【正文】 ，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(lái)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（）。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)。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。當(dāng)遮光塊與鏡頭間的距離為100mm時(shí)，尺寸過小。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。 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。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。 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。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。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)。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。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鏁r(shí)針方向?yàn)樨?fù)。太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡即太陽(yáng)的視日運(yùn)動(dòng)軌跡。（8） 太陽(yáng)入射角：相機(jī)主光軸與太陽(yáng)入射光的夾角。 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。跟蹤控制器工作時(shí)，整個(gè)機(jī)構(gòu)繞極軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)地球自轉(zhuǎn)設(shè)定不同的角速度，但跟蹤方向相反。所以不能采用光電跟蹤?？梢?，該跟蹤方式是一種基于閉環(huán)控制的跟蹤方法。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。根據(jù)它在工作過程中可能出現(xiàn)的綜合情況及受力情況，通過查滾動(dòng)軸承的性能特點(diǎn)，采用一個(gè)圓錐滾子軸承和一個(gè)深溝球軸承，代號(hào)分別為30302和6002。蝸輪通過鍵安裝在蝸輪軸上，蝸輪軸兩端通過軸承連接到蝸輪支承座上，蝸輪支承座同樣固定安裝在高度角基板上。蝸輪軸下端通過圓錐滾子軸承和軸承座安裝在底座基板a上，承受上部機(jī)構(gòu)的重力產(chǎn)生的軸向力和傾覆產(chǎn)生的徑向力；蝸輪軸上端通過深溝球軸承和軸承座安裝在底座基板c上，承受上部機(jī)構(gòu)的傾覆產(chǎn)生的徑向力。蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)既能實(shí)現(xiàn)自鎖，又有較大的傳動(dòng)比，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的定位。此方案在結(jié)構(gòu)上對(duì)以上幾個(gè)方案進(jìn)行了細(xì)化，并且采用標(biāo)準(zhǔn)件——外球面軸承，以解決軸承的安裝問題。 方案比較本文的機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)方案經(jīng)過多次修改，主要有以下四種方案：（1） 方案一：四連桿傳動(dòng)和電機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)（方案一）該方案模仿了雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用了四連桿進(jìn)行傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)新穎，擁有連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：連桿機(jī)構(gòu)為低副機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)副為面接觸，壓強(qiáng)小、承載能力大、耐沖擊；運(yùn)動(dòng)副元素的幾何形狀為圓柱面，便于加工制造；通過改變各構(gòu)件的相對(duì)長(zhǎng)度可以使從動(dòng)件得到不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；連桿曲線可以滿足不同運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)要求。之后，算法程序?qū)?duì)處理后的圖像進(jìn)行分析，分別通過定位模型[20]、灰度法[22]、二值法[22]、云體簡(jiǎn)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。（6） 速度響應(yīng)：即機(jī)械結(jié)構(gòu)的反應(yīng)時(shí)間，與控制系統(tǒng)有關(guān)，主要由步進(jìn)電機(jī)的頻率決定，但必須小于時(shí)間分辨率T。（2） 跟蹤精度：即機(jī)械結(jié)構(gòu)的定位精度，由電機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)精度決定。確定以蝸輪蝸桿傳動(dòng)的二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)。本文采用濾光片和遮光片進(jìn)行遮光。機(jī)械跟蹤模塊有兩個(gè)自由度，即一個(gè)水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度——方位角自由度和一個(gè)豎直方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度——高度角自由度。它是一個(gè)無(wú)人值守的自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)，其每個(gè)觀測(cè)站都配備了全天時(shí)云量監(jiān)視系統(tǒng)。夜間則將測(cè)得的星場(chǎng)圖像與計(jì)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(shí)別云。（4） 雙（多）波段測(cè)云雙（多）波段測(cè)云法通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)窄波段輻射值的方法來(lái)確定天空是否有云，從而確定云量。TSI給出白天半球天空的連續(xù)圖像(視張角為160176。因此，地基遙感測(cè)云儀器的研究一直受到關(guān)注。對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行超短期功率預(yù)測(cè)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(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式。目前光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)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] 。對(duì)光伏電站的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)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(shí)調(diào)整調(diào)度計(jì)劃，合理安排電網(wǎng)運(yùn)行方式。關(guān)鍵詞：光伏功率預(yù)測(cè) 天空成像儀 云層監(jiān)測(cè)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 network, 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 freedom. 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 monitoring37目錄摘要 IAbstract II第一章 緒論 3 研究背景、目的和意義 3 研究背景 3 研究的目的和意義 4 研究現(xiàn)狀分析 4 本文主要研究?jī)?nèi)容 5 機(jī)械系統(tǒng)部分 6 控制系統(tǒng)部分 6 本文結(jié)構(gòu) 6第二章 總體方案設(shè)計(jì) 7 設(shè)計(jì)需求分析 7 總體設(shè)計(jì)思路 7 系統(tǒng)工作原理 7第三章 機(jī)械跟蹤模塊設(shè)計(jì) 9 機(jī)械跟蹤模塊的功能 9 方案比較 9 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 12 高度角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 13 相關(guān)零件的選用與設(shè)計(jì) 14第四章 跟蹤算法設(shè)計(jì) 15 跟蹤方式確定 15 設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)及定義 15 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤設(shè)計(jì) 17 算法流程圖 20 跟蹤主程序設(shè)計(jì) 20 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤子程序設(shè)計(jì) 21第五章 成像與鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計(jì) 23 成像模塊設(shè)計(jì) 23 鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計(jì) 23 遮光裝置設(shè)計(jì) 23 外殼部分 24第六章 計(jì)算說明書 25 傳動(dòng)比的確定及步進(jìn)電機(jī)的選?。ǎ?25 傳動(dòng)比的確定 25 步進(jìn)電機(jī)選型 25 高度角蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)（） 26 高度角蝸輪轉(zhuǎn)矩T2的計(jì)算： 26 高度角蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)過程 26 方位角蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)（） 28 方位角蝸輪轉(zhuǎn)矩T2的計(jì)算： 28 方位角蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)過程 29 軸設(shè)計(jì)及校核 30 高度角蝸輪軸設(shè)計(jì)（） 30 方位角蝸輪軸設(shè)計(jì)（） 30 步進(jìn)電機(jī)的校核（） 31 高度角步進(jìn)電機(jī)的校核 31 方位角步進(jìn)電機(jī)的校核 31第七章 總結(jié)與展望 33參考文獻(xiàn) 34致謝 36第一章 緒論 研究背景、目的和意義 研究背景（1） 光伏發(fā)電及其特點(diǎn)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗劇增，化石能源日趨枯竭，加之與日俱增的化石燃料燃燒所造成的環(huán)境污染，給地球的生態(tài)平衡和人類的生活帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅。本文設(shè)計(jì)了一種天空云層監(jiān)測(cè)裝置，解決了這一問題。 現(xiàn)有的天空成像儀無(wú)法應(yīng)用于光伏發(fā)電的超短期功率預(yù)測(cè)。本文設(shè)計(jì)的天空云層監(jiān)測(cè)裝置能夠?qū)μ炜赵茍F(tuán)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為光伏發(fā)電超短期功率預(yù)測(cè)提供支持?jǐn)?shù)據(jù)。（2） 光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)的重要性因?yàn)楣夥l(fā)電具有波動(dòng)性和間歇性[5] ，大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行可能對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成影響。（3） 天空云層監(jiān)測(cè)裝置的作用天空云層監(jiān)測(cè)裝置是超短期功率預(yù)測(cè)的重要一環(huán)，它不同于地球同步衛(wèi)星拍攝的大范圍衛(wèi)星云圖，而是以地面觀測(cè)的方式，對(duì)當(dāng)?shù)貢?huì)對(duì)光伏發(fā)電有遮擋影響的低空云層，進(jìn)行更精確地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)估的裝置，能為超短期功率預(yù)測(cè)提供決策支持?jǐn)?shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理后，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)光伏發(fā)電功率進(jìn)行超短期功率預(yù)測(cè)，得到功率預(yù)測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期功率預(yù)測(cè)。但對(duì)低云和區(qū)域性云信息的描述可能不太理想[7] 。C。以上研究主要是對(duì)云高和云層厚度的研究，不能實(shí)現(xiàn)云層分布定位的測(cè)量。在進(jìn)行云識(shí)別時(shí)，白天和夜間采用了不同的算法，白天依靠可見光波段獲取圖像的紅藍(lán)對(duì)比閾值確定有云點(diǎn)。國(guó)外類似的技術(shù)方案是SLR2000激光測(cè)距系統(tǒng)。天空云層監(jiān)測(cè)裝置主要有以下內(nèi)容： 機(jī)械系統(tǒng)部分機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護(hù)模塊。除此之外，裝置需要對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行長(zhǎng)