一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种导入太阳光来采光照明的应用方法及其装置，尤其是涉及一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法及其装置。本发明专利技术采用摄像头跟踪太阳中心点的实时跟踪技术，驱动电机带动装置转动，大大提高对太阳直射角度的探测精度，简化设计方案，从而使本系统，以低廉的成本，定位精度可以达到毫米甚至微米级别，使得装置可以完全处在于太阳光垂直的方向上。从而最大限度地保证采光效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种导入太阳光来采光照明的应用方法及其装置，尤其是涉及一种全 自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法及其装置。
技术介绍
从二十一世纪初开始出现的太阳光导入系统发展至今，已经有近10年的历史。最 初是为了满足一些特殊的应用，如一些需要全光谱照明的场所或者仪器，是普通的照明灯 泡所满足不了的。而随着在全球范围内的节能减排的要求越来越迫切，将室外的太阳光传 输到室内用作照明的技术应用不断涌现。包括日本、瑞典、英国都推出了其高端产品。如日 本的“向日葵”系统、瑞典的“帕兰阳光系统”等等。这些系统高昂的造价阻碍了太阳光导 入系统进入寻常百姓家和商业楼宇。其成本主要集中在跟踪阳光装置和传输光纤。国外的跟踪阳光装置一般采用GPS接收装置，根据不同城市，不同地点，对比内置 的太阳太空运行轨迹图，并结合光电传感器，经过复杂的运算得出结果，来调整透镜面对太 阳的角度。系统复杂程度较高，导致造价较高。目前市面上的GPS，定位精度一般为100米。 即使去除了 SA干扰的GPS，其定位精度一般在5米 15米之间。如果使用了极其昂贵的 RTCM(差分GPS接口)，其定位精度也只能达到分米或者厘米级别。即不能完全对准太阳的 直射方向。而且当装置需要移位的时候，需要重新进行定位操作。国内的跟踪阳光装置一般省去了复杂的GPS接收装置，只通过1个或者多个光电 传感器来检测阳光的直射角度，从而调整透镜的面向阳光的角度。这些装置虽然能够通过 简化了采光角度检测的设计，但是其稳定性和精度都稍差一些。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术中存在的不足之处，目的在于提供一种以更低的成本实现 更精准的全自动跟踪太阳直射方向的阳光导入装置及方法，解决了现有技术中存在的问 题。一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能利用装置，包括摄像头、汇聚透镜、透镜载 盘、云台、系统控制盒、入射光纤、出射光纤、出射透镜、光传感器、太阳能电池板、蓄电池和 LED照明灯；摄像头与汇聚透镜垂直固定装载在透镜载盘上；透镜载盘装载于云台上；所述 的云台包括云台垂直控制电机、云台水平控制电机和承载组件；光传感器装载于出射透镜 的位置；系统控制盒通过通信接口连接到云台垂直控制电机、云台水平控制电机、光传感器 和蓄电池。由于太阳光比较强烈，可以在摄像头上覆盖太阳滤光片，如巴德膜滤光片；对于阳 光比较强烈的地区，可以覆盖2层滤光片；得到较好的图象效果，同时保护摄像头；作为优选，系统控制盒有外部输入的USB接口。作为优选，摄像头是CXD摄像头或CMOS摄像头。作为优选，摄像头上覆盖一张或多张巴德膜滤光片。本专利技术是通过以下技术方案达到上述目的一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法，包括以下步骤1)全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用装置初始化开始后，使用外部计算机通 过系统控制盒的USB 口来输入当前的时间和设定安装地区的地理坐标，系统控制盒的RTC 计时装置开始自动计时；2)系统控制盒读取当前计时，根据系统内部存储的太阳星历表中存储的太阳方位 或者经系统内部的太阳方位计算程序计算的结果，结合安装地的地理坐标，判断此时是否 处于当地夜间，如果是夜间，则控制盒不做任何动作；3)如果此时处于白天时间，则系统控制盒根据当前的时间安装地的地理坐标，计 算出太阳中心点大致位置；4)系统控制盒通过控制云台垂直控制电机和云台水平控制电机转动使摄像头和 汇聚透镜对准太阳的大致方向；5)摄像头拍摄包含太阳的天空图像；6)系统控制盒处理所拍摄的天空图像，如果是阴天没有发现太阳图像，则根据 系统内部的星历表对应的当时当地的太阳高度角和方位角控制云台转动到太阳的入射方 向；7)如果是晴天发现太阳图像，则将太阳的图象分离出来之后，找到太阳的中心点 位置，计算出目前的摄像头与汇聚透镜朝向和太阳中心点的实际位置的偏差以及偏差的方 向；8)设水平偏差为Δ X，单位为电机移动的步长，ΔΧ为负表示太阳中心点在摄像头 所指方向的东面，为正表示太阳中心点在摄像头所指方向的西面；垂直偏差为ΔΥ，单位为 电机移动的步长，ΔΥ为负表示太阳中心点在摄像头所指方向的下面，为正表示太阳在摄像 头所指方向的上面；9)根据Δ X和Δ Y的正负，调节云台如Δ X为负，则调节云台水平控制电机，使云 台往东移动一个步长；如ΔΧ为正，则调节云台水平控制电机，使云台往西移动一个步长； 如ΔΥ为负，则调节云台垂直控制电机，使云台往下一个步长；如ΔΥ为正，则调节云台垂直 控制电机，使云台往上移动一个步长；10)重复步骤5)、步骤6)、步骤7)、步骤8)和步骤9)，直到使I ΔΧ| < 2，ΔΥ <2，使摄像头和汇聚透镜对准太阳中心点的方向，太阳光通过汇聚透镜、入射光纤、出射光 纤、和出射透镜到太阳能电池板，太阳能电池板为LED照明灯供电；11)间隔设定周期，重复执行步骤2、至步骤10)，使摄像头和汇聚透镜始终对准太 阳中心方向。作为优选，所述步骤9)和步骤10)可以按以下方法代替计算出到达中心点位置 所需移动的水平和垂直步长值，之后驱动云台垂直控制电机和云台水平控制电机一次性到 达此位置；作为优选，在有太阳光线的情况下，太阳能电池板同时为蓄电池充电。作为优选，光传感器检测光强低于阈值的时候，通过蓄电池为LED照明灯供电。作为优选，摄像头所使用镜头的有效角度为60度。本专利技术的有益效果是 采用摄像头跟踪太阳中心点的实时跟踪技术，驱动电机带动装置转动，大大提高 对太阳直射角度的探测精度，简化设计方案，从而使本系统，以低廉的成本，定位精度可以 达到毫米甚至微米级别，使得装置可以完全处在于太阳光垂直的方向上。从而最大限度地 保证采光效果。附图说明图1为阳光导入装置系统结构图；1——汇聚透镜；2——摄像头；3——透镜载盘；4——入射光纤；5——云台承载组件；6——云台垂直控制电机；7——云台水平控制电机；8——系统控制盒；9——出射光纤；10——出射透镜；11——光传感器；12——LED照明灯；13——蓄电池；14——太阳能电池板；图2为大面积单透镜光路图；图3为小面积多透镜光路图；图4为水平和垂直偏差计算示意图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明如图1所示，一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能利用装置，包括摄像头2、汇 聚透镜1、透镜载盘3、云台、系统控制盒8、入射光纤4、出射光纤9、出射透镜10、光传感器 11、太阳能电池板14、蓄电池13和LED照明灯12 ；摄像头2与汇聚透镜1垂直固定装载在 透镜载盘3上；透镜载盘3装载于云台上；所述的云台包括云台垂直控制电机6、云台水平 控制电机7和承载组件5 ；光传感器11装载于出射透镜10的位置；系统控制盒8通过通信 接口连接到云台垂直控制电机6、云台水平控制电机7、光传感器11和蓄电池13。系统控制 盒8有外部输入的USB接口 ；摄像头2是CXD摄像头或CMOS摄像头。全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法核心是，如何使透镜能始终精确对准 太阳的方向，从而使经过透镜聚焦的光线能精确汇集到光纤顶部的光线收集区，该方法包 括以下步骤1)全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用装置初次安装完成后，使用外部计算机 通过系统控制盒8的USB 口来输入当前的时间和设定安装地区的地理坐标，系统控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法，包括以下步骤：１）全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用装置初始化开始后，使用外部计算机通过系统控制盒（８）的ＵＳＢ口来输入当前的时间和设定安装地区的地理坐标，系统控制盒（８）的ＲＴＣ计时装置开始自动计时；２）系统控制盒（８）读取当前计时，根据系统内部存储的太阳星历表中存储的太阳方位或者经系统内部的太阳方位计算程序计算的结果，结合安装地的地理坐标，判断此时是否处于当地夜间，如果是夜间，则控制盒（８）不做任何动作；３）如果此时处于白天时间，则系统控制盒（８）根据当前的时间安装地的地理坐标，计算出太阳中心点大致位置；４）系统控制盒（８）通过控制云台垂直控制电机（６）和云台水平控制电机（７）转动使摄像头（２）和汇聚透镜（１）对准太阳的大致方向；５）摄像头（２）拍摄包含太阳的天空图像；６）系统控制盒（８）处理所拍摄的天空图像，如果是阴天没有发现太阳图像，则根据系统内部的星历表对应的当时当地的太阳高度角和方位角控制云台转动到太阳的入射方向；７）如果是晴天发现太阳图像，则将太阳的图象分离出来之后，找到太阳的中心点位置，计算出目前的摄像头（２）与汇聚透镜（１）朝向和太阳中心点的实际位置的偏差以及偏差的方向；８）设水平偏差为ΔＸ，单位为电机移动的步长，ΔＸ为负表示太阳中心点在摄像头所指方向的东面，为正表示太阳中心点在摄像头所指方向的西面；垂直偏差为ΔＹ，单位为电机移动的步长，ΔＹ为负表示太阳中心点在摄像头（２）所指方向的下面，为正表示太阳在摄像头（２）所指方向的上面；９）根据ΔＸ和ΔＹ的正负，调节云台：如ΔＸ为负，则调节云台水平控制电机　（１７），使云台往东移动一个步长；如ΔＸ为正，则调节云台水平控制电机（７），使云台往西移动一个步长；如ΔＹ为负，则调节云台垂直控制电机（６），使云台往下一个步长；如ΔＹ为正，则调节云台垂直控制电机（６），使云台往上移动一个步长；１０）重复步骤５）、步骤６）、步骤７）、步骤８）和步骤９），直到使｜ΔＸ｜＜２，｜ΔＹ｜＜２，使摄像头（２）和汇聚透镜（１）对准太阳中心点的方向，太阳光通过汇聚透镜（１）、入射光纤（４）、出射光纤（９）、和出射透镜（１０）到太阳能电池板（１４），太阳能电池板（１４）为ＬＥＤ照明灯（１２）供电；１１）间隔设定周期，重复执行步骤２）至步骤１０），使摄像头（２）和汇聚透镜（１）始终对准太阳中心方向。...

【技术特征摘要】
1.一种全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用方法，包括以下步骤1)全自动跟踪阳光直射方向的太阳能应用装置初始化开始后，使用外部计算机通过系 统控制盒(8)的USB 口来输入当前的时间和设定安装地区的地理坐标，系统控制盒(8)的 RTC计时装置开始自动计时；2)系统控制盒(8)读取当前计时，根据系统内部存储的太阳星历表中存储的太阳方位 或者经系统内部的太阳方位计算程序计算的结果，结合安装地的地理坐标，判断此时是否 处于当地夜间，如果是夜间，则控制盒(8)不做任何动作；3)如果此时处于白天时间，则系统控制盒(8)根据当前的时间安装地的地理坐标，计 算出太阳中心点大致位置；4)系统控制盒⑶通过控制云台垂直控制电机(6)和云台水平控制电机(7)转动使摄 像头( 和汇聚透镜(1)对准太阳的大致方向；5)摄像头(2)拍摄包含太阳的天空图像；6)系统控制盒(8)处理所拍摄的天空图像，如果是阴天没有发现太阳图像，则根据 系统内部的星历表对应的当时当地的太阳高度角和方位角控制云台转动到太阳的入射方 向；7)如果是晴天发现太阳图像，则将太阳的图象分离出来之后，找到太阳的中心点位置， 计算出目前的摄像头( 与汇聚透镜(1)朝向和太阳中心点的实际位置的偏差以及偏差的 方向；8)设水平偏差为ΔX，单位为电机移动的步长，ΔΧ为负表示太阳中心点在摄像头所指 方向的东面，为正表示太阳中心点在摄像头所指方向的西面；垂直偏差为ΔΥ，单位为电机 移动的步长，Δ Y为负表示太阳中心点在摄像头( 所指方向的下面，为正表示太阳在摄像 头(2)所指方向的上面；9)根据ΔΧ和ΔΥ的正负，调节云台如ΔΧ为负，则调节云台水平控制电机(17)，使 云台往东移动一个步长；如ΔΧ为正，则调节云台水平控制电机(7)，使云台往西移动一个 步长；如ΔΥ为负，则调节云台垂直控制电机(6)，使云台往下一个步长；如ΔΥ为正，则调 节云台垂直控制电机(6)，使云台往上移动一个步长；10)重复步骤5)、步骤6)、步骤7)、步骤8)和步骤9)，直到使IΔΧ| < 2，| ΔΥ <2， 使摄像头⑵和汇聚透镜⑴对准太阳中心点的方向，太阳光通过汇聚透镜(1)、入射光纤 (4)、出射光纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：王烈，乐陶进，
申请(专利权)人：王烈，乐陶进，
类型：发明
国别省市：86[]