【正文】 方位角式全跟蹤。極軸式跟蹤方式原理上相對簡單，但因為結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不能通過極軸軸線，在設(shè)計極軸支承裝置相對困難[25]。該跟蹤方式根據(jù)坐標(biāo)系的不同，又可以分為極軸式和高度角—方位角式全跟蹤。該跟蹤方式是一種基于開環(huán)控制的跟蹤方法。但本文中的裝置不僅要跟蹤太陽的運動，還要預(yù)測云層對太陽的遮擋。在安裝使用過程中，通常將光敏元件安裝在遮光擋板的旁邊，并調(diào)整擋板的位置，使太陽垂直入射時，光敏元件的光敏面全部處于陰影區(qū)域。第4章 跟蹤算法設(shè)計 跟蹤方式確定太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)太陽跟蹤的方法主要有光電跟蹤和太陽運動軌跡跟蹤兩種[24]。（3） 基板、支架和軸的材料選擇由于本裝置所受載荷較小，選用鋼材已不再合適。 綜合考慮速度控制和機械結(jié)構(gòu)，本文選用步進(jìn)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。軸承所受的載荷大小、方向和性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。另外，在蝸輪軸上，蝸輪兩側(cè)安裝有兩個相機支撐架，這兩個支撐架與蝸輪相對靜止，通過兩側(cè)的圓螺母固定在蝸輪兩側(cè)。高度角跟蹤機構(gòu)通過1組蝸輪蝸桿實現(xiàn)相機在豎直平面內(nèi)的傾角調(diào)整。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底座基板上。3個底座基板通過螺栓連接，組成機架，固定不動。（4） 方案四：兩組蝸輪蝸桿傳動 機械跟蹤機構(gòu)（方案四）該方案對以上三種方案進(jìn)行了綜合，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更具體的細(xì)化，最終采用兩組蝸輪蝸桿傳動，并設(shè)計了一種滿足要求的軸承座。但是在本裝置中，單級齒輪傳動的傳動比不夠大，無法和高度角機構(gòu)中的蝸輪蝸桿傳動同步（方位角機構(gòu)和高度角機構(gòu)的角速度相等）。而且此方案的方位角機構(gòu)采用電機直接驅(qū)動，電機軸受到其上部結(jié)構(gòu)因傾覆力所產(chǎn)生的彎矩的影響，會對電機造成損傷并且降低了定位精度。所以這個機械跟蹤機構(gòu)要有兩個自由度，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。 天空云層監(jiān)測裝置的流程框圖第三章 機械跟蹤模塊設(shè)計 機械跟蹤模塊的功能機械跟蹤模塊的功能是自動跟蹤太陽運動軌跡。實現(xiàn)精確跟蹤定位后，成像模塊應(yīng)用可見光測云技術(shù)對一定范圍內(nèi)的天空圖像進(jìn)行采集，獲得太陽和云團的位置信息，然后通過串口或者USB接口將圖像信息傳給計算機。（8） 尺寸與重量：最大尺寸不超過404040(cm)，最大重量不超過15kg。（5） 太陽跟蹤角度范圍：太陽跟蹤分為高度角跟蹤和方位角跟蹤，高度角跟蹤范圍為0~90176。 （3） 成像模塊的視場角：即以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點，以被測目標(biāo)的物象可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角。第二章 總體方案設(shè)計 設(shè)計需求分析設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)要求：（1） 時間分辨率T：即相鄰兩次觀測的最小時間間隔。第五章主要對成像與鏡頭保護模塊進(jìn)行了設(shè)計。第二章主要介紹了天空云層監(jiān)測裝置的總體方案設(shè)計。本文采用矢量方法，分別建立太陽的運行軌跡的時角坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，通過跟蹤控制系統(tǒng)的運動規(guī)律的坐標(biāo)系，對這些坐標(biāo)系的變換來建立跟蹤裝置的運動方程。光學(xué)器件若暴露在野外，易受灰塵、雨雪、露、霜的污染，所以需要一個外殼保護鏡頭和整個裝置，本文設(shè)計了一個滿足要求的鈑金外殼。成像模塊的作用是能獲取以太陽為中心的云團圖像?？刂葡到y(tǒng)主要以跟蹤算法設(shè)計為主，包括跟蹤算法的計算分析和算法流程圖。紅外測云技術(shù)不受時間的限制，可以獲得白天和夜間全天的天空云層圖像，是地基云層遙感的發(fā)展趨勢。此后，王昊京等人針對其機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種大視場全天候云層分布定位光電測量系統(tǒng)[20]，采用了由扁橢球反射鏡和成像透鏡組成的光學(xué)子系統(tǒng)，增大了視角，簡化了機械結(jié)構(gòu)，并提出了云層空間分布定位的標(biāo)定方法，實現(xiàn)了大視場的云層分布定位。（5） 紅外測云利用大氣紅外輻射進(jìn)行云層測量是地基云層遙感的發(fā)展趨勢，如紅外云分析儀( ICA)[17]和紅外云成像儀[18]的應(yīng)用。WSI根據(jù)太陽和月亮的位置、地月距離、以及照條件（陽光、月光和星光）等天空條件采用相應(yīng)的中性濾光片獲取圖像。其光學(xué)部分采用512512分辨率的16位高質(zhì)量的溫控CCD相機，加裝魚眼鏡頭得到全天空圖像（視張角為180176。（3） 激光雷達(dá)探測如王宏波等人利用改進(jìn)的Klett反演算法對所測雷達(dá)回波信號反演獲得大氣消光系數(shù)分布，進(jìn)一步求出云層高度、厚度及光學(xué)厚度，研究了云底高度和云層厚度在不同天氣下的變化情況[14]；陳臻懿等人[15]采用改進(jìn)后的微分法，著重分析了出現(xiàn)多個峰值信號時，如何有效判斷單層云和多層云，得出了云底、云頂、云峰和云層光學(xué)厚度等重要信息。時可以反演出天空云的分布。C至44176。（2） 基于可見光或近紅外的測量可見光波段測云法直接采用照相機對天空進(jìn)行拍攝。研究表明，衛(wèi)星云圖更適合揭示大范圍地區(qū)的云氣候特征，其代表地域廣泛。 研究現(xiàn)狀分析云層的監(jiān)測主要應(yīng)用于氣象學(xué)，云的觀測是氣象觀測的重要內(nèi)容，準(zhǔn)確地獲取云的信息，對于天氣預(yù)報、氣候研究以及國民經(jīng)濟和軍事等諸多領(lǐng)域都有十分重要的意義。最后獲得的裝置能夠?qū)σ欢ǚ秶鷥?nèi)的天空圖像進(jìn)行采集，獲得太陽及其周邊云層的精確定位信息。而天空云層監(jiān)測裝置很好地彌補了無法捕捉到短時的云層變化信息的缺點。但是衛(wèi)星云圖更適合揭示大范圍地區(qū)的云氣候特征，對低云和區(qū)域性云信息的描述可能不太理想。光伏功率預(yù)測從時間尺度上可以分為超短期功率預(yù)測和短期功率預(yù)測。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)電量的變化是一個非平穩(wěn)的隨機過程，具有很強的非線性[3]，其發(fā)電量和輸出電功率隨機性強、波動大、不可控制，在天氣突變時表現(xiàn)得尤為突出，這種發(fā)電方式在接入電網(wǎng)后必會對電網(wǎng)的安全和管理帶來一系列的問題[4] 。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] 。本文采用視日運動軌跡跟蹤方案，控制器根據(jù)相關(guān)的公式和參數(shù)計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)動器，驅(qū)動電機實時跟蹤太陽。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。本文主要設(shè)計一種能實時監(jiān)測和預(yù)估對光伏發(fā)電有遮擋影響的天空云層的裝置。光伏發(fā)電的功率預(yù)測，尤其是超短期的功率預(yù)測能夠給與光伏發(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)。該裝置包括機械系統(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。該機械結(jié)構(gòu)的運動由兩個步進(jìn)電機來驅(qū)動，完成對太陽高度角和方向角的跟蹤。近年來，世界各國競相實施可持續(xù)發(fā)展的能源政策。2010年以前，我國的光伏發(fā)電多處于獨立光伏發(fā)電階段，2011～2020年，中國太陽能發(fā)電市場將會由獨立系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)[2]。一方面有效地降低光伏接入對電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性；另一方面減少電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用和運行成本，以充分利用太陽能資源，獲得更大的經(jīng)濟效益和社會效益。目前，超短期功率預(yù)測的主要原則是根據(jù)地球同步衛(wèi)星拍攝的衛(wèi)星云圖推測云層運動情況，對未來幾小時內(nèi)的云層指數(shù)進(jìn)行預(yù)測，然后通過云層指數(shù)與地面輻照強度的線性關(guān)系得到地面輻照強度的預(yù)測值，再通過效率模型得到光伏電站輸出功率的預(yù)測值[5]。盧靜等人采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，把測試數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)構(gòu)的部分預(yù)測值和實際值進(jìn)行比較，并發(fā)現(xiàn)以數(shù)值天氣預(yù)報作為輸入氣象數(shù)據(jù)的短期光伏發(fā)電功率預(yù)測只能跟蹤光伏電站數(shù)據(jù)功率的趨勢，捕捉不到短時的云層變化信息，因此不能跟蹤光伏電站輸出功率的短時波動[5] 。針對現(xiàn)有的天空成像儀應(yīng)用于一定范圍內(nèi)的天空圖像采集時存在的不足，本課題將有針對性地對現(xiàn)有的天空成像儀進(jìn)行改進(jìn)。一方面有效地降低光伏接入對電網(wǎng)的影響，提高電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性；另一方面減少電力系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用和運行成本，以充分利用太陽能資源，獲得更大的經(jīng)濟效益和社會效益。衛(wèi)星遙感測云儀器如甚高分辨率輻射計(AVHRR)、多光譜掃描儀(LANDSATMSS)、中分辨率成像光譜儀(MODIS)等[6]。地基遙感測云儀器根據(jù)測量技術(shù)主要分為以下幾種：（1） 微波氣象雷達(dá)和遙感輻射測量這是兩種比較傳統(tǒng)的方法，可以做到云層的監(jiān)測，但存在體積大、質(zhì)量大、能耗高、成本高和靈敏度不夠等缺點[8]。新一代TSl880型采集的圖像是分辨率為352288的24位JPEG彩圖，采樣最短間隔10 S，工作溫度為30176。)，當(dāng)太陽高度角大于10176。以上方法主要是對云量進(jìn)行定量測量，并且可以同時實現(xiàn)對云層的定位，但是只能獲得白天或明夜的云層信息。美國加利福尼亞大學(xué)研制成功了一種全天空成像儀WSI[16]。早期的全天空成像儀工作在中心波長為450 nm和650 nm的兩個波段，分別是70 nm寬，后來增加了中心波長在800 m的波段。由于其采用的光學(xué)部件較為昂貴，工程設(shè)計又非常復(fù)雜，所以價格較高。此系統(tǒng)通過拼圖、溫度定標(biāo)、大氣修正、云識別等數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)全天候云層輻射測量，輻射定標(biāo)處理以及云類型識別。此監(jiān)視系統(tǒng)使用線陣長波紅外探測器采集尺寸為120120像素的圖像，采用串口傳輸圖像數(shù)據(jù)；監(jiān)測設(shè)備有4條機械支架，有較大面積的成像遮攔；另外云圖只包含3種成分（晴朗、霾、云），可以給出天空輻射圖[21]。機械系統(tǒng)主要是設(shè)計一個二雙軸自由度的機械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護模塊。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。鏡頭保護模塊包括遮光裝置和外殼部分。 控制系統(tǒng)部分控制系統(tǒng)主要包括跟蹤算法的計算分析和算法流程圖。 本文結(jié)構(gòu)本文分為七章：第一章主要闡述了論文選題背景、目的及意義，介紹了超短期功率預(yù)測在光伏發(fā)電中的重要性、天空成像儀對超短期功率預(yù)測的作用和天空云層監(jiān)測裝置的發(fā)展研究現(xiàn)狀。第四章闡述了自動跟蹤算法，主要內(nèi)容有：確定了跟蹤方式，對視日運動軌跡跟蹤進(jìn)行了詳細(xì)的計算分析，設(shè)計了跟蹤主程序和子程序。第七章主要對本文設(shè)計的天空云層監(jiān)測裝置進(jìn)行總結(jié)和對該裝置的發(fā)展展望。本裝置采集到的圖像要為云軌跡算法提供原始數(shù)據(jù)，有較高的精度要求，取跟蹤精度。參考TSI的圖像解析度，最低要求為352288色彩，24Bit，JPEG格式。（7） 供電電壓：外部供電為AC220V，內(nèi)部根據(jù)供電需要采用相應(yīng)的電源適配器。再由電機帶動二軸雙自由度的機械跟蹤模塊旋轉(zhuǎn)與當(dāng)時當(dāng)?shù)氐奶柛叨冉莌和方位角A相對應(yīng)的角度，使成像模塊和遮光模塊對準(zhǔn)太陽，從而自動跟蹤太陽的運動軌跡。最后，將得到的信息信號輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對光伏發(fā)電功率進(jìn)行超短期功率預(yù)測，得到功率預(yù)測信號，最終實現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期功率預(yù)測。根據(jù)太陽的運動特征，我們需要設(shè)計一個雙軸二自由度的機械跟蹤機構(gòu)。但是四連桿機構(gòu)也有一些缺點：本文中四連桿主要用于傳動和定位，在定位精度上，四連桿機構(gòu)收到加工精度和安裝精度的影響很大；存在死點等問題。方位角機構(gòu)采用齒輪傳動，齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠和效率高等優(yōu)點。但是因為本裝置結(jié)構(gòu)過小，最小型號的外球面軸承在結(jié)構(gòu)匹配上還是存在很多問題。方位角跟蹤機構(gòu)能實現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動自由度，高度角跟蹤機構(gòu)能實現(xiàn)豎直方向的轉(zhuǎn)動自由度。 二自由度機械跟蹤機構(gòu)總體示意圖注： 二自由度機械跟蹤機構(gòu)運動簡圖 方位角跟蹤機構(gòu)的結(jié)構(gòu)方位角跟蹤機構(gòu)主要由3個底座基板、1個步進(jìn)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個軸承、2個軸承座、1個支撐法蘭、1個高度角基板以及1個螺母等組成。方位角跟蹤機構(gòu)通過1組蝸輪蝸桿實現(xiàn)相機在水平平面內(nèi)的方向調(diào)整。步進(jìn)電機則安裝在電機支承座上。旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機則安裝在電機支承座上。滾動軸承中按軸承用于承受的外載荷不同分類，可以分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類。（2） 動力源的選取在機械傳動中，大多采用電動機作為動力源。實際跟蹤中，對太陽的方位角和高度角的調(diào)整是需要一個很低的速度和較高的定位精度，可以選擇使用直流減速電機和步進(jìn)電機，其中直流減速電機還需要編碼盤實現(xiàn)精確定位。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機來控制變的非常的簡單。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。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。由于光電跟蹤采用閉環(huán)控制形式，其跟蹤靈敏度比較高。（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(jìn)行太陽跟蹤。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。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。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。（2） 時角坐標(biāo)系：以地心為原點建立的坐標(biāo)系。（5） 太陽赤緯角：即日地中心的連線與赤道面間的夾角，每