一種太陽跟蹤裝置及其跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太陽跟蹤裝置，包括投影識別裝置、不透光擋板、投影識別裝置箱體、服務(wù)器和轉(zhuǎn)動裝置，不透光擋板垂直在投影識別裝置箱體的上底面上，投影識別裝置箱體內(nèi)設(shè)有用于識別不透光擋板在投影識別裝置箱體上底面的投影的投影識別裝置，投影識別裝置箱體設(shè)在轉(zhuǎn)動裝置上，投影識別裝置信號輸出端連接服務(wù)器，服務(wù)器控制轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的有益效果在于，太陽的實際高度角、水平角與測量出的結(jié)果的誤差在5°范圍內(nèi)。
【專利說明】
-種太陽跟蹤裝置及其跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及太陽追蹤領(lǐng)域，具體設(shè)及一種太陽跟蹤裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了解決傳統(tǒng)能源有限的問題，同時考慮到生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，目前世界各國努力 開展對可持續(xù)、清潔新能源的開發(fā)和利用，例如太陽能發(fā)電。太陽能雖然有很多優(yōu)點，但是 在開發(fā)利用方面仍然存在很多問題，最為突出的問題就是光電轉(zhuǎn)換效率不高的問題。該問 題可W從兩個方面進(jìn)行考慮和研究：一方面是使用轉(zhuǎn)換效率更高的光電轉(zhuǎn)換材料，運仍需 要研究工作者長時間的研究和開發(fā)；另一方面是提高太陽能的接收效率，利用現(xiàn)有技術(shù)可 W解決該問題。
[0003] 目前，太陽光追蹤方式主要有光電式和機(jī)械式兩種方式。光電式是通過光敏感材 料將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，檢測電信號判斷太陽的實時位置，最后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的軸 來實現(xiàn)追光。機(jī)械式是W時間和締度位置為參數(shù)，通過程序計算太陽位置，控制相應(yīng)電機(jī)追 蹤太陽。上述兩種方式在實際應(yīng)用中依然存在一些技術(shù)問題:光電式追蹤的抗干擾性能力 較弱，精度較低;機(jī)械式追蹤方式因累積誤差的增加致使效果不盡如人意。
[0004] 為了彌補(bǔ)上述兩種控制方式的缺點，新型的太陽跟蹤技術(shù)不斷出現(xiàn)。目前新型跟 蹤技術(shù)主要有W下兩種： (1)圖像定位跟蹤：圖像定位跟蹤是一種通過處理捕獲的太陽軌跡圖像而確定太陽的 高度角和方位角的方法。在北回歸線W北地區(qū)，根據(jù)太陽運動軌跡的方位角變化不超過 180°的特點，采用全景攝像獲取180°范圍內(nèi)天空中太陽圖像，并通過對該圖像進(jìn)行一系列 分析處理，識別出太陽光斑的中屯、點，從而確定太陽的方位角和高度角，實現(xiàn)對太陽位置的 準(zhǔn)確定位。
[0005] 運種方法跟蹤精度非常高，而且測量范圍廣，但需要對拍攝圖像進(jìn)行快速而有效 的處理，對系統(tǒng)性能要求高，成本也高，隨著處理器處理能力的進(jìn)一步提升，在太陽跟蹤方 面將得到廣泛應(yīng)用。
[0006] (2)旋轉(zhuǎn)電流跟蹤:運種方法是鑒于太陽電池旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的短路電流是交變電流的 特點，對其進(jìn)行分解，根據(jù)短路電流反射分量與太陽光線入射角無關(guān)，短路電流入射分量與 太陽電池平面法線和入射光線之間的夾角成余弦關(guān)系，通過太陽電池分別繞Z軸，X軸旋轉(zhuǎn) 而測得方位角與初相位，高度角與初相位的關(guān)系曲線，利用DFT運算檢測波形初相位的方 法，計算出太陽的高度角和方位角，實現(xiàn)對太陽方位的自動跟蹤。
[0007] 其優(yōu)點是應(yīng)用元件少，測量范圍廣，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，具有很強(qiáng)的實用性;直接 采用離散傅里葉變換(DFT)求解短路電流的初相位，提高了跟蹤系統(tǒng)的精確性，避免了由于 多塊光敏元件的不一致性帶來的問題，降低了光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本。
[000引相比光電式、機(jī)械式的跟蹤技術(shù)，上述兩種新型的太陽跟蹤技術(shù)能夠有效提升光 電式、機(jī)械式太陽跟蹤的跟蹤效果，但是由于復(fù)雜算法對系統(tǒng)性能要求較高的特點，未能得 到廣泛應(yīng)用。綜上所述，現(xiàn)有的太陽跟蹤技術(shù)未能充分滿足實際需要，故而研究應(yīng)用范圍 廣、跟蹤精確、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的太陽跟蹤系統(tǒng)已迫在眉睫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為避免【背景技術(shù)】的不足之處，本發(fā)明提供一種應(yīng)用范圍廣、跟蹤精確、結(jié)構(gòu)簡單、 成本低的太陽跟蹤裝置。
[0010] 為了解決上述技術(shù)問題，設(shè)計一種太陽跟蹤裝置，包括投影識別裝置、不透光擋 板、投影識別裝置箱體、服務(wù)器和轉(zhuǎn)動裝置，不透光擋板垂直在投影識別裝置箱體的上底面 上，投影識別裝置箱體內(nèi)設(shè)有用于識別不透光擋板在投影識別裝置箱體上底面的投影的投 影識別裝置，投影識別裝置箱體設(shè)在轉(zhuǎn)動裝置上，投影識別裝置信號輸出端連接服務(wù)器，月良 務(wù)器控制轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)動。
[0011] 進(jìn)一步地，不透光擋板為不可透光的圓形擋板。
[0012] 進(jìn)一步地，投影識別裝置箱體為四方體，且不透光擋板位于四方體上底面中央，投 影識別裝置箱體的上底面為白色，具有一定透明度的底板。
[0013] 進(jìn)一步地，轉(zhuǎn)動裝置包括豎直升降裝置和水平旋轉(zhuǎn)裝置，豎直升降裝置固定水平 旋轉(zhuǎn)裝置上。
[0014] 進(jìn)一步地，豎直升降裝置包括第一電機(jī)、彈性固定塊和水平軸，第一電機(jī)的電機(jī)軸 連接水平軸，水平軸帶動彈性固定塊上下位移，彈性固定塊上方連接投影識別裝置箱體，第 一電機(jī)的電機(jī)軸和水平軸之間還設(shè)有彈性聯(lián)軸器。
[0015] 進(jìn)一步地，水平旋轉(zhuǎn)裝置包括水平旋轉(zhuǎn)平臺、豎直軸和第二電機(jī)，第二電機(jī)的電機(jī) 軸連接豎直軸，豎直軸帶動水平旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)，第二電機(jī)的電機(jī)軸和豎直軸之間還設(shè)有彈 性聯(lián)軸器。
[0016] 進(jìn)一步地，豎直升降裝置固定在水平旋轉(zhuǎn)平臺上，且豎直升降裝置外罩設(shè)防塵蓋， 防塵蓋設(shè)有供豎直升降裝置的彈性固定塊出入的開口。
[0017] 進(jìn)一步地，轉(zhuǎn)動裝置外側(cè)架設(shè)用于支撐的支架。
[0018] 進(jìn)一步地，服務(wù)器內(nèi)包括灰度處理模塊、二值化處理模塊、計算模塊和控制模塊。
[0019] -種太陽跟蹤方法，第一步:通過投影識別裝置采集投影，采集的投影傳輸?shù)椒?wù) 器，投影經(jīng)過服務(wù)器灰度處理后再經(jīng)過二值化處理； 第二步:將處理過的投影W每次1-3度的增量在90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn);每旋轉(zhuǎn)一次記錄其坐 標(biāo)系方向上的外接矩形邊界點的周長，當(dāng)外界矩形周長最小時，記錄此時投影的短軸長度 和長軸長度； 第S步:計算太陽與不透光擋板的水平夾角=arcsin投影短軸長度/不透光擋板的直 徑； 第四步:計算太陽與不透光擋板的高度夾角=arctan不透光擋板的直徑/投影長軸長 度； 第五步:通過服務(wù)器調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置達(dá)到所述水平夾角和高度夾角。
[0020] 本發(fā)明的有益效果在于，準(zhǔn)確計算光線入射角度，實現(xiàn)對太陽光的精確跟蹤，得到 的太陽的實際高度角、水平角與測量出的結(jié)果的誤差在5°范圍內(nèi)，裝置結(jié)構(gòu)簡單，零配件 少、成本低。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2是光線斜射物體的投影形狀。
【具體實施方式】
[0023] W下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明： 參照附圖1，一種太陽跟蹤裝置，包括投影識別裝置4、不透光擋板3、投影識別裝置箱體 2、服務(wù)器和轉(zhuǎn)動裝置，不透光擋板3垂直在投影識別裝置箱體2的上底面上，投影識別裝置 箱體2內(nèi)設(shè)有用于識別不透光擋板3在投影識別裝置箱體2上底面的投影的投影識別裝置4， 投影識別裝置箱體2設(shè)在轉(zhuǎn)動裝置上，投影識別裝置4信號輸出端連接服務(wù)器，服務(wù)器控制 轉(zhuǎn)動裝置轉(zhuǎn)動。
[0024] -種太陽跟蹤裝置，不透光擋板3為不可透光的圓形擋板。
[0025] -種太陽跟蹤裝置，投影識別裝置箱體2為四方體，且不透光擋板3位于四方體上 底面中央，投影識別裝置箱體的上底面為白色，具有一定透明度的底板。
[0026] -種太陽跟蹤裝置，投影識別裝置箱體的上底面為白色，具有一定透明度的塑料 底板。
[0027] -種太陽跟蹤裝置，投影識別裝置箱體的上底面為A4紙。
[0028] -種太陽跟蹤裝置，轉(zhuǎn)動裝置包括豎直升降裝置和水平旋轉(zhuǎn)裝置，豎直升降裝置 固定水平旋轉(zhuǎn)裝置上。
[0029] -種太陽跟蹤裝置，豎直升降裝置包括第一電機(jī)1、彈性固定塊10和水平軸6,第一 電機(jī)1的電機(jī)軸連接水平軸6,水平軸6帶動彈性固定塊10上下位移，彈性固定塊10上方連接 投影識別裝置箱體2,第一電機(jī)1的電機(jī)軸和水平軸6之間還設(shè)有彈性聯(lián)軸器5。
[0030] -種太陽跟蹤裝置，水平旋轉(zhuǎn)裝置包括水平旋轉(zhuǎn)平臺7、豎直軸9和第二電機(jī)8,第 二電機(jī)8的電機(jī)軸連接豎直軸9,豎直軸9帶動水平旋轉(zhuǎn)平臺7旋轉(zhuǎn)，第二電機(jī)8的電機(jī)軸和豎 直軸9之間還設(shè)有彈性聯(lián)軸器5。
[0031] -種太陽跟蹤裝置，豎直升降裝置固定在水平旋轉(zhuǎn)平臺7上，且豎直升降裝置外罩 設(shè)防塵蓋，防塵蓋設(shè)有供豎直升降裝置的彈性固定塊出入的開口。
[0032] -種太陽跟蹤裝置，轉(zhuǎn)動裝置外側(cè)架設(shè)用于支撐的支架。
[0033] -種太陽跟蹤裝置，根據(jù)投影原理，太陽光線W不同角度照射不可透光物體時，在 投影面上會得到不同形狀的投影。若不透光擋板為不可透光的圓形擋板，此時在投影面上 得到=種不同形狀的投影圖像:直線、楠圓W及圓形。上述投影形狀與太陽光線入射角度存 在一一對應(yīng)關(guān)系。
[0034] 一種太陽跟蹤裝置，服務(wù)器內(nèi)包括灰度處理模塊、二值化處理模塊、計算模塊和控 制模塊。
[0035] -種太陽跟蹤方法，第一步:通過投影識別裝置采集投影，采集的投影傳輸?shù)椒?wù) 器，投影經(jīng)過服務(wù)器灰度處理后再經(jīng)過二值化處理； 第二步:將處理過的投影W每次1-3度的增量在90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn);每旋轉(zhuǎn)一次記錄其坐 標(biāo)系方向上的外接矩形邊界點的周長，當(dāng)外界矩形周長最小時，記錄此時投影的短軸長度 和長軸長度； 第S步:計算太陽與不透光擋板的水平夾角=arcsin投影短軸長度/不透光擋板的直 徑； 第四步:計算太陽與不透光擋板的高度夾角=arctan不透光擋板的直徑/投影長軸長 度； 第五步:通過服務(wù)器調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置達(dá)到所述水平夾角和高度夾角。
[0036] 根據(jù)上述原理，試圖對不可透光的物體投影進(jìn)行圖像識別，收集投影圖形的關(guān)鍵 參數(shù)，采用圖像識別算法對關(guān)鍵參數(shù)的分析，準(zhǔn)確計算光線入射角度，旨在實現(xiàn)對太陽光的 精確跟蹤，實現(xiàn)具體路線如下： (1) 將圓形物體水平置于陽光下，當(dāng)太陽斜射圓形物體時，得到楠圓形的投影圖像； (2) 利用計算視覺識別投影圖像，計算得到楠圓形投影的幾何參數(shù)； (3) 利用幾何參數(shù)，計算太陽光線照射角度； (4) 控制電機(jī)使機(jī)構(gòu)運動，實現(xiàn)太陽追光的目的。
[0037] 表1給出了光線實際高度角和水平角，并與利用本文所述的太陽能追光算法計算 出的結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，實際高度角、水平角與計算結(jié)果的誤差在5°范圍內(nèi)。相關(guān) 文獻(xiàn)表明，當(dāng)太陽能設(shè)備的法線與太陽光線的夾角在15° W內(nèi)時，對太陽的利用效率變化不 明顯。因此，誤差5° W內(nèi)可W滿足現(xiàn)實需求，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽實時跟蹤的目的。
[00381 親1結(jié)里hk巧
工作原理 1.太陽光入射角度的計算 將投影面模擬太陽能接收板，在投影面上固定放置不可透光的圓形板，圓形板與投影 面保持垂直關(guān)系。當(dāng)太陽光處于A點位置時，光線斜射圓形板，投影面上得到楠圓形投影，見 圖2所示。W圖2為例，建立空間坐標(biāo)系XYZ，原點O為圓形板與投影面的交點處。此時，太陽與 物體的水平夾角為a，高度夾角為0。
[0039] 水平角a計算公式如下：
其中，b為楠圓投影的短軸長度;d為圓形板的直徑。
[0040] 高度角的十算公式如下：
其中，a為楠圓投影的長軸長度。
[0041 ] 2.投影圖形處理 (1)投影圖像的獲得 采集圖像采用投影識別裝置設(shè)備，像素為800萬。在采集圖像時，W白色A4紙作為背景， 為后期提取投影圖像目標(biāo)提供方便。相機(jī)獲取的圖像為真彩圖，每個像素由3個大小相同的 二維數(shù)組表示，無法直接應(yīng)用圖像處理算法，需要對其進(jìn)行灰度處理。采用matlab內(nèi)置灰度 處理函數(shù)，進(jìn)行圖像的灰度處理?；叶忍幚砗?，圖像可W由一個二位數(shù)組表示圖形，每個像 素在matlab中就對應(yīng)一個像素值，但仍未能對圖像目標(biāo)進(jìn)行提取，有必要對其進(jìn)行二值化 處理。圖像的二值化處理將整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，進(jìn)一步凸顯目標(biāo)的輪廓，減少 圖像的數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)處理速度，有利于圖像的進(jìn)一步的處理。
[0042] (2)幾何參數(shù)的識別 在上述分析中，太陽光入射角度的計算需要得知W下兩個投影圖形的數(shù)據(jù):楠圓投影 的長軸長度、短軸長度。采用外接最小矩形獲取W上兩個參數(shù)，具體原理如下:將投影圖像 W每次3度左右的增量在90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn);每旋轉(zhuǎn)一次，記錄其坐標(biāo)系方向上的外接矩形邊 界點的最小值a和最大值b，Wa、b計算外接矩形的面積；當(dāng)旋轉(zhuǎn)到某一角度后，外接矩形的 面積達(dá)到最小，此時外接矩形為最小;最小外接矩形的長邊為楠圓的長軸，短邊為楠圓的短 軸。
[0043] 3.機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖像幾何參數(shù)的識別為太陽能接收板的朝向提供依據(jù)，采用目前通用的雙軸跟蹤方 式，設(shè)計相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)太陽的準(zhǔn)確跟蹤?？臻g坐標(biāo)系的Z軸與第二電機(jī)的輸出軸軸線 重合，X軸與第一電機(jī)的輸出軸軸線重合。第二電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器帶動數(shù)值軸轉(zhuǎn)動，水平 旋轉(zhuǎn)平臺與豎直軸通過平鍵聯(lián)接，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，水平旋轉(zhuǎn)平臺W上的零件隨著水平 旋轉(zhuǎn)平臺進(jìn)行水平轉(zhuǎn)動。第一電機(jī)與水平軸通過彈性聯(lián)軸器聯(lián)接，彈性固定塊通過螺紋夾 緊在水平軸上，隨水平軸的旋轉(zhuǎn)而運動。投影識別裝置箱體與彈性固定塊通過螺紋實現(xiàn)固 定聯(lián)接，底部中屯、放置投影識別裝置。投影識別裝置采集不可透光的圓形擋板的投影圖像， 并通過無線傳輸給相應(yīng)的服務(wù)器，服務(wù)器識別投影圖形，得到太陽光線的入射角度，指導(dǎo)第 二電機(jī)、第一電機(jī)工作，從而保證太陽的實時跟蹤。防塵蓋上布置限位傳感器，限制投影識 別裝置箱體轉(zhuǎn)動的角度，避免投影識別裝置箱體與其他零件發(fā)生碰撞。
[0044] -種太陽跟蹤裝置，投影識別裝置為微型相機(jī)。
[0045] 雖然本發(fā)明已通過參考優(yōu)選的實施例進(jìn)行了描述，但是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng) 當(dāng)了解，可W不限于上述實施例的描述，在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，可作出形式和細(xì)節(jié)上的各 種變化。
【主權(quán)項】
1. 一種太陽跟蹤裝置，包括投影識別裝置、不透光擋板、投影識別裝置箱體、服務(wù)器和 轉(zhuǎn)動裝置，其特征在于:不透光擋板垂直在投影識別裝置箱體的上底面上，投影識別裝置箱 體內(nèi)設(shè)有用于識別不透光擋板在投影識別裝置箱體上底面的投影的投影識別裝置，投影識 別裝置箱體設(shè)在轉(zhuǎn)動裝置上，投影識別裝置信號輸出端連接服務(wù)器，服務(wù)器控制轉(zhuǎn)動裝置 轉(zhuǎn)動。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽跟蹤裝置，其特征在于:不透光擋板為不可透光的圓 形擋板。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽跟蹤裝置，其特征在于：投影識別裝置箱體為四方 體，且不透光擋板位于四方體上底面中央，投影識別裝置箱體的上底面為白色，具有一定透 明度的底板。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽跟蹤裝置，其特征在于:轉(zhuǎn)動裝置包括豎直升降裝置 和水平旋轉(zhuǎn)裝置，豎直升降裝置固定水平旋轉(zhuǎn)裝置上。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種太陽跟蹤裝置，其特征在于:所述豎直升降裝置包括第一 電機(jī)、彈性固定塊和水平軸，第一電機(jī)的電機(jī)軸連接水平軸，水平軸帶動彈性固定塊上下位 移，彈性固定塊上方連接投影識別裝置箱體，第一電機(jī)的電機(jī)軸和水平軸之間還設(shè)有彈性 聯(lián)軸器。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種太陽跟蹤裝置，其特征在于:所述水平旋轉(zhuǎn)裝置包括水平 旋轉(zhuǎn)平臺、豎直軸和第二電機(jī)，第二電機(jī)的電機(jī)軸連接豎直軸，豎直軸帶動水平旋轉(zhuǎn)平臺旋 轉(zhuǎn)，第二電機(jī)的電機(jī)軸和豎直軸之間還設(shè)有彈性聯(lián)軸器。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種太陽跟蹤裝置，其特征在于:豎直升降裝置固定在水平旋 轉(zhuǎn)平臺上，且豎直升降裝置外罩設(shè)防塵蓋，防塵蓋設(shè)有供豎直升降裝置的彈性固定塊出入 的開口。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種太陽跟蹤裝置，其特征在于:轉(zhuǎn)動裝置外側(cè)架設(shè)用于支撐 的支架。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種太陽跟蹤裝置，其特征在于：服務(wù)器內(nèi)包括灰度處理模 塊、二值化處理模塊、計算模塊和控制模塊。10. -種根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽跟蹤方法，其特征在于： 第一步:通過投影識別裝置采集投影，采集的投影傳輸?shù)椒?wù)器，投影經(jīng)過服務(wù)器灰度 處理后再經(jīng)過二值化處理； 第二步:將處理過的投影以每次1-3度的增量在90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn);每旋轉(zhuǎn)一次記錄其坐 標(biāo)系方向上的外接矩形邊界點的周長，當(dāng)外界矩形周長最小時，記錄此時投影的短軸長度 和長軸長度； 第三步：計算太陽與不透光擋板的水平夾角=arcsin投影短軸長度/不透光擋板的直 徑； 第四步：計算太陽與不透光擋板的高度夾角=arctan不透光擋板的直徑/投影長軸長 度； 第五步:通過服務(wù)器調(diào)整轉(zhuǎn)動裝置達(dá)到所述水平夾角和高度夾角。
【文檔編號】G05D3/12GK106020250SQ201610571513
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月19日
【發(fā)明人】高峰
【申請人】溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院