【正文】 3]。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。此系統(tǒng)由5個單元模塊構(gòu)成，采用旋轉(zhuǎn)掃描的機(jī)械伺服單元，用非制冷紅外焦平面陣列(UIRFPA) 和掃描方式實(shí)現(xiàn)天空區(qū)域全天空紅外測云。 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(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，其中機(jī)械系統(tǒng)是設(shè)計的主要部分。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(jī)來采集圖像。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(jìn)行了詳細(xì)說明。第六章是計算說明書，對主要的設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的計算分析。（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(tuán)信息。 整機(jī)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(jī)，由單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動電路使電機(jī)工作。為了獲得太陽的定位信息，需要跟蹤太陽的運(yùn)動軌跡。高度角機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動，具有傳動比大、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題。 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計，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。旋轉(zhuǎn)。高度角跟蹤機(jī)構(gòu)通過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，可實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的360176。 高度角跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖注： ——蝸輪 ——蝸桿 相關(guān)零件的選用與設(shè)計（1） 垂直軸軸承的選用按軸承工作的摩擦性質(zhì)不同可分為滑動摩擦軸承和滾動摩擦軸承兩大類。 根據(jù)太陽能自動跟蹤的方式，同時考慮跟蹤的需要，選擇合適的電動機(jī)。查閱鋁合金的資料，選用牌號為4A01的鋁合金。該光電流經(jīng)運(yùn)放轉(zhuǎn)換放大后，作為偏差信號，用來控制跟蹤機(jī)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整，使太陽能電池板對準(zhǔn)太陽垂直照射的方向。本裝置需要采用二維跟蹤。跟蹤機(jī)構(gòu)的方位軸垂直于地平面，俯仰軸與方位軸垂直。方位角以正南方向為零，由南向東為負(fù)，由南向西為正，如太陽在正東，方位角為，在正西時方位角為。假定它以勻速運(yùn)行，這個假想的太陽就稱為平太陽，其周日的持續(xù)時間稱為平太陽日，相應(yīng)的小時稱為平太陽時（又稱地方時）。 太陽位置幾何計算模型，圖中XYZO為以跟蹤裝置所在地為原點(diǎn)建立的地平坐標(biāo)系，分別表示指向正上方(天頂Z方向)、正南方(X方向)、正東方(Y方向)的單位矢量，以單位矢量表示照射到跟蹤裝置所在地的光線。因此，地平坐標(biāo)系與時角坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系可以以下公式表示： (）： （）： （） （）、太陽方位角的計算公式。因此，必須采用真太陽時，以達(dá)到實(shí)際計算中的精度要求。系統(tǒng)開始工作時，首先判斷跟蹤機(jī)構(gòu)是否處于基準(zhǔn)位置，若偏離基準(zhǔn)位置，則驅(qū)動跟蹤機(jī)構(gòu)返回基準(zhǔn)位置。然后，分陰雨和晴朗或多云兩種情況，當(dāng)為晴朗或多云時，調(diào)用太陽運(yùn)動軌跡跟蹤子程序；當(dāng)陰雨天時直接跳過跟蹤子程序，不進(jìn)行跟蹤，直到天氣好轉(zhuǎn)后再繼續(xù)跟蹤。然后，根據(jù)兩個電機(jī)反饋的當(dāng)前位置信息，判斷跟蹤機(jī)構(gòu)是否處于基準(zhǔn)位置。因此，本課題不必采用紅外測云技術(shù)，可以采用基于可見光的測量技術(shù)即可。WSI采用能東西方向滑動的遮光盤，通過軟件控制在覆蓋視張角的轉(zhuǎn)動軌道上自動對太陽和月亮進(jìn)行遮擋[24]。但是在具體設(shè)計時，從計算中發(fā)現(xiàn)太陽張角過小，造成遮光塊的大小無法匹配。所以我們可以將遮光裝置和相機(jī)鏡頭進(jìn)行整合。所以可以借鑒WSI和WSC，增加一個防護(hù)罩[6]。第六章 計算說明書 傳動比的確定及步進(jìn)電機(jī)的選?。ǎ?傳動比的確定在地平坐標(biāo)系中，太陽高度角和太陽方位角是隨著一年四季和當(dāng)?shù)氐木暥茸兓?。綜上所述，可以得到下表： 機(jī)構(gòu)的傳動比以及步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動器的參數(shù)方位角高度角傳動比i4962步進(jìn)電機(jī)型號步距角（176。選擇材料 由于蝸桿傳動功率較小，速度較小，故蝸桿用 45鋼；因需要效率高，耐磨性較高，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45~55HRC。應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 壽命系數(shù) 則 （6）計算中心距查表11—2，由于中心距最小為40mm，所以取a=40mm，m=1mm，蝸桿分度圓直徑d1=18mm。10N/kg=，=，22mm247。 蝸桿蝸輪的主要參數(shù)和幾何尺寸 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)（mm）蝸桿參數(shù)蝸輪參數(shù)軸向齒距Pa=分度圓d2=60直徑系數(shù)q=16齒頂圓da2=齒頂圓da1=齒根圓df2=齒根圓df1=17外圓直徑de2=65導(dǎo)程角γ=3176。 方位角蝸輪軸設(shè)計（） 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)蝸輪輪轂的內(nèi)徑22mm，可依次確定圓螺母的螺紋軸段為M20的螺紋，深溝球軸承軸段的軸徑為15mm，圓錐滾子軸承軸段的軸徑為15mm。 轉(zhuǎn)動慣量校核已知：蝸桿、蝸輪、相機(jī)支架、21g、200g，、3cm、6cm。則，電機(jī)軸的等效轉(zhuǎn)動慣量為：所以，所選電機(jī)符合轉(zhuǎn)動慣量要求。根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量計算公式可得，高度角基板、高度角步進(jìn)電機(jī)、軸承座支架、相機(jī)、方位角蝸輪和高度角蝸輪對應(yīng)的轉(zhuǎn)動慣量分別為J1=17914g第七章 總結(jié)與展望光伏發(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)。(1) 在設(shè)計的后期階段對步進(jìn)電機(jī)有了更深的了解后，發(fā)現(xiàn)可以選用配有更高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動器的步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動或者選用帶有行星齒輪減速器的步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軸。本論文就是在鮑老師的悉心指導(dǎo)下完成的，鮑老師對論文的選題、方案的選取和改進(jìn)都給了精心的指導(dǎo)，并在論文的完成過程中，予以最大的支持和幫助。還要感謝小組全體成員，有困難時相互討論和幫助。(2) 可以對控制部分繼續(xù)完善，包括系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。本文主要設(shè)計一種能實(shí)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，解決了這一問題。cmJ3=1150gmm，步進(jìn)電機(jī)的許用轉(zhuǎn)矩為[T1]=cm2。軸承的選擇計算根據(jù)蝸輪輪轂的內(nèi)徑，深溝球軸承軸段的軸徑為15mm，所以選擇深溝球軸承6002；圓錐滾子軸承軸段的軸徑為15mm，所以選擇圓錐滾子軸承30302。螺旋角系數(shù) 許用彎曲應(yīng)力 從表11—8中查的由ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力。mm。 蝸桿蝸輪的主要參數(shù)和幾何尺寸 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)（mm）蝸桿參數(shù)蝸輪參數(shù)軸向齒距Pa=分度圓d2=62直徑系數(shù)q=18齒頂圓da2=64齒頂圓da1=20齒根圓df2=齒根圓df1=外圓直徑de2=66導(dǎo)程角γ=3176。 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計根據(jù)開式蝸桿傳動設(shè)計準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，設(shè)計公式為： 247。28BYG250C176。豎直旋轉(zhuǎn)軸的角速度即太陽方位角的變化速率： 水平旋轉(zhuǎn)軸的角速度即太陽高度角的變化速率： 從和可以看出豎直旋轉(zhuǎn)軸和水平旋轉(zhuǎn)軸的角速度相等。這樣既能保護(hù)鏡頭，又不影響透光效果。我們在鏡頭前加裝濾光片，或者定做一個遮光片。所以對地球上的任意一點(diǎn)，入射的太陽光之間具有一個很小的夾角，通常稱之為太陽張角。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)動裝置，可根據(jù)太陽位置的變化自動屈伸支撐臂以遮擋陽光[25]。采用基于可見光的測量技術(shù)，我們可以使用一個CCD（或者CMOS）相機(jī)來采集圖像，并采用一個適當(dāng)增大視張角的光路系統(tǒng)即可。 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。其中，延時時間的范圍為0 ~ 10min，可以根據(jù)用戶的要求來設(shè)定。然后獲取系統(tǒng)當(dāng)前的日期、時間信息，以及系統(tǒng)所在地的經(jīng)度和緯度值，計算出當(dāng)天的日出和日落時間，并判斷當(dāng)前時間是否為日出后、日落前?！碧枌|半球為正，西半球為負(fù)。因此，可得太陽跟蹤控制系統(tǒng)水平軸、垂直軸旋轉(zhuǎn)角： （） （），跟蹤裝置兩個軸的旋轉(zhuǎn)角由跟蹤裝置安裝地理位置的緯度角、太陽赤緯角和太陽時角決定。在地平坐標(biāo)系中，用太陽高度角和方位角就可以確定太陽在天球中的位置。反之，也可由平太陽時求出真太陽時，兩者之間存在的差值即為時差。（6） 時角：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的日地中心連線在赤道面上投影之間的夾角。綜上所述，本裝置采用視日運(yùn)動軌跡跟蹤中的高度角—方位角式全跟蹤。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。但本文中的裝置不僅要跟蹤太陽的運(yùn)動，還要預(yù)測云層對太陽的遮擋。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(shí)現(xiàn)太陽跟蹤的方法主要有光電跟蹤和太陽運(yùn)動軌跡跟蹤兩種[24]。 綜合考慮速度控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)，本文選用步進(jìn)電機(jī)作為動力源。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)。高度角跟蹤機(jī)構(gòu)通過1組蝸輪蝸桿實(shí)現(xiàn)相機(jī)在豎直平面內(nèi)的傾角調(diào)整。蝸桿一端與電機(jī)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。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(jī)構(gòu)中的蝸輪蝸桿傳動同步（方位角機(jī)構(gòu)和高度角機(jī)構(gòu)的角速度相等）。所以這個機(jī)械跟蹤機(jī)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。實(shí)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(tuán)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(jī)。（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。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。第二章主要介紹了天空云層監(jiān)測裝置的總體方案設(shè)計。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(hù)鏡頭和整個裝置，本文設(shè)計了一個滿足要求的鈑金外殼?？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。此后，王昊京等人針對其機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)，并提出了云層空間分布定位的標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)了大視場的云層分布定位。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。（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。C至44176。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。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。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。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(jī)過程，具有很強(qiáng)的非線性[3]，其發(fā)電量和輸出電功率隨機(jī)性強(qiáng)、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] 。本文采用視日運(yùn)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(jī)實(shí)時跟蹤太陽。本文主要設(shè)計一種能實(shí)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。該裝置包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，其中機(jī)械系統(tǒng)是設(shè)計的主要部分。近年來，世界各國競相實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的能源政策。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(yùn)行的安全性和穩(wěn)