高精度全自動太陽跟蹤控制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于光伏發(fā)電的太陽自動跟蹤方法及裝置，其目的是提供一種低成本、高精度的全自動太陽跟蹤控制器。本發(fā)明采用嵌入式微處理系統(tǒng)從光學(xué)CCD傳感器、方位/俯仰角度傳感器、風(fēng)速儀和電子時鐘模塊等設(shè)備中采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像處理和太陽中心坐標(biāo)提取計算后，控制方位/俯仰驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動，實現(xiàn)對太陽的自動跟蹤。本發(fā)明采用安裝有濾光片的光學(xué)CCD傳感器作為太陽位置的感知設(shè)備，對太陽方向的敏感性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他光敏器件。當(dāng)穩(wěn)定跟蹤太陽時，其跟蹤精度能夠優(yōu)于0.1°。而且，本發(fā)明能夠根據(jù)當(dāng)前時間、天氣狀況等信息自動控制系統(tǒng)的跟蹤狀態(tài)，自適應(yīng)在不同地區(qū)對太陽的跟蹤過程，可以方便應(yīng)用于各種太陽能應(yīng)用系統(tǒng)中。
【專利說明】高精度全自動太陽跟蹤控制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)控制領(lǐng)域，具體涉及一種太陽自動跟蹤方法及裝置，用于各類太陽能應(yīng)用系統(tǒng)中對太陽位置的跟蹤定位。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，太陽能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)日趨成熟，規(guī)模不斷擴(kuò)大，已經(jīng)成為世界各國鼓勵發(fā)展的朝陽產(chǎn)業(yè)。太陽能作為一種可再生資源，具有輻照范圍廣，綠色環(huán)保，可永久利用等優(yōu)點，但是它也具有低密度、間歇性、空間分布不斷變化等特點，這與常規(guī)能源有很大區(qū)別，因此對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。
[0003]為了最大限度地利用太陽能，要求太陽光入射方向與太陽能感光面盡量垂直，從而獲得最大的效率。傳統(tǒng)無跟蹤的太陽能應(yīng)用系統(tǒng)固定不動，利用效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有跟蹤的太陽能應(yīng)用系統(tǒng)，已經(jīng)無法應(yīng)用于對利用效率要求較高的生產(chǎn)和生活領(lǐng)域。
[0004]目前常用的太陽跟蹤系統(tǒng)一般采用光敏電阻等光敏器件來感知太陽光的方向，與單片機(jī)和角度傳感器一起對跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。這種跟蹤方式的缺點在于:一般的光敏器件具有較寬的感光角度，且由于陽光的散射，這種方式對太陽光角度偏離不敏感；而且，光敏器件常被灰塵遮蓋，會使其感光能力進(jìn)一步減弱，這將導(dǎo)致太陽跟蹤系統(tǒng)無法準(zhǔn)確跟蹤太陽位置。
[0005]還有一種太陽跟蹤系統(tǒng)從時鐘模塊中獲取當(dāng)前時間，然后根據(jù)當(dāng)前時間和本地經(jīng)緯度等地理參數(shù)計算出太陽跟蹤角度，從而實時跟蹤太陽。這種跟蹤方式的缺點在于:需要配備GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，設(shè)備安裝調(diào)試繁瑣，成本較高；不同地區(qū)的經(jīng)緯度不同，計算太陽跟蹤角度的算法不同，不利于跟蹤系統(tǒng)的規(guī)?；\(yùn)用，而且管理和維護(hù)成本較高；無法自動判斷有/無太陽的不同情 況，不利于太陽能應(yīng)用系統(tǒng)的有效工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種低成本、高精度的太陽自動跟蹤方法及裝置。
[0007]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供的高精度全自動太陽跟蹤控制器包括光學(xué)CCD傳感器(I)，俯仰軸驅(qū)動電機(jī)(3)，方位軸驅(qū)動電機(jī)(6)，俯仰角度傳感器(4)，方位角度傳感器(5)，電機(jī)驅(qū)動模塊(7)，風(fēng)速儀(8)，嵌入式微處理系統(tǒng)(9)和電子時鐘模塊(10)。
[0008]其中，光學(xué)CXD傳感器⑴安裝有透光率為十萬分之一的太陽巴德膜濾光片，作為太陽位置的感知設(shè)備。透光率為十萬分之一的太陽巴德膜濾光片，既能夠有效抑制太陽光強(qiáng)，防止CXD傳感器飽和，又能夠保證光學(xué)CXD傳感器得到清晰的太陽圖像。
[0009]高精度全自動太陽跟蹤控制器的控制原理為:嵌入式微處理系統(tǒng)(9)實時采集光學(xué)C⑶傳感器(I)的視頻圖像信號，通過對視頻圖像分析，判斷視場中太陽的位置和有/無。當(dāng)視場中發(fā)現(xiàn)太陽，系統(tǒng)進(jìn)入“自動跟蹤”狀態(tài)，嵌入式微處理系統(tǒng)(9)立刻通過電機(jī)驅(qū)動模塊(7)控制方位軸(6)/俯仰軸驅(qū)動電機(jī)(3)運(yùn)動，使太陽位于視場的中心位置，同時從方位角度(5)/俯仰角度傳感器(4)中獲取當(dāng)前角度值，并存入系統(tǒng)存儲器中。此時，太陽光入射方向與太陽能應(yīng)用系統(tǒng)受光面(2)垂直，達(dá)到最大限度利用太陽能的目的。
[0010]當(dāng)視場中未發(fā)現(xiàn)太陽，可能有兩種情況:一種情況是時間太晚，天已經(jīng)黑了。另一種情況是陰天下雨，云層把太陽擋住了。在天黑的情況下，系統(tǒng)進(jìn)入“自動停止”狀態(tài)，停在前一天最早發(fā)現(xiàn)太陽的位置，等待第二天太陽出來。在太陽被云層遮擋的情況下，系統(tǒng)進(jìn)入“自動等待”狀態(tài)，嵌入式微處理系統(tǒng)(9)每隔一段固定時間，從存儲器中獲得前一天的當(dāng)前時間的方位/俯仰角度值，并通過電機(jī)驅(qū)動模塊(7)控制方位軸(6)/俯仰軸驅(qū)動電機(jī)(3)運(yùn)動到該位置。此時，一旦發(fā)現(xiàn)視場中有太陽，立刻自動進(jìn)入“自動跟蹤”狀態(tài)。
[0011]不管在任何工作狀態(tài)下，嵌入式微處理系統(tǒng)(9)都會實時從風(fēng)速儀(8)中獲取當(dāng)前風(fēng)速值。一旦當(dāng)前風(fēng)速值超過一定警戒值，系統(tǒng)馬上進(jìn)入“自動保護(hù)”狀態(tài)，讓太陽能應(yīng)用系統(tǒng)受光面(2)處于最佳避風(fēng)位置，直到風(fēng)速值低于該警戒值一定時間后，才離開“自動保護(hù)”狀態(tài)，開始正常工作。
[0012]嵌入式微處理系統(tǒng)(9)作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元，采集光學(xué)CXD傳感器(I)的視頻圖像、電子時鐘模塊(10)的時間值、方位(5)/俯仰角度傳感器(4)的角度值和風(fēng)速儀⑶的風(fēng)速值，通過電機(jī)驅(qū)動模塊(7)控制方位軸(6)/俯仰軸驅(qū)動電機(jī)(3)運(yùn)動，實現(xiàn)對太陽的自動跟蹤。
[0013]其中，嵌入式微處理系統(tǒng)(9)對視頻圖像的主要處理算法為:
[0014]1、對視頻圖像進(jìn)行灰度化處理，得到灰度圖像。
[0015]2、對灰度圖像進(jìn)行分析，判斷視場中是否有太陽目標(biāo)。
[0016]經(jīng)過大量觀察，發(fā)現(xiàn)如果視場中有太陽目標(biāo)，需要同時滿足以下三個條件:①灰度圖像中最大灰度值與最小灰度值之差大于50 灰度圖像中最大灰度值大于140 ;③灰度圖像中，灰度值處于最大灰度值附近的像素點數(shù)大于25。
[0017]否則，則判斷視場中沒有太陽目標(biāo)。
[0018]3、如果判斷視場中有太陽目標(biāo)，則計算圖像灰度閾值，對圖像進(jìn)行閾值分割，得到
二值化圖像。
[0019]經(jīng)過大量觀察，發(fā)現(xiàn)如果視場中有太陽目標(biāo)，則有:圖像灰度閾值=最大灰度值-20 ；
[0020]4、對閾值分割后的二值化圖像進(jìn)行空域濾波，濾掉面積過小的圖形，得到面積最大的圖形。此時得到的圖形就是太陽目標(biāo)。
[0021]5、計算太陽目標(biāo)圖形的中心坐標(biāo)和視場中心坐標(biāo)。
[0022]當(dāng)太陽目標(biāo)的中心坐標(biāo)和視場中心坐標(biāo)一致，就可以判斷當(dāng)前穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)；當(dāng)太陽目標(biāo)的中心坐標(biāo)和視場中心坐標(biāo)不一致，就可以判斷當(dāng)前尚未穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)，并根據(jù)兩者之差來調(diào)整跟蹤方向，直到兩者一致。
[0023]相對于普通太陽跟蹤技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0024]1、本發(fā)明采用光學(xué)CXD傳感器⑴作為太陽位置的感知設(shè)備，其安裝有透光率為十萬分之一的太陽巴德膜濾光片，對太陽方向的敏感性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他光敏器件。當(dāng)穩(wěn)定跟蹤太陽時，其跟蹤精度能夠大于0.1°。
[0025]2、本發(fā)明采用嵌入式微處理系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元，功耗低、安裝方
便,一旦調(diào)試完成后,無需人工干預(yù)。[0026]3、本發(fā)明采用可靠、高效的視頻圖像處理算法，保證了發(fā)現(xiàn)和跟蹤太陽的實時性和有效性。
[0027]4、本發(fā)明不用考慮太陽能應(yīng)用系統(tǒng)所處位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)，能夠自適應(yīng)在不同地區(qū)對太陽的跟蹤過程。
[0028]5、本發(fā)明具有自動記憶功能，能夠自動記憶系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤太陽情況下的方位/俯仰角度值。當(dāng)太陽被云層遮擋的情況下，系統(tǒng)能夠根據(jù)記憶的角度，提前停在預(yù)定位置，等待太陽出現(xiàn)。
[0029]6、本發(fā)明綜合考慮了時間、天氣狀況等綜合因素對太陽能應(yīng)用系統(tǒng)的影響，完全自動調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)，具有自動等待、自動停止、自動保護(hù)等功能。
[0030]7、本發(fā)明具有成本低、維護(hù)方便、高精度和高穩(wěn)定性等特點。
[0031]以下結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1是本發(fā)明高精度全自動太陽跟蹤控制器的整體示意圖；
[0033]以上圖中各附圖標(biāo)記的含義是:
[0034]I~安裝有濾光片的光學(xué)CCD傳感器；2~太陽能應(yīng)用系統(tǒng)受光面；3~俯仰軸驅(qū)動電機(jī)；4~俯仰角度傳感器；5~方位角度傳感器；6~方位軸驅(qū)動電機(jī)；7~電機(jī)驅(qū)動模塊；8~風(fēng)速儀；9~嵌入式微處理系統(tǒng)；10~電子時鐘模塊。
【具體實施方式】
[0035]如圖1所示，本發(fā)明高精度全自動太陽跟蹤控制器包括光學(xué)CXD傳感器(1)，俯仰軸驅(qū)動電機(jī)(3)，方位軸驅(qū)動電機(jī)(6)，俯仰角度傳感器(4)，方位角度傳感器(5)，電機(jī)驅(qū)動模塊(7)，風(fēng)速儀(8)，嵌入式微處理系統(tǒng)(9)和電子時鐘模塊(10)。
[0036]其中，光學(xué)CCD傳感器(I)安裝在太陽能應(yīng)用系統(tǒng)受光面(2)上，其光軸與受光面垂直，用來感知太陽光入射方向和有/無；
[0037]方位角度傳感器(5)與方位軸相連，俯仰角度傳感器⑷與俯仰軸相連，用來獲取方位/俯仰角度值；
[0038]風(fēng)速儀⑶安裝在太陽能應(yīng)用系統(tǒng)受光面(2)附近的無遮擋位置，用于向系統(tǒng)提供當(dāng)前風(fēng)速值；
[0039]電子時鐘模塊(10)與用于向嵌入式微處理系統(tǒng)(9)提供實時時間信息；
[0040]嵌入式微處理系統(tǒng)(9)通過電機(jī)驅(qū)動模塊(7)與方位軸驅(qū)動電機(jī)(6)/俯仰軸驅(qū)動電機(jī)(3)相連，控制系統(tǒng)跟蹤太陽。
[0041]該控制器對太陽進(jìn)行跟蹤的具體方法如下:
[0042]當(dāng)系統(tǒng)第一次進(jìn)行工作時，應(yīng)該盡量選擇天氣晴朗的上午。此時，太陽光照強(qiáng)度足夠，光學(xué)CCD傳感器(I)能夠穩(wěn)定感知太陽光的方向，并將采集的視頻圖像傳送給嵌入式微處理系統(tǒng)(9)。嵌入式微處理系統(tǒng)(9)通過對視頻圖像分析，判斷視場中太陽的位置，并通過電機(jī)驅(qū)動模塊(7)控制方位軸(6)/俯仰軸驅(qū)動電機(jī)(3)運(yùn)動，使太陽位于視場的中心位置。同時，在穩(wěn)定跟蹤太陽的前提下，每隔一分鐘從方位角度(5)/俯仰角度傳感器(4)中獲取當(dāng)前角度值，存入系統(tǒng)存儲器中。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤太陽一段時間后，存儲器中存放了足夠多的角度數(shù)據(jù)。這樣，這些角度數(shù)據(jù)就是今后太陽被遮擋情況下系統(tǒng)運(yùn)動的依據(jù)。
[0043]如果當(dāng)前時間早于05:00或者晚于20:00，且光學(xué)CXD傳感器(I)感知不到太陽光的情況下，系統(tǒng)認(rèn)為天已經(jīng)變黑，進(jìn)入“自動停止”狀態(tài)。此時，方位軸(6)/俯仰軸驅(qū)動電機(jī)(3)停止運(yùn)動，等待天亮。
[0044]如果當(dāng)前時間超過05:00，系統(tǒng)從存儲器中找出前一天最早穩(wěn)定跟蹤的角度數(shù)據(jù)，并提前半小時運(yùn)動到該位置，等待太陽升起。
[0045]當(dāng)太陽升起，光學(xué)CCD傳感器⑴感知到太陽光的方向，系統(tǒng)進(jìn)入“自動跟蹤”狀態(tài)。嵌入式微處理系統(tǒng)(9)通過電機(jī)驅(qū)動模塊(7)控制方位軸(6)/俯仰軸驅(qū)動電機(jī)(3)運(yùn)動，使太陽位于視場的中心位置。同時，在穩(wěn)定跟蹤太陽后，每隔一分鐘從方位角度(5)/俯仰角度傳感器(4)中獲取當(dāng)前角度值，存入系統(tǒng)存儲器中，并對以前的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。
[0046]當(dāng)太陽被云層遮擋，光學(xué)CXD傳感器(I)感知不到太陽光。系統(tǒng)進(jìn)入“自動等待”狀態(tài)。由于光學(xué)CCD傳感器(I)的視場角足夠大，能夠保證太陽運(yùn)動一小時不會超出視場角范圍。系統(tǒng)會在當(dāng)前位置等待一小時。如果太陽出現(xiàn)，自動進(jìn)入“自動跟蹤”狀態(tài)；如果太陽不出現(xiàn)，系統(tǒng)從存儲器中找出前一天中一小時后的角度數(shù)據(jù)，并運(yùn)動到該位置，等待太陽升起。如果太陽仍然不出現(xiàn)，則每隔一小時運(yùn)動一次，直到太陽出現(xiàn)。
[0047]不管在任何工作狀態(tài)下，嵌入式微處理系統(tǒng)(9)都會實時從風(fēng)速儀(8)中獲取當(dāng)前風(fēng)速值。一旦當(dāng)前風(fēng)速值超過一定警戒值(對于不同太陽能應(yīng)用系統(tǒng)安裝架，軟件可根據(jù)其防風(fēng)警戒值不同進(jìn)行修改)，并且持續(xù)時間超過10秒，系統(tǒng)馬上進(jìn)入“自動保護(hù)”狀態(tài)，讓太陽能應(yīng)用系統(tǒng)受光面(2)處于最佳避風(fēng)位置。直到風(fēng)速值低于該警戒值，并且持續(xù)時間超過10分鐘后，才離開“自動 保護(hù)”狀態(tài)，進(jìn)入“自動跟蹤”狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.高精度全自動太陽跟蹤控制器，包括光學(xué)CCD傳感器，俯仰軸驅(qū)動電機(jī)，方位軸驅(qū)動電機(jī)，俯仰角度傳感器，方位角度傳感器，電機(jī)驅(qū)動模塊，風(fēng)速儀，嵌入式微處理系統(tǒng)和電子時鐘模塊，其利用安裝有透光率為十萬分之一的濾光片的光學(xué)CCD傳感器作為太陽位置的感知設(shè)備；所述的嵌入式微處理系統(tǒng)實時采集光學(xué)CCD傳感器的視頻圖像信號，通過對視頻圖像的分析，判斷視場中太陽的位置和有/無；同時在穩(wěn)定跟蹤太陽情況下，每隔固定時間自動記憶當(dāng)前的方位/俯仰角度值，并且每天更新一次角度信息，從而能夠在太陽被遮擋的情況下，根據(jù)當(dāng)前時間以及前一天記憶的角度，驅(qū)動方位/俯仰電機(jī)運(yùn)動，讓太陽能受光面提前停在預(yù)定位置，等待太陽出現(xiàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度全自動太陽跟蹤控制器，其特征在于:所述的濾光片為太陽巴德膜濾光片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度全自動太陽跟蹤控制器，其特征在于:所述的嵌入式微處理系統(tǒng)，在發(fā)現(xiàn)不到太陽的情況下，能夠根據(jù)當(dāng)前時間，判斷當(dāng)前狀態(tài):當(dāng)前時間在日出時間之后，且在日落時間之前，表示太陽被云層遮擋，系統(tǒng)進(jìn)入“自動等待”狀態(tài)；當(dāng)前時間在日出時間之前，或在日落時間之后，表示已經(jīng)天黑，系統(tǒng)進(jìn)入“自動停止”狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度全自動太陽跟蹤控制器，其特征在于:所述的嵌入式微處理系統(tǒng)，在“自動等待”的狀態(tài)下，能夠根據(jù)記憶的角度，驅(qū)動方位/俯仰電機(jī)運(yùn)動，讓太陽能受光面提前停在預(yù)定位置，等待太陽出現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高精度全自動太陽跟蹤控制器，其特征在于:如果太陽在預(yù)定時間內(nèi)出現(xiàn)，系統(tǒng)實時采集太陽的視頻信號并進(jìn)行自動跟蹤，如果太陽被遮擋時間超過預(yù)定時間，則每隔固定時間更新一次位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度全自動太陽跟蹤控制器，其特征在于:所述的嵌入式微處理系統(tǒng)，在“自動停止”的狀態(tài)下，讓太陽能受光面停在前一天最早發(fā)現(xiàn)太陽的位置，等待第二天太陽出來。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度全自動太陽跟蹤控制器，其特征在于:所述的嵌入式微處理系統(tǒng)，在任何工作狀態(tài)下，始終從風(fēng)速儀獲取當(dāng)前風(fēng)速值；一旦當(dāng)前風(fēng)速值超過一定警戒值，馬上驅(qū)動方位/俯仰電機(jī)運(yùn)動，讓太陽能受光面處于最佳避風(fēng)位置，直到風(fēng)速值低于該警戒值一定時間后，才開始正常工作。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度全自動太陽跟蹤控制器，其特征在于:所述的嵌入式微處理系統(tǒng)，在任何工作狀態(tài)下，始終從風(fēng)速儀獲取當(dāng)前風(fēng)速值。一旦當(dāng)前風(fēng)速值超過一定警戒值，馬上驅(qū)動方位/俯仰電機(jī)運(yùn)動，讓太陽能受光面處于最佳避風(fēng)位置，直到風(fēng)速值低于該警戒值一定時間后，才開始正常工作。
【文檔編號】G05D3/12GK103472858SQ201310423155
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】賴中安, 李虹 申請人:賴中安, 李虹