一种基于光学图像处理的自动太阳跟踪系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太阳跟踪系统，特别是涉及一种基于光学图像处理的自动太阳跟踪系统，属于自动控制技术领域。
【背景技术】
[0002]太阳能作为一种可持续利用的清洁能源，是理想的可再生能源。由于太阳能量密度低，能量接收连续性差，随季节、昼夜、气候条件的变化而变化，目前的应用主要集中在太阳能热水器和太阳暖房等能量密度要求不高采光时间不连续、用户分散的领域。大力发展太阳能光伏发电和热发电是节约矿石能源、降低二氧化碳排放的有效途径。
[0003]目前，制约太阳能光伏发电的主要因素是光电转换成本高、发电量波动大以及不适合远距离输送。采用自动跟踪系统可延长太阳能发电时间，增加发电量，一定程度上降低发电量的波动，降低太阳能发电成本。
[0004]太阳能自动跟踪系统是指在太阳有效光照时间内，能使太阳光线始终垂直照射到光线采集器(太阳能集热器或光电池)的采集面上，使光线采集器在有效光照时间内都能最大限度地获取太阳能的装置系统。该系统的最主要部分通常由控制部件和转动调级部件组成。控制部件的作用是将太阳即时位置坐标直接或间接输出给转动调级部件。转动调级部件的最主要作用是将控制部件给出的信号经过调级处理或分解后用于驱动光线采集器的采集面始终与太阳光线垂直。
[0005]国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器和硅光电管。在现有装置中，光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管收到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。
[0006]根据控制部件中控制信号产生的方式，广义上可将跟踪技术分为主动式、被动式和混合式三类。控制信号来自控制部件内预先存储的当地经玮度和太阳运行的轨道参数去控制跟踪系统运转称为主动式跟踪。利用光敏传感器接收的太阳光信号控制跟踪系统运转称为被动式跟踪。将以上两种控制方式结合在一起去控制跟踪系统运转称为混合式跟踪。
[0007]目前世界上通用的太阳主动跟踪控制系统都需要根据安放点的经玮度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，并将其存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。主动式跟踪采用的控制方法也称为时空控制法。基于PC机具有强大的数据存储及计算能力，可用来完成较为复杂的运算，所以在对计算精度要求较高的场合，一般采用它来进行控制，如天文台和气象台对太阳的观测。在大规模的太阳光伏电站中，也可以使用PC机对太阳光伏阵列实现集中控制、控制精度高、平均成本低的效果。相对而言，单片机系统具有较高的性价比，因此目前使用最为普遍。
[0008]太阳能被动跟踪系统主要采用光强控制法，利用光敏元件和传感器进行信号跟踪调节，被动地跟随太阳转动。混合式跟踪是结合了主动跟踪方式和被动跟踪方式的一种跟踪方式。混合式跟踪最常见的是传感器和微处理器相结合的跟踪。微处理的自动控制单元主要以微处理器为核心，微处理通过角度计算及反馈控制部分计算出太阳实时所处的角度值与电池板实际所处的位置，对太阳进行跟踪。
[0009]太阳跟踪系统在应用中主要考虑以下因素:跟踪精度、系统成本、耗电量和后期维护费用。评价一个跟踪系统，应从以上几个方面综合考虑。单轴跟踪系统能够得到比固定安装系统更高的太阳辐射利用率，系统成本、耗电量都很低，后期维护方便；双轴跟踪系统能够最大效率地利用太阳辐射能量，自动化程度高、但其系统维护费用高。主动跟踪的优点是在全天候情况下都能正常工作，其缺点是存在累积误差，一般不能自身消除，被动跟踪的优点是能够通过自身的反馈来消除误差，但在云层较多的天气情况下工作不稳定，其跟踪精度依赖于光敏传感器的精度；而混合控制则结合了二者的优点并克服了二者的缺点，在一般无云的情况下使用被动传感器跟踪，但当云挡住太阳时立即改变为主动式跟踪，主动和被动交替控制的混合控制系统能够得到最佳控制效果，但系统成本高。
【发明内容】
[0010]本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种新型结构的基于光学图像处理的自动太阳跟踪系统，特别适用于主动跟踪。
[0011]本发明所要解决的技术问题是提供结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强的基于光学图像处理的自动太阳跟踪系统，可实现较高的跟踪精度，提供太阳辐射能量利用率，同时适用于云雾天气进行太阳主动跟踪。
[0012]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
一种基于光学图像处理的自动太阳跟踪系统，包括数据采集控制器，均与数据采集控制器相连的无线传输模块、伺服电机和陀螺仪，通过数据存储器与数据采集控制器相连的摄像头传感器，以及由伺服电机驱动的双轴平台，与无线传输模块相连的计算机；所述计算机至少连接有一块显示屏。
[0013]其中，所述双轴平台包括自下而上安装的底座、转动部件和平台，所述平台上安装有陀螺仪和立体盒子，所述转动部件由伺服电机驱动；所述摄像头传感器内置于立体盒子的内腔中，所述立体盒子的顶面开设有供太阳光射入的通光孔，摄像头传感器的摄像头分布在通光孔的正下方，所述通光孔和摄像头传感器之间还设置有透光型的薄膜。
[0014]其中，所述数据采集控制器用于将陀螺仪采集来的双轴平台当前角度值通过无线传输模块传输给计算机进行存储、并通过显示屏进行显示，以及用于将摄像头传感器采集来的太阳图像通过无线传输模块传输给计算机进行图像处理；所述计算机用于图像处理得到太阳的当前质心坐标，通过比较当前质心坐标与太阳光垂直入射时质心坐标计算出太阳与摄像头传感器之间的偏移角度，而产生调整双轴平台的控制信号，并将控制信号通过无线传输模块发送给数据采集控制器、从而启动伺服电机带动转动部件实现太阳跟踪。
[0015]本发明进一步设置为:还包括与数据采集控制器相连的按键键盘，所述按键键盘用于手动控制伺服电机的开启。
[0016]本发明进一步设置为:所述平台的顶面设置有太阳能收集板。
[0017]本发明进一步设置为:所述数据采集控制器采用stm32系统板。
[0018]本发明进一步设置为:所述立体盒子采用不透明材料制成暗盒。
[0019]本发明进一步设置为:所述立体盒子为正方体。
[0020]本发明进一步设置为:所述通光孔的尺寸与摄像头传感器的摄像头尺寸相同。
[0021]本发明进一步设置为:所述通光孔为直径3mm的圆形孔。
[0022]本发明进一步设置为:所述通光孔距离薄膜5cm，所述薄膜距离摄像头传感器的摄像头10cm。
[0023]与现有技术相比，本发明具有的有益效果是:
通过陀螺仪的设置，实现精准地判断出双轴平台的当前角度，从而得到实时的太阳直射角，并将其实时反馈到显示屏上，便于观察和人工调整。通过摄像头传感器和立体盒子的设置，将摄像头传感器内置于立体盒子的内腔中，摄像头传感器从立体盒子的通光孔进行太阳图像采集，大幅消除其他干扰因素的影响，实现采集阶段的图像预处理，提高采集的准确性和集中性，便于太阳图像的后期处理，提高图像处理效率；其中通光孔具有滤光和增强作用，当有云雾遮挡住太阳光时，可根据光点在薄膜上的位置变化，得到太阳直射角度，从而控制伺服电机展开调整，继而使双轴平台与直射太阳光保持垂直。<