CN107621664A - 一种用于太阳能采集区域的云遮预判装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于太阳能采集区域的云遮预判装置，包括：保护罩(1)、云台(2)、控制中心，以及相机；其中，所述云台(2)上安装有相机与保护罩(1)，所述相机位于保护罩(1)的内部，所述相机与所述云台(2)分别与控制中心通过数据线连接；控制中心能够对所述云台(2)进行控制，使所述云台(2)不断调整方位和俯仰角；还能够对相机所采集的图像进行分析，得到云遮预判的结果。

Description

一种用于太阳能采集区域的云遮预判装置与方法

技术领域

本发明涉及太阳能利用领域，特别涉及一种用于太阳能采集区域的云遮预判装置与方法。

背景技术

在绿色减排已经成为大势所趋的今天，太阳能作为一种清洁、无污染、取之不尽用之不竭的绿色能源已经被人们广泛利用，成为新能源的主流。目前分布广泛的光伏发电、正在迅速崛起的太阳能热利用都是太阳能利用的典型方式。

太阳光资源是影响太阳能利用效率的重要因素，而云层遮蔽对太阳光资源有着十分严重的影响。对云遮情况进行预判，对提高太阳能利用效率能够起到很大的作用。

以太阳能热利用中的塔式太阳能热发电为例：塔式太阳能热发电需要将太阳光聚焦到中央高塔上的集热器来进行集热发电；若发生云层遮蔽将会导致集热器所接收的能量骤降骤升，热应力的突然变化会对集热器腔体形成破坏，甚至造成集热器破裂；若能预测云层遮蔽，技术人员就能提前采取保护措施，从而显著延长集热器的使用寿命，保障发电系统输出的稳定性。

目前云层监测的主要手段包括人工观测、云影探测和测云雷达。人工探测的准确度与观测人员的技能和经验有关，且在复杂云况下难以做到准确预测。云影探测和测云雷达的实施成本较高。近年来，基于图像处理的云层监测技术受到广泛关注，包括：基于卫星成像的云层图像识别、基于地面成像的全天空图像处理。基于卫星成像的云层图像识别需要依赖卫星提供数据，实施成本高、图像采集和处理过程复杂、拍摄周期长。全天空成像处理原本应用于气象观测，用于云遮预判时具有图像像素较低、太阳附近区域观测效果较差的缺陷。

在参考文献1“基于云层图像的塔式太阳能热发电能量预测方法；太阳能学报第36卷第11期；李德文、宓霄凌、黄文君、张鹏、田军”中，李德文等人提出了云层遮挡判定的方法。该方法在实现云层遮挡判定时基于太阳光线方向、太阳投射角度、镜场区域形状、云层高度等信息实现镜场平面在相机成像平面的投影，然后通过云层位置在当前或未来某一时刻是否在镜场区域投影的内部来判断云层遮蔽情况。这一方法在理论上十分完善，但在实际操作中有以下缺陷：1、在该方法中必须要用到云层高度这一数据，而用于测量云层高度的装置价格较为昂贵，这就增加了成本；2、在实际测量时，云是实时、经常性变化的，由于被测量对象本身的易变性，使得该方法即使采用昂贵设备对云做精确测量，根据该精确测量结果也很难精确预测出几分钟后云遮的具体情况，即参考文献1中所描述的现有方法测量成本高但预测效果却并不明显。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的云遮预测设备成本高昂而预测效果并不明显的缺陷，从而提供一种成本低、具有较高性价比的预测设备。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于太阳能采集区域的云遮预判装置，包括：保护罩1、云台2、控制中心，以及相机；其中，所述云台2上安装有相机与保护罩1，所述相机位于保护罩1的内部，所述相机与所述云台2分别与控制中心通过数据线连接；

所述控制中心能够对所述云台2进行控制，使所述云台2不断调整方位和俯仰角；还能够对相机所采集的图像进行分析，得到云遮预判的结果。

上述技术方案中，还包括一立柱，所述云台2放置在该立柱上。

上述技术方案中，所述保护罩1成喇叭形，上端直径大、下端直径小，所述保护罩1的顶端面采用透光材料制成，其侧面采用不透光材料制成。

上述技术方案中，所述相机位于所述保护罩1内部，所述相机的镜头面向所述保护罩1的顶端面，使得相机的镜头能够捕捉到外部入射的太阳光。

上述技术方案中，所述保护罩1顶端面的中心位置处附着遮光片6。

上述技术方案中，所述控制中心在做云遮预判时，首先对相机所拍摄的图像进行处理，包括降噪，云层边缘检测；然后以所拍摄图像中的太阳所在位置为中心，相隔一定的圆周角度将该图像切割成多个部分，判断每一个部分的云的运动情况；最后，综合各个部分的云的运动情况，对图像做云层运动检测，得到云层预计遮挡太阳的起始时间、结束时间在内的信息。

本发明还提供了基于所述的用于太阳能采集区域的云遮预判装置所实现的云遮预判方法，包括：

步骤1)、跟踪太阳运行轨迹，对太阳附近的天空图像做连续采集；

步骤2)、对步骤1)所采集的多帧图像进行处理，包括降噪，云层边缘检测；

步骤3)、以步骤2)所得到图像中的太阳所在位置为中心，相隔一定的圆周角度将该图像切割成多个部分，判断每一个部分的云的运动情况；

步骤4)、综合各个部分的云的运动情况，对图像做云层运动检测，得到云层预计遮挡太阳的起始时间、结束时间在内的信息。

上述技术方案中，所述步骤3)进一步包括：

步骤3-1)、以图像中太阳所在位置为中心，沿着圆周方向每隔一定角度对图像进行切分，从而将图像切割成多个运动通道；

步骤3-2)、判断每一个运动通道内云的运动情况，包括：在该运动通道内检测距离太阳所在位置最近的云的两个边缘点，其中距离太阳所在位置最近的边缘点记为边缘点A，距离太阳所在位置最远的边缘点记为边缘点B；将边缘点A和边缘点B在前后多个帧内的位置数据分别予以记录，通过这些位置数据得到对应的运动通道内云是向着太阳移动还是远离太阳，以及云的运动速度，进而推算出该运动通道内的云若会遮挡太阳，则遮挡太阳的起始时间、结束时间以及遮挡时长。

上述技术方案中，图像被切割成运动通道的数目为180个通道或360个通道或720个通道。

上述技术方案中，所述步骤4)包括：在综合各个部分的云的运动情况从而对整个图像做云层运动预测时，将所有部分内最先要遮挡太阳的云的遮挡起始时间、结束时间作为最终结果。

本发明的优点在于：

1、本发明明显降低了预测成本。

2、本发明实现简单、计算量小，结合云实时、经常性变化这一特点，摒弃了一些不必要的精确计算，在降低预测成本与预测复杂度的同时并未降低预测的准确性，起到了很好的效果。

附图说明

图1是本发明的云遮预判装置的正视图；

图2是本发明的云遮预判装置的立体视图；

图3是本发明的云遮预判装置的俯视图；

图4是图像做云层运动检测时，对图像做切割的示意图；

图5是本发明的云遮预判方法的流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图1和图2，本发明的云遮预判装置包括：保护罩1、云台2、控制中心(未在图中示出)，以及相机(未在图中示出)；其中，所述云台2上安装有相机与保护罩1，所述相机位于保护罩1的内部，所述相机与云台2分别与控制中心通过数据线连接。

下面对云遮预判装置的各个部件做进一步的说明。

如图1和图2所示，所述保护罩1成喇叭形，上端直径大、下端直径小，保护罩1的顶端面采用透光材料(如玻璃)制成，其侧面采用不透光材料制成。相机位于保护罩1内部，相机的镜头面向保护罩1的顶端面，使得相机的镜头能够捕捉到外部入射的太阳光。

作为一种优选实现方式，如图3所示，所述保护罩1顶端面的中心位置处附着有一个遮光片6。在云层预判时，我们只需要知道太阳的位置信息，并不需要知道太阳的其他信息，且过强的太阳光照会对云层图像的采集产生影响，因此在保护罩1顶端面的中心位置处附着遮光片6并结合本发明的云遮预判装置的追日功能(在后文中会有进一步说明)，将使得相机所获取的图像中，太阳的强光会被遮挡住，有利于云层图像的采集与判别。

所述控制中心能够对云台2进行控制，使云台2不断调整方位和俯仰角，从而使得相机获取的图像中心能够对准太阳(即追日功能)；还能够对相机所采集的图像进行分析，得到云遮预判的结果。

所述控制中心在实现追日时，可根据太阳的运行规律来确定太阳的位置。如何根据追日行为发生地所在位置的地理位置信息、时间信息从而确定某时某刻的太阳位置是本领域技术人员的公知常识，因此不在本申请中做详细描述。

所述控制中心在做云遮预判时，首先对相机所拍摄的图像进行处理，包括降噪，云层边缘检测；然后以所拍摄图像中的太阳所在位置为中心，相隔一定的圆周角度将该图像切割成多个部分，判断每一个部分的云的运动情况；最后，综合各个部分的云的运动情况，对图像做云层运动检测，得到云层预计遮挡太阳的起始时间、结束时间在内的信息。

在一个实施例中，在对图像做云层运动检测时，首先，以图像中太阳所在位置为中心，沿着圆周方向每隔一度对图像进行切分，从而将图像切割成360个运动通道。图4给出了图像切割的示意图(图4仅为示例之用，运动通道数目远小于前述360个运动通道)，在该图中黑点表示太阳所在位置，其四周就是对图像切分后所形成的运动通道。

接着，判断每一个运动通道内云的运动情况，包括：根据时间上先后关联的若干帧图片可以判断该运动通道内云是向着太阳移动还是远离太阳，以及云的运动速度，这样就能够算出该运动通道内云遮挡太阳的起始时间、结束时间以及遮挡时长。仍然以图4为例，在图4所示的运动通道41中，先检测出距离太阳所在位置最近的云的两个边缘点，其中距离太阳所在位置最近的边缘点记为边缘点A，距离太阳所在位置最远的边缘点记为边缘点B。将边缘点A和边缘点B在前后多个帧内的位置数据在一个数据链表中予以记录；每个运动通道对应一个数据链表，该数据链表的长度反映了所能存储的图像帧的帧数，数据链表中的一项存储了一个数据帧内的边缘点A、边缘点B的位置数据，如一个数据链表有5项，则该数据链表能存储距离当前时刻最为接近的5帧的数据，随着时间的变化，数据链表中的数据会相应变化。每个运动通道对应一个数据链表，则360个运动通道就会有360个数据链表。比较边缘点A、边缘点B在前后帧中的位置(可通过对当前数据链表中的位置数据进行判断来实现)，可得到对应的运动通道内云是向着太阳移动还是远离太阳，以及云的运动速度，进而可以推算出该运动通道内的云若会遮挡太阳，则遮挡太阳的起始时间、结束时间以及遮挡时长。

最后，将360个通道内云遮挡太阳的情况汇总，就可以判断出整体的云遮挡太阳的起始时间、结束时间以及遮挡时长。由于不同运动通道内云遮挡太阳的起始时间、结束时间以及遮挡时长很有可能是不同的，在整体判断时，将所有运动通道内最先要遮挡太阳的云的遮挡起始时间、结束时间作为本发明的云遮预判装置所要输出的最终结果，对于距离太阳更远的云，可以在之后的时刻再做判断。这一处理方式适应了云实时、经常性变化这一特点。

此外，若不同运动通道内的云遮挡太阳的起止时间有重合，如一运动通道内的云的遮挡起止时间为[30,50]，另一运动通道内的云的遮挡起止时间为[45,70]，则整体判断时，将云遮挡太阳的起始时间取最先值，云遮挡太阳的结束时间取最后值，整个云遮预判装置所得到的云的遮挡起止时间最终结果为[30,70]。

在上述实施例中，在对图像切割时将一个图像切割成360个通道，在其他实施例中，可根据实际情况对图像所切割的运动通道的数目进行调整，如可将图像切割成720个运动通道、180个运动通道等。

在其他实施例中，本发明的云遮预判装置还可包括一立柱，所述云台2放置在立柱上，立柱的设置有助于有效降低云台以及安装在云台上的设备受到外界地面高温的影响。

本发明的云遮预判装置不仅可以应用在塔式太阳能电站，还可用于太阳能热发电中的槽式太阳能电站、碟式太阳能电站、菲涅尔式太阳能电站，也可以用于太阳能光伏电站等需要应用太阳能的场合。

本发明还提供一种基于上述的云遮预判装置所实现的云遮预判方法，如图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤1)、跟踪太阳运行轨迹，对太阳附近的天空图像做连续采集；

步骤2)、对步骤1)所采集的多帧图像进行处理，包括降噪，云层边缘检测；

步骤3)、以步骤2)所得到图像中的太阳所在位置为中心，相隔一定的圆周角度将该图像切割成多个部分，判断每一个部分的云的运动情况；

该步骤进一步包括：

步骤3-1)、以图像中太阳所在位置为中心，沿着圆周方向每隔一定角度对图像进行切分，从而将图像切割成多个运动通道；

步骤3-2)、判断每一个运动通道内云的运动情况，包括：在该运动通道内检测距离太阳所在位置最近的云的两个边缘点，其中距离太阳所在位置最近的边缘点记为边缘点A，距离太阳所在位置最远的边缘点记为边缘点B；将边缘点A和边缘点B在前后多个帧内的位置数据分别予以记录，通过这些位置数据得到对应的运动通道内云是向着太阳移动还是远离太阳，以及云的运动速度，进而推算出该运动通道内的云若会遮挡太阳，则遮挡太阳的起始时间、结束时间以及遮挡时长；

步骤4)、综合各个部分的云的运动情况，对图像做云层运动检测，得到云层预计遮挡太阳的起始时间、结束时间在内的信息。

该步骤包括：在综合各个部分的云的运动情况从而对整个图像做云层运动预测时，将所有部分内最先要遮挡太阳的云的遮挡起始时间、结束时间作为最终结果。

以上是对本发明的云遮预判装置与方法的描述，从上述描述可以看出，本发明在对云遮做预判时，在硬件上只需要相机、云台、电脑以及其他必要的辅助器件即可，并不需要云高仪等测量云层高度的设备，也不需要卫星、雷达等设备，明显降低了预测成本。此外，本发明实现简单、计算量小，结合云实时、经常性变化这一特点，摒弃了一些不必要的精确计算，在降低预测成本与预测复杂度的同时并未降低预测的准确性，起到了很好的效果。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于太阳能采集区域的云遮预判装置，其特征在于，包括：保护罩(1)、云台(2)、控制中心，以及相机；其中，所述云台(2)上安装有相机与保护罩(1)，所述相机位于保护罩(1)的内部，所述相机与所述云台(2)分别与控制中心通过数据线连接；

所述控制中心能够对所述云台(2)进行控制，使所述云台(2)不断调整方位和俯仰角；还能够对相机所采集的图像进行分析，得到云遮预判的结果。

2.根据权利要求1所述的用于太阳能采集区域的云遮预判装置，其特征在于，还包括一立柱，所述云台(2)放置在该立柱上。

3.根据权利要求1或2所述的用于太阳能采集区域的云遮预判装置，其特征在于，所述保护罩(1)成喇叭形，上端直径大、下端直径小，所述保护罩(1)的顶端面采用透光材料制成，其侧面采用不透光材料制成。

4.根据权利要求3所述的用于太阳能采集区域的云遮预判装置，其特征在于，所述相机位于所述保护罩(1)内部，所述相机的镜头面向所述保护罩(1)的顶端面，使得相机的镜头能够捕捉到外部入射的太阳光。

5.根据权利要求4所述的用于太阳能采集区域的云遮预判装置，其特征在于，所述保护罩(1)顶端面的中心位置处附着遮光片(6)。

6.根据权利要求1或2所述的用于太阳能采集区域的云遮预判装置，其特征在于，所述控制中心在做云遮预判时，首先对相机所拍摄的图像进行处理，包括降噪，云层边缘检测；然后以所拍摄图像中的太阳所在位置为中心，相隔一定的圆周角度将该图像切割成多个部分，判断每一个部分的云的运动情况；最后，综合各个部分的云的运动情况，对图像做云层运动检测，得到云层预计遮挡太阳的起始时间、结束时间在内的信息。

7.基于权利要求1-6之一所述的用于太阳能采集区域的云遮预判装置所实现的云遮预判方法，包括：

步骤1)、跟踪太阳运行轨迹，对太阳附近的天空图像做连续采集；

步骤2)、对步骤1)所采集的多帧图像进行处理，包括降噪，云层边缘检测；

步骤3)、以步骤2)所得到图像中的太阳所在位置为中心，相隔一定的圆周角度将该图像切割成多个部分，判断每一个部分的云的运动情况；

步骤4)、综合各个部分的云的运动情况，对图像做云层运动检测，得到云层预计遮挡太阳的起始时间、结束时间在内的信息。

8.根据权利要求7所述的云遮预判方法，其特征在于，所述步骤3)进一步包括：

步骤3-1)、以图像中太阳所在位置为中心，沿着圆周方向每隔一定角度对图像进行切分，从而将图像切割成多个运动通道；

步骤3-2)、判断每一个运动通道内云的运动情况，包括：在该运动通道内检测距离太阳所在位置最近的云的两个边缘点，其中距离太阳所在位置最近的边缘点记为边缘点A，距离太阳所在位置最远的边缘点记为边缘点B；将边缘点A和边缘点B在前后多个帧内的位置数据分别予以记录，通过这些位置数据得到对应的运动通道内云是向着太阳移动还是远离太阳，以及云的运动速度，进而推算出该运动通道内的云若会遮挡太阳，则遮挡太阳的起始时间、结束时间以及遮挡时长。

9.根据权利要求8所述的云遮预判方法，其特征在于，图像被切割成运动通道的数目为180个通道或360个通道或720个通道。

10.根据权利要求7所述的云遮预判方法，其特征在于，所述步骤4)包括：在综合各个部分的云的运动情况从而对整个图像做云层运动预测时，将所有部分内最先要遮挡太阳的云的遮挡起始时间、结束时间作为最终结果。