【正文】 向。因此，由式 ， 可由求得以當(dāng)?shù)卣嫣枙r st 計算，所得出的時角 ? ： )12(15 ?? st? （ ） 將式 ， 代入 ， ，由此可以得到地平坐標(biāo)系下，太陽跟蹤控制系統(tǒng)的控制方程： ),(11 tnLloc??? ? （ ） ),(22 tnLloc??? ? （ ） 為有效跟蹤太陽的位置，除了要計算出太陽的實時位置外，還需要知道具體某天的日出時角 1? 和日落時角 2? [28]。為了得到準(zhǔn)確的真太陽時，可以根據(jù)定時標(biāo)準(zhǔn)來校正時差值，我國區(qū)域的時差 E 確定如下： 60)15( ELLtt stlocs ???? （ ） st 為當(dāng)?shù)卣嫣枙r，單位為小時； t 為當(dāng)?shù)仄教枙r，即當(dāng)?shù)貢r間，單位為小時； stL 為制定時區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)度，對中國來說， stL =120(北京時間經(jīng)度 )； locL 為跟蹤裝置安裝地的經(jīng)度，式中“177。 時角 ? 是一個與時間相關(guān)的物理量，可以由當(dāng)?shù)氐恼嫣枙r st 求得。 由于太陽能跟蹤系統(tǒng)坐標(biāo)系與太陽位置的地平坐標(biāo)系重合，所以，若是相機主光軸能夠完全跟蹤太陽運行的軌跡，即使太陽入射角 0?? ，就必須采用雙軸跟蹤裝置，并且是太陽跟蹤裝置的水平軸旋轉(zhuǎn)角 1? 與太陽高度角 ? 運行規(guī)律一致，使跟蹤裝置的垂直軸旋轉(zhuǎn)角 2?與太陽方位角 ? 運行規(guī)律一 致。因此， 根據(jù)圖所示，在時角坐標(biāo)系中 S? 為： S? = kji ??? ????? ????? s inc o sc o sc o ss in () 參照地平坐標(biāo)系和時角坐標(biāo)系，可將時角坐標(biāo)系變換至地平坐標(biāo)系，使其具有相同的原?S?浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 點。因此，根據(jù)圖 所示，可以得到 S? 為： S? = KJI ??? ????? ????? s inc o sc o sc o ss in () 其中： ? 表示太陽高度角； ? 表示太陽方位角，通常以正南方向為 ?0 ，向西為正，向東為負。太陽運行軌跡的傳統(tǒng)計算方法是通過計算球面三角幾何得到的。由于平太陽時是假想的，無法實際觀測，但可間接從真太陽時求得。 （ 9） 積日 n：即日期在年內(nèi)的順序號，如 1 月 1 日取為 1， 12 月 31 日取為 365，閏年則為 366。 （ 5） 太陽赤緯角 ? ：即日地中心的連線與赤道面間的夾角，每天都在變，在春分和秋分時刻等于零，在夏至和冬至?xí)r刻分別為 ?? 。 （ 2） 時角坐標(biāo)系 oxyz? ：以地心為原點建立的坐標(biāo)系。跟蹤系統(tǒng)工作時，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)計支承結(jié)構(gòu)就相對容易。由于赤緯角隨季節(jié)變化，應(yīng)定期調(diào)整相機主光軸使其圍繞赤緯軸俯仰轉(zhuǎn)動。 二維跟蹤又稱為全跟蹤，能夠在兩個 相互垂直的方向上跟蹤太陽。 （ 2） 視日運動軌跡跟蹤 視日運動軌跡跟蹤通過使用天文學(xué)公式，計算出太陽運動軌跡的理論值來控制跟蹤裝置進行太陽跟蹤。 由于光電跟蹤采用閉環(huán)控 制形式，其跟蹤靈敏度比較高。國內(nèi)常用的光電跟蹤機械裝置形式，主要有電動式和電磁式。相關(guān)零件的加工可以選取對應(yīng)尺寸的鋁板、鋁棒和角鋁。步進電機的相關(guān)校核計算見 與 。 綜合考慮速度控制和機械結(jié)構(gòu)，本文選用步進電機作為動力源。電動機的使用和控制非常方便，能滿足各種運行要求。 本課題中垂直軸主要承受軸向載荷，同時在工作中也要承受徑向載荷。 詳細計算與校核見 與 。蝸桿一端與電機輸出軸通過聯(lián)軸器連接，另一端通過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。 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 方位角跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 注： a b c a 球軸承 17. 蝸輪軸 b 高度角跟蹤機構(gòu)的結(jié)構(gòu) 高度角跟蹤機構(gòu)主要由 1 個步進電機、 l 組蝸輪蝸桿、 1 個蝸輪軸、 2 個蝸桿支承座、 1個電機支承座、 2 個蝸輪支承座 2 個圓螺母、以及 4 個軸承等組成， 如圖 所示。蝸輪通過鍵安裝在蝸輪軸上，并用圓螺母實現(xiàn)軸向固定與調(diào)節(jié)。蝸輪軸一端通過鍵、支承法蘭、平墊圈和螺母與高度角基板連接，可以驅(qū)動高度角 跟蹤機構(gòu)，實現(xiàn)水平面內(nèi)的 360176。由兩個步進電機分別驅(qū)動高度角跟蹤機構(gòu)和方位角跟蹤機構(gòu)，傳動方案均采用蝸輪蝸桿機構(gòu)。 綜上所述，采用方案四，由兩組蝸輪蝸桿傳動。 （ 3） 方案三：兩組蝸輪蝸桿傳動 圖 機械跟蹤機構(gòu)（方案三） 該方案對方案二進行了改進，采用了兩組蝸輪蝸桿傳動，解決了方案二中方位角機構(gòu)和高度角機構(gòu)運動不同步的問題。 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 （ 2） 方案二：蝸輪蝸桿和齒輪傳動 圖 機械跟蹤機構(gòu)（方案二） 該方案對方案一進行了改進，采用了蝸輪蝸桿和齒輪傳動。由兩個電機來分別驅(qū)動，調(diào)整相機的方向，使相機的主光軸對準(zhǔn)太陽。因為本課題不同于普通的氣象云層監(jiān)測系統(tǒng)，不是只需要取得云層的信息，而是需要同時獲得云層和太陽的定位信息。之后，算法程序?qū)μ幚砗蟮膱D像進行分析，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。 機 械 跟 蹤 模 塊成 像 模 塊鏡 頭 保 護 模 塊 控 制 模 塊 圖 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。 （ 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)，主要由步進電機的頻率決定，但必須小于時間分辨率 T。 （ 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。 （ 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。 第六章是計算說明書，對主要的設(shè)計內(nèi)容進行了詳細的計算分析。確定以蝸輪蝸桿傳動的二自由度機械跟蹤機構(gòu)。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行了詳細說明。本文采用濾光片和遮光片進行遮光。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。 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。 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。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)。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。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。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。 （ 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。國內(nèi)方面，浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 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]。 TSI 給出白天半球天空的連續(xù)圖像 (視張角為 160176。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行全天空鏡像拍攝。因此，地基遙感測云儀器的研究一直受到關(guān)注。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。 對光伏發(fā)電進行超短期功率預(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。 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。 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] 。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，因此要進行超短期預(yù)測。對光伏電站的輸出功率進行預(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。 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。 關(guān)鍵詞： 光伏 功率預(yù)測 天空成像儀 云層監(jiān)測 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） II 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 work, 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 freedo m. 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 monitoring 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 目錄 摘要 ........................................................................