CN104977942A - 一种太阳位置检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳位置检测装置，属于太阳能发电和检测技术领域。其特征在于在太阳位置定位跟踪装置设置有三个平行平面的箱型框架，最上层是用不透光材料制作的遮光平层，其平面上开有相互垂直的两个长方形通孔，纵向通孔内安装有第一凸透柱面镜，横向通孔内安装有第二凸透柱面镜，在第一、第二凸透柱面镜的焦平面位置上设置为用透光材料制作的成像平层，最下层为底平层，上面装有数字信号处理电路和带透镜的图像传感器。通过检测太阳光照线在成像平层的投影亮线段和原始亮线段之间的距离，并结合凸透柱面镜的焦距，计算得出太阳的位置。

Description

一种太阳位置检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于太阳能发电和检测技术领域，具体涉及一种太阳位置检测装置及检测方法。

技术背景

我国光能资源分布较为均匀，与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠，除大规模并网发电和离网应用外，太阳能还可以通过蓄电池、制氢等多种方式储存，太阳能加蓄能几乎可以满足中国未来稳定的能源需求。据统计，我国76％的土地光照充沛，而近年我国太阳能发电量，占我国发电总量不到1％。所以，太阳能发电发展空间非常大。

世界上已经商业化并开始规模化推广应用的太阳能发电技术主要有太阳能光伏发电和太阳能光热发电。太阳能光伏发电技术中，太阳能聚光光伏发电技术在美国、欧洲等国家和地区发展迅速。聚光光伏(CPV)太阳能系统(以下简称CPV太阳能系统)是指利用透镜或反射镜等光学元件，将大面积的阳光汇聚到一个极小的面积上，再将汇聚后的太阳光通过高转化效率的光伏电池直接转化为电能，其优势在于：1)、节省昂贵的半导体材料：CPV通过提高聚光倍数的方式，减少了光伏电池的使用量。2)、提升光电转换效率：CPV太阳能系统采用砷化镓电池并依靠太阳追踪系统实现更高的光电转换效率。

3)、极高的规模化潜力：CPV太阳能系统因其光电转换效率高、占地面积小等特点。

对于CPV太阳能系统，光能利用效率随着聚光倍率的增高而提升，使成本降低明显，但是，CPV太阳能系统对太阳入射角度的精度要求也越高，因此太阳追踪系统的功能就是追踪太阳的运行轨迹，确保聚光光斑落在砷化镓电池上。根据相关研究，对于聚光倍率为400倍的CPV太阳能系统，如果入射角偏离0.5度，光学效率将降为36％。国际上高效CPV太阳能系统的聚光倍率大约在250倍-1000倍，最高的达到了1200倍。当超过800倍的CPV太阳能系统模组，对追日跟踪技术提出了挑战。

现有太阳的跟踪系统检测太阳的位置方法有三种，一种是“星历”法，即利用太阳运行随时间变化的精确位置或轨迹表对太阳位置定位，这种定位方式依赖历史数据，不实时检测太阳位置，误差较大；第二种是传感器法，即利用光敏器件检测太阳的位置，其中，采用光电二极管和三极管以及光敏电阻居多，具有结构简单、元器件特性差和检测精度低的缺点；第三种采用图像传感器检测太阳位置的跟踪系统，即分析太阳成像于图像传感器的位置来确定太阳的实际位置，这种检测方法算法复杂、对硬件性能要求较高、成本较高。

发明内容

本发明目的是提供一种太阳位置检测装置及检测方法，可以有效地克服现有技术存在的缺点。

本发明是这样实现的，其特征在于太阳位置检测装置的结构如图1所示，在聚光型太阳能光伏电池板1上垂直固定安装有太阳位置定位跟踪装置3，光伏电池板1下面支撑在底座2上。所述的太阳位置定位跟踪装置3的构造图如2所示，设置有三个平行平面的箱型框架13，最上层是用不透光材料制作的遮光平层6，其平面上开有相互垂直的两个长方形通孔，纵向通孔内安装有第一凸透柱面镜4，横向通孔内安装有第二凸透柱面镜5，在第一、第二凸透柱面镜4、5的焦平面位置上设置为用透光材料制作的成像平层7，最下层为底平层10，上面装有数字信号处理电路12和带透镜的图像传感器11。

使用太阳位置检测装置的检测方法是：

1、如图1、2所示，将一可产生平行光束的基准光源放置在太阳位置定位跟踪装置3的上方位，并调整基角度使其产生的平行光束与遮光平层6垂直，通过图像传感器11和信号处理电路12记录下平行光束经过第一、第二凸透柱面镜4、5后在成像平层7上分别形成的第一、第二原始亮线段8、9的位置；

2、如图2、3所示，将太阳位置定位跟踪检测装置3放置在太阳光照下，第一、第二凸透柱面镜4、5在遮光平层6上分别产生第一、第二太阳光照线14、14’,在三维坐标空间内，第一太阳光照线14在Z-X平面内的分解投影线段15与Z轴的夹角为α，第二太阳光照线14’在Z-Y平面内的分解投影线段15’与Z轴的夹角为β；

3、由第一、第二凸透柱面镜4、5分别产生的第一、第二太阳光照线14、14’在成像平层7上面的投影分别为第一、第二亮线段16、18，第一、第二亮线段16、18与第一、第二原始亮线段8、9之间的距离分别为Dx和Dy，计算公式分别为：

$\begin{array}{cc}a={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{Dx}{f}...\left(1\right)& b={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{Dy}{f}...\left(2\right)\end{array}$

式中f为第一、第二凸透柱面镜的焦距。

本发明的优点和积极效果是：本发明的光学系统的凸透柱面镜将太阳成像为两条垂直交叉的亮线段，图像传感器实时采集两条亮线段的信息，并扫描两条亮线段垂直且交叉的像素点，对这些像素点信息进行二值化，简单运算后即可得到亮线段中轴线位置信息，从而给出太阳的方位偏移，不需要复杂的图像处理算法，大大提高了装置的检测精度和检测实时性，可降低对数字处理芯片的性能要求，以及降低成本。

附图说明：

图1为本发明太阳位置检测装置示意图；

图2为太阳位置定位跟踪装置示意图；

图3为第一、第二凸透柱面镜分别在遮光平层和成像平层上面的光照线段投影示意图；

图4为第一、第二凸透柱面镜分别在成像平层上的像素点示意图；

图中，1-光伏电池板；2-底座；3-太阳位置定位跟踪装置；4、5-第一、第二凸透柱面镜；6-遮光平层；7-成像平层；8、9-第一、第二原始亮线段；10-底平层；11-图像传感器；12-数字信号处理电路；13-箱型框架；14-第一太阳光照线；14’-第二太阳光照线；15-第一太阳光照线14在Z-X平面上的投影；15’-第二太阳光照线14’在Z-Y平面上的投影；16-第一亮线段；17-第二亮线段；18-第一像素点；19-第二像素点；M-图像传感器的行像素点数；N-图像传感器的列像素点数；f-第一、第二凸透柱面镜焦距；α-第一光照线与Z轴的夹角；β-第二光照线与Z轴的夹角；Dx-第一原始点亮线段8与第一亮线段16之间的距离；Dy-第二原始点亮线段9与第二亮线段17之间的距离；

具体实施方式

本发明太阳位置检测装置如图1所示。在聚光型太阳能光伏电池板1上垂直地装有太阳位置定位跟踪装置3，太阳位置定位跟踪装置3的构造如图2所示，设置有三个平面的箱型框架13，最上层是用不透光材料制作的遮光平层6，其平面上开有相互垂直的两个长方形通孔，纵向通孔内安装有第一凸透柱面镜4，横向通孔内安装有第二凸透柱面镜5，在第一、第二凸透柱面镜4、5的焦平面位置上是用透光材料制作的成像平层7，最下层为底平层10，上面装有CCD或CMOS结构、分辨率为3264×2448＝7990272像素的图像传感器11和数字信号处理电路12。

使用上述装置的检测方法是，包括如下步骤：

步骤1：如图1、2所示：将可以产生平行光束的基准光源置于太阳位置定位跟踪装置3中遮光平层6上方，调整其角度，使其产生的平行光束与遮光平层6垂直，用带透镜的图像传感器11和数字信号处理电路12记录下光线经过第一、第二凸透柱面镜4、5在成像平层7上形成的第一、第二原始点亮线段8、9的位置，然后将太阳位置检测装置放置在太阳光线照射下。

如图3所示，对于任意入射角度第一、第二太阳光照线14、14’，在三维坐标Z-X平面和Z-Y平面上的投影15、15’；其中，第一光太阳光照线在Z-X平面上的投影15与第一凸透柱面镜4的法线即Z轴夹角为α，第二太阳光照线在Z-Y平面上的投影15’与第二凸透柱面镜5的法线即Z轴夹角为β；

当第一太阳光照线14在Z-X平面上的投影15通过第一凸透柱面镜4在暗箱中的成像平层7上聚焦出位置确定的第一亮线段16，第一亮线段16与原始点亮线段8之间的距离为Dx；第二太阳光照线14’在Z-Y平面上的投影15’通过第二凸透柱面镜5在暗箱中的成像平层7上聚焦出位置确定的第二亮线段17，第二亮线段17与原始亮线段9之间的距离为Dy；

第一、第二亮线段16、17的位置和太阳的俯仰角存在着对应关系，即，根据Dx和Dy就可以计算得出太阳的位置；

步骤2：如图4所示，如果采用以分辨率为3264×2448＝7990272像素图像传感器、成像平层7的长宽为与图像传感器分辨率比例对应的120mm×156mm，如图4所示，可根据图像传感器的分辨率将成像平层7划分成M×N个区域，其中M＝2448，N＝3264，通过扫描特定位置的第一像素点18和第二像素点19，对第一、第二亮线段16、17的与位置有关的亮度信息进行采集；

步骤3：数字信号处理电路处理采集回的信息，计算得到第一、第二亮线段16、17的中轴线坐标。

数字信号处理电路首先将第二像素点19中的所有像素点信息进行二值化，根据结果找到第一亮线段16边缘像素点的横坐标X₁和X₂，例如，二值化以后第二像素点19自左向右的第590～610像素点和第1600～1900像素点为逻辑1，该行的其他像素点为逻辑0。根据凸透柱面镜位置可知，连续逻辑1较窄的区域代表第一亮线段16的宽度，在第二亮线段17纵向偏离第二像素点19较多时，会出现只有一个连续逻辑1区域的情况，该区域即为第一亮线段16的宽度。通过公式X＝(X₁+X₂)/2，第一亮线段16的中轴线位置在第(590+610)/2＝600个像素点处。

设第一原始点亮线段8的中轴线在第二像素点19的第612个像素点处，则第一原始点亮线段8和第一亮线段16之间的距离有12个像素点，所代表距离为Dx＝12×(156/3264)＝0.57mm。设第一凸透柱面镜4的焦距f＝80mm，根据Dx和α关系式可计算出α。

步骤4：数字信号处理电路首先将第一像素点18中的所有像素点信息进行二值化，根据结果找到第二亮线段17边缘像素点的横坐标Y₁和Y₂，例如：二值化以后第一像素点18自上向下的第990～1010像素点为逻辑1，该列的其他像素点为逻辑0，逻辑1的区域与第二亮线段17的宽度有关，通过公式Y＝(Y₁+Y₂)/2，第二亮线段17的中轴线位置在第(990+1010)/2＝1000个像素点处。

设第二原始点亮线段9的中轴线在第一像素点18的第1220个像素点处，则第二原始点亮线段9和第二亮线段17之间的距离有220个像素点，所代表距离为D_Y＝220×(120/2448)＝10.78mm。设凸透柱面镜5的焦距f＝80mm，根据D_Y和β关系式可计算出。

Claims (2)

1.一种太阳位置检测装置，其特征是在聚光型太阳能光伏电池板(1)上垂直固定安装有太阳位置定位跟踪装置(3)，光伏电池板(1)下面支撑在底座(2)上，所述的太阳位置定位跟踪装置(3)的构造是设置有三个平行平面的箱型框架(13)，最上层是用不透光材料制作的遮光平层(6)，其平面上开有相互垂直的两个长方形通孔，纵向通孔内安装有第一凸透柱面镜(4)，横向通孔内安装有第二凸透柱面镜(5)，在第一、第二凸透柱面镜(4、5)的焦平面位置上设置为用透光材料制作的成像平层(7)，最下层为底平层(10)，上面装有数字信号处理电路(12)和带透镜的图像传感器(11)。

2.一种太阳位置检测装置的检测方法，其特征在于实施步骤如下：

<1>、将一可产生平行光束的基准光源放置在太阳位置定位跟踪装置(3)的上方位，并调整基角度使其产生的平行光束与遮光平层(6)垂直，通过图像传感器(11)和信号处理电路(12)记录下平行光束经过第一、第二凸透柱面镜(4、5)后在成像平层(7)上分别形成的第一、第二原始亮线段(8、9)的位置；

<2>、将太阳位置定位跟踪检测装置(3)放置在太阳光照下，第一、第二凸透柱面镜(4、5)在遮光平层(6)上分别产生第一、第二太阳光照线(14、14’),在三维坐标空间内，第一太阳光照线(14)在Z-X平面内的分解投影线段(15)与Z轴的夹角为α，第二太阳光照线(14’)在Z-Y平面内的分解投影线段(15’)与Z轴的夹角为β；

<3>、由第一、第二凸透柱面镜(4、5)分别产生的第一、第二太阳光照线(14、14’)在成像平层(7)上面的投影分别为第一、第二亮线段(16、18)，第一、第二亮线段(16、18)与第一、第二原始亮线段(8、9)之间的距离分别为Dx和Dy，计算公式分别为：

$\begin{array}{cc}a={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{Dx}{f}\mathrm{...}\left(1\right)& b={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{Dy}{f}\mathrm{...}\left(2\right)\end{array}$

式中f为第一、第二凸透柱面镜的焦距。