太陽能電池板定位系統的研究

楊雅志

(1.成都電子機械高等專科學校 計算機工程系，成都 610071;2.四川師范大學 計算機科學學院，成都 610101)

太陽能電池板定位系統的研究

楊雅志1，2

(1.成都電子機械高等專科學校 計算機工程系，成都 610071;2.四川師范大學 計算機科學學院，成都 610101)

在電力能源生產中，為了獲得更高的發電效率，需要太陽能接收器正對太陽以獲取最大的光通量，充分吸收光照。介紹了一種應用數字圖像技術實現太陽能電池板正確定位以獲取最大光照的方法。這種方法可以顯著提高現有系統的定位精度，獲得理論最大的光通量。

太陽能電池板;數字圖像處理;定位

在太陽能發電中，需要隨時調整太陽能電池板的位置使其正對太陽，從而獲取最大的光通量。在傳統的定位系統中，通常采用GPS對太陽能發電站進行定位，通過計算當前位置相對太陽的角度來調整太陽能電池板。這種方式是調用數據庫中的經驗參數對電池板位置進行調整，但是在實際運用中，光通量的變化會受到天氣、大氣折射等眾多因素的影響，故無法提供最大化的光照通量。本文提出了一種利用數字圖像處理來獲取更精確定位的方式，可以顯著提高定位精度，從而獲得最大的光通量。

1 太陽能電池板定位系統概述

太陽能電池板的定位系統主要由檢測控制系統以及機電驅動系統組成。檢測系統用于測量當前太陽相對于電池板的位置，并通過計算得出控制信號;機電驅動系統接收控制信號并控制電機進行電池板位置的調整。在位置信號處理的過程中需要對太陽進行圖像采樣，計算其圖像重心位置，由此來判斷太陽和太陽能電池板位置的偏差，并進行調整。在數字圖像處理的過程中可以利用虛擬儀器視覺與運動模塊進行設計。

1.1 太陽能電池板定位系統硬件平臺搭建

該系統中，可以利用USB接口的攝像裝置完成對太陽位置圖像的采樣，為了避免強烈陽光對成像質量的影響并方便后期進行圖像的二值化處理，需要在鏡頭前加裝濾光片，降低太陽直射的光輻射通量。攝像頭將采集的圖像信息傳遞給計算機進行處理，計算機通過對圖像進行運算后再將偏移的判定結果傳遞給機電驅動系統，以此來調節電池板的位置，在調整位置以后再次對當前的太陽位置進行采樣，采樣信息作為反饋信號輸入計算機實現系統的閉環控制。系統的總體設計框架如圖1所示。

圖1 太陽能電池板定位系統的總體設計框圖

1.2 太陽能電池板定位系統軟件概述

系統的圖像處理部分利用虛擬儀器中的視覺與運動模塊完成［1］，該模塊包含了圖像采集控制、數字圖像的空域以及頻域處理等多種內置的功能和函數，通過調用這些函數可以方便地識別出太陽的方位以及相對于太陽能電池板中心位置的偏移量。

1.3 太陽能電池板定位系統技術指標

此系統的定位精度與光學系統的參數有關，設計中采用的光學攝像頭焦距為6.33～19.0 mm，在無限遠物點時，取焦距為6.33 mm，CCD尺寸為1.016 cm，視場大小為77.3196°。CCD分辨率為3 072×2 304，故在成像后其太陽中心的定位精度在2'以內，在光學系統中2'以內的偏差對于光強度大小的影響可以忽略不計，因此，采用該系統可以使電池板獲得理論最大的光照強度。

2 太陽能電池板定位系統算法的具體實現

在該項目中，太陽相對于電池板中心線的定位算法［2］需要經過圖像采樣、圖像轉換、圖像增強、閾值分割、重心計算等步驟。其目的是得到太陽的位置(太陽在圖像中成像的中心點)和電池板正對中心位置(圖像的正中心)的偏移量，并以此來控制電機系統。

圖2 灰度圖像及其強行轉換

攝像頭采集圖像數據后，由于只關心太陽相對于電池板中心線方位的位置，即圖像中強度最大的為太陽的位置，故不需要考慮圖像的色彩信息，圖像由彩色圖像轉換為灰度圖像。通過讀取被采集圖像時，加入定義信息可以強行把彩色圖像轉換為灰度圖像，如圖2所示。

圖3 空域均值濾波

在采樣系統中不可避免地會引入噪聲，在噪聲的抑制中可以采用頻域或者空域濾波，由于在FFT變換濾波中會在圖像中產生一定的波紋，影響圖像中強度最大點的判斷，因此優選空域平滑濾波，如圖3所示。

為了提取出太陽的位置需要對灰度圖像進行閾值的分割［3］，由于太陽和背景部分的灰度級別差異較大，為明顯的兩類灰度，故可以采用閾值分割方法，這里取閾值為235。如圖4所示。

圖4 圖像的閾值分割

在提取了太陽圖像后，太陽位置的灰度級別被定義為最大，非太陽位置的圖像被定義為0灰度級別，此時圖像的重心位置坐標為太陽的位置。此時太陽和電池板正對位置的坐標差可以通過計算得出，得到其偏移量用于電機的控制，從而調節其到正對太陽的位置。其偏移量的計算如圖5所示。

圖5 偏移量的數組計算及其結果

3 結語

本文敘述了太陽能電池板定位算法的一種實現方式［4］，其核心部分主要由虛擬儀器的視覺與運動模塊完成。從采集圖像到圖像的處理與關鍵參數的運算，都可以由一臺帶有攝像頭的計算機完成，圖像數據計算量小，運算處理快速，硬件要求低，是一種低成本的控制計算方法，并且可以通過函數的循環調用實現太陽位置的實時運算與跟蹤［5］。

［1］李培江，李淑清，高華.基于LabVIEW的網絡機器視覺檢測系統［J］.傳感器與微系統，2007，26(8):26-28.

［2］毛義梅.虛擬儀器視覺系統的設計與實現［J］.儀器儀表學報，2002(S1):192-193.

［3］齊龍，馬旭，周海波.基于虛擬儀器技術的田間多光譜視覺系統設計［J］.農業機械學報，2009(1):157-161.

［4］王鵬，趙彥玲，劉獻禮，等.基于LabVIEW的機器視覺系統開發與應用［J］.哈爾濱理工大學學報，2004(05):84-87.

［5］徐樹英.基于虛擬儀器的機器視覺測量系統建模方法和圖像處理算法研究［D］.成都:四川大學，2005.

Research on Solar Panels Positioning System

YANG Yazhi1，2
(1.Computer Engineering Department，Chengdu Electromechanical College，Chengdu 610071，China;2.College of Computer Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，China)

Solar energy as an environmental friendly non-polluting resource is widely used in power generation systems.In order to achieve higher power generation efficiency，solar receivers are required to achieve maximal solar flux and full absorption of light.This paper presents a method by digital image technology to obtain correct positions of solar panels to maximize illumination.By applying the presented approach，the positioning accuracy of the existing system can be significantly improved to obtain the theoretical maximum luminous flux.

Solar Panels;Digital Image Processing;Positioning

TP391.9

A

1008-5440(2011)03-0026-03

2011-06-08

楊雅志(1983-)，男(漢族)，四川崇州人，助教，在讀碩士研究生，研究領域:計算機軟件，教育技術學。