【正文】 仰軸與方位軸垂直。 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。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。（8） 太陽(yáng)入射角：相機(jī)主光軸與太陽(yáng)入射光的夾角。假定它以勻速運(yùn)行，這個(gè)假想的太陽(yáng)就稱為平太陽(yáng)，其周日的持續(xù)時(shí)間稱為平太陽(yáng)日，相應(yīng)的小時(shí)稱為平太陽(yáng)時(shí)（又稱地方時(shí)）。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)位置幾何計(jì)算模型，圖中XYZO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。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)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。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： (）： （）： （） （）、太陽(yáng)方位角的計(jì)算公式。例如：1月1日，n=l；1月3日，n=3；以此類推計(jì)算一年內(nèi)任意一天的積日。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。由于太陽(yáng)每小時(shí)經(jīng)過的經(jīng)度角為，并規(guī)定以太陽(yáng)正午時(shí)刻為零點(diǎn)，順時(shí)針方向(下午)為正，逆時(shí)針方向（下午）為負(fù)。系統(tǒng)開始工作時(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。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，由開始跟蹤時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角的理論值確定。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)直接跳過跟蹤子程序，不進(jìn)行跟蹤，直到天氣好轉(zhuǎn)后再繼續(xù)跟蹤。 跟蹤主程序流程圖 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤子程序設(shè)計(jì)依據(jù)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤算法編寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤程序， 所示。然后，根據(jù)兩個(gè)電機(jī)反饋的當(dāng)前位置信息，判斷跟蹤機(jī)構(gòu)是否處于基準(zhǔn)位置。故需要判斷太陽(yáng)高度角變化值的符號(hào)，以確定高度角電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。因此，本課題不必采用紅外測(cè)云技術(shù)，可以采用基于可見光的測(cè)量技術(shù)即可。 相機(jī)參數(shù)型號(hào)接口分辨率幀數(shù)傳感器類型A/D內(nèi)存G201GigE1624123414/30 fps1/ CCD14 位32 MB 鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計(jì)鏡頭保護(hù)模塊包括遮光裝置和外殼部分。WSI采用能東西方向滑動(dòng)的遮光盤，通過軟件控制在覆蓋視張角的轉(zhuǎn)動(dòng)軌道上自動(dòng)對(duì)太陽(yáng)和月亮進(jìn)行遮擋[24]。借鑒現(xiàn)有遮光裝置的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了兩種方案的遮光裝置。但是在具體設(shè)計(jì)時(shí)，從計(jì)算中發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)張角過小，造成遮光塊的大小無法匹配。當(dāng)遮光塊與鏡頭間的距離為100mm時(shí)，尺寸過小。所以我們可以將遮光裝置和相機(jī)鏡頭進(jìn)行整合。遮光片原理部分，因?yàn)樘?yáng)光線具有的張角，任何一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)所產(chǎn)生的太陽(yáng)像總是一個(gè)有限的尺寸，主要決定于光學(xué)系統(tǒng)本身的幾何形狀和尺寸。所以可以借鑒WSI和WSC，增加一個(gè)防護(hù)罩[6]。除了鏡頭，裝置中的機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制部分也需要外殼的保護(hù)。第六章 計(jì)算說明書 傳動(dòng)比的確定及步進(jìn)電機(jī)的選?。ǎ?傳動(dòng)比的確定在地平坐標(biāo)系中，太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角是隨著一年四季和當(dāng)?shù)氐木暥茸兓摹t相應(yīng)的定位精度為：步進(jìn)電機(jī)的固有步距角有，等，為了減小傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，取固有步距角為，則傳動(dòng)比i：查表112（以下計(jì)算中的查表數(shù)據(jù)均來自機(jī)械設(shè)計(jì)第八版[29]），修正傳動(dòng)比為： 步進(jìn)電機(jī)選型查步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，因?yàn)楸狙b置的載荷較小，所以取步距角為的57步進(jìn)電機(jī)的最小型號(hào)57BYG350BL（）。綜上所述，可以得到下表： 機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比以及步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)方位角高度角傳動(dòng)比i4962步進(jìn)電機(jī)型號(hào)步距角（176。m）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（g選擇材料 由于蝸桿傳動(dòng)功率較小，速度較小，故蝸桿用 45鋼；因需要效率高，耐磨性較高，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45~55HRC。mm。應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù) 則 （6）計(jì)算中心距查表11—2，由于中心距最小為40mm，所以取a=40mm，m=1mm，蝸桿分度圓直徑d1=18mm。螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力 從表11—8中查的由ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力。10N/kg=，=，22mm247。因此，T2=2= 蝸桿蝸輪的主要參數(shù)和幾何尺寸 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)（mm）蝸桿參數(shù)蝸輪參數(shù)軸向齒距Pa=分度圓d2=60直徑系數(shù)q=16齒頂圓da2=齒頂圓da1=齒根圓df2=齒根圓df1=17外圓直徑de2=65導(dǎo)程角γ=3176。 軸設(shè)計(jì)及校核 高度角蝸輪軸設(shè)計(jì)（） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)蝸輪輪轂的內(nèi)徑16mm，可依次確定圓螺母的螺紋軸段為M14的螺紋，深溝球軸承軸段的軸徑為10mm。 方位角蝸輪軸設(shè)計(jì)（） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)蝸輪輪轂的內(nèi)徑22mm，可依次確定圓螺母的螺紋軸段為M20的螺紋，深溝球軸承軸段的軸徑為15mm，圓錐滾子軸承軸段的軸徑為15mm。 步進(jìn)電機(jī)的校核（） 高度角步進(jìn)電機(jī)的校核轉(zhuǎn)矩校核已知：=235N 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校核已知：蝸桿、蝸輪、相機(jī)支架、21g、200g，、3cm、6cm。cmJ2=171g則，電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：所以，所選電機(jī)符合轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要求。電機(jī)軸受到的轉(zhuǎn)矩等于蝸桿受到的轉(zhuǎn)矩：所以，所選電機(jī)符合轉(zhuǎn)矩要求。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式可得，高度角基板、高度角步進(jìn)電機(jī)、軸承座支架、相機(jī)、方位角蝸輪和高度角蝸輪對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為J1=17914gcmJ5=8205g第七章 總結(jié)與展望光伏發(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)。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。(1) 在設(shè)計(jì)的后期階段對(duì)步進(jìn)電機(jī)有了更深的了解后，發(fā)現(xiàn)可以選用配有更高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器的步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或者選用帶有行星齒輪減速器的步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸。雖然本人對(duì)此做了一點(diǎn)研究，但很希望有更多的人參與太陽(yáng)能利用的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)出滿足各種環(huán)境，滿足不同要求的天空云層監(jiān)測(cè)裝置，來實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用的大面積推廣。本論文就是在鮑老師的悉心指導(dǎo)下完成的，鮑老師對(duì)論文的選題、方案的選取和改進(jìn)都給了精心的指導(dǎo)，并在論文的完成過程中，予以最大的支持和幫助。最后，我深深地感謝我的家人，他們給了我不斷前進(jìn)的勇氣和克服困難的信心，你們永遠(yuǎn)是支撐我前進(jìn)的最大動(dòng)力。還要感謝小組全體成員，有困難時(shí)相互討論和幫助?；貞浧鹚哪陙淼拇髮W(xué)生活，一切歷歷在目，忙碌而充實(shí)，這四年的生活時(shí)光必將影響我的一生。(2) 可以對(duì)控制部分繼續(xù)完善，包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本文采用模塊化設(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，然后分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。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，解決了這一問題。cm2。cmJ3=1150g步進(jìn)電機(jī)的許用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為[Je]=100gmm，步進(jìn)電機(jī)的許用轉(zhuǎn)矩為[T1]=cmJ4=7200gcm2。m。軸承的選擇計(jì)算根據(jù)蝸輪輪轂的內(nèi)徑，深溝球軸承軸段的軸徑為15mm，所以選擇深溝球軸承6002；圓錐滾子軸承軸段的軸徑為15mm，所以選擇圓錐滾子軸承30302。 軸承的選擇計(jì)算根據(jù)蝸輪輪轂的內(nèi)徑，確定軸承軸段的軸徑為10mm，所以選擇深溝球軸承61800。螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力 從表11—8中查的由ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力。 方位角蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)過程，所以可以直接取最小中心距a=40mm。mm。 方位角蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)（） 方位角蝸輪轉(zhuǎn)矩T2的計(jì)算： 方位角機(jī)構(gòu)三維模型圖 方位角機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖方位角機(jī)構(gòu)所受的轉(zhuǎn)矩主要來自圓錐滾子軸承和深溝球軸承產(chǎn)生的摩擦。 蝸桿蝸輪的主要參數(shù)和幾何尺寸 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)（mm）蝸桿參數(shù)蝸輪參數(shù)軸向齒距Pa=分度圓d2=62直徑系數(shù)q=18齒頂圓da2=64齒頂圓da1=20齒根圓df2=齒根圓df1=外圓直徑de2=66導(dǎo)程角γ=3176。（4） 確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值，從圖11—18中可查得。 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)根據(jù)開式蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，設(shè)計(jì)公式為： 247。由于相機(jī)重心未知，取與總尺寸相同的長(zhǎng)方體的幾何中心為相機(jī)重心。28BYG250C176。查表112，修正高度角傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。豎直旋轉(zhuǎn)軸的角速度即太陽(yáng)方位角的變化速率： 水平旋轉(zhuǎn)軸的角速度即太陽(yáng)高度角的變化速率： 從和可以看出豎直旋轉(zhuǎn)軸和水平旋轉(zhuǎn)軸的角速度相等。并制作了一個(gè)底座，用于裝置與地面的連接，該底座由槽鋼焊接而成。這樣既能保護(hù)鏡頭，又不影響透光效果。綜上所述，采用方案二：加裝濾光片，或者定做一個(gè)遮光片。我們?cè)阽R頭前加裝濾光片，或者定做一個(gè)遮光片。但是這樣會(huì)增加裝置的總體尺寸，所以不合理。所以對(duì)地球上的任意一點(diǎn)，入射的太陽(yáng)光之間具有一個(gè)很小的夾角，通常稱之為太陽(yáng)張角。此方案是借鑒了現(xiàn)有天空成像儀的經(jīng)驗(yàn)，并將單獨(dú)的遮光塊運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)整合到了二自由度的跟蹤機(jī)構(gòu)中，同時(shí)使用凸面鏡采集圖像還能增大相機(jī)的視角。ASI采用的遮光方式與改進(jìn)后的WSI的遮光方式較為類似，但采用的是類似機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，可根據(jù)太陽(yáng)位置的變化自動(dòng)屈伸支撐臂以遮擋陽(yáng)光[25]。除此之外，本課題需要對(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，所以還需要設(shè)置一個(gè)對(duì)太陽(yáng)的遮光裝置。采用基于可見光的測(cè)量技術(shù)，我們可以使用一個(gè)CCD（或者CMOS）相機(jī)來采集圖像，并采用一個(gè)適當(dāng)增大視張角的光路系統(tǒng)即可。因此，有必要把這兩種情況下的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式加以區(qū)分。 從流程圖中可以看出，普通的軌跡跟蹤和跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)至起始位置的跟蹤是不一樣的。其中，高度角電機(jī)帶動(dòng)相機(jī)做俯仰運(yùn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)高度角的變化，向上轉(zhuǎn)為正；方位角電機(jī)帶動(dòng)相機(jī)做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)方位角的變化，向西轉(zhuǎn)為正。其中，延時(shí)時(shí)間的范圍為0 ~ 10min，可以根據(jù)用戶的要求來設(shè)定。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)。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。由于日出日落時(shí)，太陽(yáng)高度角?！碧?hào)對(duì)東半球?yàn)檎?，西半球?yàn)樨?fù)。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)稱平太陽(yáng)時(shí)），即太陽(yáng)沿著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率，真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)之差即稱為時(shí)差E。因此，可得太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)水平軸、垂直軸旋轉(zhuǎn)角： （） （），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。由于地球半徑和日地距離相比，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。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。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。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。（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。（6） 時(shí)角：地面上任意一點(diǎn)與地心之間的連線在赤道面上的投影與當(dāng)?shù)卣鐣r(shí)的日地中心連線在赤道面上投影之間的夾角。（3） 太陽(yáng)高度角：指從太陽(yáng)中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€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。綜上所述，本裝置采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤中的高度角—