【正文】 仰軸與方位軸垂直。 各重要參數和定義的示意圖（1） 地平坐標系：以跟蹤裝置所在地為原點建立的坐標系。方位角以正南方向為零，由南向東為負，由南向西為正，如太陽在正東，方位角為，在正西時方位角為。（8） 太陽入射角：相機主光軸與太陽入射光的夾角。假定它以勻速運行，這個假想的太陽就稱為平太陽，其周日的持續(xù)時間稱為平太陽日，相應的小時稱為平太陽時（又稱地方時）。太陽的運行軌跡即太陽的視日運動軌跡。 太陽位置幾何計算模型，圖中XYZO為以跟蹤裝置所在地為原點建立的地平坐標系，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。由天體物理學可知，單位矢量與赤道平面的夾角為太陽赤緯角；在赤道平面內的投影與x軸的夾角為時角，規(guī)定從北極看，順時針方向為正，逆時針方向為負。因此，地平坐標系與時角坐標系之間的變換關系可以以下公式表示： (）： （）： （） （）、太陽方位角的計算公式。例如：1月1日，n=l；1月3日，n=3；以此類推計算一年內任意一天的積日。因此，必須采用真太陽時，以達到實際計算中的精度要求。由于太陽每小時經過的經度角為，并規(guī)定以太陽正午時刻為零點，順時針方向(下午)為正，逆時針方向（下午）為負。系統(tǒng)開始工作時，首先判斷跟蹤機構是否處于基準位置，若偏離基準位置，則驅動跟蹤機構返回基準位置。起始位置指的是跟蹤機構第一次跟蹤應該轉到的位置，由開始跟蹤時的太陽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，當為晴朗或多云時，調用太陽運動軌跡跟蹤子程序；當陰雨天時直接跳過跟蹤子程序，不進行跟蹤，直到天氣好轉后再繼續(xù)跟蹤。 跟蹤主程序流程圖 太陽運動軌跡跟蹤子程序設計依據太陽運動軌跡跟蹤算法編寫相應的運動軌跡跟蹤程序， 所示。然后，根據兩個電機反饋的當前位置信息，判斷跟蹤機構是否處于基準位置。故需要判斷太陽高度角變化值的符號，以確定高度角電機的旋轉方向。因此，本課題不必采用紅外測云技術，可以采用基于可見光的測量技術即可。 相機參數型號接口分辨率幀數傳感器類型A/D內存G201GigE1624123414/30 fps1/ CCD14 位32 MB 鏡頭保護模塊設計鏡頭保護模塊包括遮光裝置和外殼部分。WSI采用能東西方向滑動的遮光盤，通過軟件控制在覆蓋視張角的轉動軌道上自動對太陽和月亮進行遮擋[24]。借鑒現有遮光裝置的設計經驗，設計了兩種方案的遮光裝置。但是在具體設計時，從計算中發(fā)現太陽張角過小，造成遮光塊的大小無法匹配。當遮光塊與鏡頭間的距離為100mm時，尺寸過小。所以我們可以將遮光裝置和相機鏡頭進行整合。遮光片原理部分，因為太陽光線具有的張角，任何一個光學系統(tǒng)所產生的太陽像總是一個有限的尺寸，主要決定于光學系統(tǒng)本身的幾何形狀和尺寸。所以可以借鑒WSI和WSC，增加一個防護罩[6]。除了鏡頭，裝置中的機械機構和控制部分也需要外殼的保護。第六章 計算說明書 傳動比的確定及步進電機的選?。ǎ?傳動比的確定在地平坐標系中，太陽高度角和太陽方位角是隨著一年四季和當地的緯度變化的。則相應的定位精度為：步進電機的固有步距角有，等，為了減小傳動機構的傳動比，取固有步距角為，則傳動比i：查表112（以下計算中的查表數據均來自機械設計第八版[29]），修正傳動比為： 步進電機選型查步進電機型號，因為本裝置的載荷較小，所以取步距角為的57步進電機的最小型號57BYG350BL（）。綜上所述，可以得到下表： 機構的傳動比以及步進電機和驅動器的參數方位角高度角傳動比i4962步進電機型號步距角（176。m）轉動慣量（g選擇材料 由于蝸桿傳動功率較小，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。應力循環(huán)次數 壽命系數 則 （6）計算中心距查表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 許用彎曲應力 從表11—8中查的由ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應力。10N/kg=，=，22mm247。因此，T2=2= 蝸桿蝸輪的主要參數和幾何尺寸 蝸桿與蝸輪的主要參數（mm）蝸桿參數蝸輪參數軸向齒距Pa=分度圓d2=60直徑系數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導程角γ=3176。 軸設計及校核 高度角蝸輪軸設計（） 軸的結構設計根據蝸輪輪轂的內徑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。 方位角蝸輪軸設計（） 軸的結構設計根據蝸輪輪轂的內徑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。 步進電機的校核（） 高度角步進電機的校核轉矩校核已知：=235N 轉動慣量校核已知：蝸桿、蝸輪、相機支架、21g、200g，、3cm、6cm。cmJ2=171g則，電機軸的等效轉動慣量為：所以，所選電機符合轉動慣量要求。電機軸受到的轉矩等于蝸桿受到的轉矩：所以，所選電機符合轉矩要求。根據轉動慣量計算公式可得，高度角基板、高度角步進電機、軸承座支架、相機、方位角蝸輪和高度角蝸輪對應的轉動慣量分別為J1=17914gcmJ5=8205g第七章 總結與展望光伏發(fā)電的功率預測，尤其是超短期的功率預測能夠給與光伏發(fā)電系統(tǒng)相連的電力網絡、用戶和用電設備等，提供必不可少的數據。機械系統(tǒng)主要包括一個雙軸二自由度的機械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護模塊。(1) 在設計的后期階段對步進電機有了更深的了解后，發(fā)現可以選用配有更高細分數的驅動器的步進電機直接驅動或者選用帶有行星齒輪減速器的步進電機直接驅動旋轉軸。雖然本人對此做了一點研究，但很希望有更多的人參與太陽能利用的項目，設計出滿足各種環(huán)境，滿足不同要求的天空云層監(jiān)測裝置，來實現太陽能利用的大面積推廣。本論文就是在鮑老師的悉心指導下完成的，鮑老師對論文的選題、方案的選取和改進都給了精心的指導，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的勇氣和克服困難的信心，你們永遠是支撐我前進的最大動力。還要感謝小組全體成員，有困難時相互討論和幫助?；貞浧鹚哪陙淼拇髮W生活，一切歷歷在目，忙碌而充實，這四年的生活時光必將影響我的一生。(2) 可以對控制部分繼續(xù)完善，包括系統(tǒng)硬件設計和軟件設計。本文采用模塊化設計理念，將整機按功能用途分模塊進行模塊化設計，即分為機械跟蹤模塊、成像模塊、鏡頭保護模塊和控制模塊，然后分別對各個模塊進行設計。本文主要設計一種能實時監(jiān)測和預估對光伏發(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步進電機的許用轉動慣量為[Je]=100gmm，步進電機的許用轉矩為[T1]=cmJ4=7200gcm2。m。軸承的選擇計算根據蝸輪輪轂的內徑，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。 軸承的選擇計算根據蝸輪輪轂的內徑，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 許用彎曲應力 從表11—8中查的由ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應力。 方位角蝸輪蝸桿的設計過程，所以可以直接取最小中心距a=40mm。mm。 方位角蝸輪蝸桿設計（） 方位角蝸輪轉矩T2的計算： 方位角機構三維模型圖 方位角機構運動簡圖方位角機構所受的轉矩主要來自圓錐滾子軸承和深溝球軸承產生的摩擦。 蝸桿蝸輪的主要參數和幾何尺寸 蝸桿與蝸輪的主要參數（mm）蝸桿參數蝸輪參數軸向齒距Pa=分度圓d2=62直徑系數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導程角γ=3176。（4） 確定接觸系數先假設蝸桿分度圓直徑和傳動中心距a的比值，從圖11—18中可查得。 按齒面接觸疲勞強度進行設計根據開式蝸桿傳動設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度，設計公式為： 247。由于相機重心未知，取與總尺寸相同的長方體的幾何中心為相機重心。28BYG250C176。查表112，修正高度角傳動機構的傳動比。豎直旋轉軸的角速度即太陽方位角的變化速率： 水平旋轉軸的角速度即太陽高度角的變化速率： 從和可以看出豎直旋轉軸和水平旋轉軸的角速度相等。并制作了一個底座，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，或者定做一個遮光片。我們在鏡頭前加裝濾光片，或者定做一個遮光片。但是這樣會增加裝置的總體尺寸，所以不合理。所以對地球上的任意一點，入射的太陽光之間具有一個很小的夾角，通常稱之為太陽張角。此方案是借鑒了現有天空成像儀的經驗，并將單獨的遮光塊運動機構整合到了二自由度的跟蹤機構中，同時使用凸面鏡采集圖像還能增大相機的視角。ASI采用的遮光方式與改進后的WSI的遮光方式較為類似，但采用的是類似機械手轉動裝置，可根據太陽位置的變化自動屈伸支撐臂以遮擋陽光[25]。除此之外，本課題需要對太陽進行長時間的監(jiān)測，此時鏡頭長時間暴露在高強度光照下，容易出現損壞，所以還需要設置一個對太陽的遮光裝置。采用基于可見光的測量技術，我們可以使用一個CCD（或者CMOS）相機來采集圖像，并采用一個適當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驅動方式加以區(qū)分。 從流程圖中可以看出，普通的軌跡跟蹤和跟蹤機構轉至起始位置的跟蹤是不一樣的。其中，高度角電機帶動相機做俯仰運動，以跟蹤太陽高度角的變化，向上轉為正；方位角電機帶動相機做水平旋轉運動，以跟蹤太陽方位角的變化，向西轉為正。其中，延時時間的范圍為0 ~ 10min，可以根據用戶的要求來設定。跟蹤機構轉自起始位置后，系統(tǒng)才進入跟蹤循環(huán)。然后獲取系統(tǒng)當前的日期、時間信息，以及系統(tǒng)所在地的經度和緯度值，計算出當天的日出和日落時間，并判斷當前時間是否為日出后、日落前。由于日出日落時，太陽高度角。”號對東半球為正，西半球為負。由于太陽在一年中的時角運動很復雜，日常生活中的鐘表時間采用平均太陽時（簡稱平太陽時），即太陽沿著周年運動的平均速率，真太陽時與平太陽時之差即稱為時差E。因此，可得太陽跟蹤控制系統(tǒng)水平軸、垂直軸旋轉角： （） （），跟蹤裝置兩個軸的旋轉角由跟蹤裝置安裝地理位置的緯度角、太陽赤緯角和太陽時角決定。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影響到實際計算。在地平坐標系中，用太陽高度角和方位角就可以確定太陽在天球中的位置。但是該算法的計算要運用立體幾何等方法，相對比較復雜，直觀上不能反映出太陽跟蹤控制系統(tǒng)的運行規(guī)律。反之，也可由平太陽時求出真太陽時，兩者之間存在的差值即為時差。（10） 真太陽時與平太陽時：由于太陽在黃道上的運動速度并不均勻，而是時快時慢。（6） 時角：地面上任意一點與地心之間的連線在赤道面上的投影與當地正午時的日地中心連線在赤道面上投影之間的夾角。（3） 太陽高度角：指從太陽中心直射到當地的光線與當地水平面的夾角，其值在到之間變化，日出日落時為，太陽在正天頂時為。綜上所述，本裝置采用視日運動軌跡跟蹤中的高度角—