【正文】 天都在變，在春分和秋分時刻等于零，在夏至和冬至時刻分別為。（9） 積日n：即日期在年內的順序號，如1月1日取為1，12月31日取為365，閏年則為366。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。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。因此，可以得到為：= ()其中：表示太陽高度角；表示太陽方位角，通常以正南方向為，向西為正，向東為負。因此，根據(jù)圖所示，在時角坐標系中為：= ()參照地平坐標系和時角坐標系，可將時角坐標系變換至地平坐標系，使其具有相同的原點。由于太陽能跟蹤系統(tǒng)坐標系與太陽位置的地平坐標系重合，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，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角與太陽高度角運行規(guī)律一致，使跟蹤裝置的垂直軸旋轉角與太陽方位角運行規(guī)律一致。時角是一個與時間相關的物理量，可以由當?shù)氐恼嫣枙r求得。為了得到準確的真太陽時，可以根據(jù)定時標準來校正時差值，我國區(qū)域的時差E確定如下： （）為當?shù)卣嫣枙r，單位為小時；t為當?shù)仄教枙r，即當?shù)貢r間，單位為小時；為制定時區(qū)標準的經(jīng)度，對中國來說，=120(北京時間經(jīng)度)；為跟蹤裝置安裝地的經(jīng)度，式中“177。因此，所得出的時角： （），由此可以得到地平坐標系下，太陽跟蹤控制系統(tǒng)的控制方程： （） （）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和日落時角[28]?；鶞饰恢弥傅氖歉櫃C構的正前方正對當?shù)氐恼戏较颍刺柗轿唤菫榱愕姆较?；且相機為水平放置，即對應太陽高度角為零的方向。若高度角和方位角分別為 和，根據(jù)跟蹤機構所在的基準位置就可以確定轉動到起始位置的驅動角度，即跟蹤機構在水平面上向東旋轉（上午，為負值）或向西旋轉（下午，為正值）；在垂直方向上，向上旋轉，這樣跟蹤機構就轉至起始位置了。一次跟蹤完成后，程序延時等待一段時間，再進行下一次跟蹤。這里首先介紹一下，執(zhí)行機構中的兩個步進電機分別為高度角電機和方位角電機。如果是，說明跟蹤系統(tǒng)剛開始工作，需要驅動跟蹤機構轉至起始位置；反之，為普通的太陽運動軌跡跟蹤。至于轉至起始位置的跟蹤，高度角電機總是反轉，即相對于基準位置處相機水平放置而向下轉；方位角電機的旋轉方向，則在正午前后有所不同。同時成像系統(tǒng)對視張角的要求也大大減小，無需全天空的大視場，所以可以不用采用會引起圖像畸變的魚眼透鏡成像系統(tǒng)[23]和機械機構復雜的旋轉掃描的機械伺服單元[19]。光學器件若暴露在野外，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。也可以選擇將轉動軌道改進成較細的支撐柱，其長度可根據(jù)不同地區(qū)進行選擇，有的需要視張角的遮光，有的只需要部分遮蓋。（1） 方案一 遮光裝置（方案一）方案一采用一個凸面鏡來采集圖像，此時相機倒置，并在相機鏡頭前放置一個遮光塊。具體分析如下：太陽本身是一個表面具有6000K左右的大火球，盡管太陽距離地球很遠，但對地球來說，太陽并非點光源，而是日輪。解決的方法只能是和現(xiàn)有的天空成像儀一樣，增加遮光塊與鏡頭間的距離。本文選用的相機為AVT_Manta_G201相機，該相機還可提供模塊化選配件。因此，只要這個遮光片上有一個大小合適的、剛好能遮住太陽的像的遮光點就能滿足要求。本文采用一個高透光的塑料圓頂，圓頂?shù)那蛐呐c相機兩旋轉軸的交點重合。本文采用鈑金件制作外殼，材料為SECC。所以我們取太陽高度角和太陽方位角的最大角度和，晝夜時長平分為12h進行后面的相關計算。因此，高度角電機重新選取為28步進電機的最小型號28BYG250C，步距角為。）57BYG350BL176。cm2）10012重量（kg）外形尺寸（mm）575741282840驅動器型號DV378ZD8731 高度角蝸輪蝸桿設計（） 高度角蝸輪轉矩T2的計算： 高度角機構三維模型圖 高度角機構運動簡圖已知：相機質量為200g，4429mm；，（非標零件的質量和重力臂均來自軟件Solidworks）。蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。（2）確定載荷系數(shù)K 因為工作載荷較穩(wěn)定，取載荷不均系數(shù)；由表 11—5選取使用系數(shù)；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù)；則：（3）確定彈性影響系數(shù)由于鑄錫磷青銅ZCuSn10P1蝸輪與45鋼蝸桿相配，故。這時，從圖11—18 中可查接觸系數(shù)，因為，因此以上計算結果可用。壽命系數(shù) 因此，彎曲強度是滿足要求的。2=mm。34′35″蝸輪齒寬B=16齒厚Sa=齒數(shù)Z2=49齒寬b1=22模數(shù)m=頭數(shù)Z1=1模數(shù)m=校核齒根彎曲疲勞強度當量齒數(shù) 根據(jù)，從圖11—19 中可知齒形系數(shù)。所得結構圖如下： 高度角蝸輪軸的結構與裝配 彎矩圖和扭矩圖由于本裝置載荷較小，無需進行強度校核，彎矩圖、扭矩圖和校核過程略。所得結構圖如下： 方位角蝸輪軸的結構與裝配彎矩圖和扭矩圖由于本裝置載荷較小，無需進行強度校核，彎矩圖、扭矩圖和校核過程略。mm，步進電機的許用轉矩為[T1]=圓柱體和質點的轉動慣量計算公式分別為J=mr2/2和J=mr2，步進電機的許用轉動慣量為[Je]=12gcmJ3=131g 方位角步進電機的校核轉矩校核已知：=轉動慣量校核已知：主要考慮高度角基板、高度角步進電機、軸承座支架、高度角蝸輪、相機、方位角蝸輪的轉動慣量，對應的質量分別為212g、150g、46g、370g、200g和389g，對應的等效回轉半徑分別為13cm、9cm、5cm、6cm和6cm，其中高度角蝸輪需另算。cmJ2=12150gcmJ6=89293g現(xiàn)有的天空成像儀無法應用于光伏發(fā)電的超短期功率預測。控制系統(tǒng)以跟蹤算法設計為主，包括跟蹤算法的計算分析和算法流程圖。這樣能使機械結構更加簡單，同時因為減少了傳動部分，能夠擁有更高的定位精度。參考文獻[1] 朱訓．關于中國能源戰(zhàn)略的辨正思考[J]．中國能源，2003，25(10)：412.[2] 崔榮強．太陽能光伏發(fā)電——中國低碳經(jīng)濟的希望[J]．自然雜志，2010，32(3)：149155．[3] 王健強．太陽能發(fā)電技術與應用——太陽輻射與太陽能資源[D]．北京:北京交通大學，2008．[4] 李光明，廖華等．并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量預測方法的探討[J]．云南師范大學報，2011，31(2)：3438．[5] 盧靜，劉純，王曉蓉等．光伏發(fā)電功率預測統(tǒng)計方法研究[J]．華東電力，2010，38(4)：05630567.[6] 高太長，劉磊，趙世軍等．全天空測云技術現(xiàn)狀及進展[J]．應用氣象學報，2010，21(1)：102108．[7] 篤嗚，韓愛梅．我國衛(wèi)星總云量與地面總云量分布的對比分析[J]．應用氣象學報，1998，9(1)：3237．[8] 戴永江，蔡喜平等．遙感測云微脈沖激光雷達[J]．紅外與激光工程，2000，29(6): 15．[9] Bradbury D L, Fujita T. Computation of Height and Velocity of Clouds from Dual, Wholesky, Timelapse Picture Sequences. Satellite and Mesometeorology Research Project（SMRP), 1968.[10] Gardiner B G, Kirsch P J. Setting Standards for European Ultraviolet Spectroradiometers. EC Air Pollution Report No. 53, Commission of European Communities, Luxembourg. 1995: 1138. [11] Long C N, Slater D W, Tooman T. Total sky imager model 880 status and testing results[R]. The . Department of Energy, Office of Energy Research, Office of Health and Environmental Research, 2001.[12] Cazorla A, Olmo F J, AladosArboledas L. Development of a sky imager for cloud cover assessment[J]. J Opt soc Am A, 2008. 25(1): 2939. [13] 霍娟，呂達仁．全天空數(shù)字相機觀測云量的初步研究[J]．南京氣象學院學報，2002，25(2)：242246．[14] 王宏波，王治華，何捷等．成都地區(qū)中低云層的激光雷達探測[J]．光子學報，2007，36(2)：351353．[15] 陳臻懿，張玉鈞等．激光雷達探測合肥云層高度方法研究及分析[J]．激光技術，2010，34(6)：734735．[16] Shields J E, Karr M E, Tooman T P, et a1. The Whole Sky imagerA Year of Progress. Eighth Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Science Team Meeting, Tucson, Arizona, 1998. [17] GENKOVA I, LONG C N, BESNARD T, et al. Assessing cloud spatial and vertical distribution with infrared cloud analyzer [C]. Fourteenth ARM Science Team Meeting Proceeding, 2004. [18] SHAW J A, NUGENT P W, PUST N J, et al. Radiometric cloud imaging with an uncooled micro bolometer thermal infrared camera[J]. Optics Express, 2005, 13(15): 58075917. [19] 孫學金等．基于非制冷紅外焦平面陣列的全天空紅外測云系統(tǒng)[J]．紅外與激光工程，2008，37(5)：762764．[20] 王昊京，王建立等．大視場云層分布定位的光電測量系統(tǒng)[J]．光學精密工程，2010，18(8)：17231730．[21] MALLAMA A, MCGARR Y J, DEGNAN J, et al. The weather sensor for SLR2000[C]. 12th International workshop on Laster Ranging Matera, Italy, 2000: 162170. [22] 劉美琪等．評估云層對觀測設備威脅等級的光電測量系統(tǒng)[J]．飛行器測控學報，2011，30(4)：4447．[23] 霍娟，呂達仁．云的移動軌跡成像模擬及云量變化分析[J]．南京氣象學院學報，2006，29(2)：210214．[24] 徐靜．自動跟蹤式獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D]．杭州：杭州電子科技大學，2009．[25] 關繼文．基于DSP的高精度太陽能跟蹤控制器設計與實現(xiàn)[D]．合肥：中國科學技術大學，2010．[26] 王炳忠等．太陽能中天文參數(shù)的計算[J]．太陽能學報，1999，20(2)：810．[27] 沈輝，曾祖勤等．太陽能光伏發(fā)電技術[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2009．68．[28] 王炳忠等．幾種太陽位置計算方法的比較研究[J]．太陽能學報，2001，22(4)：413416．[29] 紀名剛等．機械設計第八版[M]．北京：高等教育出版社，2009．238271．致謝時光荏苒，轉眼四年的大學生活即將結束。同時也要感謝研究生學長馬小龍、張林威和童建軍的無私幫助和指導。