CN102073323B

CN102073323B - 一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法

Info

Publication number: CN102073323B
Application number: CN2010102973089A
Authority: CN
Inventors: 王烈; 乐陶进; 魏俊义
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-09-29
Also published as: CN102073323A

Abstract

本发明涉及一种导入太阳光来采光照明的应用方法及其装置，尤其是涉及一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法及其装置。本发明采用摄像头跟踪太阳中心点的实时跟踪技术，驱动电机带动装置转动，大大提高对太阳直射角度的探测精度，简化设计方案，从而使本系统，以低廉的成本，定位精度可以达到毫米甚至微米级别，使得装置可以完全处在于太阳光垂直的方向上。从而最大限度地保证采光效果。

Description

一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法

技术领域

本发明涉及一种导入太阳光来采光照明的应用方法，尤其是涉及一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法。

背景技术

从二十一世纪初开始出现的太阳光导入系统发展至今，已经有近10年的历史。最初是为了满足一些特殊的应用，如一些需要全光谱照明的场所或者仪器，是普通的照明灯泡所满足不了的。而随着在全球范围内的节能减排的要求越来越迫切，将室外的太阳光传输到室内用作照明的技术应用不断涌现。包括日本、瑞典、英国都推出了其高端产品。如日本的“向日葵”系统、瑞典的“帕兰阳光系统”等等。这些系统高昂的造价阻碍了太阳光导入系统进入寻常百姓家和商业楼宇。其成本主要集中在跟踪阳光装置和传输光纤。

国外的跟踪阳光装置一般采用GPS接收装置，根据不同城市，不同地点，对比内置的太阳太空运行轨迹图，并结合光电传感器，经过复杂的运算得出结果，来调整透镜面对太阳的角度。系统复杂程度较高，导致造价较高。目前市面上的GPS，定位精度一般为100米。即使去除了SA干扰的GPS，其定位精度一般在5米～15米之间。如果使用了极其昂贵的RTCM(差分GPS接口)，其定位精度也只能达到分米或者厘米级别。即不能完全对准太阳的直射方向。而且当装置需要移位的时候，需要重新进行定位操作。

国内的跟踪阳光装置一般省去了复杂的GPS接收装置，只通过1个或者多个光电传感器来检测阳光的直射角度，从而调整透镜的面向阳光的角度。这些装置虽然能够通过简化了采光角度检测的设计，但是其稳定性和精度都稍差一些。

发明内容

本发明为克服现有技术中存在的不足之处，目的在于提供一种以更低的成本实现更精准的全自动跟踪太阳直射方向的阳光导入方法，解决了现有技术中存在的问题。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法，包括以下步骤：1)全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用装置初始化开始后，使用外部计算机通过系统控制盒的USB口来输入当前的时间和设定安装地区的地理坐标，系统控制盒的RTC计时装置开始自动计时；

2)系统控制盒读取当前计时，根据系统内部存储的太阳星历表中存储的太阳方位或者经系统内部的太阳方位计算程序计算的结果，结合安装地区的地理坐标，判断此时是否处于当地夜间，如果是夜间，则系统控制盒不做任何动作；

3)如果此时处于白天时间，则系统控制盒根据当前的时间安装地区的地理坐标，计算出太阳中心点大致位置；

4)系统控制盒通过控制云台垂直控制电机和云台水平控制电机转动使摄像头和汇聚透镜对准太阳的大致方向；

5)摄像头拍摄包含太阳的天空图像；

6)系统控制盒处理所拍摄的天空图像，如果是阴天没有发现太阳图像，则根据系统内部的星历表对应的当时当地的太阳高度角和方位角控制云台转动到太阳的入射方向；

7)如果是晴天发现太阳图像，则将太阳的图象分离出来之后，找到太阳的中心点位置，计算出目前的摄像头与汇聚透镜朝向和太阳中心点的实际位置的偏差以及偏差的方向；

8)设水平偏差为ΔX，单位为电机移动的步长，ΔX为负表示太阳中心点在摄像头所指方向的东面，为正表示太阳中心点在摄像头所指方向的西面；垂直偏差为ΔY，单位为电机移动的步长，ΔY为负表示太阳中心点在摄像头所指方向的下面，为正表示太阳在摄像头所指方向的上面；

9)根据ΔX和ΔY的正负，调节云台：如ΔX为负，则调节云台水平控制电机，使云台往东移动一个步长；如ΔX为正，则调节云台水平控制电机，使云台往西移动一个步长；如ΔY为负，则调节云台垂直控制电机，使云台往下一个步长；如ΔY为正，则调节云台垂直控制电机，使云台往上移动一个步长；

10)重复步骤5)、步骤6)、步骤7)、步骤8)和步骤9)，直到使|ΔX|＜2，|ΔY|＜2，使摄像头和汇聚透镜对准太阳中心点的方向，太阳光通过汇聚透镜、入射光纤、出射光纤、和出射透镜到太阳能电池板，太阳能电池板为LED照明灯供电；

11)间隔设定周期，重复执行步骤2)至步骤10)，使摄像头和汇聚透镜始终对准太阳中心方向。

作为优选，所述步骤9)和步骤10)可以按以下方法代替：计算出到达中心点位置所需移动的水平和垂直步长值，之后驱动云台垂直控制电机和云台水平控制电机一次性到达此位置；

作为优选，在有太阳光线的情况下，太阳能电池板同时为蓄电池充电。

作为优选，光传感器检测光强低于阈值的时候，通过蓄电池为LED照明灯供电。

作为优选，摄像头所使用镜头的有效角度为60度。

本发明的有益效果是：

采用摄像头跟踪太阳中心点的实时跟踪技术，驱动电机带动装置转动，大大提高对太阳直射角度的探测精度，简化设计方案，从而使本系统，以低廉的成本，定位精度可以达到毫米甚至微米级别，使得装置可以完全处在于太阳光垂直的方向上。从而最大限度地保证采光效果。

附图说明

图1为阳光导入装置系统结构图；

1——汇聚透镜；

2——摄像头；

3——透镜载盘；

4——入射光纤；

5——云台承载组件；

6——云台垂直控制电机；

7——云台水平控制电机；

8——系统控制盒；

9——出射光纤；

10——出射透镜；

11——光传感器；

12——LED照明灯；

13——蓄电池；

14——太阳能电池板；

图2为大面积单透镜光路图；

图3为小面积多透镜光路图；

图4为水平和垂直偏差计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

如图1所示，一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能利用装置，包括摄像头2、汇聚透镜1、透镜载盘3、云台、系统控制盒8、入射光纤4、出射光纤9、出射透镜10、光传感器11、太阳能电池板14、蓄电池13和LED照明灯12；摄像头2与汇聚透镜1垂直固定装载在透镜载盘3上；透镜载盘3装载于云台上；所述的云台包括云台垂直控制电机6、云台水平控制电机7和承载组件5；光传感器11装载于出射透镜10的位置；系统控制盒8通过通信接口连接到云台垂直控制电机6、云台水平控制电机7、光传感器11和蓄电池13。系统控制盒8有外部输入的USB接口；摄像头2是CCD摄像头或CMOS摄像头。

全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法核心是，如何使透镜能始终精确对准太阳的方向，从而使经过透镜聚焦的光线能精确汇集到光纤顶部的光线收集区，该方法包括以下步骤：

1)全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用装置初次安装完成后，使用外部计算机通过系统控制盒8的USB口来输入当前的时间和设定安装地区的地理坐标，系统控制盒8的RTC计时装置开始自动计时，系统控制和内部的备份电池可以维持其长达3年的自动运行。

2)系统控制盒8读取当前计时，根据系统内部存储的太阳星历表中存储的太阳方位，或者内置的计算星历表的小程序，结合安装的地理坐标，判断此时是否处于当地夜间。如果是夜间，则系统控制盒8不做任何动作；

3)如果此时处于05:01到19:59之间，而且结合太阳星历表或者计算程序，判断处于日间时间，则系统控制盒8根据当前的时间结合星历表查找出出太阳中心点大致位置；如，2010年5月18日早晨6点15分，杭州市区武林广场(北纬39度，东经116度)，则查找系统内部的星历表或者经系统内部的太阳方位程序计算结果后可得太阳的位置为：

高度角15.42，方位角102.79。高度角是所在地点与太阳的连线与水平线之间的夹角；方位角是所在地点与太阳的连线在水平地面的投影线和正南方向之间的夹角。

4)系统控制盒8通过控制云台垂直控制电机6和云台水平控制电机7转动使摄像头2和汇聚透镜1对准太阳的大致方向；

5)摄像头2拍摄包含太阳的天空图像；

6)系统控制盒8处理所拍摄的天空图像，如果是阴天没有发现太阳图像，查找系统内部储存的太阳星历表或者计算星历表的程序，找出当前太阳所在的方位，控制云台中的水平电机和垂直电机转动，指向该方位；

7)如果是晴天发现太阳图像，刚将太阳的图象分离出来之后，找到太阳的中心点位置，计算出目前的摄像头2与汇聚透镜1朝向和太阳中心点的实际位置的偏差以及偏差的方向；

8)如图4所示，设水平偏差为ΔX，单位为电机移动的步长，ΔX为负表示太阳中心点在摄像头所指方向的东面，为正表示太阳中心点在摄像头所指方向的西面；垂直偏差为ΔY，单位为电机移动的步长，ΔY为负表示太阳中心点在摄像头2所指方向的下面，为正表示太阳在摄像头2所指方向的上面；

9)根据ΔX和ΔY的正负，调节云台：如ΔX为负，则调节云台水平控制电机7，使云台往东移动一个步长；如ΔX为正，则调节云台水平控制电机7，使云台往西移动一个步长；如ΔY为负，则调节云台垂直控制电机6，使云台往下一个步长；如ΔY为正，则调节云台垂直控制电机6，使云台往上移动一个步长；在图4中，ΔX为负，则调节云台水平控制电机7，使云台向东移动一个步长；ΔY为正，则调节云台垂直控制电机6，使云台往上移动一个步长；

10)重复步骤5)、步骤6)、步骤7)、步骤8)和步骤9)，直到使|ΔX|＜2，|ΔY|＜2，使摄像头2和汇聚透镜1对准太阳中心点的方向，太阳光通过汇聚透镜1、入射光纤4、出射光纤9、和出射透镜10到太阳能电池板14，太阳能电池板14为LED照明灯12供电；

11)隔若干时间(可设定，本实施例中设定为4分钟)后，重复执行步骤2)至步骤10)，使摄像头2和汇聚透镜1始终对准太阳中心方向。

光传感器11检测光强低于阈值30勒克斯的时候，通过蓄电池13为LED照明灯12供电。阈值可根据应用场所进行设定。如果是卧室，则设定为30勒克斯。如果是办公室，则可设定为150勒克斯。

系统进入运行时，系统控制盒8根据太阳星历表中的太阳高度角和方位角，控制云台上的云台垂直控制电机6和云台水平控制电机7，使云台的水平垂直角度和表格中的位置一致。摄像头2和汇聚透镜1所在的透镜载盘3是垂直安装在云台上的，此时摄像头2和汇聚透镜1所垂直的方向就是太阳的大致方向，如果为夜间，则所指的方向是太阳即将出现的方向。

如果此时为夜间时间(20:00～05:00)，则系统控制盒8不做任何动作，直到日间时间到来。摄像头2所使用的是角度相对较大的镜头，如有效角度为60度。因此，日间时间到来后，摄像头2经过调整，所拍摄的图像应该包含太阳的图像，即天穹的三分之一。此时，系统控制盒8经过处理所拍摄的照片，可以得出目前的位置和太阳的实际位置的偏差以及偏差的方向。水平偏差记录为ΔX平，垂直偏差记录为ΔY。水平偏差是指图像中心离图像中太阳中心的水平角度距离，ΔX为负表示太阳在摄像头2所指方向的东面，为正表示太阳在摄像头2所指方向的西面；垂直偏差是指图像中心离图像中太阳中心的垂直角度距离，ΔY为负表示太阳在摄像头2所指方向的下面，为正表示太阳在摄像头2所指方向的上面。

获得ΔX和ΔY的大致方法为：将拍摄的图像先做消除噪声处理，使图片中面积较小的噪点被移除；之后做白平衡和加大对比度处理，使太阳和背景的区分更为明显，根据照片灰度选取合适的阈值，做一次二值化处理，使整张图片变成一张黑白片。找到太阳的中心点位置，判断太阳中心点位置和图片中心点之间的距离差值，包括水平差值ΔX和垂直差值ΔY。根据ΔX和ΔY的正负，调节云台，如ΔX为负，则调节云台水平控制电机7，使云台往东移动一个步长；如ΔX为正，则调节云台水平控制电机7，使云台往西移动一个步长；如ΔY为负，则调节云台垂直控制电机6，使云台往下一个步长；如ΔY为正，则调节云台垂直控制电机6，使云台往上移动一个步长。

重复以上步骤多次，太阳的影像在摄像头2所获得的图像中，应该刚好在图像的中心，由此完成了精确对准。

间隔4分钟后，重复调整步骤，动态地完成了一整天的精准太阳跟踪。直到结束日间时间，系统控制盒8控制云台，按照第2步的表格，回到太阳在凌晨即将出现的位置。

如果出现了阴天的情况，则通过图像无法判别太阳的位置，无法产生有效的ΔX和ΔY，此时则不利用图像做精确对准，只利用星历表做粗略对准。直到乌云散去，可以产生有效地ΔX和ΔY。

通过以上的实施过程，使聚光透镜在有太阳的日子，能精确对准太阳方向，增加了进光量，提高了系统的总体效果。在阴天的时候，根据预置的太阳位置表格星历表，使太阳直射方向透镜一直跟踪太阳，一旦乌云散去，即可立即回复跟踪。

如图2所示的是采用大面积透镜的光纤传输示意图。当采用大透镜，如直径大于2寸的透光镜或者直径大于2寸的菲涅尔透镜，则通过分光器对采集的光纤进行分路，将光纤分路到若干支路进行照明。具体分路的数量根据实际的需求计算。

如图3所示的是采用小面积透镜的光纤传输示意图。小透镜在本发明中指直径小于7寸的透镜。可以单镜单路，也可以根据实际的光照强度需要多路支路合成到一个出射透镜10进行照明。

在透镜大小一定的情况下，增大导入光纤的受光接口的截面积，一可以有效减少能量聚集，降低温升，二可以多收集焦点之外的光线，从而增加采光能量。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims

1.一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法，包括以下步骤：

1)全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用装置初始化开始后，使用外部计算机通过系统控制盒(8)的USB口来输入当前的时间和设定安装地区的地理坐标，系统控制盒(8)的RTC计时装置开始自动计时；

2)系统控制盒(8)读取当前计时，根据系统内部存储的太阳星历表中存储的太阳方位或者经系统内部的太阳方位计算程序计算的结果，结合安装地区的地理坐标，判断此时是否处于当地夜间，如果是夜间，则系统控制盒(8)不做任何动作；

3)如果此时处于白天时间，则系统控制盒(8)根据当前的时间安装地区的地理坐标，计算出太阳中心点大致位置；

4)系统控制盒(8)通过控制云台垂直控制电机(6)和云台水平控制电机(7)转动使摄像头(2)和汇聚透镜(1)对准太阳的大致方向；

5)摄像头(2)拍摄包含太阳的天空图像；

6)系统控制盒(8)处理所拍摄的天空图像，如果是阴天没有发现太阳图像，则根据系统内部的星历表对应的当时当地的太阳高度角和方位角控制云台转动到太阳的入射方向；

7)如果是晴天发现太阳图像，则将太阳的图象分离出来之后，找到太阳的中心点位置，计算出目前的摄像头(2)与汇聚透镜(1)朝向和太阳中心点的实际位置的偏差以及偏差的方向；

8)设水平偏差为ΔX，单位为电机移动的步长，ΔX为负表示太阳中心点在摄像头所指方向的东面，为正表示太阳中心点在摄像头所指方向的西面；垂直偏差为ΔY，单位为电机移动的步长，ΔY为负表示太阳中心点在摄像头(2)所指方向的下面，为正表示太阳在摄像头(2)所指方向的上面；

9)根据ΔX和ΔY的正负，调节云台：如ΔX为负，则调节云台水平控制电机(7)，使云台往东移动一个步长；如ΔX为正，则调节云台水平控制电机(7)，使云台往西移动一个步长；如ΔY为负，则调节云台垂直控制电机(6)，使云台往下一个步长；如ΔY为正，则调节云台垂直控制电机(6)，使云台往上移动一个步长；

10)重复步骤5)、步骤6)、步骤7)、步骤8)和步骤9)，直到使|ΔX|＜2，|ΔY|＜2，使摄像头(2)和汇聚透镜(1)对准太阳中心点的方向，太阳光通过汇聚透镜(1)、入射光纤(4)、出射光纤(9)、和出射透镜(10)到太阳能电池板(14)，太阳能电池板(14)为LED照明灯(12)供电；

11)间隔设定周期，重复执行步骤2)至步骤10)，使摄像头(2)和汇聚透镜(1)始终对准太阳中心方向。

2.根据权利要求1所述的一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法，其特征在于，所述步骤9)和步骤10)可以按以下方法代替：计算出到达中心点位置所需移动的水平和垂直步长值，之后驱动云台垂直控制电机(6)和云台水平控制电机(7)一次性到达此位置；

3.根据权利要求1或2所述的一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法，其特征在于，在有太阳光线的情况下，太阳能电池板(14)同时为蓄电池(13)充电。

4.根据权利要求3所述的一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法，其特征在于，光传感器(11)检测光强低于阀值的时候，通过蓄电池(13)为LED照明灯(12)供电。

5.根据根据权利要求4所述的一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法，摄像头(2)所使用镜头的有效角度为60度。