一種利用棒影圖像實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于太陽(yáng)能光伏發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種利用棒影圖像實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的裝置和方法。本發(fā)明通過(guò)CMOS攝像頭采集錐形棒的陰影圖像，經(jīng)過(guò)圖像去噪及灰度處理，計(jì)算出ABCD四個(gè)分區(qū)的陰影面積及非陰影區(qū)的平均亮度；根據(jù)非陰影區(qū)的平均亮度對(duì)天氣的陰晴進(jìn)行判斷：在晴天模式下，根據(jù)最大陰影面積所在區(qū)域向系統(tǒng)的方位角電機(jī)及高度角電動(dòng)推桿發(fā)送信號(hào)使跟蹤系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，保持太陽(yáng)直射輻射始終垂直入射跟蹤裝置。本發(fā)明能夠自動(dòng)識(shí)別陰晴模式，控制精度高，探測(cè)角度大，能夠使得光伏陣列連續(xù)跟蹤太陽(yáng)直射輻射，提高發(fā)電效率。
【專利說(shuō)明】—種利用棒影圖像實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能光伏發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種利用棒影圖像實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的裝置和方法，尤其適用于聚光光伏系統(tǒng)對(duì)陽(yáng)光直射輻射的精確追蹤。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制是太陽(yáng)跟蹤技術(shù)的關(guān)鍵，目前太陽(yáng)跟蹤運(yùn)動(dòng)控制方法主要有視日軌跡運(yùn)動(dòng)控制(即程序控制)和光電傳感跟蹤運(yùn)動(dòng)控制兩種方法。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的精確跟蹤，理想的運(yùn)動(dòng)控制方法應(yīng)是對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡的連續(xù)跟蹤。
[0003]太陽(yáng)跟蹤器按照追蹤方式分類主要有傳感器追蹤、計(jì)算太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤及混合追蹤方式。傳感器追蹤方式采用光電傳感器檢測(cè)太陽(yáng)光與電池板法線的偏離度，實(shí)現(xiàn)反饋跟蹤，但受天氣影響大。太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式是根據(jù)太陽(yáng)的實(shí)際運(yùn)行軌跡按預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤裝置，這種追蹤方式能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，但這種追蹤方式無(wú)論是否有陽(yáng)光追蹤系統(tǒng)都按照計(jì)算軌跡一直運(yùn)行。
[0004]傳感器追蹤方式中常用的為四象限光敏電阻(或硅光電池)雙軸跟蹤傳感器存在兩個(gè)主要問(wèn)題:第一，光敏電阻(或硅光電池)的誤差比較大，選擇多個(gè)參數(shù)完全相等的光敏電阻難度較大；第二，此類傳感器無(wú)法識(shí)別平均光強(qiáng)較大的陰天或多云天氣狀況，遇到此類天氣狀況時(shí)系統(tǒng)會(huì)不停地尋找光強(qiáng)最大值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種利用棒影圖像實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的裝置和方法，不僅能實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光直射輻射的追蹤，還能識(shí)別晴天與平均光強(qiáng)較大的陰天或多云天氣狀況。
[0006]本發(fā)明所述裝置采用的技術(shù)方案是:
[0007]底座上的中軸位置設(shè)置方向角電機(jī)；角電機(jī)的輸出軸與轉(zhuǎn)動(dòng)支架固定連接，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)支架繞底座的中軸轉(zhuǎn)動(dòng)；光伏模組支架的一端與轉(zhuǎn)動(dòng)支架鉸接，另一端與高度角電動(dòng)推桿鉸接；高度角電動(dòng)推桿的另一端與底座鉸接；光伏模組支架的靠近高度角電動(dòng)推桿的一端設(shè)置錐形棒影探測(cè)裝置；
[0008]所述錐形棒影探測(cè)裝置的上表面為半透明接收屏，在半透明接收屏的中心位置豎直設(shè)置錐形棒，并在半透明接收屏的正下方設(shè)置攝像頭；
[0009]主控板分別與角電機(jī)、高度角電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及攝像頭連接。
[0010]所述半透明接收屏由橫向中心軸和縱向中心軸分為4塊面積相等的區(qū)域。
[0011]所述錐形棒通過(guò)底部螺釘固定于半透明接收屏上，并在半透明接收屏底面中心的螺釘孔處粘貼黑色塑料片，黑色塑料片的形狀與錐形棒底面相同且剛好覆蓋錐形棒底面。
[0012]本發(fā)明提供的利用所述裝置實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的方法，分為以下步驟:
[0013]I)將半透明接收屏沿橫向中心軸和縱向中心軸分為4塊面積相等的區(qū)域；并設(shè)定平均亮度的標(biāo)準(zhǔn)值；[0014]2)主控板讀取攝像頭獲得的錐形棒在半透明接收屏上的陰影圖，經(jīng)過(guò)圖像去噪及灰度處理，計(jì)算出四個(gè)分區(qū)的陰影面積及非陰影區(qū)的平均亮度；
[0015]3)比較非陰影區(qū)的平均亮度與標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系，首先對(duì)晝或夜進(jìn)行判斷，然后判定為晝時(shí)，判斷當(dāng)前為陰天、多云或是晴天:如非陰影區(qū)的平均亮度小于標(biāo)準(zhǔn)值，則系統(tǒng)判斷當(dāng)前為陰天或多云，如非陰影區(qū)的平均亮度大于標(biāo)準(zhǔn)值，則系統(tǒng)判斷當(dāng)前為晴天；
[0016]4)陰天或多云模式下，系統(tǒng)每10?15分鐘循環(huán)一次步驟2)和步驟3)的過(guò)程；
[0017]5)在晴天模式下，對(duì)錐形棒陰影圖在ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的面積進(jìn)行排序，根據(jù)四個(gè)區(qū)域陰影面積是否相等判斷出太陽(yáng)光跟蹤器是否接收到垂直入射的太陽(yáng)光:如ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的陰影面積相等，則表示當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前已接收到垂直入射太陽(yáng)光；如ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的陰影面積不相等，則繼續(xù)判斷哪一個(gè)區(qū)域的陰影面積最大，根據(jù)最大陰影面積所在區(qū)域向系統(tǒng)的方位角電機(jī)及高度角電動(dòng)推桿發(fā)送信號(hào)使跟蹤系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的陰影面積相等；
[0018]6)每5?10秒鐘執(zhí)行步驟5) —次，以使太陽(yáng)光始終垂直入射跟蹤系統(tǒng)。
[0019]本發(fā)明的有益效果為:
[0020]本發(fā)明采用了單個(gè)CMOS圖像傳感器，克服了四象限光敏電阻不匹配的問(wèn)題，同時(shí)錐形棒陰影圖法解決了光強(qiáng)較大的陰天和多云天氣的識(shí)別問(wèn)題?；阱F形棒陰影圖形狀判斷的太陽(yáng)光跟蹤方法，使聚光光伏系統(tǒng)更能精確地跟蹤太陽(yáng)直射輻射，減少無(wú)謂的追蹤動(dòng)作從而降低追蹤系統(tǒng)自身的功耗。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明給出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明給出的錐形棒影探測(cè)裝置的剖面圖。
[0023]圖3是本發(fā)明給出的陽(yáng)光跟蹤流程圖。
[0024]圖中標(biāo)號(hào):
[0025]1-錐形棒影探測(cè)裝置；2_高度角電動(dòng)推桿；3_主控板；4-底座；5_方向角電機(jī)；6-光伏模組支架；7_錐形棒陰影圖；8_錐形棒；9_半透明接收屏；10_攝像頭；11_接線端子；12_外殼；13_黑色塑料片；14_轉(zhuǎn)動(dòng)支架。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明提供了一種利用棒影圖像實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的裝置和方法，下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明:
[0027]如圖1所示，底座4上的中軸位置設(shè)置方向角電機(jī)5 ;角電機(jī)5的輸出軸與轉(zhuǎn)動(dòng)支架14固定連接，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)支架14繞底座4的中軸轉(zhuǎn)動(dòng)；光伏模組支架6的一端與轉(zhuǎn)動(dòng)支架14鉸接，另一端與高度角電動(dòng)推桿2鉸接；高度角電動(dòng)推桿2的另一端與底座4鉸接；光伏模組支架6的靠近高度角電動(dòng)推桿2的一端設(shè)置錐形棒影探測(cè)裝置I。
[0028]錐形棒影探測(cè)裝置I如圖2所示，其上表面為半透明接收屏9，在半透明接收屏9的中心位置豎直設(shè)置錐形棒8，并在半透明接收屏9的正下方設(shè)置攝像頭10。半透明接收屏9由橫向中心軸和縱向中心軸分為4塊面積相等的區(qū)域。錐形棒8通過(guò)底部螺釘固定于半透明接收屏9上，并在半透明接收屏9底面中心的螺釘孔處粘貼黑色塑料片13，黑色塑料片13的形狀與錐形棒8底面相同且剛好覆蓋錐形棒8底面。
[0029]主控板3分別與角電機(jī)5、高度角電動(dòng)推桿2的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及攝像頭10連接。
[0030]一種利用所述裝置實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的方法，具體流程如圖3所示，分為以下步驟:
[0031]I)將半透明接收屏9沿橫向中心軸和縱向中心軸分為4塊面積相等的區(qū)域；并設(shè)定平均亮度的標(biāo)準(zhǔn)值；
[0032]2)太陽(yáng)光照射到錐形棒8，在半透明接收屏9上形成陰影；主控板3讀取攝像頭10獲得的錐形棒8在半透明接收屏9上的陰影圖，經(jīng)過(guò)圖像去噪及灰度處理，計(jì)算出四個(gè)分區(qū)的陰影面積及非陰影區(qū)的平均亮度；
[0033]3)比較非陰影區(qū)的平均亮度與標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系，首先對(duì)晝或夜進(jìn)行判斷，然后判定為晝時(shí)，判斷當(dāng)前為陰天、多云或是晴天:如非陰影區(qū)的平均亮度小于標(biāo)準(zhǔn)值，則系統(tǒng)判斷當(dāng)前為陰天或多云，如非陰影區(qū)的平均亮度大于標(biāo)準(zhǔn)值，則系統(tǒng)判斷當(dāng)前為晴天；
[0034]4)陰天或多云模式下，系統(tǒng)每10?15分鐘循環(huán)一次步驟2)和步驟3)的過(guò)程；
[0035]5)在晴天模式下，對(duì)錐形棒陰影圖7在ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的面積進(jìn)行排序，根據(jù)四個(gè)區(qū)域陰影面積是否相等判斷出太陽(yáng)光跟蹤器是否接收到垂直入射的太陽(yáng)光:如ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的陰影面積相等，則表示當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前已接收到垂直入射太陽(yáng)光；如ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的陰影面積不相等，則繼續(xù)判斷哪一個(gè)區(qū)域的陰影面積最大，根據(jù)最大陰影面積所在區(qū)域向系統(tǒng)的方位角電機(jī)及高度角電動(dòng)推桿發(fā)送信號(hào)使跟蹤系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的陰影面積相等；
[0036]6)每5?10秒鐘執(zhí)行步驟5) —次，以使太陽(yáng)光始終垂直入射跟蹤系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用棒影圖像實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的裝置，其特征在于:底座(4)上的中軸位置設(shè)置方向角電機(jī)(5);角電機(jī)(5)的輸出軸與轉(zhuǎn)動(dòng)支架(14)固定連接，帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)支架(14)繞底座(4)的中軸轉(zhuǎn)動(dòng)；光伏模組支架(6)的一端與轉(zhuǎn)動(dòng)支架(14)鉸接，另一端與高度角電動(dòng)推桿(2)鉸接；高度角電動(dòng)推桿(2)的另一端與底座(4)鉸接；光伏模組支架(6)的靠近高度角電動(dòng)推桿(2)的一端設(shè)置錐形棒影探測(cè)裝置(I)； 所述錐形棒影探測(cè)裝置(I)的上表面為半透明接收屏(9)，在半透明接收屏(9)的中心位置豎直設(shè)置錐形棒(8)，并在半透明接收屏(9)的正下方設(shè)置攝像頭(10)； 主控板(3)分別與角電機(jī)(5)、高度角電動(dòng)推桿(2)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及攝像頭(10)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用棒影圖像實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的裝置，其特征在于:所述半透明接收屏(9)由橫向中心軸和縱向中心軸分為4塊面積相等的區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用棒影圖像實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的裝置，其特征在于:所述錐形棒(8)通過(guò)底部螺釘固定于半透明接收屏(9)上，并在半透明接收屏(9)底面中心的螺釘孔處粘貼黑色塑料片(13)，黑色塑料片(13)的形狀與錐形棒(8)底面相同且剛好覆蓋錐形棒(8)底面。
4.一種利用權(quán)利要求1所述裝置實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光跟蹤的方法，其特征在于，分為以下步驟: 1)將半透明接收屏(9)沿橫向中心軸和縱向中心軸分為4塊面積相等的區(qū)域；并設(shè)定平均亮度的標(biāo)準(zhǔn)值； 2)主控板(3)讀取攝像頭(10)獲得的錐形棒(8)在半透明接收屏(9)上的陰影圖，經(jīng)過(guò)圖像去噪及灰度處理，計(jì)算出四個(gè)分區(qū)的陰影面積及非陰影區(qū)的平均亮度； 3)比較非陰影區(qū)的平均亮度與標(biāo)準(zhǔn)值之間的關(guān)系，首先對(duì)晝或夜進(jìn)行判斷，然后判定為晝時(shí)，判斷當(dāng)前為陰天、多云或是晴天:如非陰影區(qū)的平均亮度小于標(biāo)準(zhǔn)值，則系統(tǒng)判斷當(dāng)前為陰天或多云，如非陰影區(qū)的平均亮度大于標(biāo)準(zhǔn)值，則系統(tǒng)判斷當(dāng)前為晴天； 4)陰天或多云模式下，系統(tǒng)每10?15分鐘循環(huán)一次步驟2)和步驟3)的過(guò)程； 5)在晴天模式下，對(duì)錐形棒陰影圖(7)在ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的面積進(jìn)行排序，根據(jù)四個(gè)區(qū)域陰影面積是否相等判斷出太陽(yáng)光跟蹤器是否接收到垂直入射的太陽(yáng)光:如ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的陰影面積相等，則表示當(dāng)前系統(tǒng)當(dāng)前已接收到垂直入射太陽(yáng)光；如ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的陰影面積不相等，則繼續(xù)判斷哪一個(gè)區(qū)域的陰影面積最大，根據(jù)最大陰影面積所在區(qū)域向系統(tǒng)的方位角電機(jī)及高度角電動(dòng)推桿發(fā)送信號(hào)使跟蹤系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使ABCD四個(gè)區(qū)域內(nèi)的陰影面積相等； 6)每5?10秒鐘執(zhí)行步驟5)—次，以使太陽(yáng)光始終垂直入射跟蹤系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G05D3/12GK103914085SQ201410148077
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】陳諾夫, 劉虎, 弭轍, 付蕊, 白一鳴, 何海洋, 辛雅焜, 牟瀟野, 吳強(qiáng), 楊博, 高征, 劉海 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)