【正文】 海島的能源供應(yīng)，更有其明顯的優(yōu)越性。這在環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的今天顯得尤為重要。利用太陽(yáng)能發(fā)電，既不會(huì)污染環(huán)境，又取之不盡，無(wú)處不在。因此太陽(yáng)能資源是可替代能源中最引人注目、開(kāi)發(fā)研究最多、應(yīng)用最廣的清潔能源。強(qiáng)度弱。不穩(wěn)定性。而在同一個(gè)地點(diǎn)的不同季節(jié)里，冬季的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度顯然又遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上夏季。當(dāng)太陽(yáng)高度角越大，或者說(shuō)太陽(yáng)輻射入射角越小，也就是越接近于正射時(shí)．地面上同一水平面內(nèi)所接收到的太陽(yáng)能就越多。到達(dá)地面的太陽(yáng)直接輻射能，隨晝夜交替的變化。為克服夜間沒(méi)有太陽(yáng)直接輻射，就需要研制和配備儲(chǔ)能設(shè)備，以便在晴天時(shí)把太陽(yáng)能收集并存儲(chǔ)起來(lái)，供夜晚或陰雨天便用。它是靠吸收太陽(yáng)輻射的光能直接轉(zhuǎn)換為熱能的。光熱轉(zhuǎn)換提供的熱能一般溫度都較低，小于或等于100℃。顯然，它的能源品位較低，適合于直接利用。將太陽(yáng)輻射的光能根據(jù)“光電轉(zhuǎn)換”原理把光能變成電能再加以利用，常稱(chēng)“光伏轉(zhuǎn)換”。由于電能的品位相當(dāng)高，所以它的應(yīng)用領(lǐng)域最寬、范圍最廣、工業(yè)化程度最高、發(fā)展最快且前景十分樂(lè)觀。目前，美、日、英、德等國(guó)聯(lián)合主攻太陽(yáng)光安全導(dǎo)入應(yīng)用技術(shù)，已成功地將陽(yáng)光導(dǎo)入產(chǎn)品推向民用消費(fèi)市場(chǎng)。光化學(xué)轉(zhuǎn)換。這也是利用太陽(yáng)能的一個(gè)途徑。光化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)目前仍處于研究、開(kāi)發(fā)階段。通過(guò)光合作用收集與儲(chǔ)存太陽(yáng)能。中國(guó)地處北半球，幅員遼闊，絕大部分地區(qū)位于北緯45176。中國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)輻射能資源，102kwa，104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。中國(guó)太陽(yáng)能輻射主要特點(diǎn)西部高于東部、北方高于南方。太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽(yáng)能發(fā)電已成為未來(lái)全球解決能源危機(jī)的最具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的重要途徑。解決這一問(wèn)題應(yīng)從兩個(gè)方面入手，一是提高太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高設(shè)備的能量接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太陽(yáng)能每年有約350000000萬(wàn)億瓦小時(shí)照射到地球表面。因此，從解決能源危機(jī)和節(jié)能綠色環(huán)保的角度上看太陽(yáng)能具有無(wú)以比擬的優(yōu)勢(shì)，但從實(shí)際工程實(shí)踐來(lái)看，有必要通過(guò)各種手段和途徑發(fā)揮計(jì)算機(jī)的重要作用，把自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)與太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備相結(jié)合，使之大大提升自身的發(fā)電能力，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。 國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)跟蹤的研究現(xiàn)狀及發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀(jì)80年代后期，美國(guó)Sandia國(guó)家光伏實(shí)驗(yàn)室的Alex Maish開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)太陽(yáng)跟蹤器（Solar Track），在這之后的二十年里，高效率太陽(yáng)跟蹤控制器的研發(fā)也成為國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)所關(guān)注的課題。1997年美國(guó)Blackace研制了單軸跟蹤器，這種跟蹤裝置根據(jù)赤道坐標(biāo)系下太陽(yáng)運(yùn)行的原理完成東西方向的自動(dòng)跟蹤，但南北方向通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的熱接收率提高了15%。該裝置通過(guò)大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽(yáng)能接收器可從東到西跟蹤太陽(yáng)。2006年2月，Acciona太陽(yáng)能公司建立的被稱(chēng)為西班牙最大的太陽(yáng)能電站設(shè)施開(kāi)始投入使用，整個(gè)設(shè)施由400個(gè)太陽(yáng)跟蹤托盤(pán)，14400個(gè)電池板組成。2007年日本大成建設(shè)公司開(kāi)發(fā)出了一種叫“TSoleil”的新產(chǎn)品，TSoleil系統(tǒng)設(shè)置在高樓內(nèi)部和屋頂，由太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤型平面鏡和多塊反光鏡組成。就現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)跟蹤控制器的研究情況來(lái)看，由于受太陽(yáng)能應(yīng)用系統(tǒng)成本的影響，普遍采用半自動(dòng)單軸跟蹤方式。全自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)裝置是根據(jù)地平坐標(biāo)、雙軸跟蹤原理，采用光、機(jī)、電、圖像處理等技術(shù)，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)或形狀的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全自動(dòng)跟蹤，能做到同步無(wú)偏差地跟蹤太陽(yáng)，大大提高了太陽(yáng)能的接收效率。但總體來(lái)說(shuō)，在我國(guó)，太陽(yáng)跟蹤技術(shù)仍不是十分成熟，從事太陽(yáng)跟蹤研究的人還不多，而且大部分處于理論研究階段，實(shí)際產(chǎn)品還很少見(jiàn)。改進(jìn)后的太陽(yáng)跟蹤控制器具有較高的跟蹤精度和可靠性。第二章介紹了基于CMOS圖像傳感器的太陽(yáng)跟蹤控制器的總體方案設(shè)計(jì)、CMOS圖像采集方案及圖像分析計(jì)算。第四章介紹了太陽(yáng)跟蹤控制器的軟件部分設(shè)計(jì)，主要包括采用Visual C++、跟蹤控制器的主程序設(shè)計(jì)、太陽(yáng)高度角與方位角的軟件算法、跟蹤控制器校準(zhǔn)原理、基于MCC實(shí)現(xiàn)VC與MATLAB聯(lián)合編程以及單片機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)等。2 太陽(yáng)跟蹤控制器整體方案設(shè)計(jì)及圖像采集該系統(tǒng)主要由平面鏡跟蹤裝置、控制和驅(qū)動(dòng)電路、方位限位電路、CMOS圖像傳感器(附巴德膜濾波片)等部分組成。圖21系統(tǒng)的總體框圖太陽(yáng)跟蹤控制器工作過(guò)程為：上位機(jī)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和當(dāng)前時(shí)間，調(diào)用Sun Position函數(shù)，獲取太陽(yáng)的高度角與方位角，并轉(zhuǎn)化為俯仰和水平電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)RS485總線(xiàn)與單片機(jī)通信，驅(qū)動(dòng)水平、俯仰兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的跟蹤。而限位裝置可保證電機(jī)運(yùn)行時(shí)，停在正確的位置，防止電機(jī)過(guò)位運(yùn)轉(zhuǎn)。CMOS工藝是超大規(guī)模集成電路的主流工藝，集成度高，可以根據(jù)需要將多種功能集成在一塊芯片上。與傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器相比，把整個(gè)圖像系統(tǒng)集成一塊芯片上，不僅降低了功耗，而且具有重量輕、空間占有小以及總體價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。CMOS圖像傳感器滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。其開(kāi)窗特征可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置有效圖像數(shù)據(jù)窗口的大小,從而避免了對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)的采集,減小存儲(chǔ)空間。實(shí)驗(yàn)表明加兩層濾波片后,所得到的圖像效果較佳。但從節(jié)約成本考慮，本課題采用的是更加新型的濾光方式，選用來(lái)自德國(guó)的發(fā)明專(zhuān)利——巴德太陽(yáng)觀察保護(hù)膜AstroSolar TM。它很薄，光學(xué)質(zhì)量?jī)?yōu)異，目前可以買(mǎi)到的巴德膜有兩種密度，(目視)(拍照)。圖22和圖23分別為攝像頭加單層濾波片和雙層濾波片所拍攝的太陽(yáng)位置圖片。 彩色圖像轉(zhuǎn)灰度圖像。根據(jù)R, G ,B的不同組合，獲取的彩色圖像可以表示256256256=16777216種顏色。彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像的公式如下： Y = + + (21)中值濾波圖像在拍攝或者傳輸過(guò)程中總會(huì)添加一些噪聲，這樣就影響了圖像的質(zhì)量。中值濾波是一種去除噪聲的非線(xiàn)性處理方法，是由Turky在1971年提出的。中值的定義如下：一組數(shù)把n個(gè)數(shù)的大小順序排列如下： Y=Med= (22)y稱(chēng)為序列的中值。在一維情形下，中值濾波器是一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)像素的滑動(dòng)窗口，窗口正中間那個(gè)像素的值用窗口內(nèi)各像素值的中值代替。設(shè), 表示數(shù)字圖像各點(diǎn)的灰度值，濾波窗口為A的二維中值濾波可定義為： = Med=Med (24)圖像分割處理圖像分割技術(shù)是把圖像分成各具特性的區(qū)域并提取出感興趣目標(biāo)的技術(shù)和過(guò)程，它是由圖像處理躍入圖像分析的關(guān)鍵步驟?；谶@種面向最終分析目的的思想，可選擇相對(duì)形狀測(cè)度、相對(duì)均勻測(cè)度和錯(cuò)分概率作為評(píng)估算法優(yōu)劣的準(zhǔn)則。鑒于本課題采集到太陽(yáng)圖像的特殊性，采用基于最大類(lèi)間方差法求取圖像閾值。算出每個(gè)灰度出現(xiàn)的概率(2)根據(jù)閾值把圖像分成目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域: =, = (26)計(jì)算這兩個(gè)區(qū)域出現(xiàn)的概率,及平均值, , (27)(3)計(jì)算的,方差, =。在基于圖像傳感器構(gòu)成的閉環(huán)式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)中能否準(zhǔn)確檢測(cè)出太陽(yáng)光斑質(zhì)心位置是實(shí)現(xiàn)跟蹤校正的關(guān)鍵，決定著系統(tǒng)的精度與可靠性。波門(mén)跟蹤算法可分為兩種，即邊緣跟蹤和形心跟蹤。本課題采用質(zhì)心跟蹤的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光斑目標(biāo)的定位。regionprops函數(shù)是用來(lái)度量圖像區(qū)域?qū)傩缘暮瘮?shù)。如圖24所示一個(gè)區(qū)域求取質(zhì)心示意圖，綠色的方框代表某一待求區(qū)域，白色正方形代表該區(qū)域內(nèi)的一個(gè)像素，紅色原點(diǎn)代表該區(qū)域的質(zhì)心。圖24區(qū)域質(zhì)心求取示意圖（a）圓形質(zhì)心 （b）橢圓質(zhì)心（c）正方形質(zhì)心 （d）三角形質(zhì)心（e）不規(guī)則形狀質(zhì)心（區(qū)域內(nèi)） （f）不規(guī)則形狀質(zhì)心（區(qū)域外）圖25 幾種不同形狀的圖形質(zhì)心檢測(cè)結(jié)果根據(jù)標(biāo)注矩陣可以方便的給出二值圖像中亮斑區(qū)域的個(gè)數(shù)，在進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)，亮斑個(gè)數(shù)將會(huì)作為是否存在干擾的判斷依據(jù)。圖26太陽(yáng)光斑質(zhì)心檢測(cè)結(jié)果圖27太陽(yáng)圖像中光斑位置及校正步數(shù)示意圖圖27給出了采集太陽(yáng)圖像中光斑位置與校正步數(shù)示意圖。采用圖像坐標(biāo)表示時(shí)，以圖片左上頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，故圖像中心坐標(biāo)為(160,120)。且有FYP +FYM =0,FWP +FWM=0。跟蹤裝置中方位步進(jìn)電機(jī)每走一步實(shí)際走過(guò)()，俯仰步進(jìn)電機(jī)每走一步實(shí)際走過(guò)()。校正步數(shù)(FYP, FWP)與光斑圖像坐標(biāo)(X ,Y)之間的關(guān)系為： FYP= （213） FWP= （214）由式21214可知：光斑處于第三、第四象限時(shí)Y120，可得出FYP為負(fù)值，實(shí)際表示FYM運(yùn)行步數(shù)；光斑處于第一、第三象限時(shí)X160，可得出FWP為負(fù)值，實(shí)際表示FWM運(yùn)行步數(shù)。 太陽(yáng)光斑質(zhì)心在第II象限程序執(zhí)行結(jié)果如下：（a）原始圖像 (b)二值化圖像 （c）原始圖像加質(zhì)心標(biāo)記圖29太陽(yáng)光斑質(zhì)心在第II象限圖29為太陽(yáng)光斑在第II象限，光斑圖像坐標(biāo)(237，61)，光斑個(gè)數(shù)為1，對(duì)應(yīng)FYP校正步數(shù)為25，F(xiàn)WP校正步數(shù)為77。太陽(yáng)光斑質(zhì)心在第IV象限程序執(zhí)行結(jié)果如下：（a）原始圖像 (b)二值化圖像 （c）原始圖像加質(zhì)心標(biāo)記圖211太陽(yáng)光斑質(zhì)心在第IV象限圖211為太陽(yáng)光斑在第IV象限，光斑圖像坐標(biāo)(281，155)，光斑個(gè)數(shù)為1，對(duì)應(yīng)FYP校正步數(shù)為15，F(xiàn)WP校正步數(shù)為121。圖31所示為太陽(yáng)跟蹤控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖。該芯片采用15腳封裝。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；并可以直接用單片機(jī)的I/O接口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率放大電路由單電壓電路、高低壓電路發(fā)展到現(xiàn)在的斬波電路。重復(fù)上述過(guò)程，使繞組電流的平均值恒定，電流波形的波頂維持在預(yù)定數(shù)值上，解決了高低壓電路在低頻段工作時(shí)電流下凹的問(wèn)題，使電機(jī)在低頻段力矩增大。在步進(jìn)電機(jī)步距角不能滿(mǎn)足使用要求時(shí)，可采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。仍以二相步進(jìn)電機(jī)為例，當(dāng)、B相繞組同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子將停在、B相磁極中間。它的步距角小了一半。細(xì)分后步進(jìn)電機(jī)步距角按下列方法計(jì)算：步距角=電機(jī)固有步距角/細(xì)分?jǐn)?shù)例如：176。/4= 176。a) b)c) d)圖34步進(jìn)電機(jī)細(xì)分原理圖 限位裝置 限位