一种太阳跟踪装置及其跟踪方法
【专利摘要】本发明涉及一种太阳跟踪装置，包括投影识别装置、不透光挡板、投影识别装置箱体、服务器和转动装置，不透光挡板垂直在投影识别装置箱体的上底面上，投影识别装置箱体内设有用于识别不透光挡板在投影识别装置箱体上底面的投影的投影识别装置，投影识别装置箱体设在转动装置上，投影识别装置信号输出端连接服务器，服务器控制转动装置转动。本发明的有益效果在于，太阳的实际高度角、水平角与测量出的结果的误差在5°范围内。
【专利说明】
-种太阳跟踪装置及其跟踪方法
技术领域
[0001] 本发明设及太阳追踪领域，具体设及一种太阳跟踪装置。
【背景技术】
[0002] 为了解决传统能源有限的问题，同时考虑到生态环境的保护，目前世界各国努力 开展对可持续、清洁新能源的开发和利用，例如太阳能发电。太阳能虽然有很多优点，但是 在开发利用方面仍然存在很多问题，最为突出的问题就是光电转换效率不高的问题。该问 题可W从两个方面进行考虑和研究：一方面是使用转换效率更高的光电转换材料，运仍需 要研究工作者长时间的研究和开发；另一方面是提高太阳能的接收效率，利用现有技术可 W解决该问题。
[0003] 目前，太阳光追踪方式主要有光电式和机械式两种方式。光电式是通过光敏感材 料将光信号转换为电信号，检测电信号判断太阳的实时位置，最后驱动电机转动相应的轴 来实现追光。机械式是W时间和缔度位置为参数，通过程序计算太阳位置，控制相应电机追 踪太阳。上述两种方式在实际应用中依然存在一些技术问题:光电式追踪的抗干扰性能力 较弱，精度较低;机械式追踪方式因累积误差的增加致使效果不尽如人意。
[0004] 为了弥补上述两种控制方式的缺点，新型的太阳跟踪技术不断出现。目前新型跟 踪技术主要有W下两种： (1)图像定位跟踪：图像定位跟踪是一种通过处理捕获的太阳轨迹图像而确定太阳的 高度角和方位角的方法。在北回归线W北地区，根据太阳运动轨迹的方位角变化不超过 180°的特点，采用全景摄像获取180°范围内天空中太阳图像，并通过对该图像进行一系列 分析处理，识别出太阳光斑的中屯、点，从而确定太阳的方位角和高度角，实现对太阳位置的 准确定位。
[0005] 运种方法跟踪精度非常高，而且测量范围广，但需要对拍摄图像进行快速而有效 的处理，对系统性能要求高，成本也高，随着处理器处理能力的进一步提升，在太阳跟踪方 面将得到广泛应用。
[0006] (2)旋转电流跟踪:运种方法是鉴于太阳电池旋转产生的短路电流是交变电流的 特点，对其进行分解，根据短路电流反射分量与太阳光线入射角无关，短路电流入射分量与 太阳电池平面法线和入射光线之间的夹角成余弦关系，通过太阳电池分别绕Z轴，X轴旋转 而测得方位角与初相位，高度角与初相位的关系曲线，利用DFT运算检测波形初相位的方 法，计算出太阳的高度角和方位角，实现对太阳方位的自动跟踪。
[0007] 其优点是应用元件少，测量范围广，结构简单、价格低廉，具有很强的实用性;直接 采用离散傅里叶变换(DFT)求解短路电流的初相位，提高了跟踪系统的精确性，避免了由于 多块光敏元件的不一致性带来的问题，降低了光伏发电系统的发电成本。
[000引相比光电式、机械式的跟踪技术，上述两种新型的太阳跟踪技术能够有效提升光 电式、机械式太阳跟踪的跟踪效果，但是由于复杂算法对系统性能要求较高的特点，未能得 到广泛应用。综上所述，现有的太阳跟踪技术未能充分满足实际需要，故而研究应用范围 广、跟踪精确、结构简单、成本低的太阳跟踪系统已迫在眉睫。
【发明内容】
[0009] 为避免【背景技术】的不足之处，本发明提供一种应用范围广、跟踪精确、结构简单、 成本低的太阳跟踪装置。
[0010] 为了解决上述技术问题，设计一种太阳跟踪装置，包括投影识别装置、不透光挡 板、投影识别装置箱体、服务器和转动装置，不透光挡板垂直在投影识别装置箱体的上底面 上，投影识别装置箱体内设有用于识别不透光挡板在投影识别装置箱体上底面的投影的投 影识别装置，投影识别装置箱体设在转动装置上，投影识别装置信号输出端连接服务器，月良 务器控制转动装置转动。
[0011] 进一步地，不透光挡板为不可透光的圆形挡板。
[0012] 进一步地，投影识别装置箱体为四方体，且不透光挡板位于四方体上底面中央，投 影识别装置箱体的上底面为白色，具有一定透明度的底板。
[0013] 进一步地，转动装置包括竖直升降装置和水平旋转装置，竖直升降装置固定水平 旋转装置上。
[0014] 进一步地，竖直升降装置包括第一电机、弹性固定块和水平轴，第一电机的电机轴 连接水平轴，水平轴带动弹性固定块上下位移，弹性固定块上方连接投影识别装置箱体，第 一电机的电机轴和水平轴之间还设有弹性联轴器。
[0015] 进一步地，水平旋转装置包括水平旋转平台、竖直轴和第二电机，第二电机的电机 轴连接竖直轴，竖直轴带动水平旋转平台旋转，第二电机的电机轴和竖直轴之间还设有弹 性联轴器。
[0016] 进一步地，竖直升降装置固定在水平旋转平台上，且竖直升降装置外罩设防尘盖， 防尘盖设有供竖直升降装置的弹性固定块出入的开口。
[0017] 进一步地，转动装置外侧架设用于支撑的支架。
[0018] 进一步地，服务器内包括灰度处理模块、二值化处理模块、计算模块和控制模块。
[0019] -种太阳跟踪方法，第一步:通过投影识别装置采集投影，采集的投影传输到服务 器，投影经过服务器灰度处理后再经过二值化处理； 第二步:将处理过的投影W每次1-3度的增量在90度范围内旋转;每旋转一次记录其坐 标系方向上的外接矩形边界点的周长，当外界矩形周长最小时，记录此时投影的短轴长度 和长轴长度； 第S步:计算太阳与不透光挡板的水平夹角=arcsin投影短轴长度/不透光挡板的直 径； 第四步:计算太阳与不透光挡板的高度夹角=arctan不透光挡板的直径/投影长轴长 度； 第五步:通过服务器调整转动装置达到所述水平夹角和高度夹角。
[0020] 本发明的有益效果在于，准确计算光线入射角度，实现对太阳光的精确跟踪，得到 的太阳的实际高度角、水平角与测量出的结果的误差在5°范围内，装置结构简单，零配件 少、成本低。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明的结构示意图。
[0022] 图2是光线斜射物体的投影形状。
【具体实施方式】
[0023] W下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明： 参照附图1，一种太阳跟踪装置，包括投影识别装置4、不透光挡板3、投影识别装置箱体 2、服务器和转动装置，不透光挡板3垂直在投影识别装置箱体2的上底面上，投影识别装置 箱体2内设有用于识别不透光挡板3在投影识别装置箱体2上底面的投影的投影识别装置4， 投影识别装置箱体2设在转动装置上，投影识别装置4信号输出端连接服务器，服务器控制 转动装置转动。
[0024] -种太阳跟踪装置，不透光挡板3为不可透光的圆形挡板。
[0025] -种太阳跟踪装置，投影识别装置箱体2为四方体，且不透光挡板3位于四方体上 底面中央，投影识别装置箱体的上底面为白色，具有一定透明度的底板。
[0026] -种太阳跟踪装置，投影识别装置箱体的上底面为白色，具有一定透明度的塑料 底板。
[0027] -种太阳跟踪装置，投影识别装置箱体的上底面为A4纸。
[0028] -种太阳跟踪装置，转动装置包括竖直升降装置和水平旋转装置，竖直升降装置 固定水平旋转装置上。
[0029] -种太阳跟踪装置，竖直升降装置包括第一电机1、弹性固定块10和水平轴6,第一 电机1的电机轴连接水平轴6,水平轴6带动弹性固定块10上下位移，弹性固定块10上方连接 投影识别装置箱体2,第一电机1的电机轴和水平轴6之间还设有弹性联轴器5。
[0030] -种太阳跟踪装置，水平旋转装置包括水平旋转平台7、竖直轴9和第二电机8,第 二电机8的电机轴连接竖直轴9,竖直轴9带动水平旋转平台7旋转，第二电机8的电机轴和竖 直轴9之间还设有弹性联轴器5。
[0031] -种太阳跟踪装置，竖直升降装置固定在水平旋转平台7上，且竖直升降装置外罩 设防尘盖，防尘盖设有供竖直升降装置的弹性固定块出入的开口。
[0032] -种太阳跟踪装置，转动装置外侧架设用于支撑的支架。
[0033] -种太阳跟踪装置，根据投影原理，太阳光线W不同角度照射不可透光物体时，在 投影面上会得到不同形状的投影。若不透光挡板为不可透光的圆形挡板，此时在投影面上 得到=种不同形状的投影图像:直线、楠圆W及圆形。上述投影形状与太阳光线入射角度存 在一一对应关系。
[0034] 一种太阳跟踪装置，服务器内包括灰度处理模块、二值化处理模块、计算模块和控 制模块。
[0035] -种太阳跟踪方法，第一步:通过投影识别装置采集投影，采集的投影传输到服务 器，投影经过服务器灰度处理后再经过二值化处理； 第二步:将处理过的投影W每次1-3度的增量在90度范围内旋转;每旋转一次记录其坐 标系方向上的外接矩形边界点的周长，当外界矩形周长最小时，记录此时投影的短轴长度 和长轴长度； 第S步:计算太阳与不透光挡板的水平夹角=arcsin投影短轴长度/不透光挡板的直 径； 第四步:计算太阳与不透光挡板的高度夹角=arctan不透光挡板的直径/投影长轴长 度； 第五步:通过服务器调整转动装置达到所述水平夹角和高度夹角。
[0036] 根据上述原理，试图对不可透光的物体投影进行图像识别，收集投影图形的关键 参数，采用图像识别算法对关键参数的分析，准确计算光线入射角度，旨在实现对太阳光的 精确跟踪，实现具体路线如下： (1) 将圆形物体水平置于阳光下，当太阳斜射圆形物体时，得到楠圆形的投影图像； (2) 利用计算视觉识别投影图像，计算得到楠圆形投影的几何参数； (3) 利用几何参数，计算太阳光线照射角度； (4) 控制电机使机构运动，实现太阳追光的目的。
[0037] 表1给出了光线实际高度角和水平角，并与利用本文所述的太阳能追光算法计算 出的结果进行了对比。结果表明，实际高度角、水平角与计算结果的误差在5°范围内。相关 文献表明，当太阳能设备的法线与太阳光线的夹角在15° W内时，对太阳的利用效率变化不 明显。因此，误差5° W内可W满足现实需求，能够实现太阳实时跟踪的目的。
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工作原理 1.太阳光入射角度的计算 将投影面模拟太阳能接收板，在投影面上固定放置不可透光的圆形板，圆形板与投影 面保持垂直关系。当太阳光处于A点位置时，光线斜射圆形板，投影面上得到楠圆形投影，见 图2所示。W图2为例，建立空间坐标系XYZ，原点O为圆形板与投影面的交点处。此时，太阳与 物体的水平夹角为a，高度夹角为0。
[0039] 水平角a计算公式如下：
其中，b为楠圆投影的短轴长度;d为圆形板的直径。
[0040] 高度角的十算公式如下：
其中，a为楠圆投影的长轴长度。
[0041 ] 2.投影图形处理 (1)投影图像的获得 采集图像采用投影识别装置设备，像素为800万。在采集图像时，W白色A4纸作为背景， 为后期提取投影图像目标提供方便。相机获取的图像为真彩图，每个像素由3个大小相同的 二维数组表示，无法直接应用图像处理算法，需要对其进行灰度处理。采用matlab内置灰度 处理函数，进行图像的灰度处理。灰度处理后，图像可W由一个二位数组表示图形，每个像 素在matlab中就对应一个像素值，但仍未能对图像目标进行提取，有必要对其进行二值化 处理。图像的二值化处理将整个图像呈现出明显的黑白效果，进一步凸显目标的轮廓，减少 图像的数据量，提高数据处理速度，有利于图像的进一步的处理。
[0042] (2)几何参数的识别 在上述分析中，太阳光入射角度的计算需要得知W下两个投影图形的数据:楠圆投影 的长轴长度、短轴长度。采用外接最小矩形获取W上两个参数，具体原理如下:将投影图像 W每次3度左右的增量在90度范围内旋转;每旋转一次，记录其坐标系方向上的外接矩形边 界点的最小值a和最大值b，Wa、b计算外接矩形的面积；当旋转到某一角度后，外接矩形的 面积达到最小，此时外接矩形为最小;最小外接矩形的长边为楠圆的长轴，短边为楠圆的短 轴。
[0043] 3.机械结构设计 图像几何参数的识别为太阳能接收板的朝向提供依据，采用目前通用的双轴跟踪方 式，设计相应的机械结构实现太阳的准确跟踪。空间坐标系的Z轴与第二电机的输出轴轴线 重合，X轴与第一电机的输出轴轴线重合。第二电机通过弹性联轴器带动数值轴转动，水平 旋转平台与竖直轴通过平键联接，从而实现旋转运动，水平旋转平台W上的零件随着水平 旋转平台进行水平转动。第一电机与水平轴通过弹性联轴器联接，弹性固定块通过螺纹夹 紧在水平轴上，随水平轴的旋转而运动。投影识别装置箱体与弹性固定块通过螺纹实现固 定联接，底部中屯、放置投影识别装置。投影识别装置采集不可透光的圆形挡板的投影图像， 并通过无线传输给相应的服务器，服务器识别投影图形，得到太阳光线的入射角度，指导第 二电机、第一电机工作，从而保证太阳的实时跟踪。防尘盖上布置限位传感器，限制投影识 别装置箱体转动的角度，避免投影识别装置箱体与其他零件发生碰撞。
[0044] -种太阳跟踪装置，投影识别装置为微型相机。
[0045] 虽然本发明已通过参考优选的实施例进行了描述，但是，本领域普通技术人员应 当了解，可W不限于上述实施例的描述，在权利要求书的范围内，可作出形式和细节上的各 种变化。
【主权项】
1. 一种太阳跟踪装置，包括投影识别装置、不透光挡板、投影识别装置箱体、服务器和 转动装置，其特征在于:不透光挡板垂直在投影识别装置箱体的上底面上，投影识别装置箱 体内设有用于识别不透光挡板在投影识别装置箱体上底面的投影的投影识别装置，投影识 别装置箱体设在转动装置上，投影识别装置信号输出端连接服务器，服务器控制转动装置 转动。2. 根据权利要求1所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于:不透光挡板为不可透光的圆 形挡板。3. 根据权利要求1所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于：投影识别装置箱体为四方 体，且不透光挡板位于四方体上底面中央，投影识别装置箱体的上底面为白色，具有一定透 明度的底板。4. 根据权利要求1所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于:转动装置包括竖直升降装置 和水平旋转装置，竖直升降装置固定水平旋转装置上。5. 根据权利要求4所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于:所述竖直升降装置包括第一 电机、弹性固定块和水平轴，第一电机的电机轴连接水平轴，水平轴带动弹性固定块上下位 移，弹性固定块上方连接投影识别装置箱体，第一电机的电机轴和水平轴之间还设有弹性 联轴器。6. 根据权利要求4所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于:所述水平旋转装置包括水平 旋转平台、竖直轴和第二电机，第二电机的电机轴连接竖直轴，竖直轴带动水平旋转平台旋 转，第二电机的电机轴和竖直轴之间还设有弹性联轴器。7. 根据权利要求6所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于:竖直升降装置固定在水平旋 转平台上，且竖直升降装置外罩设防尘盖，防尘盖设有供竖直升降装置的弹性固定块出入 的开口。8. 根据权利要求4所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于:转动装置外侧架设用于支撑 的支架。9. 根据权利要求1所述的一种太阳跟踪装置，其特征在于：服务器内包括灰度处理模 块、二值化处理模块、计算模块和控制模块。10. -种根据权利要求1所述的太阳跟踪方法，其特征在于： 第一步:通过投影识别装置采集投影，采集的投影传输到服务器，投影经过服务器灰度 处理后再经过二值化处理； 第二步:将处理过的投影以每次1-3度的增量在90度范围内旋转;每旋转一次记录其坐 标系方向上的外接矩形边界点的周长，当外界矩形周长最小时，记录此时投影的短轴长度 和长轴长度； 第三步：计算太阳与不透光挡板的水平夹角=arcsin投影短轴长度/不透光挡板的直 径； 第四步：计算太阳与不透光挡板的高度夹角=arctan不透光挡板的直径/投影长轴长 度； 第五步:通过服务器调整转动装置达到所述水平夹角和高度夹角。
【文档编号】G05D3/12GK106020250SQ201610571513
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月19日
【发明人】高峰
【申请人】温州职业技术学院