5 所示：11 首先进行初始化，置 /CS=1，关闭 AD7656，然后处理从四个通道采集的经过放大器放大的信号， 先判断信号强度即判断光强， 如果光强过小， 表明天气不佳， 无足够日照， 则开启弱光强警报器发出警报，程序结束运行， 否则光强足够大则计算光斑中心的偏移量， 判断是否有偏移， 若无偏移则不进行调节， 弱有偏移则计算步进电机需要驱动的方向和步数，紧接着驱动相应的步进电机运转。六、 问题和缺陷背景光的干扰 ：光斑中心位置的计算是通过各象限产生的电流强12 度变化得到 , 而各电流大小是与其受光面光强有关。 而在检测中 , 除了测量光外 , 还有其它背景光在四象限探测器上造成响应 , 这将会干扰测试系统 , 使测量精度降低 , 甚至无法工作。因此在测量过程中应考虑到如何解决背景光干扰问， 本文篇幅有限并未对此问题的解决提出有效的解决方法。七、 结束语本文介绍的系统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 .单一的四象限探测器跟踪系统只能完成精确的调节， 要借助极轴跟踪系统等才能最大地发挥其作用， 本文主要介绍了四象限探测器在整个跟踪系统中的应用，对于整个跟踪系统的其他部分并未做过多的介绍。参考文献：[1] Helwa N H,Bangat A B G,Elshenawy E T. 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