CN202158849U - 一种基于固定传感器的太阳跟踪定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于固定传感器的太阳跟踪定位装置，它包括数字信号处理芯片、数据采集装置和带孔暗箱；根据太阳角度的不同，光线穿过暗箱上的小孔，在成像面的不同位置产生光斑，数据采集装置将成像面上的亮度信息转化为数字信息，数据处理芯片对输入的信号进行处理，得出光斑中心的具体坐标，最后，根据光斑中心点和暗箱的机械尺寸，计算出太阳的角度，从而得出太阳方位；本实用新型实时采集太阳方位信息并得到太阳的精确方位，系统简洁，精度高，稳定可靠，抗干扰能力强，并且可以方便组成测量网络，共同标定太阳位置；本实用新型适合于那些对阳光角度跟踪精度要求较高，稳定性需求高的系统使用，特别适合于太阳能聚光发电系统使用。

Description

一种基于固定传感器的太阳跟踪定位装置

技术领域

本实用新型涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于光敏传感器的太阳跟踪定位装置。 

背景技术

在目前能源危机和环境危机的背景下，太阳能，作为一种来源丰富的清洁能源，将成为未来能源的主要来源。我国西北地区的太阳能尤其丰富，因此，利用太阳能的资源不但可以缓解我国能源紧缺的问题，还能使得西部得到开发。 

传统采用光伏发电，但由于其效率和成本问题没有被大规模使用，而且，由于核心制硅技术被日本等国掌握，更加提高了我国的使用成本；同时，用于储存电能的蓄电池会造成二次污染。现今，一种通过聚焦太阳能产生大量热量，用来加热水蒸气冲击涡轮进行发电的方法开始在西方国家投入使用，该方法所发电能可采用并网方式直接汇入电网，免去了储存的环节，也方便了二次利用。这种方法正适用于我国西部进行大规模的太阳能发电。 

这种发电方法的核心在于如何有效聚焦能流密度较小的太阳能到一点，使得水蒸气或者氢气被迅速加热。但是由于地球自转以及公转的影响，太阳相对于发电所在地方的位置在一天中和一年中是变化的，采用固定的聚焦面将大大降低能量利用率。这就要求准确定位太阳的位置，来进行有效聚焦。 

现今获得太阳准确位置的方法有两种，一是采用时钟跟踪的方式，即根据天文观测总结出的太阳角度，确定聚焦平面的角度，但是这种方法只是利用了历史数据作为参考，并没有实时测得太阳的高度角，因此很容易出现误差，需要不断进行校正，这不利于大范围的推广和实际使用。而另一种方法是采用传感器跟踪。现有的研究中多半采用光敏电阻、光敏三极管等光敏元件，这些设备虽然成本低，但是定位精度不够高，所用的电子器件容易发生老化现象，而且存在阴天或者多云的天气失灵的现象，性能不够稳定。而有的采用了摄像头对太阳角度进行直接测量，该方法通过摄像头的角度以及太阳在成像面上的位置得出最终的角度，但这样在机械加工以及运动控制上，需要获得较高的精度要求，而且整体算法较为复杂，因此并没有投入到实际应用。现有的传感器跟踪方法无法满足那些跟踪精度要求较高，设备性能要求较稳定，成本较低的太阳能聚光发电系统的要求。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于固定传感器的太阳跟踪定位装置。 

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于固定传感器的太阳跟踪定位装置，它包括：数字信号处理芯片、数据采集装置和带孔暗箱；其中，数据采集装置和数字处理芯片相连，两者均安装在带孔暗箱的底部。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型实时采集暗箱底部的光斑信息，反算出太阳角度，并不需要整个装置处在运动状态。并且数学推导较为简单，并不需要高成本的处理器。而且，感光元件的选取也较为宽泛(如光敏二极管、三极管或数字摄像头)，精度完全取决于感光元件的密度(独立光敏器件)或者象素(数字摄像头)。 

附图说明

图1是本实用新型的系统和信号流程图 

图2是本实用新型的具体实施例的结构框图； 

图3是本实用新型的步骤流程图； 

图4是本实用新型的太阳空间角示意图； 

图5是本实用新型的成像面俯视图； 

图6是本实用新型的几何示意图； 

图中，暗箱1、成像面2、数字信号处理芯片3、数字摄像头4、小孔5、光斑6。 

具体实施方式

下面根据附图详细描述本实用新型，本实用新型的目的和效果将变得更加明显。 

本实用新型基于固定传感器的太阳跟踪定位装置包括：数字信号处理芯片、数据采集装置和带孔暗箱；数据采集装置和数字处理芯片相连，两者均安装在带孔暗箱的底部。 

数字信号处理芯片接收数据采集装置采集的数据，进行处理，从而得出太阳角度。数据采集装置包括感光元件和数据转换器，根据黑箱成像面上的光斑得出其具体位置；带孔暗箱的中间安装了一层半透明的膜，用作对太阳的成像面。 

其中，感光元件可以使用独立的光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管等，或者使用集成的感光元件，如CCD和CMOS摄像头，典型的装置样式如图2所示。 

如图3所示一种应用上述基于装置的太阳跟踪定位方法，包括以下步骤： 

步骤1：根据太阳角度的不同，光线穿过暗箱上的小孔，在成像面的不同位置产生光斑。 

如图4所示，太阳的角度可以用太阳在世界坐标系中的两个方位角即在平面上投影与x轴的夹角α_w，和射线与地面的仰角γ_w来表示。如图2，对于一个给定的太阳角度，太阳光在穿过小孔后，会在暗箱的成像面上留下一个确定的光斑。而该光斑的位置和太阳的位置有一个一一对应的关系，因此可以通过确定光斑位置得出太阳的角度。 

步骤2：数据采集装置将成像面上的亮度信息转化为数字信息。 

如图5所示，将成像面划分成a×b个单位正方形，每个正方形都可表示为(x，y)的坐标，其中x表示该正方形在横向上的位置，y表示其在纵向上的位置。因此可以用坐标(x，y)来表示光斑中心点在成像面上的位置。数据采集装置检测每个正方形中的亮度信息(灰度值)，并将该信息上传至数字处理芯片。 

步骤3：数据处理芯片对输入的信号进行处理，得出光斑中心的具体坐标。 

数据处理芯片将亮度信息存入一个a×b的矩阵中，用L_x，y来表示每个正方形中的亮度信息，如下 

$\left[\begin{array}{cccc}{L}_{11}& ...& L_{1m_1}& L_{1b}\\ L_{21}& ...& ...& \\ .& & & \\ .& ...& ...& \\ .& & & \\ L_{a1}& ...& ...& L_{\mathrm{ab}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

利用边沿检测法，判断L_x，y和L_x，y+1之间的差值(即亮度差)是否大于一个给定的阈值，判断是否是光斑的边缘。从而得出一系列的边界点(x₁，y₁)(x₂，y₂)……(x_n，y_n)。则对所有边界点求平均值可得光斑中心点位置(X_c，Y_c)。公式如下： 

（2）

步骤4：根据光斑中心点和暗箱的机械尺寸，计算出太阳的角度，从而得出太阳方位。

如图6所示，设光斑中心点在(X_c，Y_c)处，暗箱中小孔到成像面的距离为H₁，可以由数学方法推导出太阳在世界坐标系中的两个方位即在平面上投影与x轴的夹角α_w，和射线与地面的仰角γ_w： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{\ω}}=\arctan \frac{H_1}{\sqrt{{X_C}^2+{Y_C}^2}}\\ {\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ω}}=\arctan \frac{Y_c}{X_c}\end{array}\right..---\left(3\right)$

本实用新型所使用的摄像头和数字信号处理芯片并不对本实用新型构成限制，凡是采用光敏元件采集亮斑位置，和智能处理器进行处理和运算的所实现的外挂控制系统都落入本实用新型的保护范围。 

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。 

Claims (1)

1.一种基于固定传感器的太阳跟踪定位装置，其特征在于，它包括：数字信号处理芯片、数据采集装置和带孔暗箱；其中，数据采集装置和数字处理芯片相连，两者均安装在带孔暗箱的底部。

Images