专利名称：太阳能跟踪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能采集设备领域，具体地，是一种可以自动判别太阳直射方向，并对太阳进行跟踪的太阳能跟踪器。
背景技术：
随着世界工业的快速发展，能源问题日趋严峻，由此，节能技术、新型能源的开发已成为人类可持续发展的重大工程。其中，风能、潮汐能、太阳能等技术已经得到了产业化发展，并获得了较好的节能成效。特别是对于太阳能技术，主要由太阳能热水器和光伏发电两大方面，前者已经普及至广大普通百姓，后者则广泛见于发电厂、路灯、企业。
对于天阳能技术领域，其太阳能采集效率是一个极为重要的问题，由于太阳在一日的行程中，对于地面的照射角度按0° — 90° — 0°变化，因此，对于固定的太阳能吸收面，大部分时间中，太阳并未直射吸收面，即便照射至吸收面的太阳能被全部吸收，效率亦较低，再考虑到吸收面上的玻璃对于太阳光的反射、全反射现象，其吸收效率可谓很低。该种低效率的太阳能吸收效果尤其体现在普通的固定式光伏板上，由于光伏板表面具有一块玻璃盖板，因此，在阳光斜射时，其反射量很大，甚至出现全反射，因此，欲提高其太阳能采集效率，需采用太阳能跟踪系统，使光伏板实时正对太阳光照。对于太阳能跟踪系统，目前主要存在两种形式。其一是通过一套可预先调试的钟表式机械系统，随一天的时间流逝实时驱动光伏板转动，该种系统通常由调试师傅按照各地的经纬度在安装时对跟踪系统进行调试，调试完成后，跟踪系统按照钟表系统的原理实时运转，并实时驱动光伏板，以确保其实时正对太阳光照，该种系统通常安装较为麻烦，一旦转移地点，则需要专业人员对跟踪系统进行重新调试，十分不便，且在移动装置上无法实现跟踪功能。其二是传感式跟踪系统，其主要原理是，在一个跟踪头的周围分布多个光电传感器，根据各光电传感器反馈的电流差异，计算出太阳所在位置，该种系统的问题在于，各光电传感器的参数不可避免地会存在差异，如此，按照其反馈的电流值计算得出的太阳位置准确性较差，且由于光电传感器较多，任意一个的安装位置有差异或者损坏，则可能造成准确度严重不足，并且，该系统电子部件较多，装配精度要求较高，成本亦较高。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种太阳能跟踪器，该跟踪器不仅能准确地跟踪太阳，以保证太阳能采集面正对太阳光，并且结构简单，成本低廉。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该太阳能跟踪器包括一个腔体；所述腔体的一个端部设有一块遮光薄板；所述腔体内设有一个倒扣于所述遮光薄板上的半球形屏幕板；所述遮光薄板中心开设有可将阳光引入所述腔体内并照射至所述屏幕板上的光斑孔；所述腔体内正对所述屏幕板固定一个摄像头，该摄像头电性连接控制电路板；所述控制电路板包括图像分析模块、电机控制模块；
所述图像分析模块的图像处理方法如下以所述屏幕板的正投影面的中心为原点建立直角坐标系，分析光斑在所述正投影面上的位置的坐标值，将该坐标值返回给所述电机控制模块；
所述电机控制模块控制驱动所述腔体左右转动的第一步进电机和控制所述腔体上下转动的第二步进电机，且所述电机控制模块的驱动方法是使所述图像分析模块返回的所述坐标值中的两个坐标参数分别对应一个步进电机，当任意一个所述坐标参数的值不为零时，则由该坐标参数所对应的步进电机向使该坐标参数的绝对值减小的方向连续驱动所述腔体。作为优选，所述图像分析模块在图像处理时，先对图像进行二值化处理，以便于后续计算。作为优选，所述图像分析模块在分析光斑位置坐标时，按照如下方法，记录所有具有亮度值的横坐标，求具有亮度值的连续横坐标的平均值；记录所有具有亮度值的纵坐标，求具有亮度值的连续纵坐标的平均值；返还所述的两个平均值，作为光斑中心的位置坐标。作为优选，所述图像分析模块在分析光斑位置坐标时，还可采用半二值化的方法进行，逐渐提高二值化的阈值，使阈值下方的亮度值均置零，阈值上方的亮度值保持不变，直至只剩下一个像素块仍然保有亮度值，返还该像素块对应的坐标，作为光斑中心的位置 坐标。作为优选，所述电机控制模块依据所述坐标值中的两个坐标的绝对值大小分别控制所述第一步进电机和第二步进电机的转速，各步进电机的转速与它所对应的坐标的绝对值大小成正比。作为优选，所述遮光薄板中心的所述光斑孔内嵌置一颗球形透明玻璃珠，并使玻璃珠的中切面与遮光薄板所在平面重合，以防止光斑孔被尘杂堵塞，保证光线的良好入射效果。作为优选，所述摄像头的镜头后方还设有一块封板，用于封闭所述屏幕板和摄像头之间的空间，以提供良好的黑暗环境。作为优选，所述第一步进电机和第二步进电机通过齿轮组驱动所述腔体。本发明的有益效果在于本太阳能跟踪器通过小孔成像原理获得太阳光斑，使之投射于屏幕板上，并通过固定的摄像头获取该光斑位置，通过图像分析模块中预置的直角坐标系，即可使所述光斑的位置以坐标值的形式给出，对于该坐标值的获取，由于不依赖于机械运动部件，亦不依赖于综合传感部件，仅依赖于计算程序，因此，由于程序的稳定性，坐标值的精度很高，得到坐标值后，第一、第二步进电机只按照使所述坐标值趋向于(0，O)的方向驱动所述腔体，因此，最终将使腔体一端的所述遮光薄板准确地正对太阳，采取常规手段使所述腔体与太阳能采光板机械关联后，即可使采光板实时准确地正对太阳。
图I是本太阳能跟踪器一个实施例的结构示意图。图2是图I中的A向视图。图3是本太阳能跟踪器中电机控制模块的驱动原理示意图。图4是本太阳能跟踪器遮光薄板的光斑孔处的优选实施方式。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
在图I所示的实施例中，该太阳能跟踪器包括一个柱形的腔体I ;所述腔体I的一个端 部设有一块遮光薄板2 ;所述腔体I内设有一个倒扣于所述遮光薄板2上的半球形屏幕板3 ;所述遮光薄板2中心开设有可将阳光引入所述腔体I内并照射至所述屏幕板3上的光斑孔20 ;所述腔体I内正对所述屏幕板3固定一个摄像头4，该摄像头4电性连接控制电路板7 ;所述控制电路板7包括图像分析模块、电机控制模块。所述图像分析模块至少包括一个单片机芯片和一个摄像头扩展模块，该图像分析模块的图像处理方法如下以所述屏幕板3的正投影面的中心为原点建立直角坐标系，分析由光斑孔20引入的光斑在所述正投影面上的位置的坐标值，将该坐标值返回给所述电机控制模块。对于光斑的坐标值分析，通过对单片机编程，可由多种方式实现，本领域技术人员可以轻松得到，如一种方法首先对坐标系平面上的图像进行二值化处理，然后记录所有具有亮度值的横坐标，求具有亮度值的连续横坐标的平均值；再记录所有具有亮度值的纵坐标，求具有亮度值的连续纵坐标的平均值；返还所述的两个平均值，作为光斑中心的位置坐标，为了减少计算量，在记录具有亮度值的横坐标或纵坐标时，可每隔一定坐标间隔读取一次坐标，并判断该坐标对应的图像线上是否存在亮度值，如，可每隔O. Imm读取一次横坐标，由此获得的分析结果足以保证跟踪器的较高精度。另一种方法，所述图像分析模块在分析光斑位置坐标时，采用半二值化的方法进行，逐渐提高二值化的阈值，使阈值下方的亮度值均置零，阈值上方的亮度值保持不变，直至只剩下一个像素块仍然保有亮度值，返还该像素块对应的坐标，作为光斑中心的位置坐标；其依据是，光斑中心亮度最高，因此，在半二值化处理过程中，光斑中心将逐渐凸显，直至坐标系平面上的图像只剩下一个亮点，即光斑中心，相对于一次性读取所有像素块或像素点的亮度值，再进行比较计算，得到亮度最大值，该种半二值化的处理方法将节约大量的计算次数。所述电机控制模块控制驱动所述腔体I左右转动的第一步进电机和控制所述腔体I上下转动的第二步进电机，在具体配合时，可在所述腔体I外部固定连接一对相互垂直的被动传动件，再通过齿轮组分别啮合所述第一、第二步进电机，即可实现所需驱动。所述电机控制模块的驱动原理如图3所示意使由所述图像分析模块返回的所述坐标值，即光斑的坐标值(X，y)中的两个坐标参数分别对应一个步进电机，图3中，坐标参数X对应第一步进电机61,坐标参数Y对应第二步进电机62,当任意一个所述坐标参数的值不为零时，则由该坐标参数所对应的步进电机向使该坐标参数的绝对值减小的方向连续驱动所述腔体，如图3中所示，当光斑处于坐标值(X，y)时，易推知，实际太阳处于坐标值(X’，y’)所在区域侧，第一步进电机61按曲线箭头所示的方向连续驱动腔体,第二步进电机62亦按曲线箭头所示的方向连续驱动腔体(注曲线箭头示意的并非是步进电机61转轴的转动方向，而是腔体旋转的方向)，则所述腔体I端部的遮光薄板2将朝面向太阳的方向连续旋转，所述光斑的坐标值表现为逐渐靠近原点，亦即坐标值(X，y)中X与y的绝对值逐渐逼近零；并且，作为优选方式，可以使所述电机控制模块依据所述坐标值中的两个坐标参数的绝对值大小分别控制所述第一步进电机61和第二步进电机62的转速，各步进电机的转速与它所对应的坐标的绝对值大小成正比，如此，可使所述遮光薄板2在接近正对太阳的位置附近，步进电机转速逐渐接近为零，以避免步进电机频繁地骤启骤停。在本实施例中，如图I所示，所述摄像头4的镜头后方还设有一块封板5，用于封闭所述屏幕板2和摄像头4之间的空间，以提供良好的黑暗环境；为了简单起见，可使所述摄像头4直接固定于封板5中央，封板5则撑满整个所述腔体I的横截面；由此，由图I中A向看到的视图大致如图2所示。
另外，作为本发明的一个优选实施方式，如图4所示，所述遮光薄板2中心的所述光斑孔内嵌置一颗球形透明玻璃珠201，并使玻璃珠201的中切面与遮光薄板2所在平面重合，即玻璃珠201关于遮光薄板2的两侧对称，如此，由于玻璃珠201的阻隔，可以避免光斑孔被尘杂堵塞，积灰时只需擦拭玻璃珠即可，并且，由于玻璃珠的球形形状，任意方向的入射光均可穿过球心按原方向透射，如图4中虚线箭头所示，保障了定位的准确性。本太阳能跟踪器通过小孔成像原理获得太阳光斑，使之投射于屏幕板3上，并通过固定的摄像头4获取该光斑位置，通过图像分析模块中预置的直角坐标系，即可使所述光斑的位置以坐标值的形式给出，对于该坐标值的获取，由于不依赖于机械运动部件，亦不依赖于综合传感部件，仅依赖于计算程序，因此，由于程序的稳定性，坐标值的精度很高，得到坐标值后，第一、第二步进电机只按照使所述坐标值趋向于(0，O)的方向驱动所述腔体，因此，最终将使腔体I 一端的所述遮光薄板2准确地正对太阳，采取常规手段使所述腔体与太阳能采光板机械关联后，即可使采光板实时准确地正对太阳。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种太阳能跟踪器，其特征在于包括一个腔体(I);所述腔体(I)的一个端部设有一块遮光薄板(2);所述腔体(I)内设有一个倒扣于所述遮光薄板(2)上的半球形屏幕板(3);所述遮光薄板(2)中心开设有可将阳光引入所述腔体内并照射至所述屏幕板(3)上的光斑孔(20);所述腔体(I)内正对所述屏幕板(3)固定一个摄像头(4)，该摄像头(4)电性连接控制电路板(7);所述控制电路板(7)包括图像分析模块、电机控制模块； 所述图像分析模块的图像处理方法如下以所述屏幕板(3)的正投影面的中心为原点建立直角坐标系，分析光斑在所述正投影面上的位置的坐标值，将该坐标值返回给所述电机控制模块； 所述电机控制模块控制驱动所述腔体左右转动的第一步进电机和控制所述腔体上下转动的第二步进电机，且所述电机控制模块的驱动方法是使所述图像分析模块返回的所述坐标值中的两个坐标参数分别对应一个步进电机，当任意一个所述坐标参数的值不为零 时，则由该坐标参数所对应的步进电机向使该坐标参数的绝对值减小的方向连续驱动所述腔体。
2.根据权利要求I所述的太阳能跟踪器，其特征在于所述图像分析模块在图像处理时，先对图像进行二值化处理。
3.根据权利要求2所述的太阳能跟踪器，其特征在于所述图像分析模块在分析光斑位置坐标时，按照如下方法，记录所有具有亮度值的横坐标，求具有亮度值的连续横坐标的平均值；记录所有具有亮度值的纵坐标，求具有亮度值的连续纵坐标的平均值；返还所述的两个平均值，作为光斑中心的位置坐标。
4.根据权利要求I所述的太阳能跟踪器，其特征在于所述图像分析模块在分析光斑位置坐标时，采用半二值化的方法进行，逐渐提高二值化的阈值，使阈值下方的亮度值均置零，阈值上方的亮度值保持不变，直至只剩下一个像素块仍然保有亮度值，返还该像素块对应的坐标，作为光斑中心的位置坐标。
5.根据权利要求1-4中任意一条所述的太阳能跟踪器，其特征在于所述电机控制模块依据所述坐标值中的两个坐标的绝对值大小分别控制所述第一步进电机和第二步进电机的转速，各步进电机的转速与它所对应的坐标的绝对值大小成正比。
6.根据权利要求I所述的太阳能跟踪器，其特征在于所述遮光薄板(2)中心的所述光斑孔内嵌置一颗球形透明玻璃珠(201)，并使玻璃珠(201)的中切面与遮光薄板(2)所在平面重合。
7.根据权利要求I所述的太阳能跟踪器，其特征在于所述摄像头(4)的镜头后方还设有一块用于封闭所述屏幕板(3 )和摄像头(4 )之间的空间的封板(5 )。
全文摘要
本发明提供一种太阳能跟踪器，属于太阳能采集设备领域，包括一个腔体；所述腔体的一个端部设有一块遮光薄板；所述腔体内设有一个倒扣于所述遮光薄板上的半球形屏幕板；所述遮光薄板中心开设有可将阳光引入所述腔体内并照射至所述屏幕板上的光斑孔；所述腔体内正对所述屏幕板固定一个摄像头，该摄像头电性连接控制电路板；所述控制电路板包括图像分析模块、电机控制模块。该跟踪器不仅能准确地跟踪太阳，以保证太阳能采集面正对太阳光，并且结构简单，成本低廉。
文档编号G05D3/12GK102707731SQ20121015171
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者马根昌 申请人:苏州市伦琴工业设计有限公司