專利名稱：太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于自動(dòng)電子太陽(yáng)跟蹤的設(shè)備和系統(tǒng)，更具體地涉及用于定日鏡控制的設(shè)備和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
定日鏡通常用來(lái)通過(guò)將陽(yáng)光反射到固定目標(biāo)上將太陽(yáng)的能量轉(zhuǎn)換成有用的能量 (例如電功率)的系統(tǒng)中定向鏡子。通過(guò)允許鏡子一般圍繞兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械系統(tǒng)來(lái)調(diào)整它們的定向。該旋轉(zhuǎn)通常由電動(dòng)機(jī)和齒輪促發(fā)。這些電動(dòng)機(jī)由太陽(yáng)跟蹤器來(lái)控制，太陽(yáng)跟蹤器計(jì)算定日鏡所要求的位置，以提供系統(tǒng)所需的調(diào)整信息，從而在一日之中太陽(yáng)的相對(duì)位置改變的同時(shí)確保太陽(yáng)光在固定目標(biāo)上的恒定反射。當(dāng)許多這樣的定日鏡被用來(lái)將陽(yáng)光反射到同一目標(biāo)上時(shí)，則大量能量被聚集到目標(biāo)的相對(duì)小的面積上，且這種能量可以被高效地用來(lái)提供可用的能量。例如，可以使用耦合至發(fā)電機(jī)的蒸汽機(jī)或光電池陣列來(lái)產(chǎn)生電能。目標(biāo)上的高度集中的能量允許能量轉(zhuǎn)換設(shè)備具有較高效率，由此減少了系統(tǒng)的成本。然而，這種成本減少被定日鏡的成本所抵消。因而， 減少定日鏡的成本是有益的。電動(dòng)機(jī)、齒輪和運(yùn)動(dòng)控制器的成本構(gòu)成了定日鏡總成本的可觀部分。電動(dòng)機(jī)應(yīng)該是可控制的，例如増加步進(jìn)器，但這需要相關(guān)的昂貴控制器。齒輪應(yīng)該是無(wú)齒隙的和線性的，即，應(yīng)該在特定的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)和相關(guān)的定日鏡圍繞相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)量和旋轉(zhuǎn)角之間提供線性關(guān)系。使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的許多現(xiàn)有技術(shù)的定日鏡系統(tǒng)在建立期間需要調(diào)整，這是由于其旋轉(zhuǎn)角是增量地而不是通過(guò)絕對(duì)位置命令的。這意味著每一定日鏡必須配備有各自的參考點(diǎn)機(jī)制。這種要求通常需要附加的花費(fèi)，尤其是在安裝時(shí)的附加校準(zhǔn)成本。此外，常常需要周期性地重新進(jìn)行這種校準(zhǔn)，以避免小誤差的最終累積。這樣的小誤差可以是由于命令噪聲、齒輪的不精密度、定日鏡基座的微小移動(dòng)、或者步進(jìn)電動(dòng)機(jī)執(zhí)行所命令的增量的某種罕見(jiàn)故障。這樣的周期性重新校準(zhǔn)也増加了太陽(yáng)能發(fā)電廠的運(yùn)營(yíng)成本。因而，需要一種精確的、易于操縱的、不需要調(diào)整并節(jié)省成本的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備和系統(tǒng)。發(fā)明概述因此，本發(fā)明的寬泛目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)并提供可控制較簡(jiǎn)單定日鏡的太陽(yáng)跟蹤器。電動(dòng)機(jī)不需要是位置控制的，并可以用于簡(jiǎn)單的正轉(zhuǎn)、停止和反轉(zhuǎn)命令模式。齒輪可以是任何類型的，而不需要是線性的。本發(fā)明的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備不需要精確的調(diào)整，并且不需要周期性的重新調(diào)整?？梢苑奖愕亟缍ü潭繕?biāo)的中心點(diǎn)，該中心點(diǎn)是定日鏡所朝向的空間內(nèi)的虛擬點(diǎn)，以便反射太陽(yáng)光線從而使最大量的太陽(yáng)光線命中固定目標(biāo)。本發(fā)明的ー個(gè)目的是提供其精度基本上不受定日鏡旋轉(zhuǎn)軸位置改變影響的太陽(yáng)足艮11^ O
本發(fā)明的另ー個(gè)目的是提供允許生產(chǎn)較低成本的定日鏡系統(tǒng)的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的ー個(gè)方面，提供了與具有將太陽(yáng)光線反射到固定目標(biāo)上的反射面的定日鏡相關(guān)聯(lián)的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，該太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備包括具有預(yù)定義形狀的鏡子，其平行于定日鏡反射面固定地安裝，該預(yù)定義形狀界定鏡子中心點(diǎn)；具有穿過(guò)鏡子中心點(diǎn)的光軸的成像設(shè)備；以及ー側(cè)在成像設(shè)備和鏡子之間延伸而另ー側(cè)在太陽(yáng)和固定目標(biāo)之間延伸的穹頂，由此當(dāng)太陽(yáng)光線穿透穹頂時(shí)，鏡子將這些太陽(yáng)光線充分地反射回到穹頂，且這些太陽(yáng)光線的一部分被穹頂反射回到成像設(shè)備，以形成鏡子的圖像，這種圖像的形狀界定a) 鏡子中心點(diǎn)的圖像；以及通過(guò)部分透明的穹頂在成像設(shè)備上形成固定目標(biāo)的圖像，界定b) 目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像，由此a)鏡子中心點(diǎn)圖像與b)目標(biāo)中心點(diǎn)圖像的重合對(duì)應(yīng)于所期望的定日鏡反射面的定向，以便將太陽(yáng)光線反射到固定目標(biāo)上。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供用于控制定日鏡定向的太陽(yáng)跟蹤器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有反射面的定日鏡，反射面可沿至少兩根旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)，以便界定相對(duì)于太陽(yáng)的定向，以及跟蹤設(shè)備，其具有平行于所述反射面安裝的鏡子、成像設(shè)備以及一側(cè)位于在成像設(shè)備和鏡子之間而第二側(cè)位于太陽(yáng)和固定目標(biāo)之間的衍射元件，其中，通過(guò)離開(kāi)衍射元件的反射和通過(guò)從固定目標(biāo)發(fā)出的光形成在成像設(shè)備上的圖像被跟蹤設(shè)備使用以控制定日鏡的反射面的定向。根據(jù)本發(fā)明的又ー個(gè)方面，提供一種用于定位定日鏡以便跟蹤太陽(yáng)的方法，該方法包括獲取在固定目標(biāo)處反射陽(yáng)光的鏡子的圖像；計(jì)算鏡子的圖像的中心的位置；獲取固定目標(biāo)的圖像；計(jì)算固定目標(biāo)的圖像的中心的位置；計(jì)算將鏡子中心圖像與固定目標(biāo)中心圖像連接起來(lái)的矢量的長(zhǎng)度和定向；計(jì)算至少ー個(gè)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)量和方向，從而改變鏡子的定向以減小矢量的長(zhǎng)度； 以及沿所計(jì)算的方向驅(qū)動(dòng)至少ー個(gè)電動(dòng)機(jī)并使其轉(zhuǎn)過(guò)所計(jì)算的旋轉(zhuǎn)量；其中，矢量的長(zhǎng)度充分地減少，且鏡子中心和固定目標(biāo)中心的圖像充分地重合。本發(fā)明的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備被安裝在電子板上或連接到電子板，該電子板包括捕獲來(lái)自成像設(shè)備的圖像的幀捕捉器。也提供中央處理單元，用于從成像設(shè)備的成像區(qū)域中所捕捉的鏡子和固定目標(biāo)兩者的圖像計(jì)算鏡子中心點(diǎn)的圖像和目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像的相對(duì)位置。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，存在用于起動(dòng)電動(dòng)機(jī)以關(guān)聯(lián)于太陽(yáng)連續(xù)改變的位置在兩根軸上定向定日鏡反射面的兩個(gè)輸出単元。幀捕捉器捕捉固定目標(biāo)圖像和鏡子圖像兩者，中央處理單元計(jì)算目標(biāo)中心圖像和鏡子中心點(diǎn)圖像的相對(duì)位置以得到重合，并指示至少ー對(duì)輸出裝置周期性地起動(dòng)輸出單元，以便定向定日鏡反射面從而使太陽(yáng)光線反射到固定目標(biāo)上。本發(fā)明的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備包括成像系統(tǒng)和平行于反射式定日鏡表面的鏡面。還包括覆蓋成像系統(tǒng)和鏡子兩者的透明穹頂以及中央處理單元(CPU)。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，覆蓋式穹頂主要由具有低濃度的衍射微粒的透明材料制成。進(jìn)入穹頂?shù)奶?yáng)光線被鏡子反射回到穹頂表面，且少量的光線被衍射。所衍射的光線中的一些到達(dá)成像系統(tǒng)，以形成鏡面圖像。CPU執(zhí)行圖像處理算法，井隨后識(shí)別a)透過(guò)穹頂可見(jiàn)的固定目標(biāo)的圖像，以及b) 鏡子所反射的圖像。CPU圖像處理算法也計(jì)算固定目標(biāo)的圖像的預(yù)定義參考點(diǎn)(在下文中被稱為“目標(biāo)中心點(diǎn)”)在成像設(shè)備成像區(qū)域上的位置，并且也計(jì)算鏡子圖像的預(yù)定義參考點(diǎn)(在下文中被稱為“鏡子中心點(diǎn)”)在成像設(shè)備成像區(qū)域上的的位置。預(yù)先定義目標(biāo)和鏡子的這些參考點(diǎn)，使得它們的圖像在成像設(shè)備上的重合對(duì)應(yīng)于所期望的定日鏡定向。然后，CPU根據(jù)a)固定目標(biāo)中心和b)鏡子中心點(diǎn)的圖像的相對(duì)位置沿適當(dāng)?shù)姆较蚱饎?dòng)電動(dòng)機(jī)輸出單元，以便它們之間達(dá)到重合。當(dāng)獲得重合吋，設(shè)定電動(dòng)機(jī)輸出單元以停止電動(dòng)機(jī)，且定日鏡被設(shè)定在其中太陽(yáng)光線被反射到固定目標(biāo)上的所期望位置。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，鏡子具有環(huán)形，且環(huán)的中心是鏡子中心點(diǎn)，且固定目標(biāo)的圖像中的目標(biāo)參考點(diǎn)是目標(biāo)中心點(diǎn)。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是太陽(yáng)跟蹤器的精度基本上不受定日鏡軸的位置改變的影響。例如，如果定日鏡被安裝在固定于地面的基座上，則由于熱或潮濕和雨水引起的地面移動(dòng)將對(duì)跟蹤精度具有很少影響或沒(méi)有影響。如迄今為止所提到的，許多傳統(tǒng)的定日鏡必須周期性地調(diào)整以便補(bǔ)償小偏差，而本發(fā)明免去了這種類型調(diào)整的任何需要。此外，由于穩(wěn)定性并非必要條件，可簡(jiǎn)化固定定日鏡所需要的基礎(chǔ)，因而基礎(chǔ)成本可以顯著減少。另ー優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明的太陽(yáng)跟蹤器不需要跟蹤校準(zhǔn)。作為示例，在安裝之前，固定目標(biāo)的圖像被加載到CPU存儲(chǔ)器中，且該圖像由CPU的圖案識(shí)別算法使用。這省去了傳統(tǒng)的定日鏡所需要的昂貴的校準(zhǔn)。進(jìn)ー步的優(yōu)點(diǎn)是定日鏡電動(dòng)機(jī)不需要是位置控制的。它們僅需要正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止起動(dòng)。這省去了對(duì)昂貴的電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器的需要，且簡(jiǎn)單的輸出單元——例如雙向開(kāi)關(guān)——可以用于DC電動(dòng)機(jī)以便沿適當(dāng)?shù)姆较驅(qū)⑺鼈冞B接到DC電源。例如，允許使用固定至定日鏡的小型光伏電池板來(lái)向太陽(yáng)跟蹤器和電動(dòng)機(jī)供電。在這樣的情況下，不需要用于定目鏡供電或控制的電纜，導(dǎo)致發(fā)電廠進(jìn)一步的顯著成本減少。本發(fā)明的又ー個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)穹頂上的灰塵、擦痕和其他缺陷不敏感。定日鏡通常暴露于灰塵、風(fēng)和雨，但在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，定向的靈敏度和精度不受這些因素影響。 這是由于這樣的事實(shí)鏡子的圖像由于穹頂?shù)难苌湮⒘６祷?，且堆積在穹頂上的灰塵將簡(jiǎn)單地扮演與這些衍射微粒相同的角色。本發(fā)明的再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)圖像感測(cè)設(shè)備的精度不敏感。這是由于這樣的事實(shí)當(dāng)獲得重合吋，在成像設(shè)備的同一區(qū)域上形成了鏡子圖像和目標(biāo)圖像兩者，使得光學(xué)畸變和/ 或圖像傳感器的不準(zhǔn)確性不產(chǎn)生偏移誤差。在下面的詳細(xì)描述中陳述、可能從詳細(xì)描述推斷以及/或者可通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐來(lái)習(xí)得本發(fā)明的這些附加的和/或其他的方面和/或優(yōu)點(diǎn)。附圖簡(jiǎn)述
為了相對(duì)于其實(shí)施例更好地理解本發(fā)明而參照附圖，在附圖中，相同的標(biāo)號(hào)始終標(biāo)示相應(yīng)的要素或部分，且附圖中

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例的總覽圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的原理的太陽(yáng)跟蹤器的主要電子組件的框圖；圖3圖示意地示出針對(duì)給定的太陽(yáng)的位置在成像設(shè)備上形成的圖像的形狀；圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的定位定日鏡的方法的框圖；以及圖5示出根據(jù)本發(fā)明的原理可用于太陽(yáng)跟蹤器的鏡子形狀的另ー實(shí)施例的示例。優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例的總覽圖?，F(xiàn)在參見(jiàn)圖1，其描述了安裝在定日鏡的反射面P上的太陽(yáng)跟蹤器10的實(shí)施例。在該圖中，為附圖的清楚起見(jiàn)，反射面P被圖示為僅稍大于太陽(yáng)跟蹤器，然而，在真實(shí)的系統(tǒng)中，它將顯著更大。太陽(yáng)跟蹤器10包括平行于定日鏡的反射面P固定設(shè)置的平面環(huán)形鏡子16、成像設(shè)備30以及覆蓋成像設(shè)備和鏡子的衍射元件或穹頂對(duì)。成像設(shè)備30被安裝在電子板20上(另行參見(jiàn)圖幻。成像設(shè)備的光軸被設(shè)置成垂直于鏡面平面，并在鏡子中心點(diǎn)處與該平面相交，與旋轉(zhuǎn)軸Z重合。還示出具有參考中心點(diǎn)12a的固定目標(biāo)12。在圖1中，定日鏡的反射面P圖解地表示為可分別利用兩個(gè)電動(dòng)機(jī)沈、觀來(lái)圍繞兩根旋轉(zhuǎn)軸X和Z旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸Z是主軸且軸X是副軸，即，當(dāng)定日鏡圍繞軸Z旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸 X也圍繞軸Z旋轉(zhuǎn)。在圖1的特定配置中，軸Z是基本垂直的，且軸X是基本水平的。應(yīng)理解，定日鏡可以具有不同的旋轉(zhuǎn)軸的配置。在一些實(shí)施例中，可以使用由三個(gè)電動(dòng)機(jī)控制的三旋轉(zhuǎn)軸的配置。在操作中，作為示例，來(lái)自太陽(yáng)S的太陽(yáng)光線14被圖示為穿過(guò)穹頂對(duì)并命中鏡子 16。所反射的光線1 在交點(diǎn)22處命中穹頂對(duì)，且其能量的一部分在穹頂M外沿同一路徑繼續(xù)，如光線14b所指示。在另一方面中，在所反射的光線1 與穹頂M的交點(diǎn)22處，光線的少量的光能由穹頂材料中所包括的衍射微粒衍射，沿所有方向(由短箭頭示出)產(chǎn)生光線18a-18e。這些光線18a到18e中的一些，例如光18，到達(dá)成像設(shè)備30。多個(gè)光線，例如光線18，在成像設(shè)備30上形成由鏡子16反射的光線照亮的穹頂M區(qū)域的圖像。由于由太陽(yáng)S發(fā)射的光線是大致平行的，因此穹頂M的照射區(qū)域的形狀在所反射光線的方向形成鏡子16形狀的投影。當(dāng)成像設(shè)備30的焦距相比穹頂M的半徑更小時(shí)，則顯示出成像設(shè)備30上的圖像在平行于成像設(shè)備30焦平面的平面上具有鏡子形狀的投影形式。如此，鏡子16的第一圖像由成像設(shè)備30捕捉。在另一方面中，固定目標(biāo)12和周圍的景物被環(huán)境日光照射并發(fā)出越過(guò)穹頂M并到達(dá)成像設(shè)備30的光線，以通過(guò)部分透明的穹頂M在成像設(shè)備30上形成所捕捉的固定目標(biāo)12的圖像。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，穹頂M被設(shè)計(jì)成通過(guò)穹頂材料中所包含的小微粒(例如聚合物塑料中包含的ニ氧化鈦微粒)衍射命中拱頂?shù)墓饩€的一部分。根據(jù)本發(fā)明的ー些實(shí)施例，穹頂M的材料包括低濃度的這類衍射微粒。這些微粒的濃度被設(shè)定為足夠低，以使穹頂M部分透明。應(yīng)理解，可使用使穹頂M部分透明且部分衍射的其他方式。例如，可將網(wǎng)格圖案應(yīng)用在穹頂上。在另ー示例中，穹頂可以是由編織金屬絲制成的網(wǎng)格。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，穹頂M圖示為具有半球形的形狀。應(yīng)理解，可以使用其他形狀，只要穹頂M—側(cè)在成像設(shè)備30之間且另ー側(cè)在太陽(yáng)S和固定目標(biāo)12之間延伸。應(yīng)理解，鏡子16可形成為具有各種輪廓形狀，只要該形狀提供計(jì)算中心點(diǎn)的方法。在圖1中所闡釋的本發(fā)明的實(shí)施例中，鏡面是平坦的，盡管也可以使用非平坦的表面。 例如，鏡子16可以是凹的，這導(dǎo)致光匯聚。在這種情況下，由這樣的凹鏡反射的光線照射的穹頂區(qū)域?qū)⑿∮阽R子本身的面積。這將得到這一所照射區(qū)域的較高亮度，并且具有提高成像設(shè)備30上的鏡子圖像的對(duì)比度并因而提高本發(fā)明的系統(tǒng)所使用的圖案識(shí)別算法的精度的額外優(yōu)點(diǎn)。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的原理的太陽(yáng)跟蹤器的主要電子組件的框圖?，F(xiàn)在具體參見(jiàn)圖2，圖2示出太陽(yáng)跟蹤器10的主要電子組件，包括用來(lái)將由圖像傳感器30捕捉的圖像存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的幀捕捉器32、中央處理單元(CPU) 34以及由CPU 34控制以便分別起動(dòng)電動(dòng)機(jī)沈、28以運(yùn)作太陽(yáng)跟蹤器10的兩個(gè)輸出単元36、38。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的標(biāo)準(zhǔn)電纜(由黑線示出)被用來(lái)將圖像傳感器30連接到幀捕捉器 32，并將輸出単元36、38與它們各自的電動(dòng)機(jī)沈、觀連接起來(lái)。在圖2中，兩個(gè)輸出単元36和38被圖示為簡(jiǎn)單的繼電器開(kāi)關(guān)，從而闡釋本發(fā)明的低成本實(shí)現(xiàn)。如上文中所提到的，現(xiàn)有技術(shù)中大多數(shù)已知定日鏡跟蹤控制器要求昂貴的位置控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。形成在成像設(shè)備30上的鏡子16圖像和固定目標(biāo)12圖像兩者(參見(jiàn)圖1)由幀捕捉器32捕捉。然后，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的，CPU 34執(zhí)行圖像處理算法，該算法確定a)固定目標(biāo)12圖像和b)鏡子16圖像的位置(參見(jiàn)圖1)。根據(jù)它們的相對(duì)位置，CPU 程序(下文描述)計(jì)算為了減少在鏡子中心點(diǎn)和目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像之間的距離而應(yīng)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的方向。然后，起動(dòng)兩個(gè)輸出單元36和38以沿所計(jì)算的方向運(yùn)行電動(dòng)機(jī)沈和觀。循環(huán)地運(yùn)行這ー程序，以使在目標(biāo)中心點(diǎn)48和鏡子中心點(diǎn)40的圖像之間的距離(D)(參見(jiàn)圖 3)逐漸減少，直到獲得重合。當(dāng)獲得重合吋，通過(guò)CPU程序設(shè)定輸出裝置36和38以停止電動(dòng)機(jī)沈、28。如上文中所提到的，這兩個(gè)中心點(diǎn)圖像的重合對(duì)應(yīng)于其中太陽(yáng)光線14(參見(jiàn)圖 1)被定日鏡反射面P反射以重定向到固定目標(biāo)12從而照射其表面的所期望的位置。圖3示意地示出對(duì)于給定的太陽(yáng)位置在成像設(shè)備上形成的圖像的形狀。成像設(shè)備30的成像區(qū)域50具有兩根軸XX和YY。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，軸 XX被設(shè)定為平行于定日鏡旋轉(zhuǎn)的X軸。應(yīng)理解，選擇軸XX的這種特定的定向是為了簡(jiǎn)化定向算法的表述，但可以選擇任何定向。目標(biāo)中心點(diǎn)48的圖像并不一定是實(shí)像，而可以是其坐標(biāo)由應(yīng)用于從固定目標(biāo)圖像46捕捉的數(shù)據(jù)的圖像處理算法計(jì)算的虛擬點(diǎn)。在下文中，術(shù)語(yǔ)“目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像”指這樣的虛擬點(diǎn)。因此，由于鏡子16 (參見(jiàn)圖1)具有環(huán)形且其中心不是反射面，鏡子中心點(diǎn)40的圖像也不是實(shí)像，而是其坐標(biāo)由被應(yīng)用于從鏡子圖像44捕捉的數(shù)據(jù)的圖像處理算法計(jì)算出的虛擬點(diǎn)。在下文中，術(shù)語(yǔ)“鏡子中心點(diǎn)的圖像”指這樣的虛擬點(diǎn)。在圖3中所示出的圖像的示例中，鏡子圖像44的形狀被表述為橢圓環(huán)。這ー橢圓圖像的所成像的鏡子中心點(diǎn)40的位置由CPU 34計(jì)算出(參見(jiàn)圖2)。另外示出固定目標(biāo)圖像46。所成像的目標(biāo)中心點(diǎn)48的位置也由CPU 34計(jì)算出。在圖3中所闡釋的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，鏡子形狀的對(duì)稱特征簡(jiǎn)化了由CPU 34執(zhí)行的圖案識(shí)別算法。圖像處理算法處理來(lái)自鏡子圖像44的數(shù)據(jù)并計(jì)算所成像的鏡子中心點(diǎn)40的位置。另ー圖像處理算法處理來(lái)自固定目標(biāo)圖像46的數(shù)據(jù)并計(jì)算所成像的目標(biāo)中心點(diǎn)48的位置。距離“d”(如圖3中所示)可以被定義為在所計(jì)算的中心點(diǎn)40和48之間的距離。 使用如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的圖案識(shí)別算法和機(jī)器視覺(jué)算法來(lái)完成這些計(jì)算。處理所計(jì)算出的鏡子中心點(diǎn)的圖像和目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像的位置坐標(biāo)，以便界定為減少這兩個(gè)參考點(diǎn)之間的距離“d”所要求的電動(dòng)機(jī)的移動(dòng)方向。應(yīng)理解，如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的各種算法可以被定義為選擇向所期望的定向移動(dòng)定日鏡所需要的適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)方向。由CPU(參見(jiàn)圖2和圖4)運(yùn)行的程序由此為電動(dòng)機(jī)沈、觀兩者(參見(jiàn)圖2)選擇正轉(zhuǎn)、倒轉(zhuǎn)或停止命令，并相應(yīng)地通過(guò)調(diào)節(jié)各自的輸出裝置36、38 (參見(jiàn)圖幻來(lái)起動(dòng)或停止電動(dòng)機(jī)沈、28。CPU程序算法選擇電動(dòng)機(jī)沈、28的適當(dāng)?shù)钠饎?dòng)，以便減少在a)鏡子中心點(diǎn) 40圖像和b)目標(biāo)中心點(diǎn)48圖像之間的距離。CPU程序以循環(huán)方式運(yùn)行，以使在所成像的鏡子中心點(diǎn)40和所成像的目標(biāo)中心點(diǎn) 48之間的距離逐漸減少，直到該距離被最小化至處于或接近零且兩個(gè)點(diǎn)充分地重合為止。 當(dāng)天空中的太陽(yáng)S位置緩慢改變時(shí)，重合條件喪失，且CPU程序立即向輸出單元36、38 (參見(jiàn)圖2)傳輸修正動(dòng)作，該修正動(dòng)作起動(dòng)它們相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)沈、觀且由此恢復(fù)這種重合。如上文中所解釋的，重合對(duì)應(yīng)于定日鏡表面P所期望的定向。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，太陽(yáng)跟蹤器10因而能夠連續(xù)控制定日鏡電動(dòng)機(jī)沈、28 (參見(jiàn)圖幻，以便將太陽(yáng)光線 14(參見(jiàn)圖1)反射到固定目標(biāo)12(參見(jiàn)圖1)上。圖4是闡釋根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例定位定日鏡的方法的框圖。該方法可通過(guò)諸如前面描述的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。一旦在模塊100開(kāi)始，在模塊102中，系統(tǒng)確定鏡子12的圖像44的位置。在模塊104中，計(jì)算鏡子中心點(diǎn)圖像40的位置。接著，在模塊106中，確定固定目標(biāo)圖像46，且在模塊108中，計(jì)算固定目標(biāo)中心點(diǎn)圖像48。然后，在模塊Il0中確定具有空間中的距離“d”和某一定向的矢量“D”。在ー些實(shí)施例中，矢量的長(zhǎng)度和定向?qū)㈢R子中心點(diǎn)圖像40連接到固定目標(biāo)中心點(diǎn)圖像48的矢量。 在模塊112中，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向和程度將具有減少所計(jì)算出的矢量D的長(zhǎng)度的效果。然后，在模塊114中使用這種信息來(lái)起動(dòng)輸出単元36和38，以使電動(dòng)機(jī)以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間并沿適當(dāng)?shù)姆较蛐D(zhuǎn)，以獲得中心點(diǎn)40和48的重合。然后，控制返回到模塊102，以重復(fù)該過(guò)程， 以隨著太陽(yáng)位置改變維持精確跟蹤。跟蹤精度不受穹頂形狀精度影響是尤其有益的。在圖1中所示出的本發(fā)明的實(shí)施例中，當(dāng)定日鏡表面P被定向?yàn)樗谕姆较騾?，所成像的目?biāo)中心點(diǎn)48和所成像的鏡子中心點(diǎn)40 (參見(jiàn)圖幻的重合由鏡子16相對(duì)于成像設(shè)備30的光軸對(duì)中的精度確定，而不是由穹頂形狀確定。在制造過(guò)程中可容易地實(shí)現(xiàn)確保這種對(duì)中，并因此不需要高成本的制造。 如迄今為止所解釋的，由于其形狀不要求高的精度，穹頂可由低成本的聚合物制成(參見(jiàn)圖1)。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的原理可用于太陽(yáng)跟蹤器的鏡子形狀的另ー實(shí)施例的示例。在這ー示例中，鏡子60由對(duì)稱地放置在中心點(diǎn)65周圍的四個(gè)矩形鏡子(61到64)組成。太陽(yáng)能發(fā)電廠的固定目標(biāo)可以具有多種形狀；在一些情況下，在成像設(shè)備感測(cè)區(qū)域上定位目標(biāo)圖像所需要的圖案識(shí)別算法可能會(huì)變得太復(fù)雜。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例， CPU 34可以是低成本的。然而，如果所要求的圖案識(shí)別變得太復(fù)雜，則低成本的CPU可能不足以實(shí)現(xiàn)所要求的圖案識(shí)別算法。在這種情況下，將固定目標(biāo)12(參見(jiàn)圖1)與固定在離開(kāi)固定目標(biāo)12預(yù)定距離的已知對(duì)象關(guān)聯(lián)起來(lái)是可能的，這些對(duì)象被設(shè)計(jì)為減輕所使用的圖案識(shí)別算法的計(jì)算負(fù)載。例如，以規(guī)則的速率閃爍的閃光燈(未示出)可以直接放置在固定目標(biāo)12之上和之下?？赏ㄟ^(guò)成像設(shè)備30容易地定位這些幾乎準(zhǔn)時(shí)的光源，并由圖像處理算法容易地處理所采集的數(shù)據(jù)。然后，可通過(guò)其與這些閃光燈的相對(duì)位置來(lái)計(jì)算所成像的目標(biāo)中心點(diǎn)48。已經(jīng)相對(duì)于其特定具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)理解，描述不意味著限制，這是由于現(xiàn)在可以向本領(lǐng)域中的技術(shù)人員建議進(jìn)一歩的修改，且預(yù)期覆蓋落在在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的這樣的修改。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，其用于沿兩根旋轉(zhuǎn)軸控制定日鏡反射面的定向以便連續(xù)地捕捉要重定向到具有目標(biāo)中心點(diǎn)的固定目標(biāo)的可用太陽(yáng)光線，所述太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備包括具有預(yù)定義形狀的鏡子，所述鏡子被平行于所述定日鏡反射面固定地安裝，所述預(yù)定義形狀界定鏡子中心點(diǎn)；具有穿過(guò)所述鏡子中心點(diǎn)的光軸的成像設(shè)備，所述成像設(shè)備電連接到電子板；以及ー側(cè)在所述成像設(shè)備和所述鏡子之間且第二側(cè)在所述太陽(yáng)和所述固定目標(biāo)之間延伸的穹頂，由此當(dāng)太陽(yáng)光線穿透所述穹頂吋，所述鏡子將這些太陽(yáng)光線大量地反射回到所述穹頂，且這些太陽(yáng)光線的一部分被所述穹頂反射回到所述成像設(shè)備，以形成所述鏡子的圖像， 所述鏡子圖像的形狀界定所述鏡子中心點(diǎn)的圖像，以及由此通過(guò)所述部分透明的穹頂在所述成像設(shè)備上形成所述固定目標(biāo)的圖像，且所述固定目標(biāo)的圖像界定所述目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像，并且當(dāng)所述鏡子中心點(diǎn)和所述目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像不重合吋，起動(dòng)所述電子板，以朝獲得所述圖像重合的定向而旋轉(zhuǎn)所述定日鏡反射面。
2.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，其特征在干，所述電子板包括，幀捕捉器，用于從所述成像設(shè)備捕捉圖像；中央處理單元，其用于關(guān)聯(lián)于來(lái)自所述成像設(shè)備的成像區(qū)域中的所捕捉的所述鏡子圖像和所述固定目標(biāo)圖像來(lái)計(jì)算所述鏡子中心點(diǎn)和所述目標(biāo)中心點(diǎn)的相對(duì)位置；以及至少ー對(duì)輸出單元，用于起動(dòng)電動(dòng)機(jī)以關(guān)聯(lián)于太陽(yáng)連續(xù)改變的位置在兩根軸中定向所述定日鏡反射面，由此當(dāng)所述幀捕捉器捕捉所述固定目標(biāo)圖像和所述鏡子圖像時(shí)，所述中央處理單元計(jì)算所述目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像和所述鏡子中心點(diǎn)的圖像的相對(duì)位置，引導(dǎo)所述至少ー對(duì)輸出單元以周期性地激活所述輸出単元，以便定向所述定日鏡反射面從而將所述太陽(yáng)光線反射到所述固定目標(biāo)上。
3.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，其特征在干，所述穹頂由部分透明和部分衍射的材料形成。
4.如權(quán)利要求3所述的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，其特征在干，所述材料是包括給定濃度的衍射微粒的聚合物塑料。
5.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，其特征在干，所述穹頂是在其表面上應(yīng)用了網(wǎng)格的透明穹頂。
6.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，其特征在干，所述穹頂是網(wǎng)格。
7.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，其特征在干，所述鏡子是凹的，以匯聚所述太陽(yáng)光線并提高所述鏡子圖像的對(duì)比度。
8.如權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，其特征在干，所述成像設(shè)備捕捉相對(duì)于所述目標(biāo)中心設(shè)置在固定的預(yù)定義位置的至少ー個(gè)參考對(duì)象的圖像。
9.如權(quán)利要求8所述的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備，其特征在干，所述至少ー個(gè)參考對(duì)象包括閃光燈設(shè)備。
10.ー種用于控制定日鏡的定向的太陽(yáng)跟蹤器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括具有反射面的定日鏡，所述反射面可沿著至少兩根旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)，以便界定相對(duì)于所述太陽(yáng)的定向，以及跟蹤設(shè)備，所述跟蹤設(shè)備具有平行于所述反射面安裝的鏡子、成像設(shè)備以及ー側(cè)定位在所述成像設(shè)備和鏡子之間而第二側(cè)定位在所述太陽(yáng)和固定目標(biāo)之間的衍射元件，其中，由離開(kāi)所述衍射元件的反射以及由從所述固定目標(biāo)發(fā)出的光在所述成像設(shè)備上形成的圖像被所述跟蹤設(shè)備用來(lái)控制所述定日鏡的所述反射面的定向。
11.如權(quán)利要求10所述的太陽(yáng)跟蹤器系統(tǒng)，其特征在干，所述跟蹤設(shè)備還包括 從所述成像設(shè)備捕捉圖像的幀捕捉器；中央處理單元，用于從所述成像設(shè)備的成像區(qū)域中捕捉到的所述鏡子和所述固定目標(biāo)的圖像來(lái)計(jì)算鏡子中心點(diǎn)和目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像的相對(duì)位置；以及至少ー對(duì)輸出單元，用于起動(dòng)電動(dòng)機(jī)以關(guān)聯(lián)于連續(xù)改變的太陽(yáng)的位置在兩根軸上定向所述定日鏡反射面，由此當(dāng)所述幀捕捉器捕捉所述固定目標(biāo)圖像和所述鏡子圖像時(shí)，所述中央處理單元計(jì)算所述目標(biāo)中心點(diǎn)的圖像和所述鏡子中心點(diǎn)的圖像的相對(duì)位置，并引導(dǎo)所述至少一對(duì)輸出単元周期性地起動(dòng)所述輸出單元，以便定向所述定日鏡反射面從而將所述太陽(yáng)光線反射到所述固定目標(biāo)上。
12.如權(quán)利要求10所述的太陽(yáng)跟蹤器系統(tǒng)，其特征在干，所述衍射元件由部分透明和部分衍射的材料形成。
13.如權(quán)利要求10所述的太陽(yáng)跟蹤器系統(tǒng)，其特征在干，所述衍射元件是具有其上應(yīng)用了網(wǎng)格的表面的透明穹頂。
14.如權(quán)利要求13所述的太陽(yáng)跟蹤器系統(tǒng)，其特征在干，所述穹頂是網(wǎng)格。
15.如權(quán)利要求10所述的太陽(yáng)跟蹤器系統(tǒng)，其特征在干，所述鏡子是凹的，以匯聚所述太陽(yáng)光線并提高所述成像設(shè)備上的所述鏡子的圖像的對(duì)比度。
16.如權(quán)利要求10所述的太陽(yáng)跟蹤器系統(tǒng)，其特征在干，所述成像設(shè)備捕捉相對(duì)于所述固定目標(biāo)的中心設(shè)置在固定的預(yù)定義位置的至少ー個(gè)參考對(duì)象的圖像。
17.如權(quán)利要求16所述的太陽(yáng)跟蹤器系統(tǒng)，其特征在干，所述至少ー個(gè)參考對(duì)象包括閃光燈設(shè)備。
18.一種用于定位定日鏡以便跟蹤所述太陽(yáng)的方法，所述方法包括 獲取在固定目標(biāo)處反射陽(yáng)光的鏡子的圖像；計(jì)算所述鏡子的圖像的中心的位置； 獲取所述固定目標(biāo)的圖像； 計(jì)算所述固定目標(biāo)的所述圖像的中心的位置；計(jì)算將所述鏡子中心圖像與所述固定目標(biāo)中心圖像連接起來(lái)的矢量的長(zhǎng)度和定向； 計(jì)算至少ー個(gè)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)量和方向，從而改變鏡子的定向以減小矢量的長(zhǎng)度；以及沿所計(jì)算的方向驅(qū)動(dòng)所述至少一個(gè)電動(dòng)機(jī)并使其轉(zhuǎn)過(guò)所計(jì)算的旋轉(zhuǎn)量； 其中，所述矢量的長(zhǎng)度充分地減少，且所述鏡子中心和固定目標(biāo)中心的所述圖像充分地重合。
全文摘要
太陽(yáng)跟蹤器設(shè)備連續(xù)地捕捉要重定向到目標(biāo)的太陽(yáng)光線。該設(shè)備包括界定中心點(diǎn)并被固定地安裝到定日鏡的鏡子、具有穿過(guò)鏡子中心點(diǎn)的光軸的成像設(shè)備、電子板以及在成像設(shè)備和目標(biāo)之間延伸的部分透明穹頂。當(dāng)太陽(yáng)光線穿透所述穹頂時(shí)，鏡子將光線向穹頂反射，且光線的一部分被穹頂反射回到成像設(shè)備，以便形成鏡子中心點(diǎn)的圖像。通過(guò)穹頂在成像設(shè)備上形成固定目標(biāo)的圖像，且該圖像界定了目標(biāo)的圖像。每當(dāng)鏡子和目標(biāo)中心的圖像不重合時(shí)，起動(dòng)電子板以朝獲得重合的定向使定日鏡反射面旋轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)G01S3/786GK102597798SQ201080042011
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)明者伊福斯·維拉雷特, 加爾·維拉雷特 申請(qǐng)人:伊福斯·維拉雷特, 加爾·維拉雷特