CN107656549B - 一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置，包括：太阳能电池板，连有调节组件；太阳能跟踪器，包括直杆、投影半透膜、不透光盒子、摄像头和控制器，不透光盒子的一面开口，其余面封闭，投影半透膜覆盖在不透光盒子的开口上，直杆与投影半透膜垂直连接并从不透光盒子中伸出，直杆还与太阳能电池板的受光面垂直，摄像头设置在不透光盒子并对准投影半透膜，控制器分别与摄像头和调节组件连接，用于根据直杆在投影半透膜上的影子形状来控制调节组件的动作。与现有技术相比，本发明方案简单，直杆的长度越长、摄像头的像素越高，跟踪的精度就越高，可以使得太阳能电池板完全处在太阳光垂直的方向上，极大的提高太阳能的利用率。

Description

一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置及方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能跟踪装置，尤其是涉及一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置及方法。

背景技术

目前全世界都在大力倡导新能源的开发和使用，特别将太阳能这种清洁能源的开发利用作为重要发展方向。最常见的太阳能利用方法是太阳能光伏发电，但国内传统的太阳能采集面板阵列大多为固定的，无法保证太阳光照射太阳能采集面板始终垂直，光强达不到最大而使采集效率不高，因此在光伏发电过程中，全自动跟踪太阳是提高太阳能利用率的关键所在。

现阶段市场上面也有太阳能自动跟踪装置的出现，有的采用光敏传感器感应光强来调整太阳能面板角度，由于光敏电阻的感光性能和光敏电阻布阵密度不高等原因导致这种方法误差大，精度低。另外也有辅以GPS定位导航模块，通过内置程序来提高跟踪太阳能精度，但这种方法受地理位置信号影响，往往成本高，性价比不足。

文献(专利号CN102073323A)采用摄像头垂直拍摄有太阳的天空图像，将图像中太阳轮廓分离出来之后，找到太阳的中心点位置，通过计算出摄像头朝向与太阳中心点的偏差来调整太阳能电池板，这种方法在偏角拍摄太阳图像时，加上不可避免的图像处理误差，会导致图片中的太阳不完全是一个标准的正圆而是椭圆，从而导致寻找圆心位置存在较大的误差，究其根本是这种处理方法对太阳角度偏移不具备放大功能。因此，这种方法不仅对设备的安装精度要求高，还需要很高的计算机处理成本和设备成本，才能实现文献所述的高精度的太阳跟踪。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、成本低的基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置，包括：

太阳能电池板，连有调节组件，所述的调节组件包含令太阳能电池板水平旋转以及倾斜的电动调节部件；

太阳能跟踪器，包括直杆、投影半透膜、不透光盒子、摄像头和控制器，所述的不透光盒子的一面开口，其余面封闭，所述的投影半透膜覆盖在不透光盒子的开口上，所述的直杆与投影半透膜垂直连接并从不透光盒子中伸出，所述的直杆还与太阳能电池板的受光面垂直，所述的摄像头设置在不透光盒子并对准投影半透膜，所述的控制器分别与摄像头和调节组件连接，用于根据直杆在投影半透膜上的影子形状来控制调节组件的动作。

所述的不透光盒子的开口上设有玻璃层，所述的投影半透膜覆盖在玻璃层上。

所述的直杆穿透玻璃层进行固定。

所述的调节组件包括电机旋转底座和伸缩臂，所述的电机旋转底座与太阳能电池板底部连接，用于带动太阳能电池板水平旋转，所述的伸缩臂一端与电机旋转底座连接，另一端与太阳能电池板底部连接，用于使太阳能电池板倾角变化。

所述的伸缩臂为液压伸缩臂。

所述的摄像头为CCD摄像头或CMOS摄像头。

所述的不透光盒子外部设有与控制器连接的光强传感器。

一种采用所述的基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置进行太阳能跟踪的方法，包括：摄像头拍摄直杆在投影半透膜上的投影图像，控制器经过图像处理，获取影子长度和角度，然后控制调节组件进行相应动作，使太阳能电池板与太阳光线垂直。

所述的摄像头在拍摄前对光强进行检测，当光强满足成影条件时进行拍摄。

所述的控制器带有时间芯片并预设工作起止时间和调节组件的初始位置。

与现有技术相比，本发明启发于日晷指针的影子朝向和长度与太阳光之间的关系，采用的是基于图像监测的太阳能自动跟踪方法，直杆的长度越长、摄像头的像素越高，跟踪的精度就越高，只要直杆足够长，就可以把太阳微小的偏移进行放大处理。因此，从成本上考虑只需要采用相对较长的直杆以及一般的摄像头就可以实现高精度太阳能跟踪。对比光敏传感器感应光强方法大大提高精度，不需要GPS时时提供定位和授时服务，辅以处理器内部程序设定，原理简单、操作简单、较低的成本获取较高的跟踪精度。本发明具有很高的实用价值，对太阳能自动跟踪技术的发展具有推动作用。

附图说明

图1为本实施例跟踪装置的整体结构示意图；

图2为本实施例太阳能跟踪器的结构示意图；

图3为本实施例跟踪方法中直杆影子样图；

图4为本实施例方法流程图；

附图标记：

1为太阳能跟踪器；2为太阳能电池板；3为伸缩臂；4为电机旋转底座；5为T型支架；6为直杆；7为投影半透膜；8为玻璃层；9为摄像头；10为不透光盒子；11为光强传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1、2所示，一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置，包含两大部分，第一部分为基础部分，包含电机旋转底座4、电池板的T型支架5、液压伸缩臂3、太阳能电池板2；第二部分为太阳能跟踪器1，包含直杆6、投影半透膜7、玻璃、摄像头9、不透光盒子10、光强感应器以及一块高效数据处理芯片。在安装上要求太阳能跟踪控制器上的直杆6不仅垂直于投影半透膜7和玻璃，还垂直于太阳能电池板2的受光面。太阳能电池板2的底座安装尽量垂直于水平面，因为角度的调整有一个参考的基准值，便于调整，这里伸缩臂3的参考朝向为南北方向，T型支架5的参考朝向为东西方向，底座安装的朝向选择伸缩臂3南北朝向，T型支架5东西朝向。

细长的直杆6通过穿透玻璃层8进行垂直固定。不透光的盒子上面开口直接覆盖玻璃和投影半透膜7。投影半透膜7的透光性需要满足直杆6可以在半透膜上形成影子，还要满足处于半透膜底下的摄像头9可以拍摄出直杆6的影子。摄像头9是CCD摄像头或者CMOS摄像头，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势。根据实际的安装要求进行摄像头种类的选择。

当间断性没有太阳时因为没有直射的阳光不足以形成直杆6影子，太阳光通过漫反射到达电池板上，因此发电的功率是很低的。这时可以暂停太阳能电池板2的跟踪，让其处于上一个状态进行太阳能发电。

当太阳能电池板2不处于工作时间范围内，太阳能电池板2的朝向处于一个人工设置的初始朝向，为了节省电能，太阳能跟踪控制器的芯片处于睡眠状态。

太阳能跟踪控制器中芯片的作用是提供时间、时间计时、处理图片、获取控制量以及对电机旋转底座4和液压伸缩臂3进行操作控制。

获取影子的长度和朝向的方法在于扫描已经设定好坐标系的影子二值图象。先按行扫描找到影子两个端点的行序号，并找到对应端点的列序号；已知其中一个端点为坐标原点的行列序号，用原点的行序号减去另一个端点的行序号得到影子末端y轴坐标，用另一个端点的列序号减去原点的列序号得到影子末端x轴坐标。最后利用影子末端的坐标值得到影子的长度和朝向。如图3所示，对于图像x轴和y轴的选定，直杆6底部为原点，过原点水平线为x轴，过原点垂直线为y轴。投影半透膜固定在不透光盒子的顶部的玻璃上，随着太阳能电池板一起调整。因为半透膜是矩形的，水平线和垂直线分别与半透膜的两条邻边平行。

电机旋转底座4和液压伸缩臂3以一定的速度进行操作，这个速度可以根据影子与y轴和x轴的夹角大小进行分两级速度。设定一个夹角阀值，当夹角大于这个阀值时以较大的速度，当夹角小于这个阀值时以较小的速度进行操作。

基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置的核心是让太阳光垂直照射到太阳能电池板2上，保证太阳能电池板2始终处于最大的发电功率。其中，获取图像并分析得出控制量，再通过旋转电机旋转底座4和伸缩液压伸缩臂3就可以实现全方位跟踪太阳垂直照射。

如图4所示，一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪方法包括以下步骤：

1)初始化参数，包括太阳能电池板2的初始朝向、工作时间范围、跟踪间隔时间；

2)当北京时间到工作的开始时间时，唤醒太阳能跟踪控制器进入步骤3)，否则处于睡眠状态；

3)计时器从0开始进行时间计时；

4)计时达到间隔时间，进行该轮的全自动太阳能跟踪，进入步骤5)，否则继续计时；

5)光强传感器11获取当前太阳光强度，判断直杆6是否满足成影条件，满足进入步骤6)，否则继续感应光强；

6)摄像头9获取一幅直杆6影子的成像图，经过图像处理(噪声处理、增大对比度、生成二值图象)后获取影子的长度和朝向；

7)当影子位于y轴的右侧时，电机旋转底座4进行以一定的速度顺时针旋转，当影子位于y轴的左侧时，电机旋转底座4进行以一定的速度逆时针旋转；

8)当影子位于x轴的上侧时，液压伸缩臂3进行以一定的速度升动作，当影子位于x轴的下侧时，液压伸缩臂3进行以一定的速度降动作；

例如在图3中，A象限对应的动作为：顺时针旋转底座，收缩伸缩臂；B象限对应的动作为：顺时针旋转底座，伸长伸缩臂；C象限对应的动作为：逆时针旋转底座，伸长伸缩臂；D象限对应的动作为：逆时针旋转底座，收缩伸缩臂；

9)摄像头9再次获取一幅直杆6影子的成像图并经过图像处理后获取影子的长度和朝向，当影子处于y轴或者原点时完成这一轮的电机旋转底座4操作，否则进行步骤7)；当影子处于x轴或者原点时完成这一轮的液压伸缩臂3操作，否则进行步骤8)；

10)当电机旋转底座4操作和液压伸缩臂3操作都完成时，这一轮全自动太阳能跟踪完成，判断当前北京时间是否达到工作结束时间，否则进入步骤3)；

11)完成今天的工作任务，太阳能电池板2恢复初始朝向，太阳能跟踪控制器进入睡眠状态等待第二天的工作开始。

Claims (6)

1.一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置进行太阳能跟踪的方法，其特征在于，包括：

太阳能电池板(2)，连有调节组件，所述的调节组件包含令太阳能电池板水平旋转以及倾斜的电动调节部件；

太阳能跟踪器，包括直杆(6)、投影半透膜(7)、不透光盒子(10)、摄像头(9)和控制器，所述的不透光盒子(10)的一面开口，其余面封闭，所述的投影半透膜(7)覆盖在不透光盒子(10)的开口上，所述的直杆(6)与投影半透膜(7)垂直连接并从不透光盒子(10)中伸出，所述的直杆(6)还与太阳能电池板(2)的受光面垂直，所述的摄像头(9)设置在不透光盒子(10)并对准投影半透膜(7)，所述的控制器分别与摄像头(9)和调节组件连接，用于根据直杆(6)在投影半透膜(7)上的影子形状来控制调节组件的动作；

所述的不透光盒子(10)的开口上设有玻璃层(8)，所述的投影半透膜(7)覆盖在玻璃层(8)上；

所述的直杆(6)穿透玻璃层(8)进行固定；

所述的摄像头(9)为CCD摄像头或CMOS摄像头；

包括：摄像头(9)拍摄直杆(6)在投影半透膜(7)上的投影图像，控制器经过图像处理，获取影子长度和角度，然后控制调节组件进行相应动作，使太阳能电池板与太阳光线垂直；

1)初始化参数；

2)当北京时间到工作的开始时间时，唤醒太阳能跟踪控制器进入步骤3)，否则处于睡眠状态；

3)计时器从0开始进行时间计时；

4)计时达到间隔时间，进行该轮的全自动太阳能跟踪，进入步骤5)，否则继续计时；

5)光强传感器11获取当前太阳光强度，判断直杆6是否满足成影条件，满足进入步骤6)，否则继续感应光强；

6)摄像头9获取一幅直杆6影子的成像图，经过图像处理后获取影子的长度和朝向；

7)当影子位于y轴的右侧时，电机旋转底座4进行以一定的速度顺时针旋转，当影子位于y轴的左侧时，电机旋转底座4进行以一定的速度逆时针旋转；

8)当影子位于x轴的上侧时，液压伸缩臂3进行以一定的速度升动作，当影子位于x轴的下侧时，液压伸缩臂3进行以一定的速度降动作；

9)摄像头9再次获取一幅直杆6影子的成像图并经过图像处理后获取影子的长度和朝向，当影子处于y轴或者原点时完成这一轮的电机旋转底座4操作，否则进行步骤7)；当影子处于x轴或者原点时完成这一轮的液压伸缩臂3操作，否则进行步骤8)；

10)当电机旋转底座4操作和液压伸缩臂3操作都完成时，这一轮全自动太阳能跟踪完成，判断当前北京时间是否达到工作结束时间，否则进入步骤3)；

11)完成今天的工作任务，太阳能电池板2恢复初始朝向，太阳能跟踪控制器进入睡眠状态等待第二天的工作开始。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置进行太阳能跟踪的方法，其特征在于，所述的伸缩臂(3)为液压伸缩臂。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像检测的全自动太阳能跟踪装置进行太阳能跟踪的方法，其特征在于，所述的不透光盒子(10)外部设有与控制器连接的光强传感器。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的摄像头(9)在拍摄前对光强进行检测，当光强满足成影条件时进行拍摄。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的调节组件包括电机旋转底座(4)和伸缩臂(3)，所述的电机旋转底座(4)与太阳能电池板(2)底部连接，用于带动太阳能电池板水平旋转，所述的伸缩臂(3)一端与电机旋转底座(4)连接，另一端与太阳能电池板(2)底部连接，用于使太阳能电池板倾角变化。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的控制器带有时间芯片并预设工作起止时间和调节组件的初始位置。