一種太陽能電池板角度自動調整的方法和太陽能電池系統的製作方法

2023-06-08 22:59:36 2

專利名稱：一種太陽能電池板角度自動調整的方法和太陽能電池系統的製作方法
一種太陽能電池板角度自動調整的方法和太陽能電池系統
技術領域：
本發明涉及太陽能領域，特別是關於一種太陽能電池板角度自動調整的方法和系 統。
背景技術：
太陽能光伏技術是近年來快速發展的清潔能源技術之一。為了使光伏電池的效能 保持最佳，有必要使太陽能裝置隨季節、上下午等自動對準太陽。目前有很多研究者開發了 不同的太陽跟蹤技術。圖1為一種已公開的太陽跟蹤裝置100。請參考圖1所示，所述太陽跟蹤裝置100 包括陽光探測頭由一塊凸透鏡、五個光電二極體(R1、R2、R3、R4和R5)、控制電路板和一個 圓筒組成，其具體組成方式見圖1。五個光電管安裝在同一塊圓板(即光電板)上，呈十字 形排列，其上下為一組，檢測太陽的垂直移動；左右為一組，檢測太陽的水平移動；中間的 一個為一組，為光線檢測，提供復位觸發。透鏡安裝在圓筒的頂端，並用膠水膠合，兼做防水 蓋。圓筒的另一端封閉。電路板安裝在圓筒裡。光電板安裝在筒中透鏡的焦距內，以陽光 直射時透鏡形成的光斑照不到周圍四個光電管為好(至於光斑離光電板多大距離合適，取 決於所需的跟蹤靈敏度，一般1cm左右才不至於使機器頻繁啟動)。當陽光垂直射入時，照 射不到四周的光電管，只有陽光光線發生傾斜即探頭不對準太陽時才有可能使光線射到四 周的光電管上。當太陽的水平或垂直位置發生偏移時，Rl、R2或R3、R4四個光電管中必有 一個受陽光照射，這樣就可確認太陽運動的方向了。這種技術的問題在於，光電管數量較少，相互之間間隔較大，導致跟蹤的精度比較差。因此有必要提出一種新的技術方案來克服上述問題。
發明內容本部分的目的在於概述本發明的實施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實施 例。在本部分以及本申請的說明書摘要和發明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部 分、說明書摘要和發明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用於限制本發明的範圍。本發明的目的在於提供一種太陽能電池板角度自動調整的方法，其採用攝像裝置 對太陽和天空的圖形進行分析，自動找到太陽的位置，使得跟蹤的精確度非常高。根據本發明的一方面，本發明提供一種太陽能電池板角度自動調整的方法，其包 括利用一攝像頭拍攝包含有太陽的圖像；將拍攝的圖像的每個像素點的亮度值與預先設 定的亮度閾值進行比較，得到二值化圖像；將所述二值化圖像中的亮的像素點進行聚類，得 到若干連通的亮度較亮的小片區域；計算所述各個小片區域的面積並與區域閾值進行比 較，其中，去掉面積大於所述區域閾值的區域；對去掉面積大於所述區域閾值的區域後餘下 的亮度較亮的所述小片區域按區域面積進行排序，得到最大的區域，並計算所述最大的區 域的重心位置即太陽的位置；根據所述太陽的位置計算與目標位置的位移矢量，驅動電機
4根據所述位移矢量調整電池板的角度。進一步的，所述攝像頭拍攝的圖像亮度在一個亮度區間內，將所述亮度閾值設置 為所述亮度區間中均值以上的亮度值。進一步的，當拍攝的圖像的像素點的亮度值大於所述亮度閾值時則將此像素點標 記為1或0中的一個值，當拍攝的圖像的像素點的亮度值小於閾值值時則將此像素點標記 為1或0中的另一個值，從而形成一個二值化圖像。進一步的，所述聚類是通過四連通或八連通進行聚類。進一步的，所述區域閾值略小於圖像中太陽的面積。進一步的，所述目標位置為畫面正中心。進一步的，所述位移矢量為(Cx-x0，Cy-y0)，其中(x0，y0)為所述畫面正中心的位 置，(Cx，Cy)為當前畫面太陽的重心的位置。進一步的，太陽的位置為畫面正中心時，電池板的角度為朝向太陽的最佳角度，所 述電池板根據所述位移矢量進行角度調整以使得太陽位於畫面的正中心。根據本發明的另一方面，本發明提供一種太陽能電池板角度自動調整的系統，其 包括太陽能電池板；攝像頭模塊，用於拍攝包含有太陽的圖像；圖像處理模塊，包括二值化單元、聚類單元和位置確定單元，其中所述二值化單元 用於將所述攝像模塊拍攝的圖像的每個像素點的亮度值與預先設定的亮度閾值進行比較 以得到二值化圖像；所述聚類單元用於將所述二值化圖像中的亮的像素點進行聚類，得到 若干連通的亮度較亮的小片區域；所述比較單元用於計算所述各個小片區域的面積並與區 域閾值進行比較；所述位置確定單元去掉面積大於所述區域閾值的小片區域，並對去掉面 積大於所述區域閾值的小片區域後餘下的亮度較亮的所述小片區域按區域面積進行排序， 得到最大的小片區域，並計算所述最大的小片區域的重心位置即太陽的位置；和驅動電機模塊，根據所述太陽的位置計算與目標位置的位移矢量，驅動電機根據 所述位移矢量調整所述太陽能電池板的角度。進一步的，當拍攝的圖像的像素點的亮度值大於所述亮度閾值時則將此像素點標 記為1或0中的一個值，當拍攝的圖像的像素點的亮度值小於閾值值時則將此像素點標記 為1或0中的另一個值，從而形成一個二值化圖像。進一步的，所述目標位置為畫面正中心，計算當前畫面中太陽的位置(Cx，Cy)和 所述目標位置(xO，y0)的矢量(Cx-xO，Cy-yO)，驅動電機根據所述矢量驅動所述太陽能電 池板進行角度調整。與現有技術相比，本發明採用一隻攝像機來拍攝太陽的圖像，並對其進行分析，獲 得太陽的位置，隨後根據事先標定好的目標位置得到位移矢量，最後根據位移矢量的方向 和大小，驅動電機以對太陽能電池板的角度調到最佳的角度，從而使得跟蹤太陽的精確度
非常高。

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本 領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它 的附圖。其中圖1為一種已公開的太陽跟蹤裝置；圖2為本發明中太陽能電池板角度自動調整的方法的流程圖；圖3A為本發明中一個實施例中二值化圖按四連通進行聚類的示意圖；圖3B為對應於圖3A標記之後通過四連通進行聚類的示意圖；圖3C為對應於圖3B標記之後通過四連通進行聚類的示意圖；圖3D為對應於圖3C標記之後通過四連通進行聚類的示意圖；圖3E為對應於圖3D標記之後通過四連通進行聚類的示意圖；圖4為本發明中一個實施例中二值化圖按八連通進行聚類的示意圖；圖5為本發明中一個實施例中冒泡排序的示意圖；和圖6為本發明中一種太陽能電池板角度自動調整的裝置600的示意圖
具體實施方式本發明的詳細描述主要通過程序、步驟、邏輯塊、過程或其他象徵性的描述來直接 或間接地模擬本發明技術方案的運作。為透徹的理解本發明，在接下來的描述中陳述了很 多特定細節。而在沒有這些特定細節時，本發明則可能仍可實現。所屬領域內的技術人員 使用此處的這些描述和陳述向所屬領域內的其他技術人員有效的介紹他們的工作本質。換 句話說，為避免混淆本發明的目的，由於熟知的方法和程序已經容易理解，因此它們並未被 詳細描述。此處所稱的「一個實施例」或「實施例」是指可包含於本發明至少一個實現方式中 的特定特徵、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的「在一個實施例中」並非均指同一 個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。此外，表示一個或多 個實施例的方法、流程圖或功能框圖中的模塊順序並非固定的指代任何特定順序，也不構 成對本發明的限制。圖2為本發明中太陽能電池板角度自動調整的方法200的流程圖，請參閱圖2所 示，所示方法200包括步驟210，拍攝包含有太陽的圖像並進行自動曝光以獲得亮度適中的畫面，如，整 個畫面亮度範圍為[100，200]，若均值亮度為150，因為畫面背景均為天空，天空的像素低 於平均值，可能為100，而太陽僅佔畫面的很小一部分，因此太陽對應的像素值必定遠高於 平均值150，這樣平均值則可以能為150。步驟220，比較所述自動曝光後的圖像中每個像素點和亮度閾值，一般的，所述亮 度閾值一般會設定為大於均值的一個值，如均值為150時，可設置所述亮度閾值為160，由 於太陽的亮度遠高於平均值，所以太陽的像素點的值一般會大於160。其具體的比較方式 為對於像素點的亮度值大於所述亮度閾值時，可標記為1，當像素點的亮度值小於所述亮 度閾值時，可標記為0，從而獲得一個二值化圖像，當然，其標記還可以為像素點的亮度值 大於所述亮度閾值時，可標記為0，當像素點的亮度值小於所述亮度閾值時，可標記為1。需 要說明的是，在實際應用中，可以將曝光後的圖像標記為其它記號。
步驟230，將二值化圖像中較亮的像素點按四連通或八連通進行聚類，也就是說， 對於上述像素點的亮度值大於所述亮度閾值標記為1時，則這裡就要對二值化圖像中標記 為1的像素點進行四連通或八連通以進行聚類。在一個示例中，請參見圖3A所示，其為本發明中一個實施例中二值化圖按四連通 進行聚類的示意圖，圖3A中的二值化圖形為7行7列，在進行四連通時有以下幾個步驟步驟一從第一行開始進行遍歷，當查到記號為1的點則進行標記為顏色colorl， 隨後對該點進行四連通，也就說，若點(x，y)的值為1，則對點(x，y_l)、(x，y+l)、(x_l，y) 和(χ+l，y)進行判斷，若為1則將該點的顏色標記為colorl ；步驟二 然後對所述四連通後得到的標記有顏色的其中一個點進行上述相同的步 驟，請參見圖3B所示，圖3B為對應於圖3A之後通過四連通進行聚類的示意圖，此時對點 (2,3)進行四連通，則將點(2，4)標記為顏色colorl，直到點(2，3)進行四連通的符合條件 的點均被標記完，返回步驟二直到沒有可被標記的點為止；步驟三隨後，對步驟一之後所述四連通後得到的標記有顏色的其中另一個點進 行步驟二，請參見圖3C，圖3C為對應於圖3B之後通過四連通進行聚類的示意圖，此時通過 步驟二已經完成點(2，3)的標記，隨後對點(3，2)進行步驟二的標記，這裡標記了點(3，1) 和點(4，2)，隨後對點(4，2)進行連通，請參見圖3D，圖3D為對應於圖3C之後通過四連通進 行聚類的示意圖，其中對點(4，2)進行四連通的點(4，3)，對點(4，3)進行四連通的點(4， 4)，對點(4,4)進行四連通的點(4，5)、點(5，4)，對點(4,5)進行四連通的點(4，6)，對點 (4,6)進行四連通的點(3，6)，對點(3,6)進行四連通的點(2，6)，對點(5,4)進行四連通的 點(6，4)以及對點(6，4)進行四連通的點(6，5)，並對上述點均標記為colorl，這樣所有標 記為colorl的點形成了一個連通的區域；步驟四當所有和第一個點相連的點全部標記完之後，則返回步驟一，下面的點則 標記為顏色colorf (圖中為便於區分，用一組橫線來代替)，直到步驟三結束，請參見圖3E， 圖3E為對應於圖3D之後通過四連通進行聚類的示意圖，此時圖3E中的被標記為color2的 點(5，7)形成一個連通區域，然後返回步驟一繼續進行上述過程，直到沒有需要標記的點 則結束，最後被標記為Color3(圖中為便於區分，用一組斜線來代替)的點(6，2)和點(7， 2)也形成了一個連通區域。在另一個示例中，請參見圖4所示，其示出了本發明中一個實施例中二值化圖按 八連通進行聚類的示意圖，八連通則意味著對點周圍八個方向的點進行連通，如對點(2，2) 進行八連通，則對點(1，1)、點(1，2)、點(1，3)、點(2，1)、點(2，2)、點(2，3)、點(3，1)、點 (3，2)、點(3，3)進行判斷標記，其他過程與四連通的過程相同，這裡就不再詳述。以上所述的四連通、八連通可以通過軟體、硬體或軟硬體結合來實現，其具體的實 現過程是所屬領域的普通技術人員都能夠實現的，這裡就不再一一詳述了。步驟240，計算聚類後得到的連通的區域的面積，也就是計算得到的連通區域中像 素點的個數，如對圖3A到圖3E過程中得到的三個區域的面積分別為15，1，2。步驟250，去掉面積大於區域閾值的區域，這裡將區域閾值設置為略小於太陽所佔 面積的值，這樣對於天空中出現的一大塊較亮的雲所代表的區域直接去掉，而留下的區域 裡太陽所佔的區域一般會是最大的。一般來講，在所拍攝的畫面中，太陽的區域在畫面中比 較小，如果出現較大區域的亮度，則可能是一大塊較亮的雲，為了下面對太陽區域的判斷，所以這裡則採用了設置閾值來去掉大於太陽區域的且較亮的區域。步驟260，對餘下的區域按區域面積進行排序，得到最大區域，根據設置的閾值可 以知道，這裡的最大閾值則為太陽的面積。一般的，由於畫面中會產生較大的不同面積的區 域，則需要進行排序，其排序的方法有很多，如冒泡排序、選擇排序、插入排序、歸併排序和 快速排序等，下面根據一個示例簡單講述排序的過程。在一個示例中，利用最常見的冒泡排序法進行排序，可參見圖5，圖5為本發明中 一個實施例中冒泡排序示意圖，其中得到的區域面積分別為5、4、6、9，首先對第一個數據與 第二數據進行比較，當第一個數據小於第二數據則交換，否則不變，圖中第一個數據5大於 第二個數據4，所以不變，隨後判斷第二個數據和第三個數據的大小，同樣，對於第二個數據 小於第三數據則交換，此時第二個數據4小於第三個數據6，則交換，依次類推，則首先得 到序列為5、6、9、4，第一輪結束，由此可知，所述冒泡排序產生的效果就是將較大的數向上 排，而較小的數則向下排；隨後對上一輪得到的序列再按上述步驟進行排序，直到得到一個 從大到小的序列，如，在第二輪結束後序列變為6、9、5、4，在第三輪結束後序列為9、6、5、 4，此時，沒有前面的數小於後面的數了，則結束。當然，不同的排序其時間複雜度可能不同，要根據實際情況，利用最有高率的排序 算法，其他的排序算法以及應用都是所屬領域的普通技術人員都能夠實現的，這裡就不再 --詳述了。步驟270，計算所述最大區域即太陽的重心位置，其具體的實現也是所屬領域的普 通技術人員都能夠實現的，所以就不再詳述。步驟280，計算所述重心位置和畫面正中心的位移矢量，調整電池板角度，其具體 為一般的，根據設計和裝配規範，當太陽的位置在畫面正中心(xO，y0)時，電池板的角度 為朝向太陽的最佳角度，令所述重心位置為(Cx，Cy)，這時，根據(Cx-xO，Cy-yO)這個位移 矢量，驅動電機即可調整電池板到最佳角度。需要注意的是，對於不同的設計或裝配，其電 池板對應的最佳角度不一定對應著太陽在畫面的正中心，也可以在太陽在畫面的其他位置 (xl,yl)對應著電池板朝向太陽的最佳角度，這裡根據矢量(Cx-xl，Cy-yl)，同樣驅動電機 將電池板調整到最佳角度。圖6為本發明中一種太陽能電池板角度自動調整的裝置600的示意圖，請參閱圖 6所示，其中所述太陽能電池板角度自動調整的裝置600包括太陽能電池板610、攝像模塊 620、圖像處理模塊630、驅動電機模塊640，用於獲取太陽的圖像並根據閾值比較模塊判讀 出太陽的位置，驅動電機通過太陽的位置和目標位置之間的矢量調整電池板的角度。所述攝像模塊620用於拍攝包含有太陽的圖像，可以採用黑白相頭或彩色攝像 頭。所述圖像處理模塊630包括二值化單元6301、聚類單元6302、比較單元6303和位 置確定單元6304。所述二值化單元6301用於將所述攝像機拍攝的圖像的每個像素點的亮度值與預 先設定的亮度閾值進行比較以得到二值化圖像。所述聚類單元6302用於將所述二值化圖像中的亮的像素點進行聚類，得到若干 連通的亮度較亮的小片區域。所述比較單元6303用於計算 所述各個小片區域的面積並與區域閾值進行比較。
所述位置確定單元6304去掉面積大於所述區域閾值的小片區域，並對去掉面積 大於所述區域閾值的小片區域後餘下的亮度較亮的所述小片區域按區域面積進行排序，得 到最大的小片區域，並計算所述最大的小片區域的重心位置即太陽的位置。所述驅動電機模塊640根據所述太陽的位置計算與目標位置的位移矢量，驅動電 機根據所述位移矢量調整電池板的角度。
綜上所述，本發明的太陽能電池板角度自動調整技術通過攝像頭攝取包含有太陽 的圖像，並對圖像進行分析，從而得到當前太陽偏離電池板最佳角度對應的目標位置的偏 移，從而根據所述偏移實現電池板的自動調整，提高了電池板接收到太陽的精確度。上述說明已經充分揭露了本發明的具體實施方式
。需要指出的是，熟悉該領域的 技術人員對本發明的具體實施方式
所做的任何改動均不脫離本發明的權利要求書的範圍。 相應地，本發明的權利要求的範圍也並不僅僅局限於前述具體實施方式
。
權利要求
一種太陽能電池板角度自動調整的方法，其特徵在於，其包括利用一攝像頭拍攝包含有太陽的圖像；將拍攝的圖像的每個像素點的亮度值與預先設定的亮度閾值進行比較，得到二值化圖像；將所述二值化圖像中的亮的像素點進行聚類，得到若干連通的亮度較亮的小片區域；計算所述各個小片區域的面積並與區域閾值進行比較，其中，去掉面積大於所述區域閾值的小片區域；對去掉面積大於所述區域閾值的小片區域後餘下的亮度較亮的所述小片區域按區域面積進行排序，得到最大的小片區域，並計算所述最大的小片區域的重心位置即太陽的位置；和根據所述太陽的位置計算與目標位置的位移矢量，驅動電機根據所述位移矢量調整電池板的角度。
2.根據權利要求1所述的太陽能電池板角度自動調整的方法，其特徵在於所述攝像 頭拍攝的圖像亮度在一個亮度區間內，將所述亮度閾值設置為所述亮度區間中均值以上的亮度值。
3.根據權利要求1所述的太陽能電池板角度自動調整的方法，其特徵在於當拍攝的 圖像的像素點的亮度值大於所述亮度閾值時則將此像素點標記為1或0中的一個值，當拍 攝的圖像的像素點的亮度值小於閾值值時則將此像素點標記為1或0中的另一個值，從而 形成一個二值化圖像。
4.根據權利要求1所述的太陽能電池板角度自動調整的方法，其特徵在於所述聚類 是通過四連通或八連通進行聚類。
5.根據權利要求1所述的太陽能電池板角度自動調整的方法，其特徵在於所述區域 閾值略小於圖像中太陽的面積。
6.根據權利要求1所述的太陽能電池板角度自動調整的方法，其特徵在於所述目標 位置為畫面正中心。
7.根據權利要求6所述的太陽能電池板角度自動調整的方法，其特徵在於所述位移 矢量為(Cx-x0，Cy-y0)，其中(x0,y0)為所述畫面正中心的位置，(Cx, Cy)為當前畫面太陽 的重心的位置。
8.根據權利要求6所述的太陽能電池板角度自動調整的方法，其特徵在於太陽的位 置為畫面正中心時，電池板的角度為朝向太陽的最佳角度，所述電池板根據所述位移矢量 進行角度調整以使得太陽位於畫面的正中心。
9.一種太陽能電池系統，其特徵在於，其包括 太陽能電池板；攝像模塊，用於拍攝包含有太陽的圖像；圖像處理模塊，包括二值化單元、聚類單元、比較單元和位置確定單元，其中所述二值 化單元用於將所述攝像模塊拍攝的圖像的每個像素點的亮度值與預先設定的亮度閾值進 行比較以得到二值化圖像；所述聚類單元用於將所述二值化圖像中的亮的像素點進行聚 類，得到若干連通的亮度較亮的小片區域；所述比較處理單元用於計算所述各個小片區域 的面積並將其與區域閾值進行比較；所述位置確定單元去掉面積大於所述區域閾值的小片區域，並對去掉面積大於所述區域閾值的小片區域後餘下的亮度較亮的所述小片區域按區 域面積進行排序，得到最大的小片區域，並計算所述最大的小片區域的重心位置即太陽的 位置；和驅動電機模塊，根據所述太陽的位置計算與目標位置的位移矢量，驅動電機根據所述 位移矢量調整太陽能電池板的角度。
10.根據權利要求9所述的太陽能電池系統，其特徵在於當拍攝的圖像的像素點的亮 度值大於所述亮度閾值時則將此像素點標記為1或0中的一個值，當拍攝的圖像的像素點 的亮度值小於閾值值時則將此像素點標記為1或0中的另一個值，從而形成一個二值化圖 像。
11.根據權利要求9所述的太陽能電池系統，其特徵在於所述目標位置為畫面正中 心，計算當前畫面中太陽的位置(Cx,Cy)和所述目標位置(x0,y0)的矢量(Cx-xO,Cy-yO), 驅動電機根據所述矢量驅動所述太陽能電池板進行角度調整。
全文摘要
本發明提供一種太陽能電池板角度自動調整的方法，其包括利用一攝像頭拍攝包含有太陽的圖像；將拍攝的圖像的每個像素點的亮度值與預先設定的亮度閾值進行比較，得到二值化圖像；將所述二值化圖像中的亮的像素點進行聚類，得到若干連通的亮度較亮的小片區域；計算所述各個小片區域的面積並與區域閾值進行比較，其中，去掉面積大於所述區域閾值的區域；對去掉面積大於所述區域閾值的區域後餘下的亮度較亮的所述小片區域按區域面積進行排序，得到最大的區域，並計算所述最大的區域的重心位置即太陽的位置；根據所述太陽的位置計算與目標位置的位移矢量，驅動電機根據所述位移矢量以調整電池板的角度。
文檔編號G06T7/00GK101859149SQ20101018115
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月25日 優先權日2010年5月25日
發明者王浩, 陳遠 申請人:無錫中星微電子有限公司