用于太阳能电池板组件与太阳高度角检测的系统及方法

摘要

用于太阳能电池板组件与太阳高度角检测的系统，包括外壳，具有无线通信模块、陀螺仪传感器的摄像机组件，毛玻璃盖、下端为尖锥形的细棒、GPS模块，摄像机组件、GPS模块和跟踪太阳光照系统的数据输入端经有线或无线中的一种实现信息交互；毛玻璃盖密封安装在外壳上端，摄像机组件安装在外壳内下端中部且其摄像头向上，毛玻璃盖上端中部有一个开孔，细棒的中部密封安装在开孔内；摄像机组件内置有图像数据预处理模块、图像数据测量处理模块、摄像头放大倍数自标定模块应用软件。应用方法包括7个步骤。本发明基于AI人工智能技术，能为所有的太阳能发电组件提供太阳高度角信息，有效降低了系统成本。基于上述，本发明具有好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池板组件配套设备及应用方法技术领域，特别是一种用于太阳能电池板组件与太阳高度角检测的系统及方法。

背景技术

太阳能电池板组件由于环保节能，是一种不可多得的绿色能源、其应用越来越广泛。为了保证良好的发电效果，现有的太阳能电池板组件安装有跟踪太阳光照的系统。目前在跟踪太阳光照系统中一般采用光控子系统和时控子系统这二种方法结合来实现对太阳的跟踪控制。光控子系统控制方式中，通过光感探头的方式来进行太阳高度角的跟踪，简单来说，就是通过电机转动太阳能电池板组件时带动光感探头的同步转动，同时检测光感探头中的光敏器件接收的光强是否达到了最大值，如果接收到的光强达到了最大值，则停止转动电池组件，从而实现电池组件的光接收强度的最大化接收。实际情况下，在太阳光照良好的情况下，采用光感探头检测太阳光强度来实现跟踪功能不会有什么问题。但是当天空突然飘过来一片云时，就会使得光感探头获取不到正确的数据，从而引发跟踪太阳光照系统不停地经电机转动太阳能电池板组件及接收器来带动光感探头转动、寻找太阳的位置，只要遮挡住太阳能电池板组件及接收器的云彩不散去，则跟踪太阳光照系统就会不断地启动跟踪控制过程，而这时所有的跟踪操作其实都是徒劳的，只会白白增加了跟踪太阳光照系统的耗电而已，同时，在阴雨天时，也同样会发生这样的情况，因此此种方式还存在较大缺陷。

现有技术，为了解决在太阳能电池板组件及光感探头被云彩遮挡或阴雨天而导致的太阳位置跟踪失效的问题，在现有的跟踪太阳光照系统中采用光感探头跟踪太阳位置的基础上，又引入了时控子系统。具体来讲，时控子系统就是根据现代天文学的研究成果，依据太阳能电池板组件安装地点的地球经度、纬度坐标计算出太阳能电池板组件安装地、出现真太阳时的每个时间节点的太阳高度角，这样在光感探头跟踪失效时，就以一定的时间间隔计算出太阳的高度角，然后跟踪太阳光照系统依据此计算出的太阳高度角、设置太阳能电池板组件的位置(和太阳之间的角度)，一旦遮挡太阳能电池板组件的云彩散去时，可以让光感探头所处的位置与真实的太阳高度角的位置比较接近，让光感探头能够检测到云彩已经散去，并重新获取数据来让跟踪太阳光照系统进入正常工作状态。

实际情况下，光控子系统和时控子系统这二种结合的方法，解决了部分因为云彩遮挡和阴雨天纯光控跟踪方式存在的缺陷后，也存在一个问题无法解决。那就是在阴雨天，时控控制功能则不能停止工作，因为一旦停止了工作，万一天气转晴的话，因为光感探头所处的位置可能无法接收到太阳光，那么光控子系统的光控功能也就无法再恢复重新运行了。而时控子系统不能停止工作，也就意味着如果是连续的阴雨天，所有时控子系统的电机也必须保持工作状态，如果有成千上万个太阳能电池板组件其配套的时控子系统的电机在运行的话，则需要消耗大量的电能，而这时候所有消耗的电能一点经济效益也没有，此时所有的太阳能电池板组件因为没有太阳光的照射而无法输出电能。

发明内容

为了克服现有的技术中，太阳能电池板组件配套采用的光控子系统和时控子系统，因技术所限存在的如背景所述弊端，本发明提供了一种基于AI人工智能技术作为基础，应用中，在相关机构及应用单元共同作用下，不需要使用电机无目的带动跟踪太阳光照系统中的部件转动，节省了电能，当受到云彩遮挡或在阴雨天，检测不到太阳时，也无需通过时控方式来持续维持太阳能电池板组件的运动，一旦云彩遮挡消失或天气阴转晴时，可立刻计算出太阳的高度角，并通过和跟踪太阳光照系统的联动控制，让所有的太阳能电池板组件通过测量计算得到的太阳高度角、基于跟踪太阳光照系统的设置，能达到最大化有效光照强度，由此提高了发电效能的用于太阳能电池板组件与太阳高度角检测的系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

用于太阳能电池板组件与太阳高度角检测的系统，其特征在于包括外壳，具有无线通信模块、陀螺仪传感器的摄像机组件，毛玻璃盖、下端为尖锥形的细棒、GPS模块，外壳安装在太阳能电池板组件附近；所述摄像机组件、GPS模块和跟踪太阳光照系统的数据输入端经有线或无线中的一种实现信息交互；所述毛玻璃盖密封安装在外壳上端，摄像机组件安装在外壳内下端中部且其摄像头向上，毛玻璃盖上端中部有一个开孔，细棒的中部密封安装在开孔内；所述摄像机组件内置有图像数据预处理模块、图像数据测量处理模块、摄像头放大倍数自标定模块应用软件；所述图像数据预处理模块具有如下功能，(1)：图像获取，控制摄像机组件以设定的时间间隔定期进行拍照，(2)图像预处理，将获取到的图像进行裁剪、滤波、二值化处理，得到一个由阴影部分为完全黑色，其它部分为完全白色的黑白图像；所述图像数据测量处理模块应用中，根据经图像处理软件模块获取的二值化黑白图像，再依据摄像机组件的摄像头像素数据，能测量出获取的顶部毛玻璃盖出细棒阴影的长度值；所述摄像头放大倍数自标定模块应用中，根据获取的二值化黑白图像，可以计算出顶部细棒阴影的宽度。

进一步地，所述细棒的轴线与外壳的轴线保持重合一致，外壳暴露于阳光下时，顶部的细棒会在毛玻璃上的表面上投射出阴影，外壳内底部的摄像机组件的摄像头能拍摄到投射到毛玻璃上的阴影。

进一步地，所述摄像机组件的摄像头能不变形地拍摄到外壳顶部毛玻璃处的图像，并通过有线方式或无线方式将数据发送到太阳能总系统控制中心的跟踪太阳光照系统，摄像机组件中自带的陀螺仪传感器，可以感知自身的空间位置信息，可以为矫正自身的空间位置提供纠错信息。

进一步地，所述GPS模块用于获取太阳能电池板组件安装位置的经纬度坐标，跟踪太阳光照系统可根据此经纬度坐标计算当地的日出时间、日落时间、太阳的高度角和太阳的方位角，为实现跟踪太阳光照系统的精确控制太阳能电池板组件跟踪太阳光提供必要的数据参考。

用于太阳能电池板组件与太阳高度角检测的系统，其特征在于应用方法如下，步骤A：摄像机组件初次上电运行后，对其内部的应用软件进行每天唤醒和休眠时间运行参数设置，在摄像机组件安装完成后，首先会进入其内部应用软件参数设置过程，需要设置的参数如下，S1：一年之中，在太阳能电池板组件安装地点每天的日出时间；S2：一年之中，在太阳能电池板组件安装地点每天的日落时间；步骤B：摄像机组件初次上电运行后进行其摄像头图像放大倍数的整定，整定过程中首先确保在进行摄像头图像放大倍数的整定时，阳光照射条件处于良好状态，根据图像数据预处理模块获取的立柱阴影图像，采用摄像头放大倍数自标定模块测量计算出立柱阴影的宽度值；步骤C：等待摄像机组件被唤醒，摄像机组件在自身系统的运行时间到达太阳落山时，会进入休眠状态，而当自身系统时间到达第二天太阳升起时间时，摄像机组件则会被唤醒；步骤D：由摄像机组件内置的程序实时计算太阳的高度角，计算摄像头组件会在每天的日出时间被唤醒，然后图像数据预处理模块按照特定的时间间隔控制摄像机进行拍照，图像数据测量处理模块进行处理后可获取立柱的阴影图像，经图像数据测量处理模块可以计算出顶部细棒阴影的长度；步骤E：由摄像机组件内置的图像数据测量处理模块、摄像头放大倍数自标定模块计算太阳的高度角；步骤F：摄像机组件将实时计算得到的太阳高度角数据同步传输到跟踪太阳光照系统，为所有太阳能电池板组件的跟踪太阳光照系统跟踪太阳的高度角提供依据，跟踪太阳光照系统的电机基于同步太阳高度角数据，控制太阳能电池板对准太阳的高度角：步骤G；摄像机组件的应用软件查询其内部时钟数据，如果时间到达了太阳落山时间，则摄像机组件进入休眠状态。

进一步地，步骤A中，设置参数计算方法是依据安装地点的经纬度坐标、天文学中提供的计算公式进行计算，计算结果存入摄像机组件中的掉电非易失去性存储器中，同时将摄像机组件内部软件的下次唤醒，设置为通过计算获得第二天日出时间。

进一步地，步骤G中，如果没有时间到达了太阳落山时间，重复步骤D至步骤G的过程。

本发明有益效果是：本发明基于AI人工智能技术作为基础，应用中，在相关机构及应用单元共同作用下，不在跟踪太阳光照系统中采用时控方式，在阴雨天或天空被云彩遮挡时，无需让跟踪太阳光照系统的电机运行，降低了能源消耗；不在每个太阳能电池板组件中安装光感探头，只要在一个集群太阳能发电组件中，安装一套本发明太阳高度角测试组件，即可为所有的太阳能发电组件提供太阳高度角信息，有效降低了系统成本。基于上述，本发明具有好的应用前景。

附图说明

以下结合附图和实施例将本发明做进一步说明。

图1是本发明立柱和太阳之间的角度示意图。

图2是本发明结构示意图。

图3是本发明立柱结构示意图。

图4是本发明立柱在毛玻璃上阴影成像示意图。

具体实施方式

图1、2、3、4所示，用于太阳能电池板组件与太阳高度角检测的系统，包括下端有底上端外开放式结构的不透明筒型外壳G，具有CAN、USB或者WIFI无线通信模块及陀螺仪传感器的摄像机组件E，圆形毛玻璃盖F、下端为尖锥形的细棒(非透明材质制作)BC、GPS模块H，外壳G安装在太阳能电池板组件附近；所述摄像机组件E、GPS模块H和跟踪太阳光照系统的数据输入端经有线或无线中的一种实现信息交互；所述毛玻璃F盖密封安装在外壳G上端，摄像机组件E安装在外壳G内下端中部且摄像头向上，毛玻璃盖 E上端中部有一个开孔，细棒BC的中部密封安装在开孔内；所述摄像机组件E内置有图像数据预处理模块、图像数据测量处理模块、摄像头放大倍数自标定模块应用软件；所述图像数据预处理模块具有如下功能， (1)：图像获取，控制摄像机组件以设定的时间间隔定期进行拍照，(2)：图像预处理，将获取到的图像进行裁剪、滤波、二值化处理，得到一个由阴影部分为完全黑色，其它部分为完全白色的黑白图像；所述图像数据测量处理模块应用中，根据经图像数据预处理模块获取的二值化黑白图像，再依据摄像机组件E 的摄像头像素数据(像素点数/英寸)，能测量出获取的顶部毛玻璃盖F处细棒BC阴影的长度值；所述摄像头放大倍数自标定模块应用中，根据获取的二值化黑白图像，可以计算出顶部细棒BC阴影的宽度；在此以A来表示宽度值，因为在制作此细棒时，其宽度的尺寸是已知的，在此以B来表示此值，摄像头放大倍数，在此以F来表示，那么F＝A/B。

图1、2、3、4所示，细棒BC的轴线与圆柱形外壳G的轴线保持重合一致，圆柱形外壳G暴露于阳光下时，顶部的细棒BC会在毛玻璃F上的表面上投射出阴影，圆柱形外壳G内底部的摄像机组件E的摄像头能拍摄到投射到毛玻璃F上的阴影。摄像机组件E摄像头能不变形地拍摄到圆柱形外壳G顶部毛玻璃处 F的图像，并通过有线方式或无线方式将数据发送到太阳能总系统控制中心的跟踪太阳光照系统，摄像机组件E中自带的陀螺仪传感器，可以感知自身的空间位置信息，可以为矫正自身的空间位置提供纠错信息。 GPS模块H用于获取太阳能电池板组件安装位置的经纬度坐标，跟踪太阳光照系统可根据此经纬度坐标计算当地的日出时间、日落时间、太阳的高度角和太阳的方位角，为实现跟踪太阳光照系统的精确控制太阳能电池板组件跟踪太阳光提供必要的数据参考。

图1、2、3、4所示，本发明要取得精确的太阳高度角的测量结果，有二个安装尺寸必须要得到保证： (1)摄像头组件E的安装轴线必须与当地的水平面保持垂直；(2)安装于装置顶端的立柱(如图2中的 BC，也就是细棒)的轴线必须与当地的水平面保持垂直。具体安装，第1步，在安装时，首先为外壳G提供一个固定平台，此固定平台采用4脚固定支撑方式，每个固定脚的长度可以进行微调，在配合高精度水平仪器的基础上，可对测量装置固定平台的水平位置进行微调，在安装过程中，需要反复测量固定平台的水平倾角，从而确保符合测量本发明整体装置的使用需求。第2步，将本发明安装于其固定平台上，并用水平仪放置于毛玻璃平面，符合其水平倾角的状态，如果水平倾角不为0，再次调整固定平台4个脚的长短，直到水平仪的水平倾角读数为0。第3步，测量摄像组件内置陀螺仪传感器位置校准，此时启动陀螺仪传感器的自校正程序，将当前的水平位置状态设置为标准水平位置状态。第4步，将摄像头陀螺仪传感器器中的位置信息同步至跟踪太阳光照系统的控制中心备份保存。

图1、2、3、4所示，本发明中，根据摄像机组件获取的图像测量物体尺寸的过程描述如下。本发明采用的特定摄像机组件都具备一定成像尺寸，以CCD 1/2.5英寸摄像头为例，其对角线长为1/2.5英寸，矩形长宽比是4:3。计算过程如下：设对摄像头成像的角线长度为D；设摄像头成像的长度为L；设摄像头成像的宽度为W；则有D

图1、2、3、4所示，用于太阳能电池板组件太阳高度角检测系统，应用方法如下，步骤A：摄像机组件初次上电运行后，对其内部的应用软件进行每天唤醒和休眠时间运行参数设置，在摄像机组件安装完成后，首先会进入其内部应用软件参数设置过程，需要设置的参数如下，(1)：一年之中，在太阳能电池板组件安装地点每天的日出时间；(2)：一年之中，在太阳能电池板组件安装地点每天的日落时间。步骤A 中，设置参数计算方法是依据安装地点的经纬度坐标、天文学中提供的计算公式进行计算，计算结果存入摄像机组件中的掉电非易失去性存储器中，同时将摄像机组件内部软件的下次唤醒，设置为通过计算获得第二天日出时间。具体计算方法如下：太阳赤纬角计算公式，

δ＝23.45°Xsin(360°X(284+n)/365)，公式(1)，

n＝日期序号，见表3-1；

太阳时计算公式：AST＝LST+ET-4(SL-LL)，公式(2)，

LST-当地标准时，ET-时间修正值(单位：分钟)，SL-标准时计量点的经度，LL-当地经度；

时间修正值计算方法如下，

ET＝9.87sin(2B)-7.53con(B)-1.5sin(B)，公式(3)

其中B＝360°(n-81)/364，n＝日期序号，见表3-1

太阳时角公式计算：ω＝0.25°(AST-720)，

太阳天顶角计算公式：cosθ

依据上述的公式1、公式2、公式3、公式4，在太阳的天顶角为-90°和+90°时，可以计算出太阳时角ω，也就可以推算出每一天的太阳日出时间和落山时间。

图1、2、3、4所示，步骤B：摄像机组件初次上电运行后，进行其摄像头图像放大倍数的整定，整定过程中首先确保在进行摄像头图像放大倍数的整定时，阳光照射条件处于良好状态，根据图像数据预处理模块获取的立柱阴影图像，采用摄像头放大倍数自标定模块测量计算出立柱阴影的宽度值，如图2所示，立柱BC能够在毛玻璃F上投射出清晰的阴影图像。如图4所示为阴影图像示意图，这里用宽度值W表示，立柱的实际制作尺寸是一个确定的值，这里用W’表示其宽度值，则摄像头图像放大倍数f＝W’/W。

图1、2、3、4所示，步骤C：等待摄像机组件被唤醒，摄像机组件在自身系统的运行时间到达太阳落山时，会进入休眠状态，而当自身系统时间到达第二天太阳升起时间时，摄像机组件则会被唤醒。步骤D：由摄像头模组内置的程序实时计算太阳的高度角，摄像头组件会在每天的日出时间被唤醒，然后图像数据预处理模块按照特定的时间间隔控制摄像机进行拍照，图像数据测量处理模块进行处理后可获取立柱BC 的阴影图像(图3)，经图像数据测量处理模块可以计算出顶部细棒阴影的长度L，立柱的实际阴影长度值在这里用L’表示，则立柱阴影长度值可通过以下公式来计算：L’＝L*f。

图1、2、3、4所示，步骤E：由摄像机组件内置的图像数据测量处理模块、摄像头放大倍数自标定模块计算太阳的高度角；如图1所示，可通过公式：∠A＝arctan(CB/AB)获取∠A的值设定立柱的实际高度为H，则可以得到：太阳的高度角＝arctan(H/L)。步骤F：摄像机组件将实时计算得到的太阳高度角数据同步传输到跟踪太阳光照系统，为所有太阳能电池板组件的跟踪太阳光照系统跟踪太阳的高度角提供依据，跟踪太阳光照系统的电机基于同步太阳高度角数据，控制太阳能电池板对准太阳的高度角。步骤G摄像机组件的应用软件查询其内部时钟数据，如果时间到达了太阳落山时间，则摄像机组件进入休眠状态。步骤G中，如果没有时间到达了太阳落山时间，重复步骤D至步骤G的过程。

图1、2、3、4所示，本发明采用毛玻璃F来获取立柱BC阴影，可以滤除掉天空的光线干扰，有利于后期的图像滤波处理；立柱BC顶部采用圆锥形设计，会在立柱阴影图像中产生尖角，便于后期用图像测量阴影长度；摄像头组件中内置陀螺仪，可用于校正测量组件的空间位置，使其保持水平；摄像头组件会在太阳落山后自动进入休眠状态，有利于降低系统功耗；摄像头组件会在太阳从地平线升起时被从休眠状态中唤醒，及时进入工作状态；摄像头组件与跟踪太阳光照系统采取实时数据同步的方式进行通信。本发明基于AI人工智能技术作为基础，应用中，不需要在跟踪太阳光照系统中采用时控方式，在阴雨天或天空被云彩遮挡时，无需让跟踪系统的电机运行，降低了能源消耗；不需要在每个太阳能发电组件中安装光感探头，只要在一个集群太阳能发电组件中，安装一套本发明，即可为所有的太阳能发电组件的跟踪太阳光照系统提供太阳高度角信息，有效降低了系统成本。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本本发明限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。