太阳影子范文1
关键词：枚举；偏差；仿射；灭点校正；交比；拟合
1 概述
如今，太阳影子定位技术广泛应用于图像处理和地理信息系统技术领域中。运用太阳高度、正午太阳高度、日出和日落太阳光线来向、影子的长度等知识进行分析图像或视频，拟合出所拍摄图像或视频的经纬度信息。文献[1]根据太阳运动规律和当地地理位置及时间，得到太阳角度信息，设定电机转动时间，进行定时操作，使太阳能接收器基本跟随太阳转动。文献[2]主要研究了当地时间和标准时间的概念及重要运用，根据此概念就可以推算日期。文献[3]提出了一种太阳定位算法。利用日冕的原理，通过测量杆影方位和与杆实际长度的比得到太阳的俯仰角和方位角。杆影位置及长度的测量是利用CCD相机线性成像的交比不变性原理和灭点产生原理，根据模板上标识的平行线组，求解出坐标轴向的灭点；再根据灭点和待测点的像坐标计算出其连线与坐标轴的交点，最后利用交比不变性原理解出杆影顶点在模板平面上的坐标。实验证明，文章方法具有较高的定位精度，且免去了一般视觉测量中的相机定标步骤。在太阳能接受设备控制领域，有较好的使用价值。
2 主要结论
（1）太阳的高度角a是地球表面上某点和太阳的连线与地平线之间的夹角，由太阳高度角和已知的杆长3米可以算得影长。即可做出直杆的太阳影子长度的变化曲线。对于地球上的任何一个地点，太阳高度角是指太阳光的入射方向与地表平面之间的夹角，我们用？琢来表示这个角度，它在数值上等于太阳在天球坐标中的地平高度。太阳高度角随着时角？棕和太阳赤纬？啄的变化而变化。
共得到61个不同时间影子长度的数据，建立以时间为x轴，影子长度为y轴的直角坐标系，变化曲线形如二次曲线。
（2）通过所给的影子顶点坐标数据，可以得到在14：42到15：42时间段内的影子长度的变化趋势。由于长度是逐步增加的，因此我们初步判定杆子是在北半球，且y轴正方向指向正北方向，x轴正方向指向正东方向。然而杆长l，经度？姿和纬度？渍都是未知的，若日期已知就可算出这个时间的太阳赤纬角
（3）以北京时间12：41作为t0=0，每过3分钟取0.5个单位刻度，那么北京时间13：41就是t20=10。每个t都对应一个影子长度l，作出它们的变化曲线，利用拟合工具箱拟合出在确定范围内的合适的曲线，可以算出t=22.32时，影子长度l=0.6625达到最小。
根据t=22.32可以得出影子长度最短的点在北京时间14：55，即当地正午时，北京时间为14：55，由此可以判断该地的经度为76.25°E。
根据（2）建立的模型，将经度作为已知参数，日期作为未知参数，程序运行的结果如下：n=161，？渍=41°，l0=2.30即直杆处于6月10日，北纬41度，东经76度15分，直杆高度为2.3米。将所给数据x和y求得的标准方位角A0，和模型求解的模拟方位角A'作出两者的曲线判断误差大小，误差为max（|A1-A|）=0.0062
参考文献
[1]单黎明.太阳跟踪定位技术及其应用软件[J].空间控制技术与应用，2012，38（3）.
[2]武琳.基于太阳阴影轨迹的经纬度估计技术研究[D].天津大学，2010.
太阳影子范文2
Abstract： This paper constructs three mathematical models based on the sun shadow mapping technique， and based on the powerful application of MATLAB in image processing and data fitting， using MATLAB gray analysis and data fitting of the least square method， carries on the precise location of the geographical location and shooting time of the shadow. In order to solve the problem of "the latitude and longitude of object video shooting"， it provides a set of perfect model， which has great significance to the development of video analysis and positioning technology.
关键词：数据分析；影子长度；MATLAB；定位
Key words： data analysis；shadow length；MATLAB；location
中图分类号：TP391.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）18-0192-03
0 引言
随着计算机与网络技术的发展，数字化信息技术对人们的工作学习都产生着十分重要的影响，图片与视频数据分析技术更是与人们的生活息息相关，而确定一段视频的拍摄时间与拍摄地点就是视频数据分析技术的一个较为广泛的应用。由视频中任意物体的影长定位出物体视频拍摄的经纬度与时间一直以来都没有一个较为完美的模型可以实现。本文所研究讨论的即为太阳影子定位技术，即通过分析所拍摄的视频中某个物体的影子长度的变化，确定视频拍摄的时间与地点。通过对影长长度连续变化的读取，本文建立了三个数学模型，分开确定影子所在的经度与纬度，以及视频所拍摄的时间，所蕴含的优势是巨大的。基于MATLAB在图像处理与数据拟合上的强大应用，本文利用MATLAB的灰度分析与最小二乘法的数据拟合等功能，可较为精确地定位出影子所在地理位置与拍摄时间，对视频分析定位技术的拓展有较大的意义。
1 影长数据的读取
首先我们可以对视频进行截图（每分钟一张），使用MATLAB导入40张图片，利用灰度分析得到影长的数据。
对于影长的量取步骤为：①每分钟截图一张，截出40张图像；②利用MATLAB将图像转换为灰度图像；③将图像二值化；④进行边缘检测（用prewitt算子，threshold上限通过多次试验后得出最合适的值）；⑤图像裁剪，使之只露出影子的部分；⑥根据影子的边缘与北京像素值的差异性（可读出），可以判断出影子的端点。
对于影长在图中的量取，由于透视变形，所以如果直接进行影子的量取会与真实值之间存在一定的偏差，我们在量出杆长后需要进行相关的修正来缩小误差。
但是由于影长被缩短后，影长的变化率相应地也会发生缩短，所以最终计算经度的时候的误差不会很大，我们对之进行忽略。
本文对于影子长度的量取时利用了MATLAB读取图片，并利用边缘检测确定长度的模型，将精度精确到像素，提高了准确性，但是由于人为忽略了透视变形，所以影长在计算得时候缩小了一些，对经度的求解影响较小，对于纬度的求解则可能会产生一个偏大的误差；真实影长的确定可以使用相似比例的模型，较为简单准确。
2 经度求解模型
2.1 经度求解模型的建立 利用已知的n组时间（时与分）与对应影长的数据，即可利用MATLAB拟合出影长关于时间的关系，根据拟合出的函数关系求得影长最低点的对应北京时间。由于影长最低点应该为当地的地方时12时，据此可以确定时差（该地与北京时的时差），由时差求出经度差，从而确定该地的经度。
2.2 经度求解模型的求解 取样本数据，利用MATLAB拟合影长与时间的关系，根据与当地正午时间有相同偏差值的当地时间关于当地正午时间线近似对称，所以猜测影长与时间大致成二次函数关系。用MATLAB将影长与时间进行二次函数拟合，可以发现拟合的效果较好，猜测得到验证。
样本数据拟合出的函数为：l=0.1489t2-3.7519t+24.1275
误差分析：①误差平方和SSE：1.649e-005；②复相关系数或复测定系数：1；③调整自由度负相关系数：1；④均方根误差：0.0009571。
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【关键字】 太阳影子 定位 太阳高度角 赤纬角 最小二乘法
科技的发展使得GPS在大地测量方面得到了广泛的应用，布点灵活、定位精确等特点使其发展迅速。然而，由于偏远地信号弱、内置信息准确度低，GPS效果并不理想。此时，太阳影子定位技术的优势值便凸显出来。
一、太阳影子定位技术
若将地球近似为一个圆，由标杆影子长度的变化便可以近似看出太阳运动的轨迹。假设地球静止不动，即把地球做参照物，太阳绕地球运动。便可得到太阳方位角与影子变化的关系，同时根据影子顶点坐标通过拟合，结合北京标准时间，得出经度，根据太阳高度角的关系得出纬度。最后由经纬度利用Google地图找到该地点。
二、实例分析
此处以2015全国大学生数学建模竞赛A题为例进行分析。影子顶点坐标随时间变化的关系已知，测量日期为4月18日。
根据影子坐标，通过最小二乘法拟合出一条关于影子长度随时间变化的曲线如图1。从曲线图中得知直杆影子最短时所对应的当地时间 tlocal，tlocal可认为北京时间即东经120度的地方。而杆的影子最短时北京时间为12：00根据公式：
然后利用太阳的高度角与纬度的关系得
由以上的关系式可计算出太阳直射纬度？。
最后根据影子顶点的坐标拟合出影子长度关于时间的曲线，通过与北京标准时间进行比较，根据时差算出该地的经度为116度40。
并通过日期确定赤纬度δ，并利用谷歌地图定位得下列地点（经度，纬度）：（20.18，116.40），（30.35，116.40），（30.32，116.40），（30.30，116.40）
由得到的地点可知，纬度变化影响较小，经度变化影响较大。经度影响时间，时间越早地点越往东，反之越往西。然而太阳高度角主要受纬度的影响，太阳越高太阳纬度越低，反之太阳纬度越高。
由相关资料和调查的实际情况可知纬度影响到该地的获热量，经度的高低影响到降水量，根据这两个因素我们可以确定出最适合居住的地点。
三、结论
本文使用太阳影子定位技术，根据视频资料中物体影子的变化确定了视频的拍摄地点。由于影子长度由测量获得，所以最终确定的经纬度具有一定的误差。
参 考 文 献
[1]姜启源，谢金星，叶俊.数学建模[M].北京：高等教育出版社，2011.
[2]薛毅.数学建模基础[M].北京：科学出版社，2011.
[3]王正林，龚纯，何倩.精通MATLAB科学计算[M].北京：电子工业出版社，2009.
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（黄淮学院电子科学与工程系，河南驻马店463000）
摘要：太阳能电池作为光伏发电系统的核心单元，其能量转换效率和成本的高低直接影响光伏发电系统的应用。如何提高效率，降低成本是光伏技术工作者的核心任务之一。太阳能电池的转换效率是由其输出参数开路电压、短路电流和填充因子决定的。通过分析材料的禁带宽度、少数载流子寿命、表面复合、温度、寄生电阻等对其输出参数的影响规律，最终得到其对太阳能电池效率的影响规律，并针对性地提出提高效率的方法，对太阳能电池的发展与应用将具有一定的推动作用。
关键词 ：太阳能电池；能量转换效率；影响因素；光伏发电系统
中图分类号：TN911-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X（2015）12-0156-03
收稿日期：2014-12-18
基金项目：国家自然科学基金项目（61404057）；河南省基础与前沿技术研究项目（122300410210；14230040112）
近年来，太阳能发电由于具有清洁、无污染，对环境友好等优点越来越受到社会关注，但其市场占有率还很低，究其原因是效率低并且成本高，对于成本相对低廉的多晶硅太阳能电池来说，其平均价格为1.2 元W，与目前的火力发电成本来比还是较高。为了提高其市场占有率，需要从提高效率和降低成本两方面着手，因此，通过对太阳能电池效率的影响因素分析，对提高太阳能电池的效率将具有重要的意义。
1 太阳能电池理论效率计算
太阳能电池发电的最基本原理是基于光伏效应将太阳能转换成电能，其最重要的参数是能量转换效率，也就是太阳能电池的最大输出功率与太阳入射光功率的比值，用公式表示为：
式中：FF 为太阳能电池的填充因子，它是太阳能电池输出特性曲线“方形”程度的量度，其值一般在0.7~0.85范围内[1]；VOC 与ISC 分别是太阳能电池的开路电压和短路电流。由此可见，在一定的光照条件下研究其效率的影响因素，需要从FF ，VOC 以及ISC 等方面着手分析。
2 太阳能电池效率的影响因素分析
2.1 禁带宽度
太阳能电池被光照射时，并不是任何波长的光子都能够产生光生载流子，只有当光子的能量hν 大于禁带宽度Eg 的情况下才能被太阳能电池材料吸收产生电子空穴对。显然，材料的Eg 越小，能够产生光生载流子的光子越多，ISC 就越大；另一方面，Eg 的减小将使VOC 降低。因此，对于单结太阳能电池来说，存在最佳的Eg值，约为1.1 eV，可以获得理论上的最高效率为48%。
对于单晶硅太阳电池理论[2]计算最大效率为30%，目前最高效率为24.7%。要想进一步提高太阳能电池效率，可以采用叠层电池结构，使各个部分的材料禁带宽度相匹配，提高太阳能光谱的有效利用率，从而获得高效率的太阳能电池。
2.2 少数载流子寿命
对于N+P（N 区为重掺杂，称为发射区，P区为轻掺杂，称为基区），当基区少子扩散长度LN 远小于基区厚度WP 时，基区饱和暗电流将增加，从而使开路电压降低。另一方面，低扩散长度的载流子在基区的输送过程中基本上被复合，扩散不到背电极。显然随少子寿命增加，ISC ，VOC 和FF 均相应增加，太阳能电池效率也随之增加。实际可以通过提高太阳能电池质量，减小载流子在输送过程中的复合。
2.3 表面复合
除了半导体的体性质如缺陷能级影响复合过程外，非平衡载流子的复合也受材料尺寸、形状和表面状态的影响。不论是前电极或背电极的表面复合对电池效率都有重要的影响。严重的表面复合将会引起器件的失效。在太阳能电池的制备过程中，表面或界面复合对短路电流会产生直接的影响，低的表面或界面复合是制造高效电池的重要因素。器件的制备除了要有清洁的表面外，去除表面损伤及钝化表面缺陷态，降低表面复合速度，也是制备工艺的重要环节。如太阳电池的前电极与背电场的处理等。
对于扩散长度与基区厚度的关系，当LN - WP ，载流子扩散不到背电极就被复合掉了。在此情况下，背表面的复合不影响饱和电流。当少子寿命足够长，LN - WP ，基区载流子扩散到背表面并通过背表面输出，饱和电流将受到背表面复合速度的影响。
采用合适的工艺及合理地设计太阳能电池结构可以降低表面复合的影响。例如，为了降低背表面复合的影响，可以采用背表面场的结构设计，而为了降低前表面复合的影响，可以采取以下方法：
（1）利用PN 结的浅结设计，可以有效提高载流子的收集几率；
（2） 晶体材料表面钝化处理，降低表面的缺陷密度；
（3）仿照背表面电场结构的特点设计前表面电场；
（4）在晶体表面再生长一层宽能带的窗口层，此层可以让大部分的光通过，又可以防止电子与空穴扩散至太阳能电池表面，受到表面缺陷的影响而复合。
2.4 寄生电阻
理想的太阳能电池是由一个恒流源与两个二极管组成，其等效电路为图1所示。
实际的太阳能电池都存在寄生电阻，包括串联电阻和并联电阻。实际上，串联电阻和并联电阻对太阳能电池性能的影响是不容忽略的。考虑到寄生电阻时的太阳能电池等效电路如图2所示。
串联电阻主要来源于电池本身的体电阻、前电极金属栅线的接触电阻，栅线之间横向电流对应的电阻、背电极的接触电阻及金属本身的电阻等。电池的光生电压被串联电阻消耗，使输出电压下降。并联电阻主要来源于电池PN结的漏电，包括PN结内部的漏电极（晶体缺陷与外部掺杂沉积物）和结边缘的漏电流。表现为使电池的整流特性变差。考虑到这两个因素后，电流表示为：
式中，ISC′ 为不考虑寄生电阻时的短路电流；η 为二极管的理想因子，η 值介于1和2之间。当在中性区内的复合效应，也就是载流子扩散电流主导时，η 值会趋向于1；当在耗尽区内的复合效应占优势时，η 值会趋向于2。
图3 是理论计算寄生电阻对电流电压特性仿真结果。图3（a）是假设Rs = 0 ，RSH = ∞ 情况下不同串联电阻的电流—电压特性。由图可知，当电流为零的开路时，串联电阻不影响开路电压。电流不为零时，它使输出终端有一压降，因此，串联电阻对填充因子的影响十分明显。串联电阻越大短路电流的降低将越明显。图3（b）给出了并联电阻对电流—电压特性的影响。当在电压为零的短路情况下，并联电阻不影响短路电流。电压不为零时，与PN结并联的电阻将分流一部分电流，I-V 特性呈现为输出电流将减小。填充因子对并联电阻十分敏感，极低的并联电阻还将降低开路电压。完美的PN 结工艺将具有大的，可提高填充因子。以上讨论可以看到，电池的I-V 特性直接联系了电池性能与工艺的关系。I-V 特性的分析提供了与工艺有关的重要信息，是发现和改进电池工艺的有效途径之一。
2.5 温度
太阳能电池在光照情况下会引起自身温度升高，导致其效率下降，可以用电池温度系数描述电池的这一性能[3]。通过分析太阳能电池的特性发现，二极管电流、本征载流子浓度、扩散系数、扩散长度及少数载流子寿命是温度的函数，起主要影响因素的是本征载流子浓度：
式中NC 和NV 分别是导带与价带的有效能带密度，其对温度的依赖较弱。另外，带隙宽度也是温度的函数，其与温度的关系可表示为：
式中：α，β 是因材料而异的函数；Eg (0) 为绝对零度时半导体的带隙。式（4）表明，温度上升带隙减小。虽然带隙宽度减小拓宽了电池的光吸收范围，短路电流有所提高，但带隙减小的直接结果是ni 增加。由于ni 与T的关系是成指数关系，因此，温度上升的结果使ni 迅速增加，总的结果是开路电压下降。
开路电压与温度的依赖关系可近似地表示为[4]：
由此，开路电压随温度上升而下降，虽然短路电流随温度上升稍有提高，但开路电压下降明显，总的结果是效率降低。
2.6 负载
太阳能电池与一般电源的区别之一是不同的负载情况下，其输出电流和输出电压会发生变化，导致输出功率发生变化，总会存在一个最佳的负载阻值使其输出功率达到最大，从而使转换效率最高[5]。因此，在实际的应用中，太阳能电池要想发挥其最佳性能，需要连接合适的负载。
3 结语
太阳能电池效率的影响因素很多，通过对禁带宽度、少数载流子寿命、寄生电阻等主要影响因素进行分析，得到其对太阳能电池效率的影响规律，并找到提高太阳能电池效率的有效方法。选择合适禁带宽度的材料制作单结太阳能电池；利用不同禁带宽度的材料制作叠层电池；改善制作工艺，提高太阳能电池的质量，减小太阳能电池内部与表面缺陷态密度；减小串联电阻，增加并联电阻；合理设计太阳能电池结构，制备背电场，利用PN结的浅结设计等方法，在一定程度上可以提高太阳能电池效率。
作者简介：郝华丽（1985—），女，河南驻马店人，硕士。主要从事光纤传感与物理应用技术研究工作。
参考文献
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[4] EL-ADAWI M K，AL-NUAIM I A. The temperature functional dependence of Voc for a solar cell in relation to its efficiency new Approach [J]. Desalination，2007，209：91-96.
太阳影子范文5
太阳今天“上岗”了。
它说：“没人比我厉害！”彩虹听见了，不甘心地说：“我有七种颜色，你没有！”太阳笑起来：“哈哈哈！你还不都因为我！没了我，你也不存在！哈哈哈！”彩虹生气地走了，这时，老虎走来，说：“比比谁更猛！”太阳说：“好啊！”说完，太阳放射出强光，老虎热得满身都是汗，奄奄一息地说：“我·····我认····认熟。”正当太阳骄傲得笑时，“我来比！”“谁！”“你低头看看呀！”哦！原来是影子啊！太阳自大的说：“连老虎都是我的手下败将，就你这小不点····哈哈哈哈哈！说吧！比什么？”“你到我！”“容易！”太阳走到东，影子走到西，太阳走到西，影子走到东，最后，影子赢了。
太阳惭愧地底下头，影子语重心长地说：“人外有人，天外有天，太阳，虽然你很重要，可不要骄傲，明白了吗？”
小朋友，你知道影子是怎么赢的吗？
太阳影子范文6
小组活动的学习结束后，我们按捺不住激动的心情，决定亲自动手，制作一个简易的太阳高度测量器，测量太阳的高度。
实验材料：
一块30厘米×15厘米×1厘米的木板，一根5厘米长的钉子，一张A3白纸。
实验步骤：
1.将A3白纸平整地包住木板，并使白纸与木板的接口留在木板反面，以便于观测钉子的影子。
2.将钉子从木板反面垂直钉入，使它从正面露出。在钉钉子时，需注意安全。
3.将制作好的简易太阳高度测量器放在开阔的室外平地上，并使钉子朝向太阳的方向。
4.经测量，露出的钉子长度为3.75厘米。在特定时刻测量钉子的影长，并将测得的钉长和影长记录在表格中。
5.依数据做直角三角形ABC，一直角边AB为钉长，另一直角BC为影长，连接AC。量角C的度数，即为该时刻的太阳高度。
太阳高度测量方法
6.分别测量10：00、12：00、14：00、16：00、18：00、20：00的太阳高度。冬至日调整为日出1小时后或日落1小时前，否则，会因太阳高度变化太快，难以测量。
7.注意：要在晴朗的天气测量，测量的地点要安全、开阔、固定。
实验分析：
通过分析实验数据，我发现，一天中阳光下直立物体影长的变化规律是长短长；与之相对应的，太阳高度的变化规律则是小大小。
实验拓展：
我们把实验记录交给老师后，得到了老师的表扬。在之后的科学兴趣小组活动中，老师还把实验室的太阳高度测量仪拿出来，让我们把使用专业仪器和自制的简易太阳高度测量器测量的结果分别记录，进行比较，并建议我们找出一年四季太阳高度的变化规律。
从测量得到的数据发现，不同季节阳光下直立物体影长的变化规律是，夏季短、春秋中等、冬季长；同时，太阳高度的变化规律则是，夏季大、春秋季中等、冬季小。
收获与体会：
1.实验知识和操作技能都很重要，平时要多熟悉知识和相关技能。
2.测量与绘图的精确度非常重要，作图能力需要多次练习，才能接近实验室太阳高度测量仪测量的角度。
