CN103840757B - 用于光伏发电设备的太阳跟踪方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能技术领域,具体的说是涉及一种基于视频流处理的用于光伏发电设备的太阳跟踪方法及装置。本发明的太阳跟踪方法,主要步骤为:通过图像采集装置1实时采集太阳光图像信息,并将采集到的图像信息发送到处理器2;处理器2根据接收到的图像信息获取太阳实时位置坐标,并根据太阳实时位置坐标判断是否需要进行跟踪控制,处理器控制跟踪模块3进行转动,带动太阳能电池组件4,使太阳能电池组件4中的太阳能电池板与太阳光线垂直。本发明的有益效果为,能够精确的对太阳进行实时跟踪,有效提高了太阳能装置对太阳的利用率,促进太阳能装置的发展。本发明尤其适用于光伏发电设备。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域,具体的说是涉及一种基于视频流处理的用于光伏发电设备的太阳跟踪方法及装置。
背景技术
目前大部分太阳能发电系统中所安装的太阳能电池板均采用固定安装位置和角度的方式,然而由于太阳光光照方向和强度随着时间不断变化,这就使得太阳光资源没有得到充分的利用。因此,要想提高太阳能发电系统的能量转换效率,就要使用太阳跟踪技术。尤其在聚光太阳能发电系统中,实现对太阳的高精度实时跟踪是至关重要的。
目前主流的太阳跟踪器,其跟踪机制是使用两边安装有感光器件的平直挡板,利用两边感光器件输出值的差分实现跟踪,类似的差动法太阳跟踪器亦可以通过其他方式实现。在公开号为CN201335551Y的中国专利中,采用油压千斤顶及其中的缸体、升降杆、压力杆和调节阀构成一种压差式自动跟踪器。在公开号为CN201274018Y的中国专利中,采用金属管及其中的工质、C型管构成一种温差式太阳光跟踪装置。
然而,差动法跟踪机制对系统的安装精度要求很高,造成安装难度较大,因此部分产品甚至带有GPS定位系统以辅助安装,从而造成跟踪系统成本的大幅上升。此外,该类跟踪系统在后续运行中的调校也较为困难。并且,传感器件的老化程度的不一致也会影响到跟踪精度。
发明内容
本发明所要解决的,就是针对上述传统太阳跟踪装置存在的问题,提出了一种能精确地跟踪太阳位置的跟踪方法及装置。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:用于光伏发电设备的太阳跟踪方法,其特征在于,包括以下步骤:
a.通过图像采集装置1实时采集太阳光图像信息,并将采集到的图像信息发送到处理器2;
b.处理器2根据接收到的图像信息获取太阳实时位置坐标,并根据太阳实时位置坐标判断是否需要进行跟踪控制,若是,则进入步骤c,若否,则回到步骤a;
c.处理器控制跟踪模块3进行转动,带动太阳能电池组件4,使太阳能电池组件4中的太阳能电池板表面与太阳光线垂直。
具体的,步骤a中通过图像采集装置1实时采集太阳光图像信息的具体方法为:
图像采集装置1包括滤光片5、小孔和图像传感器6,太阳光通过滤光片5后再通过小孔照射到图像传感器6上,图像传感器6采集从小孔中透出的太阳光斑图像。
具体的,步骤b还包括以下步骤:
b1.处理器2将采集得到的太阳光斑图像的每个像素均与灰度阈值进行比较,大于等于灰度阈值的标记为目标类,小于灰度阈值的标记为背景类,对标记为目标类的像素进行积分,得到太阳实时坐标(X,Y);
b2.将太阳实时坐标(X,Y)与图像传感器6中心坐标(X1,Y1)进行比较,得出坐标差(ΔX,ΔY);
b3.判断坐标差(ΔX,ΔY)是否为0,若是,则回到步骤a,若否,则进入步骤c。
具体的,所述灰度阈值具体算法为:
假设图像f(x,y)灰度级范围为[0,L],当灰度值为T时,将图像分为两类C0=[0,T]和C1=[T+1,L-1],概率分别为W0和W1,则整体图像的平均灰度值t=W0.μ0+W1.μ1,其中μ0,μ1为两类图像的平均灰度值,方差δ2 (t)=W0(μ0-μ)2+W1(μ1-μ)2,使δ2 (t)取最大值的T为灰度阈值,u是图像f(x,y)灰度级范围[0,L]时的平均灰度值。
具体的,步骤c中处理器2控制跟踪模块3进行转动的具体方法为:
所述跟踪模块3包括水平旋转模块和竖直旋转模块,所述水平旋转模块和竖直旋转模块均包括步进电机,所述步进电机每步转过的距离为(ΔX',ΔY'),根据坐标差(ΔX,ΔY)得出步进电机转动的步数其中m为水平旋转模块转动步数,n为水平旋转模块转动步数,处理器2将步进电机需要转动的步数(m,n)转换为脉冲信号发送到步进电机,控制步进电机转动。
用于光伏发电设备的太阳跟踪装置,其特征在于,包括图像采集装置1、处理器2、跟踪模块3和太阳能电池组件4,所述图像采集装置1设置在太阳能电池组件4上,所述处理器2分别与图像采集装置1和跟踪模块3连接,所述太阳能电池组件4与跟踪模块3连接;其中,
图像采集装置1用于采集太阳光图像信息,并将采集到的图像信息发送到处理器2;
处理器2根据接收到的图像信息获取太阳实时位置坐标,并控制跟踪模块3进行太阳跟踪控制;
跟踪模块3根据处理器2的控制进行转动,带动太阳能电池组件4转动,使太阳能电池组件4中的太阳能电池板与太阳光线垂直。
具体的,所述图像采集装置1包括滤光片5、小孔和图像传感器6,所述小孔设置在滤光片5与图像传感器6之间并紧贴滤光片5。
具体的,所述太阳能电池组件4包括太阳能电池板,所述太阳能电池板与图像传感器6的表面处于同一水平面。
具体的,所述跟踪模块3包括水平旋转模块和竖直旋转模块,所述竖直旋转模块包括竖直步进电机12、蜗轮8、蜗杆9、蜗轮轴11、蜗轮支承座13、蜗杆支承座10和支撑法兰7,所述太阳能电池板设置在支撑法兰7上,所述蜗轮8通过蜗轮轴11活动固定在蜗轮支承座13上端,支撑法兰7与蜗轮8固定连接,所述蜗杆9分别与竖直步进电机12、蜗轮8、蜗杆支承座10和蜗轮支承座13连接,使竖直步进电机12转动时可通过蜗杆9带动蜗轮8转动,使与蜗轮8固定连接的支撑法兰7发生竖直方向上的位移;
所述水平旋转模块包括水平电机16、电机法兰15和竖直支撑法兰14,所述水平电机16通过轴承穿过电机法兰15与竖直支撑法兰14连接,水平电机16转动时通过轴承带动竖直支撑法兰14转动,所述竖直旋转模块固定在竖直支撑法兰14的上端面。
本发明的有益效果为,能够精确的对太阳进行实时跟踪,有效提高了太阳能装置对太阳的利用率,促进太阳能装置的发展。
附图说明
图1为本发明的太阳跟踪装置结构示意图;
图2为本发明的图像采集装置工作原理示意图;
图3为本发明的竖直旋转模块结构示意图;
图4为本发明的水平旋转模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图,详细描述本发明的技术方案:
本发明采用图像处理和视日运动轨迹相结合的方式进行跟踪,首先根据太阳运行轨迹方程,计算出当前时间和当前地理位置太阳的高度角和方位角,驱动步进电机转动对系统进行初始化,使阳光斑图像落在CCD图像传感器能够采集到的范围内。
如图1所示,本发明的用于光伏发电设备的太阳跟踪装置,包括图像采集装置1、处理器2、跟踪模块3和太阳能电池组件4,所述图像采集装置1设置在太阳能电池组件4上,所述处理器2分别与图像采集装置1和跟踪模块3连接,所述太阳能电池组件4与跟踪模块3连接;其中,
图像采集装置1用于采集太阳光图像信息,并将采集到的图像信息发送到处理器2;
处理器2根据接收到的图像信息获取太阳实时位置坐标,并控制跟踪模块3进行太阳跟踪控制;
跟踪模块3根据处理器2的控制进行转动,带动太阳能电池组件4转动,使太阳能电池组件4中的太阳能电池板与太阳光线垂直。
如图2所示,所述图像采集装置1包括滤光片5、小孔和图像传感器6,所述小孔设置在滤光片5与图像传感器6之间并紧贴滤光片5,图像传感器6采集从小孔中透出的太阳光斑图像。
如图3所示,所述跟踪模块3包括水平旋转模块和竖直旋转模块,所述竖直旋转模块包括竖直步进电机12、蜗轮8、蜗杆9、蜗轮轴11、蜗轮支承座13、蜗杆支承座10和支撑法兰7,所述太阳能电池板设置在支撑法兰7上,所述蜗轮8通过蜗轮轴11活动固定在蜗轮支承座13上端,支撑法兰7与蜗轮8固定连接,所述蜗杆9分别与竖直步进电机12、蜗轮8、蜗杆支承座10和蜗轮支承座13连接,使竖直步进电机12转动时可通过蜗杆9带动蜗轮8转动,使与蜗轮8固定连接的支撑法兰7发生竖直方向上的位移。
如图4所示,所述水平旋转模块包括水平电机16、电机法兰15和竖直支撑法兰14,所述水平电机16通过轴承穿过电机法兰15与竖直支撑法兰14连接,水平电机16转动时通过轴承带动竖直支撑法兰14转动,所述竖直旋转模块固定在竖直支撑法兰14的上端面。
本发明的工作原理为:
跟踪系统初始化,初始化操作亦可通过手工完成,具体做法如下:处理器2输出指令,控制跟踪装置3对天空进行扫描,找到使聚光系统输出功率最大的方位,此时可认为聚光器已正对太阳;
保持跟踪装置3方位不变,调整图像采集装置1方向,使其基本对准太阳后,固定图像采集装置1。该步骤不要求高精度,只需太阳光斑图像完全落于CCD图像采集传感器6上即可;
太阳光透过滤光片通过小孔成像于CCD图像采集传感器6上,CCD图像传感器将采集到的太阳光斑图像信息传送给处理器,处理器将其换算为步进电机所需的脉冲数。
处理器采用阈值分割法对灰度图像进行分割,先确定图像灰度值取值范围内的灰度阈值,将各像素与该阈值进行比较,大于或等于阈值的为一类,小于或等于阈值的为另一类,产生相应的二值图像。对超过阈值的像素进行积分处理,得到太阳光斑图像的质心坐标。具体为:假设图像f(x,y)灰度级范围为[0,L],当灰度值为T时,将图像分为两类C0=[0,T]和C1=[T+1,L-1],概率分别为W0和W1,则整体图像的平均灰度值t=W0.μ0+W1.μ1,其中μ0,μ1为两类图像的平均灰度值,方差δ2 (t)=W0(μ0-μ)2+W1(μ1-μ)2使δ2 (t)取最大值的T,为灰度阀值。处理器2将采集得到的太阳光斑图像的每个像素均与灰度阈值进行比较,大于等于灰度阈值的标记为目标类,小于灰度阈值的标记为背景类,对标记为目标类的像素进行积分,得到太阳实时坐标(X,Y);将太阳实时坐标(X,Y)与图像传感器6中心坐标(X1,Y1)进行比较,得出坐标差(ΔX,ΔY),然后将像素坐标差转换为两轴步进电机需要转动的步数(m,n)。
处理器2对所述高度角偏差和方位角偏差进行换算并输出电机所需的脉冲数。
步进系统中的控制器将接受到的处理器2发出的连续变化的脉冲信号送给环形分配器,环形分配器将脉冲信号按一定的顺序进行分配,分配器对脉冲信号进行功率放大处理并输出标准的TTL电平太阳方位信号,然后输送给步进电机。
步进电机转动按照处理器输出的脉冲信号转动,带动竖直旋转模块和水平旋转模块进行转动。
竖直旋转模块和水平旋转模块调整太阳能电池板的高度角和方位角,直至太阳所成像的中心点坐标与基准坐标重合,或者角度偏差小于跟踪精度要求。
Claims (4)
1.用于光伏发电设备的太阳跟踪方法,其特征在于,包括以下步骤:
a.通过图像采集装置(1)实时采集太阳光图像信息,并将采集到的图像信息发送到处理器(2);所述通过图像采集装置(1)实时采集太阳光图像信息的具体方法为:
图像采集装置(1)包括滤光片(5)、小孔和图像传感器(6),太阳光通过滤光片(5)后再通过小孔照射到图像传感器(6)上,图像传感器(6)采集从小孔中透出的太阳光斑图像;
b.处理器(2)根据接收到的图像信息获取太阳实时位置坐标,并根据太阳实时位置坐标判断是否需要进行跟踪控制,若是,则进入步骤c,若否,则回到步骤a,具体为:
b1.处理器(2)将采集得到的太阳光斑图像的每个像素均与灰度阈值进行比较,大于等于灰度阈值的标记为目标类,小于灰度阈值的标记为背景类,对标记为目标类的像素进行积分,得到太阳实时坐标(X,Y);
b2.将太阳实时坐标(X,Y)与图像传感器(6)中心坐标(X1,Y1)进行比较,得出坐标差(ΔX,ΔY);
b3.判断坐标差(ΔX,ΔY)是否为0,若是,则回到步骤a,若否,则进入步骤c;
c.处理器控制跟踪模块(3)进行转动,带动太阳能电池组件(4),使太阳能电池组件(4)中的太阳能电池板表面与太阳光线垂直。
2.据权利要求1所述的用于光伏发电设备的太阳跟踪方法,其特征在于,所述灰度阈值具体算法为:
假设图像f(x,y)灰度级范围为[0,L],当灰度值为T时,将图像分为两类C0=[0,T]和C1=[T+1,L-1],概率分别为W0和W1,则整体图像的平均灰度值t=W0.μ0+W1.μ1,其中μ0,μ1为两类图像的平均灰度值,方差δ2 (t)=W0(μ0-μ)2+W1(μ1-μ)2,使δ2 (t)取最大值的T为灰度阈值,μ为图像f(x,y)灰度级范围为[0,L]时的平均灰度值。
3.据权利要求2所述的用于光伏发电设备的太阳跟踪方法,其特征在于,步骤c中处理器(2)控制跟踪模块(3)进行转动的具体方法为:
所述跟踪模块(3)包括水平旋转模块和竖直旋转模块,所述水平旋转模块和竖直旋转模块均包括步进电机,所述步进电机每步转过的距离为(ΔX',ΔY'),根据坐标差(ΔX,ΔY)得出步进电机转动的步数(m,n),其中m为水平旋转模块转动步数,n为水平旋转模块转动步数,处理器(2)将步进电机需要转动的步数(m,n)转换为脉冲信号发送到步进电机,控制步进电机转动。
4.用于光伏发电设备的太阳跟踪装置,其特征在于,包括图像采集装置(1)、处理器(2)、跟踪模块(3)和太阳能电池组件(4),所述图像采集装置(1)设置在太阳能电池组件(4)上,所述处理器(2)分别与图像采集装置(1)和跟踪模块(3)连接,所述太阳能电池组件(4)与跟踪模块(3)连接;其中,
图像采集装置(1)用于采集太阳光图像信息,并将采集到的图像信息发送到处理器(2);
处理器(2)根据接收到的图像信息获取太阳实时位置坐标,并控制跟踪模块(3)进行太阳跟踪控制;
跟踪模块(3)根据处理器(2)的控制进行转动,带动太阳能电池组件(4)转动,使太阳能电池组件(4)中的太阳能电池板与太阳光线垂直;所述图像采集装置(1)包括滤光片(5)、小孔和图像传感器(6),所述小孔设置在滤光片(5)与图像传感器(6)之间并紧贴滤光片(5);所述太阳能电池组件(4)包括太阳能电池板,所述太阳能电池板与图像传感器(6)的表面处于同一水平面;所述跟踪模块(3)包括水平旋转模块和竖直旋转模块,所述竖直旋转模块包括竖直步进电机(12)、蜗轮(8)、蜗杆(9)、蜗轮轴(11)、蜗轮支承座(13)、蜗杆支承座(10)和支撑法兰(7),所述太阳能电池板设置在支撑法兰(7)上,所述蜗轮(8)通过蜗轮轴(11)活动固定在蜗轮支承座(13)上端,支撑法兰(7)与蜗轮(8)固定连接,所述蜗杆(9)分别与竖直步进电机(12)、蜗轮(8)、蜗杆支承座(10)和蜗轮支承座(13)连接,使竖直步进电机(12)转动时可通过蜗杆(9)带动蜗轮(8)转动,使与蜗轮(8)固定连接的支撑法兰(7)发生竖直方向上的位移;
所述水平旋转模块包括水平电机(16)、电机法兰(15)和竖直支撑法兰(14),所述水平电机(16)通过轴承穿过电机法兰(15)与竖直支撑法兰(14)连接,水平电机(16)转动时通过轴承带动竖直支撑法兰(14)转动,所述竖直旋转模块固定在竖直支撑法兰(14)的上端面。
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