一種基于光學(xué)圖像處理的自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，特別是涉及一種基于光學(xué)圖像處理的自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)利用的清潔能源，是理想的可再生能源。由于太陽(yáng)能量密度低，能量接收連續(xù)性差，隨季節(jié)、晝夜、氣候條件的變化而變化，目前的應(yīng)用主要集中在太陽(yáng)能熱水器和太陽(yáng)暖房等能量密度要求不高采光時(shí)間不連續(xù)、用戶分散的領(lǐng)域。大力發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電和熱發(fā)電是節(jié)約礦石能源、降低二氧化碳排放的有效途徑。
[0003]目前，制約太陽(yáng)能光伏發(fā)電的主要因素是光電轉(zhuǎn)換成本高、發(fā)電量波動(dòng)大以及不適合遠(yuǎn)距離輸送。采用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)可延長(zhǎng)太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)間，增加發(fā)電量，一定程度上降低發(fā)電量的波動(dòng)，降低太陽(yáng)能發(fā)電成本。
[0004]太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是指在太陽(yáng)有效光照時(shí)間內(nèi)，能使太陽(yáng)光線始終垂直照射到光線采集器(太陽(yáng)能集熱器或光電池)的采集面上，使光線采集器在有效光照時(shí)間內(nèi)都能最大限度地獲取太陽(yáng)能的裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最主要部分通常由控制部件和轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)級(jí)部件組成。控制部件的作用是將太陽(yáng)即時(shí)位置坐標(biāo)直接或間接輸出給轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)級(jí)部件。轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)級(jí)部件的最主要作用是將控制部件給出的信號(hào)經(jīng)過調(diào)級(jí)處理或分解后用于驅(qū)動(dòng)光線采集器的采集面始終與太陽(yáng)光線垂直。
[0005]國(guó)內(nèi)常用的光電跟蹤有重力式、電磁式和電動(dòng)式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器和硅光電管。在現(xiàn)有裝置中，光電管的安裝靠近遮光板，調(diào)整遮光板的位置使遮光板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)、硅光電池處于陰影區(qū)；當(dāng)太陽(yáng)西移時(shí)遮光板的陰影偏移，光電管收到陽(yáng)光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號(hào)，經(jīng)電路放大，由伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整角度使跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)完成跟蹤。
[0006]根據(jù)控制部件中控制信號(hào)產(chǎn)生的方式，廣義上可將跟蹤技術(shù)分為主動(dòng)式、被動(dòng)式和混合式三類?？刂菩盘?hào)來(lái)自控制部件內(nèi)預(yù)先存儲(chǔ)的當(dāng)?shù)亟?jīng)瑋度和太陽(yáng)運(yùn)行的軌道參數(shù)去控制跟蹤系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)稱為主動(dòng)式跟蹤。利用光敏傳感器接收的太陽(yáng)光信號(hào)控制跟蹤系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)稱為被動(dòng)式跟蹤。將以上兩種控制方式結(jié)合在一起去控制跟蹤系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)稱為混合式跟蹤。
[0007]目前世界上通用的太陽(yáng)主動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)都需要根據(jù)安放點(diǎn)的經(jīng)瑋度等信息計(jì)算一年中的每一天的不同時(shí)刻太陽(yáng)所在的角度，并將其存儲(chǔ)到PLC、單片機(jī)或電腦軟件中，也就是靠計(jì)算太陽(yáng)位置以實(shí)現(xiàn)跟蹤。主動(dòng)式跟蹤采用的控制方法也稱為時(shí)空控制法?；赑C機(jī)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及計(jì)算能力，可用來(lái)完成較為復(fù)雜的運(yùn)算，所以在對(duì)計(jì)算精度要求較高的場(chǎng)合，一般采用它來(lái)進(jìn)行控制，如天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)。在大規(guī)模的太陽(yáng)光伏電站中，也可以使用PC機(jī)對(duì)太陽(yáng)光伏陣列實(shí)現(xiàn)集中控制、控制精度高、平均成本低的效果。相對(duì)而言，單片機(jī)系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比，因此目前使用最為普遍。
[0008]太陽(yáng)能被動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要采用光強(qiáng)控制法，利用光敏元件和傳感器進(jìn)行信號(hào)跟蹤調(diào)節(jié)，被動(dòng)地跟隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)?；旌鲜礁櫴墙Y(jié)合了主動(dòng)跟蹤方式和被動(dòng)跟蹤方式的一種跟蹤方式?；旌鲜礁欁畛Ｒ姷氖莻鞲衅骱臀⑻幚砥飨嘟Y(jié)合的跟蹤。微處理的自動(dòng)控制單元主要以微處理器為核心，微處理通過角度計(jì)算及反饋控制部分計(jì)算出太陽(yáng)實(shí)時(shí)所處的角度值與電池板實(shí)際所處的位置，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤。
[0009]太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)在應(yīng)用中主要考慮以下因素:跟蹤精度、系統(tǒng)成本、耗電量和后期維護(hù)費(fèi)用。評(píng)價(jià)一個(gè)跟蹤系統(tǒng)，應(yīng)從以上幾個(gè)方面綜合考慮。單軸跟蹤系統(tǒng)能夠得到比固定安裝系統(tǒng)更高的太陽(yáng)輻射利用率，系統(tǒng)成本、耗電量都很低，后期維護(hù)方便；雙軸跟蹤系統(tǒng)能夠最大效率地利用太陽(yáng)輻射能量，自動(dòng)化程度高、但其系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用高。主動(dòng)跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是在全天候情況下都能正常工作，其缺點(diǎn)是存在累積誤差，一般不能自身消除，被動(dòng)跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是能夠通過自身的反饋來(lái)消除誤差，但在云層較多的天氣情況下工作不穩(wěn)定，其跟蹤精度依賴于光敏傳感器的精度；而混合控制則結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)并克服了二者的缺點(diǎn)，在一般無(wú)云的情況下使用被動(dòng)傳感器跟蹤，但當(dāng)云擋住太陽(yáng)時(shí)立即改變?yōu)橹鲃?dòng)式跟蹤，主動(dòng)和被動(dòng)交替控制的混合控制系統(tǒng)能夠得到最佳控制效果，但系統(tǒng)成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種新型結(jié)構(gòu)的基于光學(xué)圖像處理的自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，特別適用于主動(dòng)跟蹤。
[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便、制作容易、安全可靠、實(shí)用性強(qiáng)的基于光學(xué)圖像處理的自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)較高的跟蹤精度，提供太陽(yáng)輻射能量利用率，同時(shí)適用于云霧天氣進(jìn)行太陽(yáng)主動(dòng)跟蹤。
[0012]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種基于光學(xué)圖像處理的自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集控制器，均與數(shù)據(jù)采集控制器相連的無(wú)線傳輸模塊、伺服電機(jī)和陀螺儀，通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)采集控制器相連的攝像頭傳感器，以及由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙軸平臺(tái)，與無(wú)線傳輸模塊相連的計(jì)算機(jī)；所述計(jì)算機(jī)至少連接有一塊顯示屏。
[0013]其中，所述雙軸平臺(tái)包括自下而上安裝的底座、轉(zhuǎn)動(dòng)部件和平臺(tái)，所述平臺(tái)上安裝有陀螺儀和立體盒子，所述轉(zhuǎn)動(dòng)部件由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；所述攝像頭傳感器內(nèi)置于立體盒子的內(nèi)腔中，所述立體盒子的頂面開設(shè)有供太陽(yáng)光射入的通光孔，攝像頭傳感器的攝像頭分布在通光孔的正下方，所述通光孔和攝像頭傳感器之間還設(shè)置有透光型的薄膜。
[0014]其中，所述數(shù)據(jù)采集控制器用于將陀螺儀采集來(lái)的雙軸平臺(tái)當(dāng)前角度值通過無(wú)線傳輸模塊傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、并通過顯示屏進(jìn)行顯示，以及用于將攝像頭傳感器采集來(lái)的太陽(yáng)圖像通過無(wú)線傳輸模塊傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理；所述計(jì)算機(jī)用于圖像處理得到太陽(yáng)的當(dāng)前質(zhì)心坐標(biāo)，通過比較當(dāng)前質(zhì)心坐標(biāo)與太陽(yáng)光垂直入射時(shí)質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算出太陽(yáng)與攝像頭傳感器之間的偏移角度，而產(chǎn)生調(diào)整雙軸平臺(tái)的控制信號(hào)，并將控制信號(hào)通過無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)采集控制器、從而啟動(dòng)伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:還包括與數(shù)據(jù)采集控制器相連的按鍵鍵盤，所述按鍵鍵盤用于手動(dòng)控制伺服電機(jī)的開啟。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述平臺(tái)的頂面設(shè)置有太陽(yáng)能收集板。
[0017]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述數(shù)據(jù)采集控制器采用stm32系統(tǒng)板。
[0018]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述立體盒子采用不透明材料制成暗盒。
[0019]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述立體盒子為正方體。
[0020]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述通光孔的尺寸與攝像頭傳感器的攝像頭尺寸相同。
[0021]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述通光孔為直徑3mm的圓形孔。
[0022]本發(fā)明進(jìn)一步設(shè)置為:所述通光孔距離薄膜5cm，所述薄膜距離攝像頭傳感器的攝像頭10cm。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是:
通過陀螺儀的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地判斷出雙軸平臺(tái)的當(dāng)前角度，從而得到實(shí)時(shí)的太陽(yáng)直射角，并將其實(shí)時(shí)反饋到顯示屏上，便于觀察和人工調(diào)整。通過攝像頭傳感器和立體盒子的設(shè)置，將攝像頭傳感器內(nèi)置于立體盒子的內(nèi)腔中，攝像頭傳感器從立體盒子的通光孔進(jìn)行太陽(yáng)圖像采集，大幅消除其他干擾因素的影響，實(shí)現(xiàn)采集階段的圖像預(yù)處理，提高采集的準(zhǔn)確性和集中性，便于太陽(yáng)圖像的后期處理，提高圖像處理效率；其中通光孔具有濾光和增強(qiáng)作用，當(dāng)有云霧遮擋住太陽(yáng)光時(shí)，可根據(jù)光點(diǎn)在薄膜上的位置變化，得到太陽(yáng)直射角度，從而控制伺服電機(jī)展開調(diào)整，繼而使雙軸平臺(tái)與直射太陽(yáng)光保持垂直。<