CN103472858A

CN103472858A - 高精度全自动太阳跟踪控制器

Info

Publication number: CN103472858A
Application number: CN2013104231551A
Authority: CN
Inventors: 赖中安; 李虹
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明涉及一种用于光伏发电的太阳自动跟踪方法及装置，其目的是提供一种低成本、高精度的全自动太阳跟踪控制器。本发明采用嵌入式微处理系统从光学CCD传感器、方位/俯仰角度传感器、风速仪和电子时钟模块等设备中采集数据，经过图像处理和太阳中心坐标提取计算后，控制方位/俯仰驱动电机运动，实现对太阳的自动跟踪。本发明采用安装有滤光片的光学CCD传感器作为太阳位置的感知设备，对太阳方向的敏感性要远远优于其他光敏器件。当稳定跟踪太阳时，其跟踪精度能够优于0.1°。而且，本发明能够根据当前时间、天气状况等信息自动控制系统的跟踪状态，自适应在不同地区对太阳的跟踪过程，可以方便应用于各种太阳能应用系统中。

Description

高精度全自动太阳跟踪控制器

技术领域

本发明属于工业控制领域，具体涉及一种太阳自动跟踪方法及装置，用于各类太阳能应用系统中对太阳位置的跟踪定位。

背景技术

目前，太阳能应用产业日趋成熟，规模不断扩大，已经成为世界各国鼓励发展的朝阳产业。太阳能作为一种可再生资源，具有辐照范围广，绿色环保，可永久利用等优点，但是它也具有低密度、间歇性、空间分布不断变化等特点，这与常规能源有很大区别，因此对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。

为了最大限度地利用太阳能，要求太阳光入射方向与太阳能感光面尽量垂直，从而获得最大的效率。传统无跟踪的太阳能应用系统固定不动，利用效率远远低于有跟踪的太阳能应用系统，已经无法应用于对利用效率要求较高的生产和生活领域。

目前常用的太阳跟踪系统一般采用光敏电阻等光敏器件来感知太阳光的方向，与单片机和角度传感器一起对跟踪系统进行闭环控制。这种跟踪方式的缺点在于：一般的光敏器件具有较宽的感光角度，且由于阳光的散射，这种方式对太阳光角度偏离不敏感；而且，光敏器件常被灰尘遮盖，会使其感光能力进一步减弱，这将导致太阳跟踪系统无法准确跟踪太阳位置。

还有一种太阳跟踪系统从时钟模块中获取当前时间，然后根据当前时间和本地经纬度等地理参数计算出太阳跟踪角度，从而实时跟踪太阳。这种跟踪方式的缺点在于：需要配备GPS定位系统进行标定，设备安装调试繁琐，成本较高；不同地区的经纬度不同，计算太阳跟踪角度的算法不同，不利于跟踪系统的规模化运用，而且管理和维护成本较高；无法自动判断有/无太阳的不同情况，不利于太阳能应用系统的有效工作。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种低成本、高精度的太阳自动跟踪方法及装置。

为实现本发明的目的，本发明提供的高精度全自动太阳跟踪控制器包括光学CCD传感器(1)，俯仰轴驱动电机(3)，方位轴驱动电机(6)，俯仰角度传感器(4)，方位角度传感器(5)，电机驱动模块(7)，风速仪(8)，嵌入式微处理系统(9)和电子时钟模块(10)。

其中，光学CCD传感器(1)安装有透光率为十万分之一的太阳巴德膜滤光片，作为太阳位置的感知设备。透光率为十万分之一的太阳巴德膜滤光片，既能够有效抑制太阳光强，防止CCD传感器饱和，又能够保证光学CCD传感器得到清晰的太阳图像。

高精度全自动太阳跟踪控制器的控制原理为：嵌入式微处理系统(9)实时采集光学CCD传感器(1)的视频图像信号，通过对视频图像分析，判断视场中太阳的位置和有/无。当视场中发现太阳，系统进入“自动跟踪”状态，嵌入式微处理系统(9)立刻通过电机驱动模块(7)控制方位轴(6)/俯仰轴驱动电机(3)运动，使太阳位于视场的中心位置，同时从方位角度(5)/俯仰角度传感器(4)中获取当前角度值，并存入系统存储器中。此时，太阳光入射方向与太阳能应用系统受光面(2)垂直，达到最大限度利用太阳能的目的。

当视场中未发现太阳，可能有两种情况：一种情况是时间太晚，天已经黑了。另一种情况是阴天下雨，云层把太阳挡住了。在天黑的情况下，系统进入“自动停止”状态，停在前一天最早发现太阳的位置，等待第二天太阳出来。在太阳被云层遮挡的情况下，系统进入“自动等待”状态，嵌入式微处理系统(9)每隔一段固定时间，从存储器中获得前一天的当前时间的方位/俯仰角度值，并通过电机驱动模块(7)控制方位轴(6)/俯仰轴驱动电机(3)运动到该位置。此时，一旦发现视场中有太阳，立刻自动进入“自动跟踪”状态。

不管在任何工作状态下，嵌入式微处理系统(9)都会实时从风速仪(8)中获取当前风速值。一旦当前风速值超过一定警戒值，系统马上进入“自动保护”状态，让太阳能应用系统受光面(2)处于最佳避风位置，直到风速值低于该警戒值一定时间后，才离开“自动保护”状态，开始正常工作。

嵌入式微处理系统(9)作为整个系统的数据处理单元，采集光学CCD传感器(1)的视频图像、电子时钟模块(10)的时间值、方位(5)/俯仰角度传感器(4)的角度值和风速仪(8)的风速值，通过电机驱动模块(7)控制方位轴(6)/俯仰轴驱动电机(3)运动，实现对太阳的自动跟踪。

其中，嵌入式微处理系统(9)对视频图像的主要处理算法为：

1、对视频图像进行灰度化处理，得到灰度图像。

2、对灰度图像进行分析，判断视场中是否有太阳目标。

经过大量观察，发现如果视场中有太阳目标，需要同时满足以下三个条件：①灰度图像中最大灰度值与最小灰度值之差大于50；②灰度图像中最大灰度值大于140；③灰度图像中，灰度值处于最大灰度值附近的像素点数大于25。

否则，则判断视场中没有太阳目标。

3、如果判断视场中有太阳目标，则计算图像灰度阈值，对图像进行阈值分割，得到二值化图像。

经过大量观察，发现如果视场中有太阳目标，则有：图像灰度阈值＝最大灰度值-20；

4、对阈值分割后的二值化图像进行空域滤波，滤掉面积过小的图形，得到面积最大的图形。此时得到的图形就是太阳目标。

5、计算太阳目标图形的中心坐标和视场中心坐标。

当太阳目标的中心坐标和视场中心坐标一致，就可以判断当前稳定跟踪目标；当太阳目标的中心坐标和视场中心坐标不一致，就可以判断当前尚未稳定跟踪目标，并根据两者之差来调整跟踪方向，直到两者一致。

相对于普通太阳跟踪技术，本发明具有以下优点：

1、本发明采用光学CCD传感器(1)作为太阳位置的感知设备，其安装有透光率为十万分之一的太阳巴德膜滤光片，对太阳方向的敏感性要远远优于其他光敏器件。当稳定跟踪太阳时，其跟踪精度能够大于0.1°。

2、本发明采用嵌入式微处理系统作为整个系统的数据处理单元，功耗低、安装方便，一旦调试完成后，无需人工干预。

3、本发明采用可靠、高效的视频图像处理算法，保证了发现和跟踪太阳的实时性和有效性。

4、本发明不用考虑太阳能应用系统所处位置的经纬度坐标，能够自适应在不同地区对太阳的跟踪过程。

5、本发明具有自动记忆功能，能够自动记忆系统稳定跟踪太阳情况下的方位/俯仰角度值。当太阳被云层遮挡的情况下，系统能够根据记忆的角度，提前停在预定位置，等待太阳出现。

6、本发明综合考虑了时间、天气状况等综合因素对太阳能应用系统的影响，完全自动调整系统状态，具有自动等待、自动停止、自动保护等功能。

7、本发明具有成本低、维护方便、高精度和高稳定性等特点。

以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明高精度全自动太阳跟踪控制器的整体示意图；

以上图中各附图标记的含义是：

1～安装有滤光片的光学CCD传感器；2～太阳能应用系统受光面；3～俯仰轴驱动电机；4～俯仰角度传感器；5～方位角度传感器；6～方位轴驱动电机；7～电机驱动模块；8～风速仪；9～嵌入式微处理系统；10～电子时钟模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明高精度全自动太阳跟踪控制器包括光学CCD传感器(1)，俯仰轴驱动电机(3)，方位轴驱动电机(6)，俯仰角度传感器(4)，方位角度传感器(5)，电机驱动模块(7)，风速仪(8)，嵌入式微处理系统(9)和电子时钟模块(10)。

其中，光学CCD传感器(1)安装在太阳能应用系统受光面(2)上，其光轴与受光面垂直，用来感知太阳光入射方向和有/无；

方位角度传感器(5)与方位轴相连，俯仰角度传感器(4)与俯仰轴相连，用来获取方位/俯仰角度值；

风速仪(8)安装在太阳能应用系统受光面(2)附近的无遮挡位置，用于向系统提供当前风速值；

电子时钟模块(10)与用于向嵌入式微处理系统(9)提供实时时间信息；

嵌入式微处理系统(9)通过电机驱动模块(7)与方位轴驱动电机(6)/俯仰轴驱动电机(3)相连，控制系统跟踪太阳。

该控制器对太阳进行跟踪的具体方法如下：

当系统第一次进行工作时，应该尽量选择天气晴朗的上午。此时，太阳光照强度足够，光学CCD传感器(1)能够稳定感知太阳光的方向，并将采集的视频图像传送给嵌入式微处理系统(9)。嵌入式微处理系统(9)通过对视频图像分析，判断视场中太阳的位置，并通过电机驱动模块(7)控制方位轴(6)/俯仰轴驱动电机(3)运动，使太阳位于视场的中心位置。同时，在稳定跟踪太阳的前提下，每隔一分钟从方位角度(5)/俯仰角度传感器(4)中获取当前角度值，存入系统存储器中。当系统稳定跟踪太阳一段时间后，存储器中存放了足够多的角度数据。这样，这些角度数据就是今后太阳被遮挡情况下系统运动的依据。

如果当前时间早于05：00或者晚于20：00，且光学CCD传感器(1)感知不到太阳光的情况下，系统认为天已经变黑，进入“自动停止”状态。此时，方位轴(6)/俯仰轴驱动电机(3)停止运动，等待天亮。

如果当前时间超过05：00，系统从存储器中找出前一天最早稳定跟踪的角度数据，并提前半小时运动到该位置，等待太阳升起。

当太阳升起，光学CCD传感器(1)感知到太阳光的方向，系统进入“自动跟踪”状态。嵌入式微处理系统(9)通过电机驱动模块(7)控制方位轴(6)/俯仰轴驱动电机(3)运动，使太阳位于视场的中心位置。同时，在稳定跟踪太阳后，每隔一分钟从方位角度(5)/俯仰角度传感器(4)中获取当前角度值，存入系统存储器中，并对以前的角度数据进行更新。

当太阳被云层遮挡，光学CCD传感器(1)感知不到太阳光。系统进入“自动等待”状态。由于光学CCD传感器(1)的视场角足够大，能够保证太阳运动一小时不会超出视场角范围。系统会在当前位置等待一小时。如果太阳出现，自动进入“自动跟踪”状态；如果太阳不出现，系统从存储器中找出前一天中一小时后的角度数据，并运动到该位置，等待太阳升起。如果太阳仍然不出现，则每隔一小时运动一次，直到太阳出现。

不管在任何工作状态下，嵌入式微处理系统(9)都会实时从风速仪(8)中获取当前风速值。一旦当前风速值超过一定警戒值(对于不同太阳能应用系统安装架，软件可根据其防风警戒值不同进行修改)，并且持续时间超过10秒，系统马上进入“自动保护”状态，让太阳能应用系统受光面(2)处于最佳避风位置。直到风速值低于该警戒值，并且持续时间超过10分钟后，才离开“自动保护”状态，进入“自动跟踪”状态。

Claims

1.高精度全自动太阳跟踪控制器，包括光学CCD传感器，俯仰轴驱动电机，方位轴驱动电机，俯仰角度传感器，方位角度传感器，电机驱动模块，风速仪，嵌入式微处理系统和电子时钟模块，其利用安装有透光率为十万分之一的滤光片的光学CCD传感器作为太阳位置的感知设备；所述的嵌入式微处理系统实时采集光学CCD传感器的视频图像信号，通过对视频图像的分析，判断视场中太阳的位置和有/无；同时在稳定跟踪太阳情况下，每隔固定时间自动记忆当前的方位/俯仰角度值，并且每天更新一次角度信息，从而能够在太阳被遮挡的情况下，根据当前时间以及前一天记忆的角度，驱动方位/俯仰电机运动，让太阳能受光面提前停在预定位置，等待太阳出现。

2.根据权利要求1所述的高精度全自动太阳跟踪控制器，其特征在于：所述的滤光片为太阳巴德膜滤光片。

3.根据权利要求1所述的高精度全自动太阳跟踪控制器，其特征在于：所述的嵌入式微处理系统，在发现不到太阳的情况下，能够根据当前时间，判断当前状态：当前时间在日出时间之后，且在日落时间之前，表示太阳被云层遮挡，系统进入“自动等待”状态；当前时间在日出时间之前，或在日落时间之后，表示已经天黑，系统进入“自动停止”状态。

4.根据权利要求3所述的高精度全自动太阳跟踪控制器，其特征在于：所述的嵌入式微处理系统，在“自动等待”的状态下，能够根据记忆的角度，驱动方位/俯仰电机运动，让太阳能受光面提前停在预定位置，等待太阳出现。

5.根据权利要求4所述的高精度全自动太阳跟踪控制器，其特征在于：如果太阳在预定时间内出现，系统实时采集太阳的视频信号并进行自动跟踪，如果太阳被遮挡时间超过预定时间，则每隔固定时间更新一次位置。

6.根据权利要求3所述的高精度全自动太阳跟踪控制器，其特征在于：所述的嵌入式微处理系统，在“自动停止”的状态下，让太阳能受光面停在前一天最早发现太阳的位置，等待第二天太阳出来。

7.根据权利要求1所述的高精度全自动太阳跟踪控制器，其特征在于：所述的嵌入式微处理系统，在任何工作状态下，始终从风速仪获取当前风速值；一旦当前风速值超过一定警戒值，马上驱动方位/俯仰电机运动，让太阳能受光面处于最佳避风位置，直到风速值低于该警戒值一定时间后，才开始正常工作。

8.根据权利要求3所述的高精度全自动太阳跟踪控制器，其特征在于：所述的嵌入式微处理系统，在任何工作状态下，始终从风速仪获取当前风速值。一旦当前风速值超过一定警戒值，马上驱动方位/俯仰电机运动，让太阳能受光面处于最佳避风位置，直到风速值低于该警戒值一定时间后，才开始正常工作。