[實用新型]一種基于光學圖像處理的自動太陽跟蹤系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201520887442.2
• 申請日: 2015-11-09
• 公開（公告）號: CN205080440U
• 公開（公告）日: 2016-03-09
• 發(fā)明（設計）人: 俞強;劉卿卿;趙毛毛
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12;G01C19/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32224
• 代理人: 朱妃;董建林

技術領域

本實用新型涉及一種太陽跟蹤系統(tǒng)，特別是涉及一種基于光學圖像處理的自動太陽跟蹤系統(tǒng)，屬于自動控制技術領域。

背景技術

太陽能作為一種可持續(xù)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(xù)性差，隨季節(jié)、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(xù)、用戶分散的領域。大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電和熱發(fā)電是節(jié)約礦石能源、降低二氧化碳排放的有效途徑。

目前，制約太陽能光伏發(fā)電的主要因素是光電轉(zhuǎn)換成本高、發(fā)電量波動大以及不適合遠距離輸送。采用自動跟蹤系統(tǒng)可延長太陽能發(fā)電時間，增加發(fā)電量，一定程度上降低發(fā)電量的波動，降低太陽能發(fā)電成本。

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)是指在太陽有效光照時間內(nèi)，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(nèi)都能最大限度地獲取太陽能的裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最主要部分通常由控制部件和轉(zhuǎn)動調(diào)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(zhuǎn)動調(diào)級部件。轉(zhuǎn)動調(diào)級部件的最主要作用是將控制部件給出的信號經(jīng)過調(diào)級處理或分解后用于驅(qū)動光線采集器的采集面始終與太陽光線垂直。

國內(nèi)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(xiàn)有裝置中，光電管的安裝靠近遮光板，調(diào)整遮光板的位置使遮光板對準太陽、硅光電池處于陰影區(qū)；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(jīng)電路放大，由伺服機構(gòu)調(diào)整角度使跟蹤裝置對準太陽完成跟蹤。

根據(jù)控制部件中控制信號產(chǎn)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(nèi)預先存儲的當?shù)亟?jīng)緯度和太陽運行的軌道參數(shù)去控制跟蹤系統(tǒng)運轉(zhuǎn)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(tǒng)運轉(zhuǎn)稱為被動式跟蹤。將以上兩種控制方式結(jié)合在一起去控制跟蹤系統(tǒng)運轉(zhuǎn)稱為混合式跟蹤。

目前世界上通用的太陽主動跟蹤控制系統(tǒng)都需要根據(jù)安放點的經(jīng)緯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(xiàn)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(shù)據(jù)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(guī)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(xiàn)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(tǒng)具有較高的性價比，因此目前使用最為普遍。

太陽能被動跟蹤系統(tǒng)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(diào)節(jié)，被動地跟隨太陽轉(zhuǎn)動。混合式跟蹤是結(jié)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(jié)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。

太陽跟蹤系統(tǒng)在應用中主要考慮以下因素：跟蹤精度、系統(tǒng)成本、耗電量和后期維護費用。評價一個跟蹤系統(tǒng)，應從以上幾個方面綜合考慮。單軸跟蹤系統(tǒng)能夠得到比固定安裝系統(tǒng)更高的太陽輻射利用率，系統(tǒng)成本、耗電量都很低，后期維護方便；雙軸跟蹤系統(tǒng)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(tǒng)維護費用高。主動跟蹤的優(yōu)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(yōu)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(wěn)定，其跟蹤精度依賴于光敏傳感器的精度；而混合控制則結(jié)合了二者的優(yōu)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?yōu)橹鲃邮礁櫍鲃雍捅粍咏惶婵刂频幕旌峡刂葡到y(tǒng)能夠得到最佳控制效果，但系統(tǒng)成本高。

實用新型內(nèi)容

本實用新型的主要目的在于，克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種新型結(jié)構(gòu)的基于光學圖像處理的自動太陽跟蹤系統(tǒng)，特別適用于主動跟蹤。

本實用新型所要解決的技術問題是提供結(jié)構(gòu)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(tǒng)，可實現(xiàn)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。

為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術方案是：