基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统及方法
【专利摘要】本发明一种基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统及方法，所述系统包括底板、设置在所述底板上方的遮光板、图像采集装置、图像分析装置以及光伏板，其中，所述遮光板，阳光照射在所述遮光板上，在所述底板上形成阴影图像；所述图像采集装置，采集所述阴影图像，将所述阴影图像输出至所述图像分析装置；所述图像分析装置，对所述阴影图像分析处理得到太阳的仰角和方位，基于所述仰角和方位调整控制所述光伏板的旋转位置。
【专利说明】基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统及方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着社会低碳经济的发展，社会对可再生能源发电的需求呈上升态势，光伏发电具有清洁、可再生、用不枯竭、稳定可靠等特性，发展越来越受到重视。
[0003]为了提高光伏电池的利用效率，如何提高太阳光的吸收效率成为技术重点。由于太阳光线随着时间变化而导致入射光线的角度不同，进而造成阳光入射到光伏极板的辐照度不同。众所周知，在相同条件下只有太阳光线垂直照射在光伏组件上才能最大程度的提高极板吸收的辐照度。现在使用的光伏组件多采用固定安装方式，不能最大程度地吸收太阳能。设计出根据太阳光线入射角度变化而改变光伏组件旋转方向的自动跟踪装置，是提高光伏电池发电效率的重要技术手段。所以，如何确定光线的入射方向，进而调整光伏组件的旋转角度成为首先需要解决的问题。
[0004]现有的光伏组件自动跟踪系统有两种，一是时钟跟踪法，二是传感器跟踪法。时钟跟踪法与传感器跟踪法是根据位置给定值随时间变化或者光照角度变化为依据的位置控制系统。时钟跟踪法是根据光伏发电系统所在地理位置的时间，计算出太阳的高度角与方位角，从而确定驱动系统由当前位置开始应该动作的方向和距离。传感器跟踪法是把不同位置的光敏元件在阳光照射下产生的模拟信号经过调理后送入控制转换成为数字量，通过比较、分析和决策，控制驱动机构动作使光伏电池的受光面维持与入射阳光垂直。时钟跟踪法必须有准确的时钟信号；传感器跟踪法主要利用的传感器是光敏电阻、光电池或光电晶体管。
[0005]现有的时钟跟踪法必须依靠精确的时钟信号作为控制信号，容易产生累积误差；现有的传感器跟踪方法多采用光敏电阻、光电池和光电晶体管作为感光传感器，需要光敏元件与放大与调制装置连接，并且在放大与调制装置后还需连接控制器调控，制作结构相对复杂，而且光敏元件反映光照的面积较小，容易受到干扰而形成误差，而且此种方法只能计算太阳的大致方位，而不是精确角度。
【发明内容】
[0006]针对上述问题，本发明提供一种能耗低、精确度高的基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统。
[0007]为达到上述目的，本发明基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，所述系统包括底板、设置在所述底板上方的遮光板、图像采集装置、图像分析装置以及光伏板，其中，
[0008]所述遮光板，阳光照射在所述遮光板上，在所述底板上形成阴影图像；
[0009]所述图像采集装置，采集所述阴影图像，将所述阴影图像输出至所述图像分析装置；
[0010]所述图像分析装置，对所述阴影图像分析处理得到太阳的仰角和方位，基于所述仰角和方位调整控制所述光伏板的旋转位置。
[0011 ] 进一步地，还包括立柱，所述立柱连接在所述底板上，所述立柱用于支撑所述遮阳板。
[0012]进一步地，所述遮阳板为矩形板。
[0013]进一步地，所述底板上设有方格区域。
[0014]进一步地，所述图像采集装置为摄像机。
[0015]进一步地，图像分析装置至少包括图像处理单元和图像分析单元，其中所述图像处理单元将所述阴影图像进行清晰化处理，所述图像分析单元分析所述阴影图像的位置、尺寸和形状计算太阳的方位。
[0016]为达到上述目的，本发明基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，所述方法包括，通过分析处理太阳照射在遮阳板上形成的阴影图像，得到太阳的具体方位，控制光伏板的旋转位置。
[0017]进一步地,所述方法具体包括:
[0018]采集太阳照射在遮阳板上形成的阴影图像；
[0019]对所述阴影图像经过二值化处理得到二值图像。根据反映遮光板阴影部分的二值图像，通过计算阴影部分的重心可以判断阳光的方位；
[0020]通过计算阴影部分的面积和边缘形状精确计算太阳的角度；
[0021]基于所述的太阳的方位控制光伏板的旋转。
[0022]有益效果:
[0023]本发明采用基于图像分析的日光位置检测系统，通过摄像头获得遮板的图像信息，通过对获取图像的分析，计算得到太阳的仰角和方位角，确定光伏电池应该旋转的位置。
[0024]本发明在不降低精度的基础上，进一步提高准确度，并极大的降低成本、简化结构，使整套装置的制作简化。采用基于图像分析的日光位置检测系统，通过摄像头获得遮板的图像信息，可以单独安装在光伏组件上，也可以和已有的图像监视系统制作成一体化结构。能耗方面，只需要提供小功率电源，其跟踪装置能耗远远小于通过装置而增加的电能。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统立体结构示意图。
[0026]图2是本发明基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统主视图；
[0027]图3是本发明基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统图2的左视图；
[0028]图4是本发明基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统图2的俯视图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
[0030]如图1至4所示，本发明基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，所述系统包括底板1、设置在所述底板上方的遮光板3、图像采集装置4、图像分析装置以及光伏板，还包括立柱2，所述立柱连接在所述底板上，所述立柱用于支撑所述遮阳板。
[0031]所述遮光板，阳光照射在所述遮光板上，在所述底板上形成阴影图像；
[0032]所述图像采集装置，采集所述阴影图像，将所述阴影图像输出至所述图像分析装置；
[0033]所述图像分析装置，对所述阴影图像分析处理得到太阳的仰角和方位，基于所述仰角和方位调整控制所述光伏板的旋转位置。
[0034]进一步地，为了方便分析处理所述阴影图像，所述遮阳板为矩形板。进一步地，所述底板上设有方格区域。进一步地，所述图像采集装置为摄像机。
[0035]本发明基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统工作的过程为:
[0036]当光线照射在此装置上，遮光板3会在底板I上形成阴影，此阴影的位置和大小取决于太阳的位置。随着入射光线的改变，底板上形成的阴影位置、大小和形状各不相同，对应覆盖到底板上不同的方格区域。
[0037]摄像头捕捉到包含阴影的图像信息，可以根据哪些方格被阴影覆盖和阴影的大小形状信息，通过分析扑捉的图像的特点，判定光线入射的方向，控制光伏极板的旋转方向。
[0038]图像分析的过程:摄像头得到的包含阳光阴影的图像后，经过二值化处理得到二值图像。根据反映遮光板阴影部分的二值图像，通过计算阴影部分的重心可以判断阳光的大致方位；通过计算阴影部分的面积和边缘形状可以精确计算太阳的角度。
[0039]系统安装位置:本装置可以安装在单个光伏组件上，需要在光伏组件上安装小型摄像头；也可以和已有的视频监控系统一体化安装，采用已用的视屏监控系统来获取安装于单独支架(距离摄像头位置较近的区域)上的遮光板装置图像信息，可以在不增加成本的条件下完成日光跟踪。
[0040]自动跟踪系统的设计目的在于控制电池板的朝向，使电池板跟踪太阳，在光照时间内尽可能保持与入射阳光的垂直，进而减少入射角对辐照度的影响，大幅度提高光伏发电的效率。在其他条件保持相同时，保持电池板与入射光线垂直，辐射度将达到最大。
[0041]在制作成本方面:由于现在摄像头价格很低，而且可以和现有的视频监控系统结合在一起，在不增加图像采集设备的基础上实现太阳自动跟踪，所需成本低，结构简单，装卸方便。
[0042]能耗方面:运行此装置只需要提供小功率电源，其跟踪装置能耗远远小于通过装置而增加的电能。
[0043]和已用的时钟控制方式相比，该方法可以避免时钟控制方式对时间的严格依赖性，避免误差累积；和已有的使用光敏电阻等传感器控制方式相比，给系统可以根据更大范围的阴影部分图像信息提高抗干扰性，而且可以更加精确地计算太阳的方位。
[0044]本发明基于图像分析的光伏组件自动跟踪系统可以提高太阳位置检测精确度。和已有的视频监控系统组合使用具有成本低、精度高的效果。
[0045]对本发明应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在本发明的精神原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，其特征在于:所述系统包括底板、设置在所述底板上方的遮光板、图像采集装置、图像分析装置以及光伏板，其中， 所述遮光板，阳光照射在所述遮光板上，在所述底板上形成阴影图像； 所述图像采集装置，采集所述阴影图像，将所述阴影图像输出至所述图像分析装置； 所述图像分析装置，对所述阴影图像分析处理得到太阳的仰角和方位，基于所述仰角和方位调整控制所述光伏板的旋转位置。
2.根据权利要求1所述的基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，其特征在于:还包括立柱，所述立柱连接在所述底板上，所述立柱用于支撑所述遮阳板。
3.根据权利要求1所述的基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，其特征在于:所述遮阳板为矩形板。
4.根据权利要求1所述的基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，其特征在于:所述底板上设有方格区域。
5.根据权利要求1所述的基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，其特征在于:所述图像采集装置为摄像机。
6.根据权利要求1所述的基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，其特征在于:图像分析装置至少包括图像处理单元和图像分析单元，其中所述图像处理单元将所述阴影图像进行清晰化处理，所述图像分析单元分析所述阴影图像的位置、尺寸和形状计算太阳的方位。
7.一种基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，其特征在于:所述方法包括，通过分析处理太阳照射在遮阳板上形成的阴影图像，得到太阳的具体方位，控制光伏板的旋转位置。
8.根据权利要求7所述的基于图像分析的户用光伏电池自动跟踪系统，其特征在于:所述方法具体包括: 采集太阳照射在遮阳板上形成的阴影图像； 对所述阴影图像经过二值化处理得到二值图像。根据反映遮光板阴影部分的二值图像，通过计算阴影部分的重心可以判断阳光的方位； 通过计算阴影部分的面积和边缘形状精确计算太阳的角度； 基于所述的太阳的方位控制光伏板的旋转。
【文档编号】G05D3/12GK104331089SQ201410571343
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】沈方, 全成浩, 孙刚, 宋颖巍, 胡大龙, 刘岩, 宁辽逸, 贾博, 郝鑫, 赵德伟, 李建华, 龚树东, 赵旭, 蒋理, 杨继业, 孙岩, 吕忠华, 高靖, 陈国龙, 王长春, 李宁, 侯玉琤, 宋坤, 商文颖, 史喆, 王立地 申请人:国家电网公司, 国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院, 沈阳农业大学