三相限太阳光线传感器与光斑图像传感器融合的太阳光线跟踪算法

摘要

本发明公开了一种三相限太阳光线传感器与光斑图像传感器融合的太阳光线跟踪算法，步骤如下：1)太阳轨迹跟踪实现阶段：2)传感器跟踪实现阶段：3)光斑跟踪法实现阶段。本发明设计简单、成本低廉、运行稳定、追踪精度高，并且能够很好体现实用性、经济性和可推广性。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，尤其是涉及一种三相限太阳光线 传感器与光斑图像传感器融合的太阳光线跟踪算法。

背景技术

现今的电力行业中发电技术多是以煤炭为主，但由于能源危机、环境污 染等问题日益凸显，新能源开发已是发展所需，太阳光作为一种环保、可再 生的公共资源，有着无可比拟的优势并受到广大开发者的青睐。当今太阳能 发电技术已比较成熟，但由于制作成本、光电转换效率和材料等问题发展较 慢。

目前，太阳能光伏发电已广泛应用到各行业中，但由于光电转换效率低 和制作成本高的问题，很大程度上阻碍了它的应用，一般的多晶硅太阳能板 转换效率约为12％～14％，如果应用到用户手中也只有10％左右。为了解决这 些问题，一是靠电池板的材料研制，另一方面是保证电池板的工作状态，使 之处于输出功率保持最大。采用太阳跟踪方式即保持太阳能电池板始终受到 最大光照可以显著提高光伏发电效率，现有的跟踪法主要有两种：一是太阳 轨迹跟踪法；二是传感器检测跟踪法。

对于太阳轨迹跟踪法中由于多变的自然现象会使计算与实际有差距，在 跟踪过程中不能消除累计误差，电池板姿态旋转主要是通过控制电机的转动 带动，在角度定位中也会有很大的误差，使系统的精度降低。在阴雨天时跟 踪则为纯粹的系统能源耗费。

传感器检测跟踪法中传感器的信号采集对外界环境的要求较高，在阴雨 天或外界光源中容易错误判断。传感器选型的不同也会影响测量精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种三相限太阳光线传感器与光斑 图像传感器融合的太阳光线跟踪算法，运行稳定，追踪精度高，并很好体现 实用性、经济性和可推广性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：三相限太阳光线传感器与 光斑图像传感器融合的太阳光线跟踪算法，步骤如下：分别利用光线传感器、 摄像头检测太阳方位角，对测量值进行卡尔曼滤波，计算状态估计，最后进 行数据滤波，得到精确的估计量；其中算法包括：

1)、太阳轨迹跟踪算法：

通过查阅太阳轨迹天文算法，获得太阳相对地球的位置；需要当地准确 时间和经纬度，由当地时间和地理纬度(φ)经如下公式计算获得太阳的高度角 和方位角；

地方时角用t表示，t＝(hour*15＋minute*0.25)度；赤纬角(δ)是地球赤道平 面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，一年内任一天的赤纬角δ： cos(α)＝[sin(h)*sin(t)*sin(δ)]÷cos(h)*cos(t)；式中N为积日，自1月1日开始计算， 闰年时N加1；太阳高度角(h)是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角， 太阳高度角计算公式：太阳方位角 (α)指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，方位角以正南方 向为零，向西逐渐变大，向东逐渐变小，直到在正北方合在±180°，在正午 时方位角都为零，cos(α)＝[sin(h)*sin(t)*sin(δ)]/cos(h)*cos(t)，经软件处理 即可获取所需数据，再发出相应控制信号给云台，带动太阳能电池板转到相 应位置即可完成追踪；

2)、传感器跟踪算法：

先调节水平方向，判断左右传感器光强差，向大的方向转动到差值小于a 值时云台停止；判断左前方和圆柱内传感器光强差，向大的方向转动到差值 小于a值时云台停止；实验验证此方法能够准确快速寻找到太阳光直射方向； 最上方传感器裸露在外面，通过它的测量值可以反应外界光线强度，可对天 气状况判断；

3)、光斑跟踪算法：

上位机根据摄像头采集的数据进行处理，采用二值图像方法进行数字图 像处理，首先把灰度图像二值化，得到二值化图像，所有大于和等于阈值的 像素点判定为拍摄到太阳，其灰度值用255表示，其他像素点被排除在物体 区域外，灰度值为0；计算太阳光斑在图片中的位置，进而对太阳能电池板位 置做出调整，保持光斑位于图片中心位置即可确定太阳光直射太阳能电池板。

采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、在太阳能电池板跟踪时结合两种方法的优点，初始由太阳轨迹算法 做粗略定位后再由光电传感器采集的信号做精确调整，本发明中的光电传感 器选用高精度光电三极管，电路设计用运放进行信号放大，电路对称性强， 使整个传感器装置的精度大大提升，而且设计了更加简便有效的装置。

二、对电池板的姿态测量，通过三轴数字罗盘、三轴加速度计、三轴陀 螺仪组成的九轴姿态调整传感装置测量到电池板的旋转姿态，作为反馈信号 给控制装置，对于九轴调整传感装置测量值采用卡尔曼滤波算法使获得的结 果更加精确，再与计算的太阳角度比较使电池板准确到达指定位置，避免定 位误差。

三、在跟踪过程中判断光电传感器的测量值，通过比对三个传感器的测 量参数调整电池板的位置，相比较电池板自身参数灵敏度更高，并且在低于0.5 伏时不采取跟踪，降低系统本身能耗。

四、在电池板旋转到准确位置后可直接获取位置数据，方便数据分析。

五、上位机中应用Labview软件，利用Labview软件上位机可方便得进 行系统控制、数据获取和数据处理。

附图说明

图1为本发明一种实施例的结构框图；

图2为本发明一种实施例中光电传感器的结构示意图；

图3为本发明的工作原理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2和图3共同所示，本发明提供了三相限太阳光线跟踪传感装 置的太阳光线跟踪方法，步骤如下：

1)、太阳轨迹跟踪实现阶段：

通过查阅太阳轨迹天文算法，获得太阳相对地球的位置；需要当地准确 时间和经纬度，由当地时间和地理纬度(φ)经如下公式计算获得太阳的高度角 和方位角；

地方时角用t表示，t＝(hour*15＋minute*0.25)度；赤纬角(δ)是地球赤道平 面与太阳和地球中心的连线之间的夹角，一年内任一天的赤纬角δ： cos(α)＝[sin(h)*sin(t)*sin(δ)]÷cos(h)*cos(t)；式中N为积日，自1月1日开始计算， 闰年时N加1；太阳高度角(h)是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角， 太阳高度角计算公式：太阳方位角 (α)指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，方位角以正南方 向为零，向西逐渐变大，向东逐渐变小，直到在正北方合在±180°，在正午 时方位角都为零，cos(α)＝[sin(h)*sin(t)*sin(δ)]/cos(h)*cos(t)，经软件处理 即可获取所需数据，再发出相应控制信号给云台，带动太阳能电池板转到相 应位置即可完成追踪；

2)、传感器跟踪实现阶段：

先调节水平方向，判断左右传感器光强差，向大的方向转动到差值小于a 值时云台停止；判断左前方和圆柱内传感器光强差，向大的方向转动到差值 小于a值时云台停止；实验验证此方法能够准确快速寻找到太阳光直射方向； 最上方传感器裸露在外面，通过它的测量值可以反应外界光线强度，可对天 气状况判断。

如图2所示，图2为光电传感器的结构示意图，图2中主体为光电传感 器，三根引出线分别表示光电传感器的三个接线端。在本实施例中，通过光 电传感器测量的电压信号作出如下调整：1号和2号控制云台的水平转动，1 号和3号控制云台俯仰转动。每次先调节水平方向，判断1号光强大于2号 光强且差值大于a值时云台左转，当差值小于a值时停止。判断2号光强大于 1号光强且差值大于a值时云台右转，当差值小于a值时停止。再调节俯仰方 向，判断1号光强大于3号光强且差值大于a值时云台上转，当差值小于a 值时停止。如果3号值大于1号且差值大于a时云台下转，到差值小于a时停 止。实验证明此方法能够准确获取太阳光直射方向。a为判断基准值，经测量 为0.05。

3)、光斑跟踪法实现阶段：

上位机根据摄像头采集的数据进行处理，采用二值图像方法进行数字图 像处理，首先把灰度图像二值化，得到二值化图像，所有大于和等于阈值的 像素点判定为拍摄到太阳，其灰度值用255表示，其他像素点被排除在物体 区域外，灰度值为0；计算太阳光斑在图片中的位置，进而对太阳能电池板位 置做出调整，保持光斑位于图片中心位置即可确定太阳光直射太阳能电池板。

本发明不局限于上述的优选实施方式，任何人应该得知在本发明的启示 下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或者相近似的技术方案，均属于 本发明的保护范围。