【正文】 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。 綜上所述，本裝置采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤中的高度角 — 方位角式全跟蹤。 （ 6） 時(shí)角 ? ：地 面上任意一點(diǎn)與地心之間的連線在赤道面上的投影與當(dāng)?shù)卣鐣r(shí)的日地中心連線在赤道面上投影之間的夾角。反之，也可由平太陽(yáng)時(shí)求出真 太陽(yáng)時(shí)，兩者之間存在的差值即為時(shí)差。由公式 可以看出，在地平坐標(biāo)系中，用太陽(yáng)高度角 ? 和方位角 ? 就 可以確定太陽(yáng)在天球中的位置。因此，可得太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)水平軸、垂直軸旋轉(zhuǎn)角： )c o sc o sc o ss in( s in1 ?????? ?? a r c （ ） )c o ss inc o sa r c s in (2 ? ??? ? （ ） ?浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 由公式 和 可以看到，跟蹤裝置兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)角由跟蹤裝置安裝地理位置的緯度角 ? 、太陽(yáng)赤 緯角 ? 和太陽(yáng)時(shí)角 ? 決定?！碧?hào)對(duì)東半球?yàn)檎?，西半球?yàn)樨?fù)。然后獲取系統(tǒng)當(dāng)前的日期、時(shí)間信息，以及系統(tǒng)所在地的經(jīng)度和緯度值，計(jì)算出當(dāng)天的日出和日落時(shí)間，并判斷當(dāng)前時(shí)間是否為日出后、日落前。其中， 延時(shí)時(shí)間的范圍為 0 ~ 10min，可以根據(jù)用戶的要求來(lái)設(shè)定。 從流程圖中可以看出，普通的軌跡跟蹤和跟蹤機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)至起始位置的跟蹤是不一樣的。采用基于可見(jiàn)光的測(cè)量技術(shù)，我們可以使用一個(gè) CCD（或者 CMOS）相機(jī)來(lái)采集圖像，并采用一個(gè)適當(dāng)增大視張角的光路系統(tǒng)即可。也可以選擇將轉(zhuǎn)動(dòng)軌道改進(jìn)成較細(xì)的支撐柱， 其長(zhǎng)度可根據(jù)不同地區(qū)進(jìn)行選擇，有的需要視張角 ?180 的遮光，有的只需要部分遮蓋。具體分析如下： 太陽(yáng)本身是一個(gè)表面具有 6000K 左右的大火球，盡管太陽(yáng)距離地球很遠(yuǎn)，但對(duì)地球來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)并非點(diǎn)光源，而是日輪。 本文選用的相機(jī)為 AVT_Manta_G201 相機(jī)，該相機(jī)還可提供模塊化選配件。本文采用一個(gè)高透光的塑料圓頂，圓頂?shù)那蛐呐c相機(jī)兩旋轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)重合。所以我們?nèi)√?陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角的最大角度 ?90 和 ?180 ，晝夜時(shí)長(zhǎng)平分為 12h 進(jìn)行后面的相關(guān)計(jì)算。本文采用鈑金件制作外殼，材料為 SECC。因此，只要這個(gè)遮光片上有一個(gè)大小合適的、剛好能遮住太陽(yáng)的像的遮光點(diǎn)就能滿足要求，如圖 。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。 （ 1） 方案一 圖 遮光裝置（方案一） 方案一采用一個(gè)凸面鏡來(lái)采集圖像，此 時(shí)相機(jī)倒置，并在相機(jī)鏡頭前放置一個(gè)遮光塊。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(gè)外殼保護(hù)鏡頭和整個(gè)裝置。因此，有必要把這兩種情況下的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式加以區(qū)分。其中，高度角電機(jī)帶動(dòng)相機(jī)做俯仰運(yùn) 動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)高度角的變化，向上轉(zhuǎn)為正；方位角電機(jī)帶動(dòng)相機(jī)做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以跟蹤太陽(yáng)方位角的變化，向西轉(zhuǎn)為正。 跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)自起始位置后，系統(tǒng)才進(jìn)入跟蹤循環(huán)。由于日出日落時(shí)，太陽(yáng)高度角 ??0? 。由于太陽(yáng)在一年中的時(shí)角運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時(shí)間采用平均太陽(yáng)時(shí)（簡(jiǎn)稱平太陽(yáng)時(shí) t ），即太陽(yáng)沿著周年運(yùn)動(dòng)的平均速率，真太陽(yáng)時(shí) st 與 平太陽(yáng)時(shí) t 之差即稱為時(shí)差 E。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(huì)影響到實(shí)際計(jì)算。但是該算法的計(jì)算要運(yùn)用立體幾何等方法，相對(duì)比較復(fù)雜，直觀上不能反映出太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律。 （ 10） 真太陽(yáng)時(shí) st 與平太陽(yáng)時(shí) t ：由于太陽(yáng)在黃道上的運(yùn)動(dòng)速度并不均勻，而是時(shí)快時(shí)慢。 （ 3） 太陽(yáng)高度角 ? ：指從太陽(yáng)中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角，其值在 ?0到 ?90 之間變化，日出日落時(shí) 為 ?0 ，太陽(yáng)在正天頂時(shí)為 ?90 。極軸式跟蹤方式原理上相對(duì)簡(jiǎn)單，但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不能通過(guò)極軸軸線，在設(shè)計(jì)極軸支承裝置相對(duì)困難 [25]。該跟蹤方式是一種基于開(kāi)環(huán)控制的跟蹤方法。在安裝使用過(guò)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(yáng)垂直入射時(shí)，光敏元件的光敏面全部處于陰影區(qū)域。 （ 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。電動(dòng)機(jī)的工作效率較高，又沒(méi)有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 圖 高度角跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖 注： 8.相機(jī) —— 蝸輪 —— 蝸桿 相關(guān)零件的選用與設(shè)計(jì) （ 1） 垂直軸軸承的選用 按軸承工作的摩擦性質(zhì)不同可分為滑動(dòng)摩擦軸承和滾動(dòng)摩擦軸承兩大類。 高度角跟蹤機(jī)構(gòu)通過(guò)支撐法蘭安裝在方位角跟蹤機(jī)構(gòu)上，并由方位角跟蹤機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的 360176。旋轉(zhuǎn)。 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 所示為二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)總體示意圖，主要由底座支架、方位角跟蹤機(jī)構(gòu)、高度角跟蹤機(jī)構(gòu)和相機(jī)組成。 高度角機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，具有傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊和能自鎖等優(yōu)點(diǎn)，并且解決了四連桿在定位精度上的問(wèn)題。為了獲得太陽(yáng)的定位信息，需要跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。再由電機(jī)帶動(dòng)二軸雙自由度的機(jī)械跟蹤模塊旋轉(zhuǎn)與當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度角 h 和方位角 A 相對(duì)應(yīng)的角度，使成像模塊和遮光模塊對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，從而自浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。參考 TSI 的圖像解析度，最低要求為 352288 色彩， 24Bit， JPEG 格式。 第七章主要對(duì)本文設(shè)計(jì)的天空云層監(jiān)測(cè)裝置進(jìn) 行總結(jié)和對(duì)該裝置的發(fā)展展望。 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(cè)在光伏發(fā)電中的重要性、天空成像 儀對(duì)超短期功率預(yù)測(cè)的作用和天空云層監(jiān)測(cè)裝置的發(fā)展研究現(xiàn)狀。 鏡頭保護(hù)模塊包括遮光裝置和外殼部分。機(jī)械系統(tǒng)主要是設(shè)計(jì)一個(gè)二雙軸自由度的機(jī)械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護(hù)模塊。此系統(tǒng)通過(guò)拼圖、溫度定標(biāo)、大氣修正、云識(shí)別等數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)全天候云層輻射測(cè)量，輻射定標(biāo)處理以及云類型識(shí)別。早期的全天空成像儀工作在中心波長(zhǎng)為 450 nm 和 650 nm 的兩個(gè)波段，分別是 70 nm 寬，后來(lái)增加了中心波長(zhǎng)在800 m 的波段。以上方法主要是對(duì)云量進(jìn)行定量測(cè)量，并且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì) 云層的定位，但是只能獲得白天或明夜的云層信息。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。衛(wèi)星遙感測(cè)云儀器如甚高分辨率輻射計(jì)(AVHRR)、多光譜掃描儀 (LANDSATMSS)、中分辨率成像光譜儀 (MODIS)等 [6]。針對(duì)現(xiàn)有的天空成像儀應(yīng)用于一定范圍內(nèi)的天空?qǐng)D像采集時(shí)存在的不足，本課題將有針對(duì)性地對(duì)現(xiàn)有的天空成像儀進(jìn)行改進(jìn)。目前，超短期功率預(yù)測(cè)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(cè)云層運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)未來(lái)幾小時(shí)內(nèi)的云層指數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后通過(guò)云層指數(shù)與地面輻照強(qiáng)度的線性關(guān)系得到地面輻照強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值，再通過(guò)效率模型得到光伏電站輸出功率的預(yù)測(cè)值 [5]。 2020年以前，我國(guó)的光伏發(fā)電多處于獨(dú)立光伏發(fā)電階段， 2020～ 2020年，中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)將會(huì)由獨(dú)立系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) [2]。該機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，完成對(duì)太陽(yáng)高度角和方向角的跟蹤。光伏發(fā)電的功率預(yù)測(cè)，尤其是超短期的功率預(yù)測(cè)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)。機(jī)械系統(tǒng)主要包括一個(gè)雙軸二自由度的機(jī) 械跟蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護(hù)模塊。太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電即光伏發(fā)電事業(yè)也備受矚目 [1] 。 光伏功率預(yù)測(cè)從時(shí)間尺度上可以分為超短期功率預(yù)測(cè)和短期功率預(yù)測(cè) 。 而天空云層監(jiān)測(cè)裝置很好地彌補(bǔ)了無(wú)法捕捉到短時(shí)的云層變化信息的缺點(diǎn)。 研究現(xiàn)狀分析 云層的監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用于氣象學(xué)，云的觀測(cè)是氣象觀測(cè)的重要內(nèi)容，準(zhǔn)確地獲取云的信息，對(duì)于天氣預(yù)報(bào)、氣候研究以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事等諸多領(lǐng)域都有十分重要的意義。 （ 2） 基于可見(jiàn)光或近紅外的測(cè)量 可見(jiàn)光波段測(cè)云法直接采用照相機(jī)對(duì)天空進(jìn)行拍攝。時(shí)可以反演出天空云的分布。 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(jī)，加裝魚眼鏡頭得到全天空?qǐng)D像（視張角為180176。 （ 5） 紅外測(cè)云 利用大氣紅外輻射進(jìn)行云層測(cè)量是地基云層遙感的發(fā)展趨勢(shì)，如紅外云分析儀 ( ICA)[17]和紅外云成像儀 [18]的應(yīng)用。 紅外測(cè)云技術(shù)不受時(shí)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(shì)。 成像模塊的作用是能獲 取以太陽(yáng)為中心的云團(tuán)圖像。 本文采用矢量方法，分別建立太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡的時(shí)角坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，通過(guò)跟蹤控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的坐標(biāo)系，對(duì)這些坐標(biāo)系的變換來(lái)建立跟蹤裝置的運(yùn)動(dòng)方程。 第五章主要對(duì)成像與鏡頭保護(hù)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 （ 3） 成像模塊的視場(chǎng)角 ? ：即以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點(diǎn)，以被測(cè)目標(biāo)的物象可通過(guò)鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角。 （ 8） 尺寸與重量：最大尺寸不超過(guò) 404040(cm)，最大重量不超過(guò) 15kg。以上過(guò)程的流程框圖如圖 所示。 但是四連桿機(jī)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)：本文中四連桿主要用于傳動(dòng)和定位，在定位精度上，四連桿機(jī)構(gòu)收到加工精度和安裝精度的影響很大；存在死點(diǎn)等問(wèn)題。但是因?yàn)楸狙b置結(jié)構(gòu)過(guò)小，最小型號(hào)的外球面軸承在結(jié)構(gòu)匹配上還是存在很多問(wèn)題。 圖 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)總體示意圖 注： 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)主要由 3 個(gè)底座基板、 1 個(gè)步進(jìn)電機(jī)、 l組蝸輪蝸桿、 1個(gè)蝸輪軸、 2 個(gè)蝸桿支承座、 1 個(gè)電機(jī)支承座、 2 個(gè)軸承、 2 個(gè)軸承座、 1 個(gè)支撐法蘭、 1 個(gè)高度角基板以及1 個(gè)螺母等組成，如圖 所示。步進(jìn)電機(jī)則安裝在電機(jī)支承座上。步進(jìn)電機(jī)則安裝在電機(jī)支承座上。軸承的相關(guān)校核計(jì)算見(jiàn) 。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(guò)一個(gè)步距角。 （ 1） 光電跟蹤 光電跟蹤通過(guò)使用光敏二極管、光敏電阻、硅光電池等光 敏元件，來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)方向，并控制跟蹤裝置追蹤太陽(yáng)的運(yùn)行。如果采用光電跟蹤，云層對(duì)太陽(yáng)光產(chǎn)生遮擋時(shí)，跟蹤精度將大大降低，此時(shí)無(wú)法得到有效的圖像信息，以致于無(wú)法預(yù)測(cè)云層何時(shí)不再遮擋太陽(yáng)光。 極軸式全跟蹤：豎直旋轉(zhuǎn)軸與天球北極（即地軸）平行，另一軸與天球北極垂直，即赤緯軸。 設(shè)計(jì)中的 重要參數(shù) 及定義 本文主要涉及到太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算，首先了解其中一些重要參數(shù)的含義和表達(dá)式 [26][27]。 （ 7） 緯度角 ? ：是指某點(diǎn)與地球球心的連線和地球赤道面所成的線面角，其數(shù)值在 0至 90 度之間。 ?浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤設(shè)計(jì) 跟蹤裝置的控制算法是根據(jù)天體的運(yùn)行規(guī)律計(jì)算出太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，使鏡頭主光軸正對(duì)太陽(yáng)。 圖中 oxyz? 為以地心為原點(diǎn)建立的時(shí)角坐標(biāo)系， z 軸指向地球軸北極， x 軸為自地心指向跟蹤裝置所在地經(jīng)線與赤道的交點(diǎn)， y軸在地球赤道平面內(nèi)并與 x， z 構(gòu)成右手坐標(biāo)系， i? ，j? ， k? 為相應(yīng)方向的單位矢量。 根據(jù) Cooper 方程，每天的太陽(yáng)赤緯角萬(wàn)可以由以下公式求得： )365284360s in ( n???? （ ） 其中 n 為日期在年內(nèi)的序號(hào)，即積日。 E 表示時(shí)差，可由下式求出： BBBE s o ??? （ ） 其中， 364 )81(360 ?? nB ， n 為積日。若不滿足條件，則系統(tǒng)待機(jī)延時(shí)一段時(shí)間；反之，由計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)自起始位置，使得跟蹤系統(tǒng)正常運(yùn)行。在下一次跟蹤前，要判斷當(dāng)前時(shí)間是否在日落之前，如果是，則繼續(xù)跟蹤循環(huán)；反之，跳出跟蹤循環(huán)，并驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置返回基準(zhǔn)位置，跟蹤系統(tǒng)停止工作。因浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 為，普通軌跡跟蹤時(shí)，太陽(yáng)從早到晚是自東向西轉(zhuǎn)的，所以方位角電機(jī)總是正轉(zhuǎn)；而太陽(yáng)在天空中的高度是先升后降的。查閱相關(guān)資料，我們選擇AVT_Manta_G201 相機(jī)，該相機(jī)還可提供板級(jí)版 本以及模塊化選配件，為 中的遮光裝置提供技術(shù)支持。 ASI 采用的遮光方式與改進(jìn)后的 WSI 的遮光方式較為類似，但采用的是類似機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，可根據(jù)太陽(yáng)位置的變化自動(dòng)屈伸支撐臂以遮擋陽(yáng)光 [25]。所以對(duì)地球上的任意一點(diǎn)，入射的太陽(yáng)光之間具有一個(gè)很小的夾角，通常稱之為太陽(yáng)張角。我們?cè)阽R頭前加裝濾光片，或者定做一個(gè)遮光片，如圖 。這樣既能保護(hù)鏡頭，又不影響透光效果。 豎直旋轉(zhuǎn)軸的角速度 1? 即太陽(yáng)方位角的變化速率： s/ 6 0 012 180 31 ???? ?? ?? 水平旋轉(zhuǎn)軸的角 速度 2? 即太陽(yáng)高度角的變化速率： s/ 6 0 06 90 32 ???? ?? ?? 從 1? 和 2? 可以看出豎直旋轉(zhuǎn)軸和水平旋轉(zhuǎn)軸的角速度相等。 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 23?