【正文】 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 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)了一種天空云層監(jiān)測(cè)裝置，解決了這一問題。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)來驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)太陽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。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)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 shortterm power prediction, can provide necessary data for the electric power network, users connected to the PV power generation system, electric equipment, etc. In this paper, we design an equipment, which can realtime monitor and forecast the clouds having an influence on the PV power generation. The existing sky imager cannot be used in shortterm power forecasting. In this paper, we design a sky cloud 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 twodegree of freedom mechanical tracking module, imaging module and lens protection module. The control system 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 structure 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 angle 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 realtime monitor of the clouds and provide supporting data for super shortterm power prediction.Keywords：photovoltaic power prediction, the sky imager, the cloud monitoring37目錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 3 研究背景、目的和意義 3 研究背景 3 研究的目的和意義 4 研究現(xiàn)狀分析 4 本文主要研究?jī)?nèi)容 5 機(jī)械系統(tǒng)部分 6 控制系統(tǒng)部分 6 本文結(jié)構(gòu) 6第二章 總體方案設(shè)計(jì) 7 設(shè)計(jì)需求分析 7 總體設(shè)計(jì)思路 7 系統(tǒng)工作原理 7第三章 機(jī)械跟蹤模塊設(shè)計(jì) 9 機(jī)械跟蹤模塊的功能 9 方案比較 9 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 12 高度角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 13 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) 15 跟蹤方式確定 15 設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)及定義 15 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤設(shè)計(jì) 17 算法流程圖 20 跟蹤主程序設(shè)計(jì) 20 太陽運(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) 23 成像模塊設(shè)計(jì) 23 鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計(jì) 23 遮光裝置設(shè)計(jì) 23 外殼部分 24第六章 計(jì)算說明書 25 傳動(dòng)比的確定及步進(jìn)電機(jī)的選?。ǎ?25 傳動(dòng)比的確定 25 步進(jìn)電機(jī)選型 25 高度角蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)（） 26 高度角蝸輪轉(zhuǎn)矩T2的計(jì)算： 26 高度角蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)過程 26 方位角蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)（） 28 方位角蝸輪轉(zhuǎn)矩T2的計(jì)算： 28 方位角蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)過程 29 軸設(shè)計(jì)及校核 30 高度角蝸輪軸設(shè)計(jì)（） 30 方位角蝸輪軸設(shè)計(jì)（） 30 步進(jìn)電機(jī)的校核（） 31 高度角步進(jìn)電機(jī)的校核 31 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 研究背景、目的和意義 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)平衡和人類的生活帶來了嚴(yán)重的威脅。近年來，世界各國競(jìng)相實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的能源政策。太陽能是人類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能開發(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，我國的光伏發(fā)電多處于獨(dú)立光伏發(fā)電階段，2011～2020年，中國太陽能發(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輻射功率、天氣因素以及太陽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)過程，具有很強(qiáng)的非線性[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)的安全和管理帶來一系列的問題[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30min~6 h，短期功率預(yù)測(cè)的時(shí)間尺度一般為1~2d[5]。類比于風(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)云層運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)未來幾小時(shí)內(nèi)的云層指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后通過云層指數(shù)與地面輻照強(qiáng)度的線性關(guān)系得到地面輻照強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值，再通過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)。 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)裝置無法實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期功率預(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，以充分利用太陽能資源，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 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