CN117906090A - 一种能追踪阳光的太阳能路灯 - Google Patents

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李凤才
罗延杰
郭广华
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Abstract

本发明公开了一种能追踪阳光的太阳能路灯,其包括:灯柱,灯柱上一侧装有路灯,所述灯柱顶部装有阳光追踪装置,灯柱近顶部一侧设有支杆,支杆顶部装有可调节太阳能电池板,阳光追踪装置利用了日晷的原理,使用极坐标以及灰度图像处理作为工具,通过采集指针的投影,作出投影最远端与极点的连线,从而获取投影与极轴的夹角θ以及投影的长度ρ,并根据二者计算出太阳相对于底座的极坐标系的方向和仰角,从而控制可调节太阳能电池板的驱动电机进行同步的运转以实现自动调整太阳能电池板角度和仰角以获得阳光直射,本发明设计精巧,实用价值高。

Description

一种能追踪阳光的太阳能路灯
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域,尤其涉及一种能追踪阳光的太阳能路灯。
背景技术
太阳能LED照明灯具作为冷光源产品,具有绿色环保、节能降耗、安全可靠、使用寿命长、安装维护简便等特点,高亮节能、无需铺设电缆,与传统光源相比,无用电量价格等优势,可广泛应用于绿地照明、公路照明、广告灯箱照明、城市造型景观照明及家居照明等系统,其研究应用已越来越得到人们的重视。
大多数太阳能路灯的太阳能电池板与蓄电池分离,不易安装,裸露在外的线路易老化。太阳能路灯不分时间段、不论是否需要接通,彻夜长明,加速了元器件的老化,缩短了使用寿命。另外,由于一年四季当中太阳的直射地球的角度是不同的,现有的太阳能路灯的太阳能电池板的角度较为固定,不能根据太阳光的照射角度进行调节,这样也影响到光电转化率。
专利号CN201610667478.9提出了太阳能电池板自动清洁及倾角易调节式太阳能路灯装置,以解决上述太阳能路灯相关技术中存在的问题,然而该装置和其他绝大多数可调节的太阳能电池板的技术均未涉及到如何自动追踪日光,以使太阳能电池板能一直面对太阳光线的垂直照射,从而提高太阳能的利用率。
发明内容
为了实现自动追踪阳光,并调整太阳能电池板角度和仰角以获得阳光直射,本发明提出一种能追踪阳光的太阳能路灯,其结构包括:灯柱,灯柱上一侧装有路灯,所述灯柱顶部装有阳光追踪装置,灯柱近顶部一侧设有支杆,支杆顶部装有可调节太阳能电池板;所述阳光追踪装置包括:底座,底座上表面水平且反光,上表面中心部设有指针;底座外周设有至少三个连接杆,连接杆上端固定有安装座,安装座内装有拍摄设备,拍摄设备的摄像头朝下且处于指针正上方;连接杆和安装座均为空心结构,其中一个连接杆内设有导线,另一连接杆内设有数据传输线;底座下表面中部设有圆槽,圆槽的侧壁开设有若干用于将底座与灯柱通过螺栓固定的螺孔,圆槽内还设有电路板安装槽、供电插孔、进水管路,进水管路的下部开口装有电磁阀,控制电路板设于电路板安装槽内并以封板封住电路板安装槽底部,电磁阀、供电插孔与装于灯柱顶部内侧的蓄电池的输出端电连接;可调节太阳能电池板包括旋转平台,旋转平台上固定有可翻转支架,可翻转支架上固定有太阳能电池板,可翻转支架和旋转平台均由步进电机或伺服电机驱动,且可翻转支架和旋转平台与设于底座一侧的输出接口电连接,输出接口、供电插孔、导线、数据传输线、电磁阀均与控制电路板电连接;底座上表面还设有由指针底部向径向延伸至底座边缘的指示线,指示线由黑色涂料或嵌入的黑色材料构成。
较佳的,所述连接杆有三个,其中一个连接杆内设有导线,另一连接杆内设有数据传输线,另一连接杆内设水路,水路上端与安装座内腔连通,下端与进水管路连通;设有导线和数据传输线的连接杆的内部与安装座的内腔不连通,而是直接连通安装座的内壁,安装座底部设有若干高压喷头,电磁阀的下端接入自来水供水系统。
较佳的,指针的高度小于底座半径的1/5。
较佳的,所述连接杆、安装座为透明塑料材料一体成型。
较佳的,所述连接杆、安装座为有机玻璃制成。
较佳的,所述指示线由黑色亚光涂料制成,底座上表面其余部分涂有白色亚光涂料。
较佳的,所述控制电路板包括:图像采集模块、图像处理模块、通信模块、数据存储模块、电源模块、控制模块,其中图像采集模块用于指示拍摄设备按设定的间隔时间对底座上表面进行拍摄,图像处理模块用于对拍摄到的图像根据颜色进行分区、连线、计算阳光方向和仰角,通信模块用于实现阳光追踪装置与云存储端或附近的阳光追踪装置的信息传递,控制模块用于控制可翻转支架和旋转平台的驱动电机的转动,以调节太阳能电池板的水平角度和仰角,保证入射光始终与太阳能电池板垂直;数据存储模块用于存储图像采集模块拍摄的图像、记录若干时刻对应的图像处理模块计算出的阳光方向和仰角、记录若干时刻对应的可调节太阳能电池板的运动姿态。
较佳的,所述蓄电池还为路灯供电。
较佳的,所述阳光追踪装置分为主机和副机,在一片临近区域的能追踪阳光的太阳能路灯中,设置其中一个安装主机,其余安装副机,其中主机的结构如上所述,副机结构只包括:固定于灯柱顶部的底座,底座一侧设有输出接口,底座的底部设有供电插孔,底座内装有控制电路板,副机的控制电路板只包括:通信模块、数据存储模块、电源模块、控制模块,其中副机的通信模块直接接收或通过云存储端接收主机的通信模块传递的控制指令,从而指示副机的控制模块操作调节太阳能电池板的水平角度和仰角,保证入射光始终与太阳能电池板垂直,副机的数据存储模块用于记录若干时刻对应的可调节太阳能电池板的运动姿态。
本发明在使用时,实现其追踪阳光的功能包括如下步骤:
S1.在所有线路连接完毕后,由云存储端或本地操控控制电路板,使其控制可翻转支架和旋转平台为初始状态,此时太阳能电池板为垂直于地面,且指示线的延长线垂直于太阳能电池板;
S2.设置拍摄设备的拍摄时间间隔和起止时间,启动阳光追踪装置;
S3.在每个拍摄周期内,拍摄设备将拍摄的图像送至图像处理模块进行处理、计算,这个计算过程是将指针设为极点,指示线设为极轴,由于底座上表面刷白色亚光涂料,指示线刷黑色亚光涂料,因此很好确定极点和极轴,当指针具有投影时,通过设置的采集投影灰度值的区间,确定投影的图像,如白色亚光涂料为255,黑色亚光涂料为0,设置采集投影灰度值为【56,200】,在确定投影的图像后,取离极点直线距离最远的点(ρ,θ),与极点相连, 太阳的仰角为arctanH/ρ,H为指针的高度,ρ为指针的投影端点到极点的距离即投影的长度,太阳的方向为θ,由此可以控制可翻转支架和旋转平台的驱动电机进行同步的运转以实现自动调整太阳能电池板角度和仰角以获得阳光直射;
S4.每个拍摄周期内,数据存储模块将拍摄的时刻、投影的最远点(ρ,θ)的数据、操控驱动电机的数据存储,在遇到天气等外因导致指针投影无法正常获取时,自动获取上一天的即时操作数据。
本发明利用了日晷的原理,使用极坐标以及灰度图像处理作为工具,设计出了阳光追踪装置,通过采集指针的投影,作出投影最远端与极点的连线,从而获取与极轴的夹角θ以及投影的长度ρ,并根据二者计算出太阳相对于底座的极坐标系的方向和仰角,从而控制可翻转支架和旋转平台的驱动电机进行同步的运转以实现自动调整太阳能电池板角度和仰角以获得阳光直射,本发明设计精巧,实用价值高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明立体图。
图2为本发明正视图。
图3为阳光追踪装置立体图。
图4为阳光追踪装置正视图。
图5为阳光追踪装置仰视图。
图中:1、灯柱;2、路灯;3、阳光追踪装置;4、支杆;5、旋转平台;6、可翻转支架;7、太阳能电池板;31、底座;32、连接杆;33、安装座;34、拍摄设备;35、高压喷头;36、指针;37、输出接口;38、指示线;39、螺孔;310、电磁阀;311、封板;312、圆槽;313、供电插孔。
具体实施方式
本申请中选用的各个器件(未说明具体结构的部件)均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件,其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
在本发明实施例的描述中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统、装置和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,又例如,多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另一点,所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口,装置或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性,机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各个单元单独物理存在,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
实施例1
如图1-图5所示,本发明所述能追踪阳光的太阳能路灯,其结构包括:灯柱1,灯柱1上一侧装有路灯2,所述灯柱1顶部装有阳光追踪装置3,灯柱1近顶部一侧设有支杆4,支杆4顶部装有可调节太阳能电池板;所述阳光追踪装置3包括:底座31,底座31上表面水平且反光,上表面中心部设有指针36;底座31外周设有至少三个连接杆32,连接杆32上端固定有安装座33,安装座33内装有拍摄设备34,拍摄设备34的摄像头朝下且处于指针36正上方;连接杆32和安装座33均为空心结构,其中一个连接杆32内设有导线,另一连接杆32内设有数据传输线;底座31下表面中部设有圆槽312,圆槽312的侧壁开设有若干用于将底座31与灯柱1通过螺栓固定的螺孔39,圆槽312内还设有电路板安装槽、供电插孔313、进水管路,进水管路的下部开口装有电磁阀310,控制电路板设于电路板安装槽内并以封板311封住电路板安装槽底部,本例中电路板是集成于封板311上的,电磁阀310、供电插孔313与装于灯柱1顶部内侧的蓄电池的输出端电连接;可调节太阳能电池板包括旋转平台5,旋转平台5上固定有可翻转支架6,可翻转支架6上固定有太阳能电池板7,可翻转支架6和旋转平台5均由步进电机或伺服电机驱动,且可翻转支架6和旋转平台5与设于底座31一侧的输出接口37电连接,输出接口37、供电插孔313、导线、数据传输线、电磁阀310均与控制电路板电连接;底座31上表面还设有由指针36底部向径向延伸至底座31边缘的指示线38,指示线38由黑色涂料画线而形成。
作为更具体的实施方案,所述连接杆32有三个,其中一个连接杆32内设有导线,另一连接杆32内设有数据传输线,另一连接杆32内设水路,水路上端与安装座33内腔连通,下端与进水管路连通;设有导线和数据传输线的连接杆32的内部与安装座33的内腔不连通,而是直接连通安装座33的内壁,安装座33底部设有若干高压喷头35,电磁阀310的下端接入自来水供水系统,其冲水清洁底座31表面的时间可由控制电路板设置为每日凌晨行人极少时。
作为更具体的实施方案,指针36的高度小于底座31半径的1/5。
作为更具体的实施方案,所述连接杆32、安装座33为透明塑料材料一体成型。
作为更具体的实施方案,所述连接杆32、安装座33为有机玻璃制成。
作为更具体的实施方案,所述指示线38由黑色亚光涂料制成,底座31上表面其余部分涂有白色亚光涂料。
作为更具体的实施方案,所述控制电路板包括:图像采集模块、图像处理模块、通信模块、数据存储模块、电源模块、控制模块,其中图像采集模块用于指示拍摄设备34按设定的间隔时间对底座31上表面进行拍摄,图像处理模块用于对拍摄到的图像根据颜色进行分区、连线、计算阳光方向和仰角,通信模块用于实现阳光追踪装置3与云存储端或附近的阳光追踪装置3的信息传递,控制模块用于控制可翻转支架6和旋转平台5的驱动电机的转动,以调节太阳能电池板7的水平角度和仰角,保证入射光始终与太阳能电池板7垂直;数据存储模块用于存储图像采集模块拍摄的图像、记录若干时刻对应的图像处理模块计算出的阳光方向和仰角、记录若干时刻对应的可调节太阳能电池板的运动姿态,运动姿态包括了太阳能电池板的仰角和水平角度。
作为更具体的实施方案,所述蓄电池还为路灯供电。
较佳的,所述阳光追踪装置分为主机和副机,在一片临近区域如一条街安装的能追踪阳光的太阳能路灯中,设置其中一个太阳能路灯安装主机,其余太阳能路灯安装副机,其中主机的结构如上所述,副机结构只包括:固定于灯柱顶部的底座,底座一侧也设有输出接口,底部设有供电插孔,底座内装有控制电路板,副机的控制电路板只包括:通信模块、数据存储模块、电源模块、控制模块,其中副机的通信模块直接接收或通过云存储端接收主机的通信模块传递的控制指令,从而指示副机的控制模块操作调节太阳能电池板的水平角度和仰角,保证入射光始终与太阳能电池板垂直,副机的数据存储模块用于记录若干时刻对应的可调节太阳能电池板的运动姿态。
实施例2
本发明在使用时,实现其追踪阳光的功能包括如下步骤:
S1.在所有线路连接完毕后,由云存储端或本地操控控制电路板,使其控制可翻转支架和旋转平台为初始状态,此时太阳能电池板为垂直于地面,且指示线的延长线垂直于太阳能电池板;
S2.设置拍摄设备的拍摄时间间隔和起止时间,启动阳光追踪装置;
S3.在每个拍摄周期内,拍摄设备将拍摄的图像送至图像处理模块进行处理、计算,这个计算过程是将指针设为极点,指示线设为极轴,由于底座上表面刷白色亚光涂料,指示线刷黑色亚光涂料,因此很好确定极点和极轴,当指针具有投影时,通过设置的采集投影灰度值的区间,确定投影的图像,如白色亚光涂料为255,黑色亚光涂料为0,设置采集投影灰度值为【56,200】,在确定投影的图像后,取离极点直线距离最远的点(ρ,θ),与极点相连, 太阳的仰角为arctanH/ρ,H为指针的高度,ρ为指针的投影端点到极点的距离即投影的长度,太阳的方向为θ,由此可以控制可翻转支架和旋转平台的驱动电机进行同步的运转以实现自动调整太阳能电池板角度和仰角以获得阳光直射;
S4.每个拍摄周期内,数据存储模块将拍摄的时刻、投影的最远点(ρ,θ)的数据、操控驱动电机的数据存储,在遇到天气等外因导致指针投影无法正常获取时,自动获取上一天的即时操作数据。
以上需要注意的是可翻转支架的调节角度为0-90°,以避免超过90°与旋转平台的运动产生冲突导致阳光入射不垂直,同理,旋转平台的旋转角度为0-360°,设定最远点(ρ,θ)的θ为其连线向极轴的顺时针方向的夹角,例如驱动电机每转动1°需收到1次脉冲信号,则根据计算所得的仰角和方向很容易得到两个驱动电机相对于初始位置需要的脉冲信号数量,当然,由于底座的半径长度是有限的,故而当太阳仰角很小时,指针投影长度大于底座半径,此时设置可翻转支架为初始状态,即与地面垂直,在指针投影长度ρ小于底座半径后再调整可翻转支架的倾斜角度,在落日后,控制电路板调整可翻转支架和旋转平台回到初始状态,等待第二天的控制指令,如此往复运行,控制电路板做此项“归零”的操作是基于通信模块收到的标准时间信息,“归零”的时间可以是设定的当日日落后至次日日升前的任意时间。
另外,本例中所述可调节太阳能电池板为现有技术,本案所述技术方案清楚完整。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种能追踪阳光的太阳能路灯,其结构包括:灯柱,灯柱上一侧装有路灯,其特征在于:所述灯柱顶部装有阳光追踪装置,灯柱近顶部一侧设有支杆,支杆顶部装有可调节太阳能电池板;所述阳光追踪装置包括:底座,底座上表面水平且反光,上表面中心部设有指针;底座外周设有至少三个连接杆,连接杆上端固定有安装座,安装座内装有拍摄设备,拍摄设备的摄像头朝下且处于指针正上方;连接杆和安装座均为空心结构,其中一个连接杆内设有导线,另一连接杆内设有数据传输线;底座下表面中部设有圆槽,圆槽的侧壁开设有若干用于将底座与灯柱通过螺栓固定的螺孔,圆槽内还设有电路板安装槽、供电插孔、进水管路,进水管路的下部开口装有电磁阀,控制电路板设于,电路板安装槽内并以封板封住电路板安装槽底部,电磁阀、供电插孔与装于灯柱顶部内侧的蓄电池的输出端电连接;可调节太阳能电池板包括旋转平台,旋转平台上固定有可翻转支架,可翻转支架上固定有太阳能电池板,可翻转支架和旋转平台均由步进电机或伺服电机驱动,且可翻转支架和旋转平台与设于底座一侧的输出接口电连接,输出接口、供电插孔、导线、数据传输线、电磁阀均与控制电路板电连接;底座上表面还设有由指针底部向径向延伸至底座边缘的指示线,指示线由黑色涂料或嵌入的黑色材料构成。
2.根据权利要求1所述能追踪阳光的太阳能路灯,其特征在于:所述连接杆有三个,其中一个连接杆内设有导线,另一连接杆内设有数据传输线,另一连接杆内设水路,水路上端与安装座内腔连通,下端与进水管路连通;设有导线和数据传输线的连接杆的内部与安装座的内腔不连通,而是直接连通安装座的内壁,安装座底部设有若干高压喷头,电磁阀的下端接入自来水供水系统。
3.根据权利要求2所述能追踪阳光的太阳能路灯,其特征在于:指针的高度小于底座半径的1/5。
4.根据权利要求3所述能追踪阳光的太阳能路灯,其特征在于:所述连接杆、安装座为透明塑料材料一体成型。
5.根据权利要求4所述能追踪阳光的太阳能路灯,其特征在于:所述连接杆、安装座为有机玻璃制成。
6.根据权利要求5所述能追踪阳光的太阳能路灯,其特征在于:所述指示线由黑色亚光涂料制成,底座上表面其余部分涂有白色亚光涂料。
7.根据权利要求6所述能追踪阳光的太阳能路灯,其特征在于:所述控制电路板包括:图像采集模块、图像处理模块、通信模块、数据存储模块、电源模块、控制模块,其中图像采集模块用于指示拍摄设备按设定的间隔时间对底座上表面进行拍摄,图像处理模块用于对拍摄到的图像根据颜色进行分区、连线、计算阳光方向和仰角,通信模块用于实现阳光追踪装置与云存储端或附近的阳光追踪装置的信息传递,控制模块用于控制可翻转支架和旋转平台的驱动电机的转动,以调节太阳能电池板的水平角度和仰角,保证入射光始终与太阳能电池板垂直;数据存储模块用于存储图像采集模块拍摄的图像、记录若干时刻对应的图像处理模块计算出的阳光方向和仰角、记录若干时刻对应的可调节太阳能电池板的运动姿态。
8.根据权利要求7所述能追踪阳光的太阳能路灯,其特征在于:所述蓄电池还为路灯供电。
9.根据权利要求8所述能追踪阳光的太阳能路灯,其特征在于:所述阳光追踪装置分为主机和副机,在一片临近区域的能追踪阳光的太阳能路灯中,设置其中一个安装主机,其余安装副机,其中主机的结构如上所述,副机结构包括:固定于灯柱顶部的底座,底座一侧设有输出接口,底座的底部设有供电插孔,底座内装有控制电路板,副机的控制电路板包括:通信模块、数据存储模块、电源模块、控制模块,其中副机的通信模块直接接收或通过云存储端接收主机的通信模块传递的控制指令,从而指示副机的控制模块操作调节太阳能电池板的水平角度和仰角,保证入射光始终与太阳能电池板垂直,副机的数据存储模块用于记录若干时刻对应的可调节太阳能电池板的运动姿态。
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