CN101923354A

CN101923354A - 一种太阳能板跟踪控制方法

Info

Publication number: CN101923354A
Application number: CN2010102783366A
Authority: CN
Inventors: 蓝章礼; 张洪; 鲍芳芳; 沈正华
Original assignee: Chongqing Jiaotong University
Current assignee: Chongqing Jiaotong University
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: CN101923354B

Abstract

本发明公开了一种太阳能板跟踪控制方法，包括以下步骤：a、采用计算机并建立坐标系；b、在太阳能板底面中心处设置一个球铰进行支撑，在太阳能板东西方向和南北方向的负端各设置一个辅助支撑杆，在太阳能板正端各设置一个竖向齿条，设置两个电机各带动一个齿轮分别与所述两个竖向齿条啮合；两个电机均与所述计算机连接并受其控制；c、采用成像设备对天空进行摄像；d、对拍摄的图像进行分析，得出图像中最亮点在所述坐标系中的坐标位置；e、根据图像中最亮点所在坐标位置，采用计算机计算并控制所述两个电机通过齿轮和齿条带动太阳能板转动至正对天空中最亮点的位置。本发明具有跟踪准确，可靠性高的优点。

Description

一种太阳能板跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能应用技术领域，尤其是一种太阳能板跟踪控制方法。

背景技术

在目前利用太阳能进行光伏发电、太阳能热水等系统中，太阳能板的安装方向一般是根据当地的日照情况进行固定安装，因此绝大部分时间太阳光线与太阳能板的向光面并不完全垂直，太阳能的利用和转换率较低。为提高太阳能板的吸收转换效率，一些方法和技术被用于自动跟踪太阳的方向，使太阳光线尽可能垂直射向太阳能板，这些技术大致可分为两类。一类是利用光敏电阻、光敏二极管、光线传感器等，配合相应的信号处理电路感知光线的方向，然后根据光线的大致方向利用电机调整太阳能板的方向。例如在中国专利号200820193525.1所公布的一种储热式自动跟踪太阳能灶，又如中国专利号200810146540.5公布的太阳能板定位系统及其测控方法，就是采用了这类自动跟踪技术。但这类方法存在如下问题：感知的太阳方向精度不高，跟踪不够准确，夜间太阳能板必须归位等。

另一类是记录当地太阳运行轨迹，然后根据记录的信息按太阳的轨迹自动进行太阳能板的调整。例如中国专利号200910100808.6公布的主动式太阳能跟踪方法及装置和200910086319.X公布的基于地球太阳运行轨迹的齿形带传动群同步跟踪太阳光自动跟踪装置，都是利用时间信号和太阳的运行轨迹进行跟踪，这类方法存在的问题有：一是各地的太阳照射角度不同，因此不同地区必须记录不同的太阳运行轨迹信息并按不同的信息进行运行，工作量大；二是记录的信息多，运算比较复杂；三是阴雨天时太阳光线并没有明显的指向性，但电机系统仍然耗电进行工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述现有技术不足而提供一种跟踪准确，可靠性高的太阳能板跟踪控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：

一种太阳能板跟踪控制方法，其特点在于包括以下步骤：

a、采用计算机并建立以太阳能板所在位置水平面为坐标平面，以太阳能板位置为原点，以东西方向为X轴，以南北方向为Y轴的坐标系，其中设定东和北为正，西和南为负；

b、在太阳能板底面中心处设置一个球铰进行支撑，在太阳能板东西方向（即X轴方向）和南北方向（即Y轴方向）的负端各设置一个与太阳能板可转动连接的辅助支撑杆，在太阳能板南北方向和东西方向的正端各设置一个竖向齿条，设置两个电机各带动一个齿轮分别与所述两个竖向齿条啮合，使得两个电机可以通过齿轮驱动齿条竖向移动并带动太阳能板沿南北方向和东西方向转动；两个电机均与所述计算机连接并受其控制；

c、在与太阳能板相邻位置采用一个与地面相对固定设置的成像设备对天空进行摄像，该成像设备具有一竖直设置且视角为180度左右的超广角度镜头；

d、采用计算机将成像设备摄得的图像带入所述坐标系进行分析，得出图像中最亮点在所述坐标系中的坐标位置；具体地说，本步骤中，所采用的计算机可以是普通计算机、嵌入式计算机、单片机等形式，成像设备在获取图像时，利用较小的光圈和较快的快门速度，使获得的图像在整体上曝光不足，但图像中光线充足的部分如太阳的曝光仍是充足的，获得的图像传入计算机后，计算机可按照一定的亮度阈值对图像进行二值化，得到最亮区域（即太阳）的图像，然后进行圆心拟合得到最亮点的中心坐标，也可采用重心算法直接获得图像的亮度重心。记录亮度重心的坐标(x, y)；

e、根据图像中最亮点所在坐标位置(x, y)，采用计算机计算并控制所述两个电机通过齿轮和齿条带动太阳能板转动至正对天空中最亮点的位置。具体地说，最亮点坐标（x, y）和太阳能板转动角度之间的对应关系可以通过以下方法原理获得。所述图像中最亮点的坐标位置，可以视为天空中最亮点在以东西方向为X轴，以南北方向为Y轴，以镜头和太阳能板所在位置（因两者相邻故可视为一个点）为原点的坐标平面（即a步骤所述坐标系的坐标平面）中的投影位置，故根据该坐标可以用勾股定理计算出太阳投影位置至太阳能板原点位置的距离。再根据太阳和地球距离以及算出的投影位置至原点距离，采用勾股定理可以算出太阳和太阳能板之间连线与坐标平面之间夹角大小，进而可以计算出带动太阳能板转动至正对天空中最亮点时，太阳板需要转动的角度大小。根据上述原理，可以建立一个太阳能板的虚拟坐标，当太阳处于太阳能板正上方时（即太阳坐标位置为（0、0）时），太阳能板南北方向和东西方向的竖向齿条控制太阳能板水平，这时太阳能板的虚拟坐标也设为（0，0）。当太阳坐标为（x、y）时，太阳能板南北方向和东西方向的竖向齿条控制太阳能板转动一定角度使其正对太阳后，此时太阳能板虚拟坐标也设为（x、y）。这样一个太阳坐标就对应着一个相应的太阳能板虚拟坐标。太阳坐标和太阳能板虚拟坐标之间对应关系可以通过上述方法原理确定并预设到计算机中。这样即可根据实际测得的太阳能坐标直接调整太阳板虚拟坐标使其两者坐标一致，即可使得太阳板正对太阳。具体调节时，本步骤中，太阳能板的初始位置可以是任意的，调整的依据仅是最亮点（即太阳）的坐标。由于太阳主要沿东西方向运动，所以X轴的运动量较大，但清晨和傍晚时的光照强度弱，能量低，所以允许存在一定误差，在早晨和傍晚即X的绝对值较大时不必完全正对太阳。当太阳坐标发生变化时，太阳能板仅根据目前自身的坐标和太阳的坐标关系，直接调整太阳能板的方向，将太阳能板的坐标调整到与太阳的坐标一致即可。比如假设太阳能板当前的坐标为(x ₀, y ₀)，而太阳的坐标为(x, y)，对X轴而言，那么由x ₀调整到x，需要调整的量为x-x ₀，该差值如果小于0，表示太阳往西方移动了，由太阳能板X轴的电机按相应的方向转动相应的圈数，使太阳能板X轴正向沿齿条向上移动，调整至目前的坐标，从而将太阳能板向西转动相应角度。同理，Y轴也按上述方法移动即可。

值得指出的是，在本发明的技术方案中，涉及的具体算法，均属于计算机领域技术人员公知的现有算法，在本发明所公布的方法步骤的教导下，本领域技术人员无需付出创造性劳动即可实施。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明借助计算机实现，先设立坐标系，再采用成像设备直接对天空拍摄，分析计算出太阳的即时坐标位置，再根据该坐标位置对太阳能板进行调节，使其偏转至正对太阳方向，其跟踪准确，可靠性高，感知太阳方向精度远高于借助光敏元件感知光线的现有技术。实施时，间隔合理的时间即可使成像设备摄一次像并调整一次太阳能板，使其始终跟随太阳方向转动，最大程度保证太阳能够直晒太阳能板，太阳能利用率大大提高。

2、采用本方法，只需一套装置和软件系统即可实施，所述软件系统在本方法公布步骤教导下本领域人员无需创造性劳动即可实现，实施成本低廉，远低于现有技术中，采用记录当地太阳运行轨迹，然后根据记录的信息按太阳的轨迹自动进行太阳能板的调整的方法。本方法同时在任何地区均可直接实施应用，适应性更强。

3、本方法实施时，合理调整重复实施的时间间隔，使得可以按一定的周期进行跟踪，如没隔10分钟重复调整一次，这样可以根据不同季节的变化，调整间隔时间使其匹配，最大程度利用太阳能。

4、本方法跟踪坐标非常精确，通过合理的太阳光斑中心算法可以定位到亚像素级。

5、在没有太阳的天气，也可以使得太阳能板对准天空中最亮的区域，而不管该区域处于何方，进而可以最大限度地吸收太阳能。

6、适用于任何地区，不受太阳能运动轨迹不同的限制。

附图说明

图1为具体实施方式中采用的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细的说明。

具体实施方式：

一种太阳能板跟踪控制方法，采用如图1所示系统，执行以下步骤：

a、采用计算机1并建立以太阳能板2所在位置水平面为坐标平面，以东西方向为X轴，以南北方向为Y轴的坐标系，其中设定东和北为正，西和南为负；

b、在太阳能板2底面中心处设置一个球铰3进行支撑，在太阳能板2东西方向（即X轴方向）和南北方向（即Y轴方向）的负端各设置一个与太阳能板2可转动连接的辅助支撑杆4，在太阳能板2南北方向和东西方向的正端各设置一个竖向齿条5，设置两个电机6各带动一个齿轮7分别与所述两个竖向齿条5啮合，使得两个电机6可以通过齿轮7驱动齿条5竖向移动并带动太阳能板2沿南北方向和东西方向转动；两个电机6均与所述计算机1连接并受其控制；

c、在与太阳能板2相邻位置采用一个与地面相对固定设置的成像设备8对天空进行摄像，该成像设备8具有一竖直设置且视角接近180度的超广角镜头9；

d、采用计算机1将成像设备8摄得的图像带入所述坐标系进行分析，得出图像中最亮点在所述坐标系中的坐标位置；

e、根据拍摄图像中最亮点所在坐标位置(x, y)，采用计算机1计算并控制所述两个电机6通过齿轮7和齿条5带动太阳能板2转动至正对天空中最亮点的位置。

Claims

1. 一种太阳能板跟踪控制方法，其特征在于包括以下步骤：

a、采用计算机并建立以太阳能板所在位置水平面为坐标平面，以东西方向为X轴，以南北方向为Y轴的坐标系，其中设定东和北为正，西和南为负；

b、在太阳能板底面中心处设置一个球铰进行支撑，在太阳能板东西方向和南北方向的负端各设置一个与太阳能板可转动连接的辅助支撑杆，在太阳能板南北方向和东西方向的正端各设置一个竖向齿条，设置两个电机各带动一个齿轮分别与所述两个竖向齿条啮合，使得两个电机可以通过齿轮驱动齿条竖向移动并带动太阳能板沿南北方向和东西方向转动；两个电机均与所述计算机连接并受其控制；

c、在与太阳能板相邻位置采用一个与地面相对固定设置的成像设备对天空进行摄像，该成像设备具有一竖直设置的超广角镜头；

d、采用计算机将成像设备摄得的图像带入所述坐标系进行分析，得出图像中最亮点在所述坐标系中的坐标位置；

e、根据图像中最亮点所在坐标位置，采用计算机计算并控制所述两个电机通过齿轮和齿条带动太阳能板转动至正对天空中最亮点的位置。