一種基于光學圖像處理的自動太陽跟蹤系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種太陽跟蹤系統，特別是涉及一種基于光學圖像處理的自動太陽跟蹤系統，屬于自動控制技術領域。
【背景技術】
[0002]太陽能作為一種可持續利用的清潔能源，是理想的可再生能源。由于太陽能量密度低，能量接收連續性差，隨季節、晝夜、氣候條件的變化而變化，目前的應用主要集中在太陽能熱水器和太陽暖房等能量密度要求不高采光時間不連續、用戶分散的領域。大力發展太陽能光伏發電和熱發電是節約礦石能源、降低二氧化碳排放的有效途徑。
[0003]目前，制約太陽能光伏發電的主要因素是光電轉換成本高、發電量波動大以及不適合遠距離輸送。采用自動跟蹤系統可延長太陽能發電時間，增加發電量，一定程度上降低發電量的波動，降低太陽能發電成本。
[0004]太陽能自動跟蹤系統是指在太陽有效光照時間內，能使太陽光線始終垂直照射到光線采集器(太陽能集熱器或光電池)的采集面上，使光線采集器在有效光照時間內都能最大限度地獲取太陽能的裝置系統。該系統的最主要部分通常由控制部件和轉動調級部件組成。控制部件的作用是將太陽即時位置坐標直接或間接輸出給轉動調級部件。轉動調級部件的最主要作用是將控制部件給出的信號經過調級處理或分解后用于驅動光線采集器的采集面始終與太陽光線垂直。
[0005]國內常用的光電跟蹤有重力式、電磁式和電動式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器和硅光電管。在現有裝置中，光電管的安裝靠近遮光板，調整遮光板的位置使遮光板對準太陽、硅光電池處于陰影區；當太陽西移時遮光板的陰影偏移，光電管收到陽光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號，經電路放大，由伺服機構調整角度使跟蹤裝置對準太陽完成跟蹤。
[0006]根據控制部件中控制信號產生的方式，廣義上可將跟蹤技術分為主動式、被動式和混合式三類。控制信號來自控制部件內預先存儲的當地經瑋度和太陽運行的軌道參數去控制跟蹤系統運轉稱為主動式跟蹤。利用光敏傳感器接收的太陽光信號控制跟蹤系統運轉稱為被動式跟蹤。將以上兩種控制方式結合在一起去控制跟蹤系統運轉稱為混合式跟蹤。
[0007]目前世界上通用的太陽主動跟蹤控制系統都需要根據安放點的經瑋度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，并將其存儲到PLC、單片機或電腦軟件中，也就是靠計算太陽位置以實現跟蹤。主動式跟蹤采用的控制方法也稱為時空控制法。基于PC機具有強大的數據存儲及計算能力，可用來完成較為復雜的運算，所以在對計算精度要求較高的場合，一般采用它來進行控制，如天文臺和氣象臺對太陽的觀測。在大規模的太陽光伏電站中，也可以使用PC機對太陽光伏陣列實現集中控制、控制精度高、平均成本低的效果。相對而言，單片機系統具有較高的性價比，因此目前使用最為普遍。
[0008]太陽能被動跟蹤系統主要采用光強控制法，利用光敏元件和傳感器進行信號跟蹤調節，被動地跟隨太陽轉動。混合式跟蹤是結合了主動跟蹤方式和被動跟蹤方式的一種跟蹤方式。混合式跟蹤最常見的是傳感器和微處理器相結合的跟蹤。微處理的自動控制單元主要以微處理器為核心，微處理通過角度計算及反饋控制部分計算出太陽實時所處的角度值與電池板實際所處的位置，對太陽進行跟蹤。
[0009]太陽跟蹤系統在應用中主要考慮以下因素:跟蹤精度、系統成本、耗電量和后期維護費用。評價一個跟蹤系統，應從以上幾個方面綜合考慮。單軸跟蹤系統能夠得到比固定安裝系統更高的太陽輻射利用率，系統成本、耗電量都很低，后期維護方便；雙軸跟蹤系統能夠最大效率地利用太陽輻射能量，自動化程度高、但其系統維護費用高。主動跟蹤的優點是在全天候情況下都能正常工作，其缺點是存在累積誤差，一般不能自身消除，被動跟蹤的優點是能夠通過自身的反饋來消除誤差，但在云層較多的天氣情況下工作不穩定，其跟蹤精度依賴于光敏傳感器的精度；而混合控制則結合了二者的優點并克服了二者的缺點，在一般無云的情況下使用被動傳感器跟蹤，但當云擋住太陽時立即改變為主動式跟蹤，主動和被動交替控制的混合控制系統能夠得到最佳控制效果，但系統成本高。
【實用新型內容】
[0010]本實用新型的主要目的在于，克服現有技術中的不足，提供一種新型結構的基于光學圖像處理的自動太陽跟蹤系統，特別適用于主動跟蹤。
[0011]本實用新型所要解決的技術問題是提供結構緊湊、拆裝方便、制作容易、安全可靠、實用性強的基于光學圖像處理的自動太陽跟蹤系統，可實現較高的跟蹤精度，提供太陽輻射能量利用率，同時適用于云霧天氣進行太陽主動跟蹤。
[0012]為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術方案是:
[0013]—種基于光學圖像處理的自動太陽跟蹤系統，包括數據采集控制器，均與數據采集控制器相連的無線傳輸模塊、伺服電機和陀螺儀，通過數據存儲器與數據采集控制器相連的攝像頭傳感器，以及由伺服電機驅動的雙軸平臺，與無線傳輸模塊相連的計算機；所述計算機至少連接有一塊顯示屏。
[0014]其中，所述雙軸平臺包括自下而上安裝的底座、轉動部件和平臺，所述平臺上安裝有陀螺儀和立體盒子，所述轉動部件由伺服電機驅動；所述攝像頭傳感器內置于立體盒子的內腔中，所述立體盒子的頂面開設有供太陽光射入的通光孔，攝像頭傳感器的攝像頭分布在通光孔的正下方，所述通光孔和攝像頭傳感器之間還設置有透光型的薄膜。
[0015]其中，所述數據采集控制器用于將陀螺儀采集來的雙軸平臺當前角度值通過無線傳輸模塊傳輸給計算機進行存儲、并通過顯示屏進行顯示，以及用于將攝像頭傳感器采集來的太陽圖像通過無線傳輸模塊傳輸給計算機進行圖像處理；所述計算機用于圖像處理得到太陽的當前質心坐標，通過比較當前質心坐標與太陽光垂直入射時質心坐標計算出太陽與攝像頭傳感器之間的偏移角度，而產生調整雙軸平臺的控制信號，并將控制信號通過無線傳輸模塊發送給數據采集控制器、從而啟動伺服電機帶動轉動部件實現太陽跟蹤。
[0016]本實用新型進一步設置為:還包括與數據采集控制器相連的按鍵鍵盤，所述按鍵鍵盤用于手動控制伺服電機的開啟。
[0017]本實用新型進一步設置為:所述平臺的頂面設置有太陽能收集板。
[0018]本實用新型進一步設置為:所述數據采集控制器采用stm32系統板。
[0019]本實用新型進一步設置為:所述立體盒子采用不透明材料制成暗盒。
[0020]本實用新型進一步設置為:所述立體盒子為正方體。
[0021]本實用新型進一步設置為:所述通光孔的尺寸與攝像頭傳感器的攝像頭尺寸相同。
[0022]本實用新型進一步設置為:所述通光孔為直徑3mm的圓形孔。
[0023]本實用新型進一步設置為:所述通光孔距離薄膜5cm，所述薄膜距離攝像頭傳感器的攝像頭10cm。
[0024]與現有技術相比，本實用新型具有的有益效果是:
[0025]通過陀螺儀的設置，實現精準地判斷出雙軸平臺的當前角度，從而得到實時的太陽直射角，并將其實時反饋到顯示屏上，便于觀察和人工調整。通過攝像頭傳感器和立體盒子的設置，將攝像頭傳感器內置于立體盒子的內腔中，攝像頭傳感器從立體盒子的通光孔進行太陽圖像采集，大幅消除其他干擾因素的影響，實現采集階段的圖像預處理，提高采集的準確性和集中性，便于太陽圖像的后期處理，提高圖像處理效率；其中通光孔具有濾光和增強作用，當有云霧遮擋住太陽光時，可根據光點在薄膜上的位置變化，得到太陽直射角度，從而控制伺服電機展開調整，繼而使雙軸平臺與直射太陽光保持垂直。
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