專利名稱：太陽能跟蹤器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能采集設(shè)備領(lǐng)域，具體地，是一種可以自動判別太陽直射方向，并對太陽進行跟蹤的太陽能跟蹤器。
背景技術(shù)：
隨著世界工業(yè)的快速發(fā)展，能源問題日趨嚴(yán)峻，由此，節(jié)能技術(shù)、新型能源的開發(fā)已成為人類可持續(xù)發(fā)展的重大工程。其中，風(fēng)能、潮汐能、太陽能等技術(shù)已經(jīng)得到了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，并獲得了較好的節(jié)能成效。特別是對于太陽能技術(shù)，主要由太陽能熱水器和光伏發(fā)電兩大方面，前者已經(jīng)普及至廣大普通百姓，后者則廣泛見于發(fā)電廠、路燈、企業(yè)。
對于天陽能技術(shù)領(lǐng)域，其太陽能采集效率是一個極為重要的問題，由于太陽在一日的行程中，對于地面的照射角度按0° — 90° — 0°變化，因此，對于固定的太陽能吸收面，大部分時間中，太陽并未直射吸收面，即便照射至吸收面的太陽能被全部吸收，效率亦較低，再考慮到吸收面上的玻璃對于太陽光的反射、全反射現(xiàn)象，其吸收效率可謂很低。該種低效率的太陽能吸收效果尤其體現(xiàn)在普通的固定式光伏板上，由于光伏板表面具有一塊玻璃蓋板，因此，在陽光斜射時，其反射量很大，甚至出現(xiàn)全反射，因此，欲提高其太陽能采集效率，需采用太陽能跟蹤系統(tǒng)，使光伏板實時正對太陽光照。對于太陽能跟蹤系統(tǒng)，目前主要存在兩種形式。其一是通過一套可預(yù)先調(diào)試的鐘表式機械系統(tǒng)，隨一天的時間流逝實時驅(qū)動光伏板轉(zhuǎn)動，該種系統(tǒng)通常由調(diào)試師傅按照各地的經(jīng)緯度在安裝時對跟蹤系統(tǒng)進行調(diào)試，調(diào)試完成后，跟蹤系統(tǒng)按照鐘表系統(tǒng)的原理實時運轉(zhuǎn)，并實時驅(qū)動光伏板，以確保其實時正對太陽光照，該種系統(tǒng)通常安裝較為麻煩，一旦轉(zhuǎn)移地點，則需要專業(yè)人員對跟蹤系統(tǒng)進行重新調(diào)試，十分不便，且在移動裝置上無法實現(xiàn)跟蹤功能。其二是傳感式跟蹤系統(tǒng)，其主要原理是，在一個跟蹤頭的周圍分布多個光電傳感器，根據(jù)各光電傳感器反饋的電流差異，計算出太陽所在位置，該種系統(tǒng)的問題在于，各光電傳感器的參數(shù)不可避免地會存在差異，如此，按照其反饋的電流值計算得出的太陽位置準(zhǔn)確性較差，且由于光電傳感器較多，任意一個的安裝位置有差異或者損壞，則可能造成準(zhǔn)確度嚴(yán)重不足，并且，該系統(tǒng)電子部件較多，裝配精度要求較高，成本亦較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種太陽能跟蹤器，該跟蹤器不僅能準(zhǔn)確地跟蹤太陽，以保證太陽能采集面正對太陽光，并且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該太陽能跟蹤器包括一個腔體；所述腔體的一個端部設(shè)有一塊遮光薄板；所述腔體內(nèi)設(shè)有一個倒扣于所述遮光薄板上的半球形屏幕板；所述遮光薄板中心開設(shè)有可將陽光引入所述腔體內(nèi)并照射至所述屏幕板上的光斑孔；所述腔體內(nèi)正對所述屏幕板固定一個攝像頭，該攝像頭電性連接控制電路板；所述控制電路板包括圖像分析模塊、電機控制模塊；
所述圖像分析模塊的圖像處理方法如下以所述屏幕板的正投影面的中心為原點建立直角坐標(biāo)系，分析光斑在所述正投影面上的位置的坐標(biāo)值，將該坐標(biāo)值返回給所述電機控制模塊；
所述電機控制模塊控制驅(qū)動所述腔體左右轉(zhuǎn)動的第一步進電機和控制所述腔體上下轉(zhuǎn)動的第二步進電機，且所述電機控制模塊的驅(qū)動方法是使所述圖像分析模塊返回的所述坐標(biāo)值中的兩個坐標(biāo)參數(shù)分別對應(yīng)一個步進電機，當(dāng)任意一個所述坐標(biāo)參數(shù)的值不為零時，則由該坐標(biāo)參數(shù)所對應(yīng)的步進電機向使該坐標(biāo)參數(shù)的絕對值減小的方向連續(xù)驅(qū)動所述腔體。作為優(yōu)選，所述圖像分析模塊在圖像處理時，先對圖像進行二值化處理，以便于后續(xù)計算。作為優(yōu)選，所述圖像分析模塊在分析光斑位置坐標(biāo)時，按照如下方法，記錄所有具有亮度值的橫坐標(biāo)，求具有亮度值的連續(xù)橫坐標(biāo)的平均值；記錄所有具有亮度值的縱坐標(biāo)，求具有亮度值的連續(xù)縱坐標(biāo)的平均值；返還所述的兩個平均值，作為光斑中心的位置坐標(biāo)。作為優(yōu)選，所述圖像分析模塊在分析光斑位置坐標(biāo)時，還可采用半二值化的方法進行，逐漸提高二值化的閾值，使閾值下方的亮度值均置零，閾值上方的亮度值保持不變，直至只剩下一個像素塊仍然保有亮度值，返還該像素塊對應(yīng)的坐標(biāo)，作為光斑中心的位置 坐標(biāo)。作為優(yōu)選，所述電機控制模塊依據(jù)所述坐標(biāo)值中的兩個坐標(biāo)的絕對值大小分別控制所述第一步進電機和第二步進電機的轉(zhuǎn)速，各步進電機的轉(zhuǎn)速與它所對應(yīng)的坐標(biāo)的絕對值大小成正比。作為優(yōu)選，所述遮光薄板中心的所述光斑孔內(nèi)嵌置一顆球形透明玻璃珠，并使玻璃珠的中切面與遮光薄板所在平面重合，以防止光斑孔被塵雜堵塞，保證光線的良好入射效果。作為優(yōu)選，所述攝像頭的鏡頭后方還設(shè)有一塊封板，用于封閉所述屏幕板和攝像頭之間的空間，以提供良好的黑暗環(huán)境。作為優(yōu)選，所述第一步進電機和第二步進電機通過齒輪組驅(qū)動所述腔體。本發(fā)明的有益效果在于本太陽能跟蹤器通過小孔成像原理獲得太陽光斑，使之投射于屏幕板上，并通過固定的攝像頭獲取該光斑位置，通過圖像分析模塊中預(yù)置的直角坐標(biāo)系，即可使所述光斑的位置以坐標(biāo)值的形式給出，對于該坐標(biāo)值的獲取，由于不依賴于機械運動部件，亦不依賴于綜合傳感部件，僅依賴于計算程序，因此，由于程序的穩(wěn)定性，坐標(biāo)值的精度很高，得到坐標(biāo)值后，第一、第二步進電機只按照使所述坐標(biāo)值趨向于(0，O)的方向驅(qū)動所述腔體，因此，最終將使腔體一端的所述遮光薄板準(zhǔn)確地正對太陽，采取常規(guī)手段使所述腔體與太陽能采光板機械關(guān)聯(lián)后，即可使采光板實時準(zhǔn)確地正對太陽。


圖I是本太陽能跟蹤器一個實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I中的A向視圖。圖3是本太陽能跟蹤器中電機控制模塊的驅(qū)動原理示意圖。圖4是本太陽能跟蹤器遮光薄板的光斑孔處的優(yōu)選實施方式。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明
在圖I所示的實施例中，該太陽能跟蹤器包括一個柱形的腔體I ;所述腔體I的一個端 部設(shè)有一塊遮光薄板2 ;所述腔體I內(nèi)設(shè)有一個倒扣于所述遮光薄板2上的半球形屏幕板3 ;所述遮光薄板2中心開設(shè)有可將陽光引入所述腔體I內(nèi)并照射至所述屏幕板3上的光斑孔20 ;所述腔體I內(nèi)正對所述屏幕板3固定一個攝像頭4，該攝像頭4電性連接控制電路板7 ;所述控制電路板7包括圖像分析模塊、電機控制模塊。所述圖像分析模塊至少包括一個單片機芯片和一個攝像頭擴展模塊，該圖像分析模塊的圖像處理方法如下以所述屏幕板3的正投影面的中心為原點建立直角坐標(biāo)系，分析由光斑孔20引入的光斑在所述正投影面上的位置的坐標(biāo)值，將該坐標(biāo)值返回給所述電機控制模塊。對于光斑的坐標(biāo)值分析，通過對單片機編程，可由多種方式實現(xiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以輕松得到，如一種方法首先對坐標(biāo)系平面上的圖像進行二值化處理，然后記錄所有具有亮度值的橫坐標(biāo)，求具有亮度值的連續(xù)橫坐標(biāo)的平均值；再記錄所有具有亮度值的縱坐標(biāo)，求具有亮度值的連續(xù)縱坐標(biāo)的平均值；返還所述的兩個平均值，作為光斑中心的位置坐標(biāo)，為了減少計算量，在記錄具有亮度值的橫坐標(biāo)或縱坐標(biāo)時，可每隔一定坐標(biāo)間隔讀取一次坐標(biāo)，并判斷該坐標(biāo)對應(yīng)的圖像線上是否存在亮度值，如，可每隔O. Imm讀取一次橫坐標(biāo)，由此獲得的分析結(jié)果足以保證跟蹤器的較高精度。另一種方法，所述圖像分析模塊在分析光斑位置坐標(biāo)時，采用半二值化的方法進行，逐漸提高二值化的閾值，使閾值下方的亮度值均置零，閾值上方的亮度值保持不變，直至只剩下一個像素塊仍然保有亮度值，返還該像素塊對應(yīng)的坐標(biāo)，作為光斑中心的位置坐標(biāo)；其依據(jù)是，光斑中心亮度最高，因此，在半二值化處理過程中，光斑中心將逐漸凸顯，直至坐標(biāo)系平面上的圖像只剩下一個亮點，即光斑中心，相對于一次性讀取所有像素塊或像素點的亮度值，再進行比較計算，得到亮度最大值，該種半二值化的處理方法將節(jié)約大量的計算次數(shù)。所述電機控制模塊控制驅(qū)動所述腔體I左右轉(zhuǎn)動的第一步進電機和控制所述腔體I上下轉(zhuǎn)動的第二步進電機，在具體配合時，可在所述腔體I外部固定連接一對相互垂直的被動傳動件，再通過齒輪組分別嚙合所述第一、第二步進電機，即可實現(xiàn)所需驅(qū)動。所述電機控制模塊的驅(qū)動原理如圖3所示意使由所述圖像分析模塊返回的所述坐標(biāo)值，即光斑的坐標(biāo)值(X，y)中的兩個坐標(biāo)參數(shù)分別對應(yīng)一個步進電機，圖3中，坐標(biāo)參數(shù)X對應(yīng)第一步進電機61,坐標(biāo)參數(shù)Y對應(yīng)第二步進電機62,當(dāng)任意一個所述坐標(biāo)參數(shù)的值不為零時，則由該坐標(biāo)參數(shù)所對應(yīng)的步進電機向使該坐標(biāo)參數(shù)的絕對值減小的方向連續(xù)驅(qū)動所述腔體，如圖3中所示，當(dāng)光斑處于坐標(biāo)值(X，y)時，易推知，實際太陽處于坐標(biāo)值(X’，y’)所在區(qū)域側(cè)，第一步進電機61按曲線箭頭所示的方向連續(xù)驅(qū)動腔體,第二步進電機62亦按曲線箭頭所示的方向連續(xù)驅(qū)動腔體(注曲線箭頭示意的并非是步進電機61轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動方向，而是腔體旋轉(zhuǎn)的方向)，則所述腔體I端部的遮光薄板2將朝面向太陽的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)，所述光斑的坐標(biāo)值表現(xiàn)為逐漸靠近原點，亦即坐標(biāo)值(X，y)中X與y的絕對值逐漸逼近零；并且，作為優(yōu)選方式，可以使所述電機控制模塊依據(jù)所述坐標(biāo)值中的兩個坐標(biāo)參數(shù)的絕對值大小分別控制所述第一步進電機61和第二步進電機62的轉(zhuǎn)速，各步進電機的轉(zhuǎn)速與它所對應(yīng)的坐標(biāo)的絕對值大小成正比，如此，可使所述遮光薄板2在接近正對太陽的位置附近，步進電機轉(zhuǎn)速逐漸接近為零，以避免步進電機頻繁地驟啟驟停。在本實施例中，如圖I所示，所述攝像頭4的鏡頭后方還設(shè)有一塊封板5，用于封閉所述屏幕板2和攝像頭4之間的空間，以提供良好的黑暗環(huán)境；為了簡單起見，可使所述攝像頭4直接固定于封板5中央，封板5則撐滿整個所述腔體I的橫截面；由此，由圖I中A向看到的視圖大致如圖2所示。
另外，作為本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式，如圖4所示，所述遮光薄板2中心的所述光斑孔內(nèi)嵌置一顆球形透明玻璃珠201，并使玻璃珠201的中切面與遮光薄板2所在平面重合，即玻璃珠201關(guān)于遮光薄板2的兩側(cè)對稱，如此，由于玻璃珠201的阻隔，可以避免光斑孔被塵雜堵塞，積灰時只需擦拭玻璃珠即可，并且，由于玻璃珠的球形形狀，任意方向的入射光均可穿過球心按原方向透射，如圖4中虛線箭頭所示，保障了定位的準(zhǔn)確性。本太陽能跟蹤器通過小孔成像原理獲得太陽光斑，使之投射于屏幕板3上，并通過固定的攝像頭4獲取該光斑位置，通過圖像分析模塊中預(yù)置的直角坐標(biāo)系，即可使所述光斑的位置以坐標(biāo)值的形式給出，對于該坐標(biāo)值的獲取，由于不依賴于機械運動部件，亦不依賴于綜合傳感部件，僅依賴于計算程序，因此，由于程序的穩(wěn)定性，坐標(biāo)值的精度很高，得到坐標(biāo)值后，第一、第二步進電機只按照使所述坐標(biāo)值趨向于(0，O)的方向驅(qū)動所述腔體，因此，最終將使腔體I 一端的所述遮光薄板2準(zhǔn)確地正對太陽，采取常規(guī)手段使所述腔體與太陽能采光板機械關(guān)聯(lián)后，即可使采光板實時準(zhǔn)確地正對太陽。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種太陽能跟蹤器，其特征在于包括一個腔體(I);所述腔體(I)的一個端部設(shè)有一塊遮光薄板(2);所述腔體(I)內(nèi)設(shè)有一個倒扣于所述遮光薄板(2)上的半球形屏幕板(3);所述遮光薄板(2)中心開設(shè)有可將陽光引入所述腔體內(nèi)并照射至所述屏幕板(3)上的光斑孔(20);所述腔體(I)內(nèi)正對所述屏幕板(3)固定一個攝像頭(4)，該攝像頭(4)電性連接控制電路板(7);所述控制電路板(7)包括圖像分析模塊、電機控制模塊； 所述圖像分析模塊的圖像處理方法如下以所述屏幕板(3)的正投影面的中心為原點建立直角坐標(biāo)系，分析光斑在所述正投影面上的位置的坐標(biāo)值，將該坐標(biāo)值返回給所述電機控制模塊； 所述電機控制模塊控制驅(qū)動所述腔體左右轉(zhuǎn)動的第一步進電機和控制所述腔體上下轉(zhuǎn)動的第二步進電機，且所述電機控制模塊的驅(qū)動方法是使所述圖像分析模塊返回的所述坐標(biāo)值中的兩個坐標(biāo)參數(shù)分別對應(yīng)一個步進電機，當(dāng)任意一個所述坐標(biāo)參數(shù)的值不為零 時，則由該坐標(biāo)參數(shù)所對應(yīng)的步進電機向使該坐標(biāo)參數(shù)的絕對值減小的方向連續(xù)驅(qū)動所述腔體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能跟蹤器，其特征在于所述圖像分析模塊在圖像處理時，先對圖像進行二值化處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽能跟蹤器，其特征在于所述圖像分析模塊在分析光斑位置坐標(biāo)時，按照如下方法，記錄所有具有亮度值的橫坐標(biāo)，求具有亮度值的連續(xù)橫坐標(biāo)的平均值；記錄所有具有亮度值的縱坐標(biāo)，求具有亮度值的連續(xù)縱坐標(biāo)的平均值；返還所述的兩個平均值，作為光斑中心的位置坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能跟蹤器，其特征在于所述圖像分析模塊在分析光斑位置坐標(biāo)時，采用半二值化的方法進行，逐漸提高二值化的閾值，使閾值下方的亮度值均置零，閾值上方的亮度值保持不變，直至只剩下一個像素塊仍然保有亮度值，返還該像素塊對應(yīng)的坐標(biāo)，作為光斑中心的位置坐標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一條所述的太陽能跟蹤器，其特征在于所述電機控制模塊依據(jù)所述坐標(biāo)值中的兩個坐標(biāo)的絕對值大小分別控制所述第一步進電機和第二步進電機的轉(zhuǎn)速，各步進電機的轉(zhuǎn)速與它所對應(yīng)的坐標(biāo)的絕對值大小成正比。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能跟蹤器，其特征在于所述遮光薄板(2)中心的所述光斑孔內(nèi)嵌置一顆球形透明玻璃珠(201)，并使玻璃珠(201)的中切面與遮光薄板(2)所在平面重合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的太陽能跟蹤器，其特征在于所述攝像頭(4)的鏡頭后方還設(shè)有一塊用于封閉所述屏幕板(3 )和攝像頭(4 )之間的空間的封板(5 )。
全文摘要
本發(fā)明提供一種太陽能跟蹤器，屬于太陽能采集設(shè)備領(lǐng)域，包括一個腔體；所述腔體的一個端部設(shè)有一塊遮光薄板；所述腔體內(nèi)設(shè)有一個倒扣于所述遮光薄板上的半球形屏幕板；所述遮光薄板中心開設(shè)有可將陽光引入所述腔體內(nèi)并照射至所述屏幕板上的光斑孔；所述腔體內(nèi)正對所述屏幕板固定一個攝像頭，該攝像頭電性連接控制電路板；所述控制電路板包括圖像分析模塊、電機控制模塊。該跟蹤器不僅能準(zhǔn)確地跟蹤太陽，以保證太陽能采集面正對太陽光，并且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。
文檔編號G05D3/12GK102707731SQ20121015171
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者馬根昌 申請人:蘇州市倫琴工業(yè)設(shè)計有限公司