【正文】 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 班 級： 2009級 02 班 學(xué) 號： 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。本文設(shè)計了一種天空云層監(jiān)測裝置，解決了這一問題。本文設(shè)計的機械跟蹤模塊，具有兩個自由度，即水平方向轉(zhuǎn)動自由度和豎直方向轉(zhuǎn)動自由度。關(guān)鍵詞：光伏功率預(yù)測 天空成像儀 云層監(jiān)測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 本文主要研究內(nèi)容 5 機械系統(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 7 設(shè)計需求分析 7 總體設(shè)計思路 7 系統(tǒng)工作原理 7第三章 機械跟蹤模塊設(shè)計 9 機械跟蹤模塊的功能 9 方案比較 9 二自由度機械跟蹤機構(gòu)設(shè)計 11 方位角跟蹤機構(gòu)的結(jié)構(gòu) 12 高度角跟蹤機構(gòu)的結(jié)構(gòu) 13 相關(guān)零件的選用與設(shè)計 14第四章 跟蹤算法設(shè)計 15 跟蹤方式確定 15 設(shè)計中的重要參數(shù)及定義 15 視日運動軌跡跟蹤設(shè)計 17 算法流程圖 20 跟蹤主程序設(shè)計 20 太陽運動軌跡跟蹤子程序設(shè)計 21第五章 成像與鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計 23 成像模塊設(shè)計 23 鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計 23 遮光裝置設(shè)計 23 外殼部分 24第六章 計算說明書 25 傳動比的確定及步進(jìn)電機的選取（） 25 傳動比的確定 25 步進(jìn)電機選型 25 高度角蝸輪蝸桿設(shè)計（） 26 高度角蝸輪轉(zhuǎn)矩T2的計算： 26 高度角蝸輪蝸桿的設(shè)計過程 26 方位角蝸輪蝸桿設(shè)計（） 28 方位角蝸輪轉(zhuǎn)矩T2的計算： 28 方位角蝸輪蝸桿的設(shè)計過程 29 軸設(shè)計及校核 30 高度角蝸輪軸設(shè)計（） 30 方位角蝸輪軸設(shè)計（） 30 步進(jìn)電機的校核（） 31 高度角步進(jìn)電機的校核 31 方位角步進(jìn)電機的校核 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)電及其特點隨著社會經(jīng)濟的快速發(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。基于以上優(yōu)點，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在近幾年得到迅速發(fā)展。對光伏電站的輸出功率進(jìn)行預(yù)測有助于電力系統(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，及時調(diào)整調(diào)度計劃，合理安排電網(wǎng)運行方式。類比于風(fēng)力發(fā)電，短期預(yù)測的時間分辨率為15分鐘，超短期預(yù)測著重考慮云團的變化對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，15分鐘的時間分辨率無法顯示出這種波動，因此要進(jìn)行超短期預(yù)測。目前光伏發(fā)電功率預(yù)測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] 。 研究的目的和意義天空云層監(jiān)測裝置是超短期功率預(yù)測的重要一環(huán)，但現(xiàn)有的天空云層監(jiān)測裝置無法實現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期功率預(yù)測。對光伏發(fā)電進(jìn)行超短期功率預(yù)測有助于電力系統(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，及時調(diào)整調(diào)度計劃，合理安排電網(wǎng)運行方式。按工作平臺不同主要分為衛(wèi)星遙感和地基遙感兩種方式。因此，地基遙感測云儀器的研究一直受到關(guān)注。它將CCD相機安裝在頂部，向下對準(zhǔn)底部有加熱裝置的曲面鏡進(jìn)行全天空鏡像拍攝。TSI給出白天半球天空的連續(xù)圖像(視張角為160176。國內(nèi)方面，霍娟等研究開發(fā)了地基全天空可見光成像觀測系統(tǒng)[13]。（4） 雙（多）波段測云雙（多）波段測云法通過測量兩個或多個窄波段輻射值的方法來確定天空是否有云，從而確定云量。另外還包括光譜過濾器、帶加熱設(shè)備的磨砂玻璃罩等裝置。夜間則將測得的星場圖像與計算的星象圖作比較，確定哪些已知的明亮的星星被云遮蓋，從而識別云。此系統(tǒng)由5個單元模塊構(gòu)成，采用旋轉(zhuǎn)掃描的機械伺服單元，用非制冷紅外焦平面陣列(UIRFPA) 和掃描方式實現(xiàn)天空區(qū)域全天空紅外測云。它是一個無人值守的自動觀測網(wǎng)，其每個觀測站都配備了全天時云量監(jiān)視系統(tǒng)。 本文主要研究內(nèi)容本文所研究設(shè)計的天空云層監(jiān)測裝置，包括機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，其中機械系統(tǒng)是設(shè)計的主要部分。機械跟蹤模塊有兩個自由度，即一個水平方向轉(zhuǎn)動自由度——方位角自由度和一個豎直方向轉(zhuǎn)動自由度——高度角自由度。因此，本文不采用紅外測云技術(shù)，而采用基于可見光的測量技術(shù)，使用一個CCD相機來采集圖像。本文采用濾光片和遮光片進(jìn)行遮光。本文通過流程圖結(jié)合文字說明對跟蹤系統(tǒng)的控制方案和控制步驟進(jìn)行了詳細(xì)說明。確定以蝸輪蝸桿傳動的二自由度機械跟蹤機構(gòu)。第六章是計算說明書，對主要的設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的計算分析。（2） 跟蹤精度：即機械結(jié)構(gòu)的定位精度，由電機和機械結(jié)構(gòu)的傳動精度決定。（4） 圖像解析度：解析度過高，數(shù)據(jù)的處理速度會過慢；解析度過低，無法得到精確的云團信息。（6） 速度響應(yīng)：即機械結(jié)構(gòu)的反應(yīng)時間，與控制系統(tǒng)有關(guān)，主要由步進(jìn)電機的頻率決定，但必須小于時間分辨率T。 整機示意圖 系統(tǒng)工作原理先通過數(shù)據(jù)庫查詢法獲得太陽位置信息的參數(shù)，把參數(shù)輸入控制模塊中的單片機，由單片機控制電機驅(qū)動電路使電機工作。之后，算法程序?qū)μ幚砗蟮膱D像進(jìn)行分析，分別通過定位模型[20]、灰度法[22]、二值法[22]、云體簡化與軌跡模擬[23]得到定位信息Po、厚度信息Th、面積信息S和軌跡信息V。為了獲得太陽的定位信息，需要跟蹤太陽的運動軌跡。 方案比較本文的機械跟蹤機構(gòu)方案經(jīng)過多次修改，主要有以下四種方案：（1） 方案一：四連桿傳動和電機直接驅(qū)動 機械跟蹤機構(gòu)（方案一）該方案模仿了雷達(dá)的運動機構(gòu)，采用了四連桿進(jìn)行傳動，結(jié)構(gòu)新穎，擁有連桿機構(gòu)的優(yōu)點：連桿機構(gòu)為低副機構(gòu)，運動副為面接觸，壓強小、承載能力大、耐沖擊；運動副元素的幾何形狀為圓柱面，便于加工制造；通過改變各構(gòu)件的相對長度可以使從動件得到不同的運動規(guī)律；連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設(shè)計要求。高度角機構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動，具有傳動比大、結(jié)構(gòu)緊湊和能自鎖等優(yōu)點，并且解決了四連桿在定位精度上的問題。此方案在結(jié)構(gòu)上對以上幾個方案進(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題。 二自由度機械跟蹤機構(gòu)設(shè)計，主要由底座支架、方位角跟蹤機構(gòu)、高度角跟蹤機構(gòu)和相機組成。蝸輪蝸桿機構(gòu)既能實現(xiàn)自鎖，又有較大的傳動比，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的定位。旋轉(zhuǎn)。蝸輪軸下端通過圓錐滾子軸承和軸承座安裝在底座基板a上，承受上部機構(gòu)的重力產(chǎn)生的軸向力和傾覆產(chǎn)生的徑向力；蝸輪軸上端通過深溝球軸承和軸承座安裝在底座基板c上，承受上部機構(gòu)的傾覆產(chǎn)生的徑向力。高度角跟蹤機構(gòu)通過支撐法蘭安裝在方位角跟蹤機構(gòu)上，并由方位角跟蹤機構(gòu)驅(qū)動，可實現(xiàn)水平面內(nèi)的360176。蝸輪通過鍵安裝在蝸輪軸上，蝸輪軸兩端通過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。 高度角跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖注： ——蝸輪 ——蝸桿 相關(guān)零件的選用與設(shè)計（1） 垂直軸軸承的選用按軸承工作的摩擦性質(zhì)不同可分為滑動摩擦軸承和滾動摩擦軸承兩大類。根據(jù)它在工作過程中可能出現(xiàn)的綜合情況及受力情況，通過查滾動軸承的性能特點，采用一個圓錐滾子軸承和一個深溝球軸承，代號分別為30302和6002。 根據(jù)太陽能自動跟蹤的方式，同時考慮跟蹤的需要，選擇合適的電動機。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。查閱鋁合金的資料，選用牌號為4A01的鋁合金。可見，該跟蹤方式是一種基于閉環(huán)控制的跟蹤方法。該光電流經(jīng)運放轉(zhuǎn)換放大后，作為偏差信號，用來控制跟蹤機構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整，使太陽能電池板對準(zhǔn)太陽垂直照射的方向。所以不能采用光電跟蹤。本裝置需要采用二維跟蹤。跟蹤控制器工作時，整個機構(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。跟蹤機構(gòu)的方位軸垂直于地平面，俯