天空云層監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1、浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：天空云層監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 班 級(jí)： 2009級(jí) 02 班 學(xué) 號(hào)： 200902070215 學(xué)生姓名： 李 理 指導(dǎo)老師： 鮑官軍 提交日期： 2013年 6 月 8 日 摘要由于能源緊缺，太陽(yáng)能光伏發(fā)電在全球范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用。光伏發(fā)電的功率預(yù)測(cè)，尤其是超短期的功率預(yù)測(cè)能夠給與光伏發(fā)電系統(tǒng)相連的電力網(wǎng)絡(luò)、用戶(hù)和用電設(shè)備等，提供必不可少的數(shù)據(jù)。本文主要設(shè)計(jì)一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)估對(duì)光伏發(fā)電有遮擋影響的天空云層的裝置。 現(xiàn)有的天空成像儀無(wú)法應(yīng)用于光伏發(fā)電的超短期功率預(yù)測(cè)。本文設(shè)計(jì)了一

2、種天空云層監(jiān)測(cè)裝置，解決了這一問(wèn)題。該裝置包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，其中機(jī)械系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的主要部分。機(jī)械系統(tǒng)主要包括一個(gè)雙軸二自由度的機(jī)械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護(hù)模塊?？刂葡到y(tǒng)以跟蹤算法設(shè)計(jì)為主，包括跟蹤算法的計(jì)算分析和算法流程圖。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械跟蹤模塊，具有兩個(gè)自由度，即水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。該機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)太陽(yáng)高度角和方向角的跟蹤。本文采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方案，控制器根據(jù)相關(guān)的公式和參數(shù)計(jì)算出白天太陽(yáng)的位置，再將高度角和方位角轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)。本文設(shè)計(jì)的天空云層監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)μ炜赵茍F(tuán)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為光伏發(fā)

3、電超短期功率預(yù)測(cè)提供支持?jǐn)?shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：光伏功率預(yù)測(cè) 天空成像儀 云層監(jiān)測(cè)Abstract Due to the shortage of energy, photovoltaic(PV) power generation is widely used in the world. The prediction for the PV power, especially the super short-term power prediction, can provide necessary data for the electric power network, users connected to

4、the PV power generation system, electric equipment, etc. In this paper, we design an equipment, which can real-time monitor and forecast the clouds having an influence on the PV power generation. The existing sky imager cannot be used in short-term power forecasting. In this paper, we design a sky c

5、loud monitoring device to solve the problem. The device consists of a mechanical system and a control system. The mechanical system is the main part of the design. It mainly consists of a two-degree of freedom mechanical tracking module, imaging module and lens protection module. The control system

6、is based on the design of tracking algorithm. It includes the calculation analysis and the flow chart of the algorithm.In this paper, the design of mechanical tracking module has two degrees of freedom, namely, horizontal and vertical direction of rotational degrees of freedom. The mechanical struct

7、ure of the equipment is driven by two stepper motors to track the solar elevation angle and orientation angle. By adopting sun motion trajectory tracking strategy, the position of the sun in daytime is calculated by controller in accordance with related formula and parameters. Then the elevation ang

8、le and orientation angle are converted into corresponding pulses which will be sending to servo driver. And the servo motor tracks the sun in real time. The sky cloud monitoring device can real-time monitor of the clouds and provide supporting data for super short-term power prediction.Keywords：phot

9、ovoltaic power prediction, the sky imager, the cloud monitoring37目錄摘要IAbstractII第一章 緒論31.1 研究背景、目的和意義31.1.1 研究背景31.1.2 研究的目的和意義41.2 研究現(xiàn)狀分析41.3 本文主要研究?jī)?nèi)容51.3.1 機(jī)械系統(tǒng)部分61.3.2 控制系統(tǒng)部分61.4 本文結(jié)構(gòu)6第二章 總體方案設(shè)計(jì)72.1 設(shè)計(jì)需求分析72.2 總體設(shè)計(jì)思路72.2 系統(tǒng)工作原理7第三章 機(jī)械跟蹤模塊設(shè)計(jì)93.1 機(jī)械跟蹤模塊的功能93.2 方案比較93.3 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)113.3.1 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)

10、構(gòu)123.3.2 高度角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)133.3.3 相關(guān)零件的選用與設(shè)計(jì)14第四章 跟蹤算法設(shè)計(jì)154.1 跟蹤方式確定154.2 設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)及定義154.3 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤設(shè)計(jì)174.4 算法流程圖204.4.1 跟蹤主程序設(shè)計(jì)204.4.2 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤子程序設(shè)計(jì)21第五章 成像與鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計(jì)235.1 成像模塊設(shè)計(jì)235.2 鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計(jì)235.2.1 遮光裝置設(shè)計(jì)235.2.2 外殼部分24第六章 計(jì)算說(shuō)明書(shū)256.1 傳動(dòng)比的確定及步進(jìn)電機(jī)的選?。▽?duì)應(yīng)3.3.3）256.1.1 傳動(dòng)比的確定256.1.2 步進(jìn)電機(jī)選型256.2 高度角蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)（對(duì)應(yīng)3.3.

11、2）266.2.1 高度角蝸輪轉(zhuǎn)矩T2的計(jì)算：266.2.2 高度角蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)過(guò)程266.3 方位角蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)（對(duì)應(yīng)3.3.1）286.3.1 方位角蝸輪轉(zhuǎn)矩T2的計(jì)算：286.3.2 方位角蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)過(guò)程296.4 軸設(shè)計(jì)及校核306.4.1 高度角蝸輪軸設(shè)計(jì)（對(duì)應(yīng)3.3.2）306.4.2 方位角蝸輪軸設(shè)計(jì)（對(duì)應(yīng)3.3.3）306.5 步進(jìn)電機(jī)的校核（對(duì)應(yīng)3.3.3）316.5.1 高度角步進(jìn)電機(jī)的校核316.5.2 方位角步進(jìn)電機(jī)的校核31第七章 總結(jié)與展望33參考文獻(xiàn)34致謝36第一章 緒論1.1 研究背景、目的和意義1.1.1 研究背景（1） 光伏發(fā)電及其特點(diǎn)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的

12、快速發(fā)展，能源消耗劇增，化石能源日趨枯竭，加之與日俱增的化石燃料燃燒所造成的環(huán)境污染，給地球的生態(tài)平衡和人類(lèi)的生活帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。近年來(lái)，世界各國(guó)競(jìng)相實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的能源政策。太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，也是可利用的最直接的清潔能源之一，太陽(yáng)能發(fā)電即光伏發(fā)電事業(yè)也備受矚目1 。以光伏電池技術(shù)為核心的光伏利用成為太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用光伏發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且輕；容易安裝運(yùn)輸，建設(shè)周期短；維護(hù)簡(jiǎn)單，使用方便；清潔、安全、無(wú)噪聲；可靠性高，壽命長(zhǎng)，并且應(yīng)用范圍廣?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在近幾年得到迅速發(fā)展。2010年以前，我國(guó)的光伏發(fā)電多處于獨(dú)

13、立光伏發(fā)電階段，20112020年，中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)將會(huì)由獨(dú)立系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)2。但是光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受到太陽(yáng)輻射功率、天氣因素以及太陽(yáng)能電池板自身因素的影響，其發(fā)電量的變化是一個(gè)非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，具有很強(qiáng)的非線(xiàn)性3，其發(fā)電量和輸出電功率隨機(jī)性強(qiáng)、波動(dòng)大、不可控制，在天氣突變時(shí)表現(xiàn)得尤為突出，這種發(fā)電方式在接入電網(wǎng)后必會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全和管理帶來(lái)一系列的問(wèn)題4 。（2） 光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)的重要性因?yàn)楣夥l(fā)電具有波動(dòng)性和間歇性5 ，大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行可能對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成影響。對(duì)光伏電站的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)有助于電力系統(tǒng)調(diào)度部門(mén)統(tǒng)籌安排常規(guī)能源和光伏發(fā)電的協(xié)調(diào)配合，及時(shí)調(diào)

14、整調(diào)度計(jì)劃，合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式。一方面有效地降低光伏接入對(duì)電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性；另一方面減少電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用和運(yùn)行成本，以充分利用太陽(yáng)能資源，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。光伏功率預(yù)測(cè)從時(shí)間尺度上可以分為超短期功率預(yù)測(cè)和短期功率預(yù)測(cè)。超短期功率預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度為30min6 h，短期功率預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度一般為12d5。類(lèi)比于風(fēng)力發(fā)電，短期預(yù)測(cè)的時(shí)間分辨率為15分鐘，超短期預(yù)測(cè)著重考慮云團(tuán)的變化對(duì)太陽(yáng)輻射的遮擋造成光伏發(fā)電輸出功率的瞬間大幅度波動(dòng)，15分鐘的時(shí)間分辨率無(wú)法顯示出這種波動(dòng)，因此要進(jìn)行超短期預(yù)測(cè)。目前，超短期功率預(yù)測(cè)的主要原則是根據(jù)地球同步衛(wèi)星拍攝的衛(wèi)星云圖推測(cè)云

15、層運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)未來(lái)幾小時(shí)內(nèi)的云層指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后通過(guò)云層指數(shù)與地面輻照強(qiáng)度的線(xiàn)性關(guān)系得到地面輻照強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值，再通過(guò)效率模型得到光伏電站輸出功率的預(yù)測(cè)值5。但是衛(wèi)星云圖更適合揭示大范圍地區(qū)的云氣候特征，對(duì)低云和區(qū)域性云信息的描述可能不太理想。（3） 天空云層監(jiān)測(cè)裝置的作用天空云層監(jiān)測(cè)裝置是超短期功率預(yù)測(cè)的重要一環(huán)，它不同于地球同步衛(wèi)星拍攝的大范圍衛(wèi)星云圖，而是以地面觀測(cè)的方式，對(duì)當(dāng)?shù)貢?huì)對(duì)光伏發(fā)電有遮擋影響的低空云層，進(jìn)行更精確地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)估的裝置，能為超短期功率預(yù)測(cè)提供決策支持?jǐn)?shù)據(jù)。目前光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)的主要方法有多元線(xiàn)性回歸、灰色理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等4 。盧靜等人采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，把測(cè)試

16、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的部分預(yù)測(cè)值和實(shí)際值進(jìn)行比較，并發(fā)現(xiàn)以數(shù)值天氣預(yù)報(bào)作為輸入氣象數(shù)據(jù)的短期光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)只能跟蹤光伏電站數(shù)據(jù)功率的趨勢(shì)，捕捉不到短時(shí)的云層變化信息，因此不能跟蹤光伏電站輸出功率的短時(shí)波動(dòng)5 。而天空云層監(jiān)測(cè)裝置很好地彌補(bǔ)了無(wú)法捕捉到短時(shí)的云層變化信息的缺點(diǎn)。天空云層監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)對(duì)天空云層的實(shí)時(shí)監(jiān)控得到云層的實(shí)時(shí)位置信息，并通過(guò)一定算法預(yù)測(cè)云層變化對(duì)地面輻照強(qiáng)度的影響，將其作為模型的輸入變量，代替以天為單位的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的信息，就可以跟蹤光伏電站輸出功率的短時(shí)波動(dòng)。1.1.2 研究的目的和意義天空云層監(jiān)測(cè)裝置是超短期功率預(yù)測(cè)的重要一環(huán)，但現(xiàn)有的天空云層監(jiān)測(cè)裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期

17、功率預(yù)測(cè)。針對(duì)現(xiàn)有的天空成像儀應(yīng)用于一定范圍內(nèi)的天空?qǐng)D像采集時(shí)存在的不足，本課題將有針對(duì)性地對(duì)現(xiàn)有的天空成像儀進(jìn)行改進(jìn)。最后獲得的裝置能夠?qū)σ欢ǚ秶鷥?nèi)的天空?qǐng)D像進(jìn)行采集，獲得太陽(yáng)及其周邊云層的精確定位信息。計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理后，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)光伏發(fā)電功率進(jìn)行超短期功率預(yù)測(cè)，得到功率預(yù)測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期功率預(yù)測(cè)。對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行超短期功率預(yù)測(cè)有助于電力系統(tǒng)調(diào)度部門(mén)統(tǒng)籌安排常規(guī)能源和光伏發(fā)電的協(xié)調(diào)配合，及時(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式。一方面有效地降低光伏接入對(duì)電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性；另一方面減少電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用和運(yùn)行成本，以充分利用太陽(yáng)能資源，獲得更大的

18、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2 研究現(xiàn)狀分析云層的監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用于氣象學(xué)，云的觀測(cè)是氣象觀測(cè)的重要內(nèi)容，準(zhǔn)確地獲取云的信息，對(duì)于天氣預(yù)報(bào)、氣候研究以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事等諸多領(lǐng)域都有十分重要的意義。隨著氣象水文觀測(cè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，很多云的自動(dòng)探測(cè)識(shí)別儀器相繼涌現(xiàn)。按工作平臺(tái)不同主要分為衛(wèi)星遙感和地基遙感兩種方式。衛(wèi)星遙感測(cè)云儀器如甚高分辨率輻射計(jì)(AVHRR)、多光譜掃描儀(LANDSATMSS)、中分辨率成像光譜儀(MODIS)等6。研究表明，衛(wèi)星云圖更適合揭示大范圍地區(qū)的云氣候特征，其代表地域廣泛。但對(duì)低云和區(qū)域性云信息的描述可能不太理想7 。因此，地基遙感測(cè)云儀器的研究一直受到關(guān)注。地基遙感測(cè)云

19、儀器根據(jù)測(cè)量技術(shù)主要分為以下幾種：（1） 微波氣象雷達(dá)和遙感輻射測(cè)量這是兩種比較傳統(tǒng)的方法，可以做到云層的監(jiān)測(cè)，但存在體積大、質(zhì)量大、能耗高、成本高和靈敏度不夠等缺點(diǎn)8。（2） 基于可見(jiàn)光或近紅外的測(cè)量可見(jiàn)光波段測(cè)云法直接采用照相機(jī)對(duì)天空進(jìn)行拍攝。Bradbury等人9 曾利用模擬式相機(jī)研究了云的觀測(cè)問(wèn)題，指出利用這樣的系統(tǒng)可以確定云底高度和云底的運(yùn)動(dòng)，并用于對(duì)衛(wèi)星反演的云參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證；十幾年前，歐洲的Gardiner等采用魚(yú)眼照相機(jī)拍攝照片來(lái)測(cè)量云量10 ；美國(guó)Yankee環(huán)境系統(tǒng)公司(YES)研制出了總天空成像儀TSI11，其前身是半球天空成像儀HIS(hemispheric sky im

20、ager)。它將CCD相機(jī)安裝在頂部，向下對(duì)準(zhǔn)底部有加熱裝置的曲面鏡進(jìn)行全天空鏡像拍攝。新一代TSl880型采集的圖像是分辨率為352×288的24位JPEG彩圖，采樣最短間隔10 S，工作溫度為-30°C至44°C。TSI給出白天半球天空的連續(xù)圖像(視張角為160°)，當(dāng)太陽(yáng)高度角大于10°時(shí)可以反演出天空云的分布。位于西班牙南部城市格拉納達(dá)的大氣物理研究中心研制出全天空成像儀ASI(all sky imager)12，該儀器采用的是全彩色CCD相機(jī)，外加魚(yú)眼透鏡，能獲取視張角為的全天空?qǐng)D像。國(guó)內(nèi)方面，霍娟等研究開(kāi)發(fā)了地基全天空可見(jiàn)光成像觀測(cè)

21、系統(tǒng)13。以上方法主要是對(duì)云量進(jìn)行定量測(cè)量，并且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)云層的定位，但是只能獲得白天或明夜的云層信息。（3） 激光雷達(dá)探測(cè)如王宏波等人利用改進(jìn)的Klett反演算法對(duì)所測(cè)雷達(dá)回波信號(hào)反演獲得大氣消光系數(shù)分布，進(jìn)一步求出云層高度、厚度及光學(xué)厚度，研究了云底高度和云層厚度在不同天氣下的變化情況14；陳臻懿等人15采用改進(jìn)后的微分法，著重分析了出現(xiàn)多個(gè)峰值信號(hào)時(shí)，如何有效判斷單層云和多層云，得出了云底、云頂、云峰和云層光學(xué)厚度等重要信息。以上研究主要是對(duì)云高和云層厚度的研究，不能實(shí)現(xiàn)云層分布定位的測(cè)量。（4） 雙（多）波段測(cè)云雙（多）波段測(cè)云法通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)窄波段輻射值的方法來(lái)確定天空是否有

22、云，從而確定云量。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)研制成功了一種全天空成像儀WSI16。其光學(xué)部分采用512×512分辨率的16位高質(zhì)量的溫控CCD相機(jī)，加裝魚(yú)眼鏡頭得到全天空?qǐng)D像（視張角為180°）。另外還包括光譜過(guò)濾器、帶加熱設(shè)備的磨砂玻璃罩等裝置。早期的全天空成像儀工作在中心波長(zhǎng)為450 nm和650 nm的兩個(gè)波段，分別是70 nm寬，后來(lái)增加了中心波長(zhǎng)在800 m的波段。WSI根據(jù)太陽(yáng)和月亮的位置、地月距離、以及照條件（陽(yáng)光、月光和星光）等天空條件采用相應(yīng)的中性濾光片獲取圖像。在進(jìn)行云識(shí)別時(shí)，白天和夜間采用了不同的算法，白天依靠可見(jiàn)光波段獲取圖像的紅藍(lán)對(duì)比閾值確定有云點(diǎn)。夜間則

23、將測(cè)得的星場(chǎng)圖像與計(jì)算的星象圖作比較，確定哪些已知的明亮的星星被云遮蓋，從而識(shí)別云。由于其采用的光學(xué)部件較為昂貴，工程設(shè)計(jì)又非常復(fù)雜，所以?xún)r(jià)格較高。（5） 紅外測(cè)云利用大氣紅外輻射進(jìn)行云層測(cè)量是地基云層遙感的發(fā)展趨勢(shì)，如紅外云分析儀( ICA)17和紅外云成像儀18的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)類(lèi)似的技術(shù)方案有孫學(xué)金等人提出的基于非制冷紅外焦平面陣列的全天空紅外測(cè)云系統(tǒng)19。此系統(tǒng)由5個(gè)單元模塊構(gòu)成，采用旋轉(zhuǎn)掃描的機(jī)械伺服單元，用非制冷紅外焦平面陣列(UIRFPA) 和掃描方式實(shí)現(xiàn)天空區(qū)域全天空紅外測(cè)云。此系統(tǒng)通過(guò)拼圖、溫度定標(biāo)、大氣修正、云識(shí)別等數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)全天候云層輻射測(cè)量，輻射定標(biāo)處理以及云類(lèi)型識(shí)別。此

24、后，王昊京等人針對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種大視場(chǎng)全天候云層分布定位光電測(cè)量系統(tǒng)20，采用了由扁橢球反射鏡和成像透鏡組成的光學(xué)子系統(tǒng)，增大了視角，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，并提出了云層空間分布定位的標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)的云層分布定位。國(guó)外類(lèi)似的技術(shù)方案是SLR2000激光測(cè)距系統(tǒng)。它是一個(gè)無(wú)人值守的自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)，其每個(gè)觀測(cè)站都配備了全天時(shí)云量監(jiān)視系統(tǒng)。此監(jiān)視系統(tǒng)使用線(xiàn)陣長(zhǎng)波紅外探測(cè)器采集尺寸為120×120像素的圖像，采用串口傳輸圖像數(shù)據(jù)；監(jiān)測(cè)設(shè)備有4條機(jī)械支架，有較大面積的成像遮攔；另外云圖只包含3種成分（晴朗、霾、云），可以給出天空輻射圖21。紅外測(cè)云技術(shù)不受時(shí)間的限制，可以獲得

25、白天和夜間全天的天空云層圖像，是地基云層遙感的發(fā)展趨勢(shì)。隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)、含有橢球反射鏡的新的光學(xué)系統(tǒng)的出現(xiàn)和紅外傳感器分辨率的提高，紅外測(cè)云技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越完善。1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容本文所研究設(shè)計(jì)的天空云層監(jiān)測(cè)裝置，包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，其中機(jī)械系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的主要部分。機(jī)械系統(tǒng)主要是設(shè)計(jì)一個(gè)二雙軸自由度的機(jī)械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護(hù)模塊?？刂葡到y(tǒng)主要以跟蹤算法設(shè)計(jì)為主，包括跟蹤算法的計(jì)算分析和算法流程圖。天空云層監(jiān)測(cè)裝置主要有以下內(nèi)容：1.3.1 機(jī)械系統(tǒng)部分機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護(hù)模塊。機(jī)械跟蹤模塊有兩個(gè)自由度，即一個(gè)水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方位角自由度和一

26、個(gè)豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度高度角自由度。由兩個(gè)電機(jī)來(lái)分別驅(qū)動(dòng)，調(diào)整相機(jī)的方向，使相機(jī)的主光軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。成像模塊的作用是能獲取以太陽(yáng)為中心的云團(tuán)圖像。本課題不同于氣象上的云層監(jiān)測(cè)，無(wú)需獲得夜間的云層信息，也無(wú)需獲得全天空的云層信息，而只需獲得以太陽(yáng)為中心的云團(tuán)圖像。因此，本文不采用紅外測(cè)云技術(shù)，而采用基于可見(jiàn)光的測(cè)量技術(shù)，使用一個(gè)CCD相機(jī)來(lái)采集圖像。鏡頭保護(hù)模塊包括遮光裝置和外殼部分。光學(xué)器件若暴露在野外，易受灰塵、雨雪、露、霜的污染，所以需要一個(gè)外殼保護(hù)鏡頭和整個(gè)裝置，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)滿(mǎn)足要求的鈑金外殼。除此之外，裝置需要對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，此時(shí)鏡頭長(zhǎng)時(shí)間暴露在高強(qiáng)度光照下，容易出現(xiàn)損壞，所以還

27、需要設(shè)置一個(gè)對(duì)太陽(yáng)的遮光裝置。本文采用濾光片和遮光片進(jìn)行遮光。1.3.2 控制系統(tǒng)部分控制系統(tǒng)主要包括跟蹤算法的計(jì)算分析和算法流程圖。本文采用矢量方法，分別建立太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡的時(shí)角坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，通過(guò)跟蹤控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的坐標(biāo)系，對(duì)這些坐標(biāo)系的變換來(lái)建立跟蹤裝置的運(yùn)動(dòng)方程。算法流程圖包括跟蹤主程序流程圖和跟蹤子程序流程圖。本文通過(guò)流程圖結(jié)合文字說(shuō)明對(duì)跟蹤系統(tǒng)的控制方案和控制步驟進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。1.4 本文結(jié)構(gòu)本文分為七章：第一章主要闡述了論文選題背景、目的及意義，介紹了超短期功率預(yù)測(cè)在光伏發(fā)電中的重要性、天空成像儀對(duì)超短期功率預(yù)測(cè)的作用和天空云層監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展研究現(xiàn)狀。第二章主要介紹了天

28、空云層監(jiān)測(cè)裝置的總體方案設(shè)計(jì)。第三章主要介紹了機(jī)械跟蹤模塊設(shè)計(jì)。確定以蝸輪蝸桿傳動(dòng)的二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)。第四章闡述了自動(dòng)跟蹤算法，主要內(nèi)容有：確定了跟蹤方式，對(duì)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，設(shè)計(jì)了跟蹤主程序和子程序。第五章主要對(duì)成像與鏡頭保護(hù)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。成像模塊采用CCD相機(jī)，鏡頭保護(hù)模包括遮光裝置和外殼部分。第六章是計(jì)算說(shuō)明書(shū)，對(duì)主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析。第七章主要對(duì)本文設(shè)計(jì)的天空云層監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行總結(jié)和對(duì)該裝置的發(fā)展展望。第二章 總體方案設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)需求分析設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)要求：（1） 時(shí)間分辨率T：即相鄰兩次觀測(cè)的最小時(shí)間間隔。時(shí)間分辨率是超短期功率預(yù)測(cè)的重要參數(shù)

29、，本裝置需要較高的時(shí)間分辨率，取T=30s。（2） 跟蹤精度：即機(jī)械結(jié)構(gòu)的定位精度，由電機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)精度決定。本裝置采集到的圖像要為云軌跡算法提供原始數(shù)據(jù)，有較高的精度要求，取跟蹤精度。 （3） 成像模塊的視場(chǎng)角：即以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點(diǎn)，以被測(cè)目標(biāo)的物象可通過(guò)鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角。參考標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的視場(chǎng)角，取。（4） 圖像解析度：解析度過(guò)高，數(shù)據(jù)的處理速度會(huì)過(guò)慢；解析度過(guò)低，無(wú)法得到精確的云團(tuán)信息。參考TSI的圖像解析度，最低要求為352×288色彩，24Bit，JPEG格式。（5） 太陽(yáng)跟蹤角度范圍：太陽(yáng)跟蹤分為高度角跟蹤和方位角跟蹤，高度角跟蹤范圍為090

30、76;，方位角跟蹤范圍為0180°。（6） 速度響應(yīng)：即機(jī)械結(jié)構(gòu)的反應(yīng)時(shí)間，與控制系統(tǒng)有關(guān)，主要由步進(jìn)電機(jī)的頻率決定，但必須小于時(shí)間分辨率T。（7） 供電電壓：外部供電為AC220V，內(nèi)部根據(jù)供電需要采用相應(yīng)的電源適配器。（8） 尺寸與重量：最大尺寸不超過(guò)40×40×40(cm)，最大重量不超過(guò)15kg。2.2 總體設(shè)計(jì)思路根據(jù)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)計(jì)方法中的模塊化設(shè)計(jì)理念，將整機(jī)按功能用途分模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，即分為機(jī)械跟蹤模塊、成像模塊、鏡頭保護(hù)模塊和控制模塊。圖2.1 整機(jī)示意圖2.2 系統(tǒng)工作原理先通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)法獲得太陽(yáng)位置信息的參數(shù)，把參數(shù)輸入控制模塊中的單片機(jī)

31、，由單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使電機(jī)工作。再由電機(jī)帶動(dòng)二軸雙自由度的機(jī)械跟蹤模塊旋轉(zhuǎn)與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度角h和方位角A相對(duì)應(yīng)的角度，使成像模塊和遮光模塊對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，從而自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)現(xiàn)精確跟蹤定位后，成像模塊應(yīng)用可見(jiàn)光測(cè)云技術(shù)對(duì)一定范圍內(nèi)的天空?qǐng)D像進(jìn)行采集，獲得太陽(yáng)和云團(tuán)的位置信息，然后通過(guò)串口或者USB接口將圖像信息傳給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)首先通過(guò)圖像預(yù)處理模塊對(duì)采集到的圖像進(jìn)行去噪和偽彩處理20等預(yù)處理，然后通過(guò)閾值法13進(jìn)行云點(diǎn)識(shí)別，得到處理后的圖像。之后，算法程序?qū)?duì)處理后的圖像進(jìn)行分析，分別通過(guò)定位模型20、灰度法22、二值法22、云體簡(jiǎn)化與軌跡模擬23得到定位信息Po、厚度信息Th

32、、面積信息S和軌跡信息V。最后，將得到的信息信號(hào)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)光伏發(fā)電功率進(jìn)行超短期功率預(yù)測(cè)，得到功率預(yù)測(cè)信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期功率預(yù)測(cè)。以上過(guò)程的流程框圖如圖2.2所示。圖2.2 天空云層監(jiān)測(cè)裝置的流程框圖第三章 機(jī)械跟蹤模塊設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械跟蹤模塊的功能機(jī)械跟蹤模塊的功能是自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡。因?yàn)楸菊n題不同于普通的氣象云層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不是只需要取得云層的信息，而是需要同時(shí)獲得云層和太陽(yáng)的定位信息。為了獲得太陽(yáng)的定位信息，需要跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)特征，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)雙軸二自由度的機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)。所以這個(gè)機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)要有兩個(gè)自由度，即一個(gè)水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度方位

33、角自由度和一個(gè)豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度高度角自由度。由兩個(gè)電機(jī)來(lái)分別驅(qū)動(dòng)，調(diào)整相機(jī)的方向，使相機(jī)的主光軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。3.2 方案比較本文的機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)方案經(jīng)過(guò)多次修改，主要有以下四種方案：（1） 方案一：四連桿傳動(dòng)和電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)圖3.1 機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)（方案一）該方案模仿了雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用了四連桿進(jìn)行傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)新穎，擁有連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：連桿機(jī)構(gòu)為低副機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)副為面接觸，壓強(qiáng)小、承載能力大、耐沖擊；運(yùn)動(dòng)副元素的幾何形狀為圓柱面，便于加工制造；通過(guò)改變各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度可以使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；連桿曲線(xiàn)可以滿(mǎn)足不同運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)要求。但是四連桿機(jī)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)：本文中四連桿主要用于傳動(dòng)和定位，在定

34、位精度上，四連桿機(jī)構(gòu)收到加工精度和安裝精度的影響很大；存在死點(diǎn)等問(wèn)題。而且此方案的方位角機(jī)構(gòu)采用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸受到其上部結(jié)構(gòu)因傾覆力所產(chǎn)生的彎矩的影響，會(huì)對(duì)電機(jī)造成損傷并且降低了定位精度。（2） 方案二：蝸輪蝸桿和齒輪傳動(dòng)圖3.2 機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)（方案二）該方案對(duì)方案一進(jìn)行了改進(jìn)，采用了蝸輪蝸桿和齒輪傳動(dòng)。高度角機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，具有傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊和能自鎖等優(yōu)點(diǎn)，并且解決了四連桿在定位精度上的問(wèn)題。方位角機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)比精確，工作可靠和效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是在本裝置中，單級(jí)齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比不夠大，無(wú)法和高度角機(jī)構(gòu)中的蝸輪蝸桿傳動(dòng)同步（方位角機(jī)構(gòu)和高度角機(jī)構(gòu)的角速度

35、相等）。（3） 方案三：兩組蝸輪蝸桿傳動(dòng)圖3.3 機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)（方案三）該方案對(duì)方案二進(jìn)行了改進(jìn)，采用了兩組蝸輪蝸桿傳動(dòng)，解決了方案二中方位角機(jī)構(gòu)和高度角機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不同步的問(wèn)題。此方案在結(jié)構(gòu)上對(duì)以上幾個(gè)方案進(jìn)行了細(xì)化，并且采用標(biāo)準(zhǔn)件外球面軸承，以解決軸承的安裝問(wèn)題。但是因?yàn)楸狙b置結(jié)構(gòu)過(guò)小，最小型號(hào)的外球面軸承在結(jié)構(gòu)匹配上還是存在很多問(wèn)題。（4） 方案四：兩組蝸輪蝸桿傳動(dòng)圖3.4 機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)（方案四）該方案對(duì)以上三種方案進(jìn)行了綜合，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更具體的細(xì)化，最終采用兩組蝸輪蝸桿傳動(dòng)，并設(shè)計(jì)了一種滿(mǎn)足要求的軸承座，具體結(jié)構(gòu)在3.3中進(jìn)行論述。綜上所述，采用方案四，由兩組蝸輪蝸桿傳動(dòng)。3.3 二自

36、由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3.5所示為二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)總體示意圖，主要由底座支架、方位角跟蹤機(jī)構(gòu)、高度角跟蹤機(jī)構(gòu)和相機(jī)組成。方位角跟蹤機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，高度角跟蹤機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3.6所示。由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)高度角跟蹤機(jī)構(gòu)和方位角跟蹤機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)方案均采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)自鎖，又有較大的傳動(dòng)比，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的定位。圖3.5 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)總體示意圖注：1.底座支架 2.方位角跟蹤機(jī)構(gòu) 3.高度角跟蹤機(jī)構(gòu) 4.相機(jī)圖3.6 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖3.3.1 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方位角跟蹤機(jī)構(gòu)主要由3個(gè)底座基板、1個(gè)

37、步進(jìn)電機(jī)、l組蝸輪蝸桿、1個(gè)蝸輪軸、2個(gè)蝸桿支承座、1個(gè)電機(jī)支承座、2個(gè)軸承、2個(gè)軸承座、1個(gè)支撐法蘭、1個(gè)高度角基板以及1個(gè)螺母等組成，如圖3.7所示。3個(gè)底座基板通過(guò)螺栓連接，組成機(jī)架，固定不動(dòng)。蝸輪軸一端通過(guò)鍵、支承法蘭、平墊圈和螺母與高度角基板連接，可以驅(qū)動(dòng)高度角跟蹤機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的360°旋轉(zhuǎn)。方位角跟蹤機(jī)構(gòu)通過(guò)1組蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)相機(jī)在水平平面內(nèi)的方向調(diào)整。蝸桿一端與電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，另一端通過(guò)軸承與蝸桿支承座相連，蝸桿支承座固定安裝在底座基板上。蝸輪通過(guò)鍵安裝在蝸輪軸上，并用圓螺母實(shí)現(xiàn)軸向固定與調(diào)節(jié)。蝸輪軸下端通過(guò)圓錐滾子軸承和軸承座安裝在底座基板a上，承受上部

38、機(jī)構(gòu)的重力產(chǎn)生的軸向力和傾覆產(chǎn)生的徑向力；蝸輪軸上端通過(guò)深溝球軸承和軸承座安裝在底座基板c上，承受上部機(jī)構(gòu)的傾覆產(chǎn)生的徑向力。步進(jìn)電機(jī)則安裝在電機(jī)支承座上。詳細(xì)計(jì)算與校核見(jiàn)6.3與6.4.2。圖3.7 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖注：1.電機(jī)支承座 2.底座基板a 3.步進(jìn)電機(jī) 4.聯(lián)軸器 5.蝸桿 6.蝸桿支承座 7.底座基板b 8.高度角基板 9.平墊圈 10.螺母 11.支承法蘭 12.底座基板c 13.軸承座a 14.深溝球軸承 15.圓螺母 16.蝸輪 17. 蝸輪軸18.圓錐滾子軸承 19.軸承座b3.3.2 高度角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)高度角跟蹤機(jī)構(gòu)主要由1個(gè)步進(jìn)電機(jī)、l組蝸輪蝸桿、1個(gè)蝸輪

39、軸、2個(gè)蝸桿支承座、1個(gè)電機(jī)支承座、2個(gè)蝸輪支承座2個(gè)圓螺母、以及4個(gè)軸承等組成，如圖3.8所示。高度角跟蹤機(jī)構(gòu)通過(guò)支撐法蘭安裝在方位角跟蹤機(jī)構(gòu)上，并由方位角跟蹤機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的360°旋轉(zhuǎn)。高度角跟蹤機(jī)構(gòu)通過(guò)1組蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)相機(jī)在豎直平面內(nèi)的傾角調(diào)整。蝸桿一端與電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器連接，另一端通過(guò)軸承與蝸桿支承座相連，蝸桿支承座固定安裝在高度角基板上。蝸輪通過(guò)鍵安裝在蝸輪軸上，蝸輪軸兩端通過(guò)軸承連接到蝸輪支承座上，蝸輪支承座同樣固定安裝在高度角基板上。步進(jìn)電機(jī)則安裝在電機(jī)支承座上。另外，在蝸輪軸上，蝸輪兩側(cè)安裝有兩個(gè)相機(jī)支撐架，這兩個(gè)支撐架與蝸輪相對(duì)靜止，通過(guò)兩側(cè)的圓螺母

40、固定在蝸輪兩側(cè)。詳細(xì)計(jì)算與校核見(jiàn)6.2與6.4.1。圖3.8 高度角跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖注：1.電機(jī)支承座 2.步進(jìn)電機(jī) 3.聯(lián)軸器 4.蝸桿支承座 5.蝸桿 6.蝸輪 7.蝸輪支承座 8.相機(jī) 9.相機(jī)支架 10.套筒 11.圓螺母 12.蝸輪軸 13.軸承蝸輪 14.軸承蝸桿 15.高度角基板3.3.3 相關(guān)零件的選用與設(shè)計(jì)（1） 垂直軸軸承的選用按軸承工作的摩擦性質(zhì)不同可分為滑動(dòng)摩擦軸承和滾動(dòng)摩擦軸承兩大類(lèi)。滾動(dòng)軸承中按軸承用于承受的外載荷不同分類(lèi)，可以分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類(lèi)。軸承所受的載荷大小、方向和性質(zhì)是選擇軸承類(lèi)型的主要依據(jù)。 本課題中垂直軸主要承受軸向載荷，同時(shí)

41、在工作中也要承受徑向載荷。根據(jù)它在工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的綜合情況及受力情況，通過(guò)查滾動(dòng)軸承的性能特點(diǎn)，采用一個(gè)圓錐滾子軸承和一個(gè)深溝球軸承，代號(hào)分別為30302和6002。軸承的相關(guān)校核計(jì)算見(jiàn)6.4。（2） 動(dòng)力源的選取在機(jī)械傳動(dòng)中，大多采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。電動(dòng)機(jī)的使用和控制非常方便，能滿(mǎn)足各種運(yùn)行要求。電動(dòng)機(jī)的工作效率較高，又沒(méi)有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。 根據(jù)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤的方式，同時(shí)考慮跟蹤的需要，選擇合適的電動(dòng)機(jī)。實(shí)際跟蹤中，對(duì)太陽(yáng)的方位角和高度角的調(diào)整是需要一個(gè)很低的速度和較高的定位精度，可以選擇使用直流減速電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，其中直流減速電機(jī)還需要編碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)精確定位。 綜合考

42、慮速度控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)，本文選用步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線(xiàn)性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)校核計(jì)算見(jiàn)6.1與6.5。（3） 基板、支架和軸的材料選擇由于本裝置所受載荷較小，選用鋼材已不再合適。綜合考慮強(qiáng)度高、密度低的材料，可以選用鋁合金材料。查閱鋁合金的資料，選用牌號(hào)為4A01的鋁合金。相關(guān)零件的加工

43、可以選取對(duì)應(yīng)尺寸的鋁板、鋁棒和角鋁。第4章 跟蹤算法設(shè)計(jì)4.1 跟蹤方式確定太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤的方法主要有光電跟蹤和太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤兩種24。（1） 光電跟蹤光電跟蹤通過(guò)使用光敏二極管、光敏電阻、硅光電池等光敏元件，來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)方向，并控制跟蹤裝置追蹤太陽(yáng)的運(yùn)行?？梢?jiàn)，該跟蹤方式是一種基于閉環(huán)控制的跟蹤方法。國(guó)內(nèi)常用的光電跟蹤機(jī)械裝置形式，主要有電動(dòng)式和電磁式。在安裝使用過(guò)程中，通常將光敏元件安裝在遮光擋板的旁邊，并調(diào)整擋板的位置，使太陽(yáng)垂直入射時(shí)，光敏元件的光敏面全部處于陰影區(qū)域。當(dāng)太陽(yáng)方位發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件因受到陽(yáng)光的照射，將產(chǎn)生并輸出與光照強(qiáng)度和光照面積成正比的

44、光電流。該光電流經(jīng)運(yùn)放轉(zhuǎn)換放大后，作為偏差信號(hào)，用來(lái)控制跟蹤機(jī)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整，使太陽(yáng)能電池板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)垂直照射的方向。由于光電跟蹤采用閉環(huán)控制形式，其跟蹤靈敏度比較高。但本文中的裝置不僅要跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，還要預(yù)測(cè)云層對(duì)太陽(yáng)的遮擋。如果采用光電跟蹤，云層對(duì)太陽(yáng)光產(chǎn)生遮擋時(shí)，跟蹤精度將大大降低，此時(shí)無(wú)法得到有效的圖像信息，以致于無(wú)法預(yù)測(cè)云層何時(shí)不再遮擋太陽(yáng)光。所以不能采用光電跟蹤。（2） 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤通過(guò)使用天文學(xué)公式，計(jì)算出太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡的理論值來(lái)控制跟蹤裝置進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤。該跟蹤方式是一種基于開(kāi)環(huán)控制的跟蹤方法。根據(jù)跟蹤系統(tǒng)使用的軸數(shù)，該跟蹤方法可分為一維跟蹤和二維跟蹤兩種。本裝

45、置需要采用二維跟蹤。二維跟蹤又稱(chēng)為全跟蹤，能夠在兩個(gè)相互垂直的方向上跟蹤太陽(yáng)。該跟蹤方式根據(jù)坐標(biāo)系的不同，又可以分為極軸式和高度角方位角式全跟蹤。極軸式全跟蹤：豎直旋轉(zhuǎn)軸與天球北極（即地軸）平行，另一軸與天球北極垂直，即赤緯軸。跟蹤控制器工作時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)繞極軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)設(shè)定不同的角速度，但跟蹤方向相反。由于赤緯角隨季節(jié)變化，應(yīng)定期調(diào)整相機(jī)主光軸使其圍繞赤緯軸俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。極軸式跟蹤方式原理上相對(duì)簡(jiǎn)單，但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不能通過(guò)極軸軸線(xiàn)，在設(shè)計(jì)極軸支承裝置相對(duì)困難25。高度角方位角式全跟蹤：此種方法又稱(chēng)地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤。跟蹤機(jī)構(gòu)的方位軸垂直于地平面，俯仰軸與方位軸垂直。跟蹤系統(tǒng)工作時(shí)

46、，此種跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤精度高，而且跟蹤裝置的重量與垂直軸平行，設(shè)計(jì)支承結(jié)構(gòu)就相對(duì)容易。綜上所述，本裝置采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤中的高度角方位角式全跟蹤。4.2 設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)及定義本文主要涉及到太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算，首先了解其中一些重要參數(shù)的含義和表達(dá)式2627。圖4.1 各重要參數(shù)和定義的示意圖（1） 地平坐標(biāo)系：以跟蹤裝置所在地為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系。（2） 時(shí)角坐標(biāo)系：以地心為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系。（3） 太陽(yáng)高度角：指從太陽(yáng)中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€(xiàn)與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角，其值在到之間變化，日出日落時(shí)為，太陽(yáng)在正天頂時(shí)為。（4） 太陽(yáng)方位角：指太陽(yáng)光線(xiàn)在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€(xiàn)的夾角，可近似看作是豎

47、立在地面上的直線(xiàn)在陽(yáng)光下的陰影與正南方的夾角。方位角以正南方向?yàn)榱?，由南向東為負(fù)，由南向西為正，如太陽(yáng)在正東，方位角為，在正西時(shí)方位角為。（5） 太陽(yáng)赤緯角：即日地中心的連線(xiàn)與赤道面間的夾角，每天都在變，在春分和秋分時(shí)刻等于零，在夏至和冬至?xí)r刻分別為。（6） 時(shí)角：地面上任意一點(diǎn)與地心之間的連線(xiàn)在赤道面上的投影與當(dāng)?shù)卣鐣r(shí)的日地中心連線(xiàn)在赤道面上投影之間的夾角。（7） 緯度角：是指某點(diǎn)與地球球心的連線(xiàn)和地球赤道面所成的線(xiàn)面角，其數(shù)值在0至90度之間。（8） 太陽(yáng)入射角：相機(jī)主光軸與太陽(yáng)入射光的夾角。（9） 積日n：即日期在年內(nèi)的順序號(hào)，如1月1日取為1，12月31日取為365，閏年則為366。

48、（10） 真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)：由于太陽(yáng)在黃道上的運(yùn)動(dòng)速度并不均勻，而是時(shí)快時(shí)慢。因此，真太陽(yáng)日的長(zhǎng)短也就各不相同，但人們?cè)趯?shí)際生活需要一種均勻不變的時(shí)間單位，這就需要一個(gè)假想的太陽(yáng)。假定它以勻速運(yùn)行，這個(gè)假想的太陽(yáng)就稱(chēng)為平太陽(yáng)，其周日的持續(xù)時(shí)間稱(chēng)為平太陽(yáng)日，相應(yīng)的小時(shí)稱(chēng)為平太陽(yáng)時(shí)（又稱(chēng)地方時(shí)）。由于平太陽(yáng)時(shí)是假想的，無(wú)法實(shí)際觀測(cè)，但可間接從真太陽(yáng)時(shí)求得。反之，也可由平太陽(yáng)時(shí)求出真太陽(yáng)時(shí)，兩者之間存在的差值即為時(shí)差。4.3 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤設(shè)計(jì)跟蹤裝置的控制算法是根據(jù)天體的運(yùn)行規(guī)律計(jì)算出太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，使鏡頭主光軸正對(duì)太陽(yáng)。太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡即太陽(yáng)的視日運(yùn)動(dòng)軌跡。太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的傳統(tǒng)計(jì)

49、算方法是通過(guò)計(jì)算球面三角幾何得到的。但是該算法的計(jì)算要運(yùn)用立體幾何等方法，相對(duì)比較復(fù)雜，直觀上不能反映出太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。所以本文采用矢量方法，分別建立太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡的時(shí)角坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，通過(guò)跟蹤控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的坐標(biāo)系，對(duì)這些坐標(biāo)系的變換來(lái)建立跟蹤裝置的運(yùn)動(dòng)方程25。圖4.2 太陽(yáng)位置幾何計(jì)算模型圖4.2為太陽(yáng)位置計(jì)算幾何模型，圖中XYZ-O為以跟蹤裝置所在地為原點(diǎn)建立的地平坐標(biāo)系，分別表示指向正上方(天頂Z方向)、正南方(X方向)、正東方(Y方向)的單位矢量，以單位矢量表示照射到跟蹤裝置所在地的光線(xiàn)。因此，根據(jù)圖4.2所示，可以得到為：= (4.1)其中：表示太陽(yáng)高度角；表

50、示太陽(yáng)方位角，通常以正南方向?yàn)?，向西為正，向東為負(fù)。由公式4.1可以看出，在地平坐標(biāo)系中，用太陽(yáng)高度角和方位角就可以確定太陽(yáng)在天球中的位置。圖中為以地心為原點(diǎn)建立的時(shí)角坐標(biāo)系，z軸指向地球軸北極，x軸為自地心指向跟蹤裝置所在地經(jīng)線(xiàn)與赤道的交點(diǎn)，y軸在地球赤道平面內(nèi)并與x，z構(gòu)成右手坐標(biāo)系，為相應(yīng)方向的單位矢量。由天體物理學(xué)可知，單位矢量與赤道平面的夾角為太陽(yáng)赤緯角；在赤道平面內(nèi)的投影與x軸的夾角為時(shí)角，規(guī)定從北極看，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎鏁r(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)。因此，根據(jù)圖所示，在時(shí)角坐標(biāo)系中為：= (4.2)參照地平坐標(biāo)系和時(shí)角坐標(biāo)系，可將時(shí)角坐標(biāo)系變換至地平坐標(biāo)系，使其具有相同的原點(diǎn)。由于地球半徑和日地

51、距離相比，是非常小的，因此所引起的角度變換不會(huì)影響到實(shí)際計(jì)算。地平坐標(biāo)系和時(shí)角坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系如圖4.3所示：圖4.3 坐標(biāo)系變換關(guān)系由圖4.3中可以看出：與之間的夾角為跟蹤裝置所在地的緯度角，與重合，與的夾角為。因此，地平坐標(biāo)系與時(shí)角坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系可以以下公式表示： (4.3）由公式4.2和4.3可以得出： （4.4）由公式4.1和4.4可以得出： （4.5） （4.6）式4.5和4.6為太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角的計(jì)算公式。由于太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)坐標(biāo)系與太陽(yáng)位置的地平坐標(biāo)系重合，所以，若是相機(jī)主光軸能夠完全跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行的軌跡，即使太陽(yáng)入射角，就必須采用雙軸跟蹤裝置，并且是太陽(yáng)跟蹤裝置的水

52、平軸旋轉(zhuǎn)角與太陽(yáng)高度角運(yùn)行規(guī)律一致，使跟蹤裝置的垂直軸旋轉(zhuǎn)角與太陽(yáng)方位角運(yùn)行規(guī)律一致。因此，可得太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)水平軸、垂直軸旋轉(zhuǎn)角： （4.7） （4.8）由公式4.7和4.8可以看到，跟蹤裝置兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)角由跟蹤裝置安裝地理位置的緯度角、太陽(yáng)赤緯角和太陽(yáng)時(shí)角決定。根據(jù)Cooper方程，每天的太陽(yáng)赤緯角萬(wàn)可以由以下公式求得： （4.9）其中n為日期在年內(nèi)的序號(hào)，即積日。例如：1月1日，n=l；1月3日，n=3；以此類(lèi)推計(jì)算一年內(nèi)任意一天的積日。時(shí)角是一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的物理量，可以由當(dāng)?shù)氐恼嫣?yáng)時(shí)求得。由于太陽(yáng)在一年中的時(shí)角運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時(shí)間采用平均太陽(yáng)時(shí)（簡(jiǎn)稱(chēng)平太陽(yáng)時(shí)），即太陽(yáng)沿

53、著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率，真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)之差即稱(chēng)為時(shí)差E。如果在工程計(jì)算中采用平太陽(yáng)時(shí)，就會(huì)存在時(shí)差問(wèn)題。因此，必須采用真太陽(yáng)時(shí)，以達(dá)到實(shí)際計(jì)算中的精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽(yáng)時(shí)，可以根據(jù)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校正時(shí)差值，我國(guó)區(qū)域的時(shí)差E確定如下： （4.10）為當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)，單位為小時(shí)；t為當(dāng)?shù)仄教?yáng)時(shí)，即當(dāng)?shù)貢r(shí)間，單位為小時(shí)；為制定時(shí)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)度，對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，=120(北京時(shí)間經(jīng)度)；為跟蹤裝置安裝地的經(jīng)度，式中“±”號(hào)對(duì)東半球?yàn)檎?，西半球?yàn)樨?fù)。E表示時(shí)差，可由下式求出： （4.11）其中，n為積日。由于太陽(yáng)每小時(shí)經(jīng)過(guò)的經(jīng)度角為，并規(guī)定以太陽(yáng)正午時(shí)刻為零點(diǎn)，順時(shí)針?lè)较?下午)為正，逆時(shí)針?lè)?/p>

54、向（下午）為負(fù)。因此，由式4.10，4.11可由求得以當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)計(jì)算，所得出的時(shí)角： （4.12）將式4.9，4.12代入4.7，4.8，由此可以得到地平坐標(biāo)系下，太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的控制方程： （4.13） （4.14）為有效跟蹤太陽(yáng)的位置，除了要計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置外，還需要知道具體某天的日出時(shí)角和日落時(shí)角28。由于日出日落時(shí)，太陽(yáng)高度角。因此，由式4.5可計(jì)算出： （4.15）且根據(jù)時(shí)角(上午時(shí)，下午時(shí))，得到日出和日落時(shí)角的表達(dá)式為： （4.16） （4.17）計(jì)算出日出時(shí)角和日落時(shí)角后，由式4.12可得出日出時(shí)間和日落時(shí)間，即： （4.18） （4.19）4.4 算法流程圖4.4.1

55、 跟蹤主程序設(shè)計(jì)跟蹤系統(tǒng)主流程如圖4.4所示。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，首先判斷跟蹤機(jī)構(gòu)是否處于基準(zhǔn)位置，若偏離基準(zhǔn)位置，則驅(qū)動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)返回基準(zhǔn)位置?；鶞?zhǔn)位置指的是跟蹤機(jī)構(gòu)的正前方正對(duì)當(dāng)?shù)氐恼戏较颍刺?yáng)方位角為零的方向；且相機(jī)為水平放置，即對(duì)應(yīng)太陽(yáng)高度角為零的方向。然后獲取系統(tǒng)當(dāng)前的日期、時(shí)間信息，以及系統(tǒng)所在地的經(jīng)度和緯度值，計(jì)算出當(dāng)天的日出和日落時(shí)間，并判斷當(dāng)前時(shí)間是否為日出后、日落前。若不滿(mǎn)足條件，則系統(tǒng)待機(jī)延時(shí)一段時(shí)間；反之，由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)自起始位置，使得跟蹤系統(tǒng)正常運(yùn)行。起始位置指的是跟蹤機(jī)構(gòu)第一次跟蹤應(yīng)該轉(zhuǎn)到的位置，由開(kāi)始跟蹤時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角的理論值確定。若高度角和方位角分別為 和，根據(jù)跟蹤機(jī)構(gòu)所在的基準(zhǔn)位置就可以確定轉(zhuǎn)動(dòng)到起始位置的驅(qū)動(dòng)角度，即跟蹤機(jī)構(gòu)在水平面上向東旋轉(zhuǎn)（上午，為負(fù)值）或向西旋轉(zhuǎn)（下午，為正值）；在垂直方向上，向上旋轉(zhuǎn)，這樣跟蹤機(jī)構(gòu)就轉(zhuǎn)至起始位置了。跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)自起始位置后，系統(tǒng)才進(jìn)入跟蹤循環(huán)。循環(huán)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)對(duì)通過(guò)相機(jī)采樣到的圖像進(jìn)行分析處理，并判斷出當(dāng)前的天氣狀況。然后，分陰雨和晴朗或多云兩種情況，當(dāng)為晴朗或多云時(shí)，調(diào)用太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤子程序；當(dāng)陰雨天時(shí)直接跳過(guò)跟蹤子程序，不進(jìn)行跟蹤，直到天氣