專利名稱：基于固定傳感器的太陽(yáng)跟蹤定位裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光敏傳感器的太陽(yáng)跟蹤定位裝置與方法。
背景技術(shù)：
在目前能源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)的背景下，太陽(yáng)能，作為一種來(lái)源豐富的清潔能源，將成為未來(lái)能源的主要來(lái)源。我國(guó)西北地區(qū)的太陽(yáng)能尤其豐富，因此，利用太陽(yáng)能的資源不但可以緩解我國(guó)能源緊缺的問(wèn)題，還能使得西部得到開(kāi)發(fā)。傳統(tǒng)采用光伏發(fā)電，但由于其效率和成本問(wèn)題沒(méi)有被大規(guī)模使用，而且，由于核心制硅技術(shù)被日本等國(guó)掌握，更加提高了我國(guó)的使用成本；同時(shí)，用于儲(chǔ)存電能的蓄電池會(huì)造成二次污染。現(xiàn)今，一種通過(guò)聚焦太陽(yáng)能產(chǎn)生大量熱量，用來(lái)加熱水蒸氣沖擊渦輪進(jìn)行發(fā)電的方法開(kāi)始在西方國(guó)家投入使用，該方法所發(fā)電能可采用并網(wǎng)方式直接匯入電網(wǎng)，免去了儲(chǔ)存的環(huán)節(jié)，也方便了二次利用。這種方法正適用于我國(guó)西部進(jìn)行大規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電。這種發(fā)電方法的核心在于如何有效聚焦能流密度較小的太陽(yáng)能到一點(diǎn)，使得水蒸氣或者氫氣被迅速加熱。但是由于地球自轉(zhuǎn)以及公轉(zhuǎn)的影響，太陽(yáng)相對(duì)于發(fā)電所在地方的位置在一天中和一年中是變化的，采用固定的聚焦面將大大降低能量利用率。這就要求準(zhǔn)確定位太陽(yáng)的位置，來(lái)進(jìn)行有效聚焦。現(xiàn)今獲得太陽(yáng)準(zhǔn)確位置的方法有兩種，一是采用時(shí)鐘跟蹤的方式，即根據(jù)天文觀測(cè)總結(jié)出的太陽(yáng)角度，確定聚焦平面的角度，但是這種方法只是利用了歷史數(shù)據(jù)作為參考， 并沒(méi)有實(shí)時(shí)測(cè)得太陽(yáng)的高度角，因此很容易出現(xiàn)誤差，需要不斷進(jìn)行校正，這不利于大范圍的推廣和實(shí)際使用。而另一種方法是采用傳感器跟蹤?，F(xiàn)有的研究中多半采用光敏電阻、 光敏三極管等光敏元件，這些設(shè)備雖然成本低，但是定位精度不夠高，所用的電子器件容易發(fā)生老化現(xiàn)象，而且存在陰天或者多云的天氣失靈的現(xiàn)象，性能不夠穩(wěn)定。而有的采用了攝像頭對(duì)太陽(yáng)角度進(jìn)行直接測(cè)量，該方法通過(guò)攝像頭的角度以及太陽(yáng)在成像面上的位置得出最終的角度，但這樣在機(jī)械加工以及運(yùn)動(dòng)控制上，需要獲得較高的精度要求，而且整體算法較為復(fù)雜，因此并沒(méi)有投入到實(shí)際應(yīng)用?，F(xiàn)有的傳感器跟蹤方法無(wú)法滿足那些跟蹤精度要求較高，設(shè)備性能要求較穩(wěn)定，成本較低的太陽(yáng)能聚光發(fā)電系統(tǒng)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于坐標(biāo)變換的太陽(yáng)跟蹤定位裝置與方法。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種基于坐標(biāo)變換的太陽(yáng)跟蹤定位裝置，它包括數(shù)字信號(hào)處理芯片、數(shù)據(jù)采集裝置和帶孔黑箱等；其中，數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)字處理芯片相連，兩者均安裝在帶孔暗箱的底部。一種應(yīng)用上述裝置的太陽(yáng)跟蹤定位方法，包括以下步驟(1)根據(jù)太陽(yáng)角度的不同，光線穿過(guò)暗箱上的小孔，在成像面的不同位置產(chǎn)生光斑；
(2)數(shù)據(jù)采集裝置將成像面上的亮度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息；
(3)數(shù)據(jù)處理芯片對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，得出光斑中心的具體坐標(biāo)；
(4)根據(jù)光斑中心點(diǎn)和暗箱的機(jī)械尺寸，計(jì)算出太陽(yáng)的角度，從而得出太陽(yáng)方位。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明實(shí)時(shí)采集暗箱底部的光斑信息，反算出太陽(yáng)角度，并不需要整個(gè)裝置處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。并且數(shù)學(xué)推導(dǎo)較為簡(jiǎn)單，并不需要高成本的處理器。而且， 感光元件的選取也較為寬泛(如光敏二極管、三極管或數(shù)字?jǐn)z像頭)，精度完全取決于感光元件的密度(獨(dú)立光敏器件)或者象素(數(shù)字?jǐn)z像頭)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)和信號(hào)流程2是本發(fā)明的具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本發(fā)明的步驟流程圖； 圖4是本發(fā)明的太陽(yáng)空間角示意圖； 圖5是本發(fā)明的成像面俯視圖； 圖6是本發(fā)明的幾何示意圖中，暗箱1、成像面2、數(shù)字信號(hào)處理芯片3、數(shù)字?jǐn)z像頭4、小孔5、光斑6。
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。本發(fā)明基于坐標(biāo)變換的太陽(yáng)跟蹤定位裝置包括數(shù)字信號(hào)處理芯片、數(shù)據(jù)采集裝置和帶孔黑箱；數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)字處理芯片相連，兩者均安裝在帶孔暗箱的底部。數(shù)字信號(hào)處理芯片接收數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，從而得出太陽(yáng)角度。 數(shù)據(jù)采集裝置包括感光元件和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，根據(jù)黑箱成像面上的光斑得出其具體位置；帶孔黑箱的中間安裝了一層半透明的膜，用作對(duì)太陽(yáng)的成像面。其中，感光元件可以使用獨(dú)立的光敏器件，如光敏電阻、光敏二極管等，或者使用集成的感光元件，如CXD和CMOS攝像頭，典型的裝置樣式如圖2所示。如圖3所示一種應(yīng)用上述基于裝置的太陽(yáng)跟蹤定位方法，包括以下步驟
步驟1 根據(jù)太陽(yáng)角度的不同，光線穿過(guò)暗箱上的小孔，在成像面的不同位置產(chǎn)生光斑。如圖4所示，太陽(yáng)的角度可以用太陽(yáng)在世界坐標(biāo)系中的兩個(gè)方位角即在平面上投影與X軸的夾角Cir和射線與地
面的仰角Ifftl來(lái)表示。如圖2，對(duì)于一個(gè)給定的太陽(yáng)角度，太陽(yáng)光在穿過(guò)小孔后，會(huì)在暗箱的
成像面上留下一個(gè)確定的光斑。而該光斑的位置和太陽(yáng)的位置有一個(gè)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此可以通過(guò)確定光斑位置得出太陽(yáng)的角度。步驟2 數(shù)據(jù)采集裝置將成像面上的亮度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。如圖5所示，將成像面劃分成aXb個(gè)單位正方形，每個(gè)正方形都可表示為(X，y) 的坐標(biāo)，其中X表示該正方形在橫向上的位置，y表示其在縱向上的位置。因此可以用坐標(biāo)(x，y)來(lái)表示光斑中心點(diǎn)在成像面上的位置。數(shù)據(jù)采集裝置檢測(cè)每個(gè)正方形中的亮度信息 (灰度值)，并將該信息上傳至數(shù)字處理芯片。步驟3 數(shù)據(jù)處理芯片對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，得出光斑中心的具體坐標(biāo)。數(shù)據(jù)處理芯片將亮度信息存入一個(gè)aXb的矩陣中，用Lx,y來(lái)表示每個(gè)正方形中的亮度信息，如下
權(quán)利要求
1.一種基于坐標(biāo)變換的太陽(yáng)跟蹤定位裝置，其特征在于，它包括數(shù)字信號(hào)處理芯片、 數(shù)據(jù)采集裝置和帶孔黑箱等；其中，數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)字處理芯片相連，兩者均安裝在帶孔暗箱的底部。
2.一種應(yīng)用上述裝置的太陽(yáng)跟蹤定位方法，其特征在于，包括以下步驟(1)根據(jù)太陽(yáng)角度的不同，光線穿過(guò)暗箱上的小孔，在成像面的不同位置產(chǎn)生光斑；(2)數(shù)據(jù)采集裝置將成像面上的亮度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息；(3)數(shù)據(jù)處理芯片對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，得出光斑中心的具體坐標(biāo)；(4)根據(jù)光斑中心點(diǎn)和暗箱的機(jī)械尺寸，計(jì)算出太陽(yáng)的角度，從而得出太陽(yáng)方位。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于坐標(biāo)變換的太陽(yáng)跟蹤定位裝置與方法，裝置包括數(shù)字信號(hào)處理芯片、數(shù)據(jù)采集裝置和帶孔黑箱；根據(jù)太陽(yáng)角度的不同，光線穿過(guò)暗箱上的小孔，在成像面的不同位置產(chǎn)生光斑，數(shù)據(jù)采集裝置將成像面上的亮度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，數(shù)據(jù)處理芯片對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，得出光斑中心的具體坐標(biāo)，最后，根據(jù)光斑中心點(diǎn)和暗箱的機(jī)械尺寸，計(jì)算出太陽(yáng)的角度，從而得出太陽(yáng)方位；本發(fā)明實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)方位信息并得到太陽(yáng)的精確方位，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，精度高，穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，并且可以方便組成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，共同標(biāo)定太陽(yáng)位置；本發(fā)明適合于那些對(duì)陽(yáng)光角度跟蹤精度要求較高，穩(wěn)定性需求高的系統(tǒng)使用，特別適合于太陽(yáng)能聚光發(fā)電系統(tǒng)使用。
文檔編號(hào)G01C1/00GK102297678SQ20111013451
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者孟濬, 楊霂, 聞日福 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)