四象限探測器在太陽能電池板自動追蹤系統(tǒng)中的 應(yīng)用

1、四象限探測器在太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：采用四象限探測器作為前端探測單元,介紹了利用光電技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及精密的步進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能板自動跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中的四象限探測器的應(yīng)用設(shè)計(jì)。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

2、designation of the automatic tracking system of solar panels.目錄第一章 應(yīng)用背景·······························3第二章 名詞解釋·····

3、3;·························3 2.1 四象限探測器······················

4、3;·····3 2.2 步進(jìn)電機(jī)·······························5第三章 系統(tǒng)的工作原理··········

5、···············5 3.1 系統(tǒng)工作過程···························5 3.2 傳感器工作原理····

6、;·····················6 3.3 探測器放大器基本原理圖·················8第四章 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)·······

7、··················9第五章 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)·······················10第六章 問題和缺陷·····

8、························11第七章 結(jié)束語························

9、83;········12一 、四象限探測器在太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用背景：太陽能熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電是目前利用太陽能發(fā)電的兩種主要形式。光熱是通過聚光加熱介質(zhì), 推動燃?xì)廨啓C(jī)做功發(fā)電。而光伏發(fā)電則通過太陽光照射光電池板將光能直接轉(zhuǎn)化為電能。由于太陽能輻射到地球表面的能量密度比較低, 無論是對于太陽能光伏發(fā)電還是太陽能熱發(fā)電, 能否經(jīng)濟(jì)高效利用太陽能的關(guān)鍵在于太陽聚光和跟蹤水平的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)證明在相同條件下, 極軸式太陽能自動跟蹤發(fā)電的發(fā)電量要比固定發(fā)電(用太陽能電池板固定朝南安裝的方式對太陽能進(jìn)行采集)提

10、高40% 左右。而采用聚光技術(shù)對太陽跟蹤又提出了更高的要求.目前主要的跟蹤方式是根據(jù)地球自轉(zhuǎn)以及GPS進(jìn)行粗調(diào)節(jié)，利用光電傳感器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)跟蹤，本文主要講述四象限探測器在太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用。二、名詞解釋2.1、四象限探測器：是把4個性能完全相同的光伏電池板, 按照直角坐標(biāo)要求排列而成的光伏探測器件, 它們之間有個十字形溝道相隔,如圖I所示，其實(shí)物圖如圖II所示。 圖I 圖II 光信號經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)在探測器上成像。當(dāng)光信號偏離探測器法向時, 4個象限上的成像面積不同, 探測器輸出的電壓信號幅度不同, 比較4個象限的輸出, 即可確定光信號的方向。2.2、步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是

11、將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。三、 系統(tǒng)的工作原理：3.1系統(tǒng)工作過程系統(tǒng)的工作原理如圖1所示.太陽光透過光孔,由透鏡匯聚到四象限探測器的感光表面,受光面的4個電極就產(chǎn)生電壓信號,這些電信號依次經(jīng)過前置放大電路、

12、濾波電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路后,轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并由控制器從A/D轉(zhuǎn)換器的寄存器中讀取4個通道的采樣數(shù)據(jù).如果入射光斑的位置在受光面的中心,則受光面的各個電極的輸出信號相等,此時入射光線與固定平面垂直.如果入射光斑的位置不在受光面的中心,受光面的輸出信號不相等,通過下列步驟調(diào)整旋轉(zhuǎn)平面:(1)通過數(shù)據(jù)運(yùn)算可以確定入射光斑中心與受光面中心的相對偏移量,從而計(jì)算出入射光線與固定平面法線的夾角;(2)計(jì)算出控制方位角轉(zhuǎn)動的步進(jìn)電機(jī)和控制俯仰角旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,以使入射光線與固定平面法線之間的夾角為0°(3)計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向,通過接口電路輸出控制指令,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)動作.

13、為了減小功耗,在步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動期間,通過控制器關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)的電源1太陽能板;2探測器模塊;3俯仰角支架;4方位角轉(zhuǎn)軸;5滾珠絲桿;6步進(jìn)電機(jī)A;7齒輪組;8步進(jìn)電機(jī)B圖1二維轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)圖3.2傳感器工作原理：采用EOS S-010-QD硅四象限探測器來檢測太陽光的入射光線與固定平面法線的夾角,該探測器是在一塊芯片上封裝了4個單獨(dú)的感光面(共陰極),敏感面直徑為10 mm,工作波長為0.31.1m,可以提供4路模擬電壓輸出,因此系統(tǒng)中選擇探測器的輸出電壓作為有效測量信號.安裝時,遮光罩的頂部平面以及受光面均要與轉(zhuǎn)臺的固定平板面平行,如圖2所示：1太陽能板平面;2避光罩;3四象限探測器;4入射光斑

14、位置;5透光孔及物鏡;6平面的法線;7入射光線圖2傳感器工作原理圖此外：為了加強(qiáng)入射光的強(qiáng)度降低損耗，可以在遮光罩的前端加一個長焦距正透鏡，使得入射的光匯聚到一個較小的光斑，既可以提高輸出信號強(qiáng)度，又能降低噪聲干擾,但是應(yīng)當(dāng)注意的是不可使光斑過小，否則會燒壞探測器。四象限探測器是一種基于四象限分解法設(shè)計(jì)的位敏器件,目標(biāo)光信號經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限探測器上成像,當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時,4個象限上輸出的信號幅度不相同.根據(jù)各象限上能量分布的比例可計(jì)算出目標(biāo)的亮度中心位置,以確定目標(biāo)的空間位置,即檢測目標(biāo)具體方位可以歸結(jié)為像斑相對于探測器中心的偏移量大小和方向的計(jì)算.文中使用四象限加減求解法來提取目標(biāo)

15、偏移量,基本公式如下： 圖i 式中,Ex和EY分別為x、y軸上的偏移量;SA、SB、SC、SD分別為像斑在4個象限上的分布面積如圖i所示.設(shè)光斑的中心坐標(biāo)為(a,b),如圖2所示,則入射光線在zox和zoy平面中的投影線與平板法線的夾角x及y分別為：33四象限探測器放大的基本原理圖如圖ii所示： 圖iiA、B、C、D 四個光電二極管分別組成四象限探測器的某一個象限。每個象限輸出的光電轉(zhuǎn)換信號經(jīng)各自的信號放大器放大后輸入到下一級信號處理電路。四、 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)：系統(tǒng)硬件電路采用高性能集成電路芯片為核心來設(shè)計(jì),如圖4所示.系統(tǒng)采用實(shí)時工作方式.在工作過程中,四象限光電探測器的4路輸出信號分別經(jīng)過

16、各通道的放大電路、濾波電路之后,由16位A/D轉(zhuǎn)換電路對4路模擬信號同時進(jìn)行采樣,然后由控制單元處理器依次從A/D轉(zhuǎn)換器的寄存器中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,根據(jù)程序邏輯和處理算法,對前端光斑的接收位置進(jìn)行判斷,以輸出相應(yīng)的控制信號,驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)動作,對太陽能板的接收角度進(jìn)行實(shí)時調(diào)整.在整個工作過程中,可以實(shí)現(xiàn)完全的自動化控制.但考慮到人員的可控性,系統(tǒng)設(shè)置了幾個人工操作鍵,并可以進(jìn)行自動/手動模式切換,滿足某些情況下人工操作的需要.系統(tǒng)的手動模式切換端、方位角加減控制端、俯仰角加減控制量和系統(tǒng)復(fù)位端均為開關(guān)量.在自動工作模式中,系統(tǒng)對4路輸入信號實(shí)時采集,自動調(diào)整接收位置,以保證入射光垂直作用于

17、太陽能板,整個工作過程自動實(shí)現(xiàn),實(shí)時循環(huán)執(zhí)行。圖3硬件電路結(jié)構(gòu)圖五、 系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì)：使用C語言編程.程序流程如圖5所示： 首先進(jìn)行初始化，置/CS=1，關(guān)閉AD7656，然后處理從四個通道采集的經(jīng)過放大器放大的信號，先判斷信號強(qiáng)度即判斷光強(qiáng)，如果光強(qiáng)過小，表明天氣不佳，無足夠日照，則開啟弱光強(qiáng)警報(bào)器發(fā)出警報(bào)，程序結(jié)束運(yùn)行，否則光強(qiáng)足夠大則計(jì)算光斑中心的偏移量，判斷是否有偏移，若無偏移則不進(jìn)行調(diào)節(jié)，弱有偏移則計(jì)算步進(jìn)電機(jī)需要驅(qū)動的方向和步數(shù)，緊接著驅(qū)動相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。六、 問題和缺陷 背景光的干擾：光斑中心位置的計(jì)算是通過各象限產(chǎn)生的電流強(qiáng)度變化得到, 而各電流大小是與其受光面光強(qiáng)有關(guān)

18、。而在檢測中, 除了測量光外, 還有其它背景光在四象限探測器上造成響應(yīng), 這將會干擾測試系統(tǒng),使測量精度降低, 甚至無法工作。因此在測量過程中應(yīng)考慮到如何解決背景光干擾問，本文篇幅有限并未對此問題的解決提出有效的解決方法。 七、 結(jié)束語本文介紹的系統(tǒng)采用四象限探測器作為前端探測單元,介紹了利用光電技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及精密的步進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能板自動跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中的四象限探測器的應(yīng)用設(shè)計(jì).單一的四象限探測器跟蹤系統(tǒng)只能完成精確的調(diào)節(jié)，要借助極軸跟蹤系統(tǒng)等才能最大地發(fā)揮其作用，本文主要介紹了四象限探測器在整個跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用，對于整個跟蹤系統(tǒng)的其他部分并未做過多的介紹。參考文獻(xiàn)：1 Hel