【正文】 塑料圓頂的材料選用 PMMA，透光率可達90%~92%，具有優(yōu)良的耐氣候性。根據日地距離平均值為 14 960 萬千米 ， 萬千米，可以得到太陽張角 ? 的值。相關參數見表 。 浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 21 主 程 序 開 始跟 蹤 機 構 處 于 基 準 位 置 ？讀 取 系 統(tǒng) 當 前 時 間回 基 準 位 置待 機 延 時日 出 后 a n d 日 落 前 ？跟 蹤 機 構 轉 至 起 始 位 置天 氣 狀 況 ？晴 天 o r 多 云 陰 雨太 陽 運 動 軌 跡 跟 蹤子 程 序延 時 一 定 時 間NNNYY日 落 后 a n d 日 出 前 ？Y回 基 準 位 置結 束 圖 跟蹤主程序流程圖 太陽運動軌跡跟蹤子程序設計 依據太陽運動軌跡跟蹤算法編寫相應的運動軌跡跟蹤程序，其跟蹤流程如圖 所示。 由于太陽每小時經過的經度角為 ?15 ，并規(guī)定以太陽正午時刻為零點，順時針方向 (下午 )為正，逆時針方向（下午）為負。由天體物理學可知，單位矢量 S? 與赤道平面的夾角 ? 為太陽赤緯角； S? 在赤道平面內的投影與 x 軸的夾角 ? 為時角，規(guī)定從北極看，順時針方向為正，逆時針方向為負。 （ 8） 太陽入射角 ? ：相機主光軸與太陽入射光的夾角。跟蹤控制器工作時，整個機構繞極軸旋轉，根據地球自轉設定不同的角速度，但跟蹤方向相反?？梢姡摳櫡绞绞且环N基于閉環(huán)控制的跟蹤方法。 （ 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。 詳細計算與校核見 與 。 浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 11 （ 4） 方案四：兩組蝸輪蝸桿傳動 圖 機械跟蹤機構（方案四） 該方案對以上三種方案進行了綜合，并對結構進行了更具體的細化，最終采用兩組蝸 輪蝸桿傳動，并設計了一種滿足要求的軸承座，具體結構在 中進行論述。 數 據 庫 查 詢 模 塊 控 制 模 塊 電 機 驅 動 電 路 機 械 結 構 模 塊成 像 和 遮 光 模 塊圖 像 采 集 模 塊圖 像 預 處 理 模 塊云 點 識 別處 理 后 的 圖 像去 噪偽 彩閾 值 法定 位 模 型定 位 信 息 P o仰 角 E l方 位 角 A z灰 度 法厚 度 信 息 T h二 值 化面 積 信 息 S神經網絡軌 跡 信 息 V云 體 簡 化軌 跡 模 擬功 率 預 測 信 號 圖 天空云層監(jiān)測裝置的流程框圖 浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 9 第三章 機械跟蹤模塊設計 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。參考標準鏡頭的視場角，取 ??30? 。 算法流程圖包括跟蹤主程序流程圖和跟蹤子程序流程圖。隨著機械結構的不斷改進、含有橢球反射鏡的新的光學系統(tǒng)的出現(xiàn)和紅外傳感器分辨率的提高，紅外測云技術已經越來越完善。）。 Bradbury 等人 [9] 曾利用模擬式相機 研究了云的觀測問題，指出利用這樣的系統(tǒng)可以確定云底高度和云底的運動，并用于對衛(wèi)星反演的云參數進行驗證；十幾年前，歐洲的 Gardiner 等采用魚眼照相機拍攝照片來測量云量 [10] ；美國 Yankee 環(huán)境系統(tǒng)公司 (YES)研制出了總天空成像儀 TSI[11]，其前身是半球天空成像儀 HIS(hemispheric sky imager)。天空云層監(jiān)測裝置通過對天空云層的實時監(jiān)控得到云層的實時位置信息，并通過一定算法預測云層變化對地面輻照強度的影響，將其作為模型的輸入變量，代替以天為單位的數值天氣預報的信息，就可以跟蹤光伏電站輸出功率的短時波動。 以光伏電池技術為核心的光伏利用成為太陽能開發(fā)利用中最重要的應用領域，利用光伏發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點：結構簡單，體積小且輕；容易安裝運輸，建設周期短；維護簡單，使 用方便；清潔、安全、無噪聲；可靠性高，壽命長，并且應用范圍廣。浙江工業(yè)大學畢 業(yè)設計（論文） 本科畢業(yè)設計 (論文 ) 題目 ： 天空云層監(jiān)測裝置設計 學 院： 機 械 工 程 學 院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 班 級： 20xx級 02 班 學 號： 20xx02070215 學生姓名： 李 理 指導老師： 鮑官軍 提交日期： 20xx 年 6 月 8 日 浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） I 摘要 由于能源緊缺，太陽能光伏發(fā)電在全球范圍內得到推廣應用。 基于以上優(yōu)點，光伏發(fā)電產業(yè)在近幾年得到迅速發(fā)展。 研究的目的和意義 天空云層監(jiān)測裝置是超短期功率預測的重要一環(huán)，但現(xiàn)有的天空云層 監(jiān)測裝置無法實現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期功率預測。它將 CCD 相機安裝在頂部，向下對準底部有加熱裝置的曲面鏡進行全天空鏡像拍攝。另外還包括光譜過濾器、帶加熱設備的磨砂玻璃罩等裝置。 本文主要研究內容 本文所研究設計的 天空云層監(jiān)測裝 置 ，包括機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，其中機械系統(tǒng)是設計的主要部分。本文通過流程圖結合文字說明對跟蹤系統(tǒng)的控制方案和控制步驟進行了詳細說明。 （ 4） 圖像解析度：解析度過高，數據的處理速度會過慢；解析度過低，無法得到精確的云團信息。因為本課題不同于普通的氣象云層監(jiān)測系統(tǒng)，不是只需要取得云層的信息，而是需要同時獲得云層和太陽的定位信息。 綜上所述，采用方案四，由兩組蝸輪蝸桿傳動。 浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 13 圖 方位角跟蹤機構結構示意圖 注： a b c a 球軸承 17. 蝸輪軸 b 高度角跟蹤機構的結構 高度角跟蹤機構主要由 1 個步進電機、 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 個蝸輪支承座 2 個圓螺母、以及 4 個軸承等組成， 如圖 所示。電動機的使用和控制非常方便，能滿足各種運行要求。國內常用的光電跟蹤機械裝置形式，主要有電動式和電磁式。由于赤緯角隨季節(jié)變化，應定期調整相機主光軸使其圍繞赤緯軸俯仰轉動。 （ 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。因此， 根據圖所示，在時角坐標系中 S? 為： S? = kji ??? ????? ????? s inc o sc o sc o ss in () 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?S?浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 18 點。因此，由式 ， 可由求得以當地真太陽時 st 計算，所得出的時角 ? ： )12(15 ?? st? （ ） 將式 ， 代入 ， ，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： ),(11 tnLloc??? ? （ ） ),(22 tnLloc??? ? （ ） 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 1? 和日落時角 2? [28]。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。 表 相機參數 型號 接口 分辨率 幀數 傳感器類型 A/D 內存 G201 GigE 16241234 14/30 fps 1/ CCD 14 位 32 MB 鏡頭保護模塊設計 鏡頭保護模塊包括遮光裝置和外殼部分。 235 3 4 9 6 3 9a r c t a n ?????? 當遮光塊與鏡頭間的距離為 100mm 時，遮光塊的直徑為 ，尺寸過小。 除了鏡頭，裝置中的機械機構和控制部分 也需要外殼的保護。這樣既能保護鏡頭，又不影響透光效果。所以對地球上的任意一點，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。查閱相關資料，我們選擇AVT_Manta_G201 相機，該相機還可提供板級版 本以及模塊化選配件，為 中的遮光裝置提供技術支持。在下一次跟蹤前，要判斷當前時間是否在日落之前，如果是，則繼續(xù)跟蹤循環(huán)；反之，跳出跟蹤循環(huán)，并驅動跟蹤裝置返回基準位置，跟蹤系統(tǒng)停止工作。 E 表示時差，可由下式求出： BBBE s o ??? （ ） 其中， 364 )81(360 ?? nB ， n 為積日。 圖中 oxyz? 為以地心為原點建立的時角坐標系， 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線與赤道的交點， y 軸在地球赤道平面內并與 x， z 構成右手坐標系， i? ，j? ， k? 為相應方向的單位矢量。 （ 7） 緯度角 ? ：是指某點與地球球心的連線和地球赤道面所成的線面角，其數值在 0至 90 度之間。 極軸式全跟蹤：豎直旋轉軸與天球北極（即地軸）平行，另一軸與天球北極垂直，即赤緯軸。 （ 1） 光電跟蹤 光電跟蹤通過使用光敏二極管、光敏電阻、硅光電池等光 敏元件，來檢測太陽的運動方向，并控制跟蹤裝置追蹤太陽的運行。軸承的相關校核計算見 。步進電機則安裝在電機支承座上。但是因為本裝置結構過小，最小型號的外球面軸承在結構匹配上還是存在很多問題。以上過程的流程框圖如圖 所示。 （ 3） 成像模塊的視場角 ? ：即以光學儀器的鏡頭為頂點，以被測目標的物象可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構成的夾角。 本文采用矢量方法，分別建立太陽的運行軌跡的時角坐標系和地平坐標系，通過跟蹤控制系統(tǒng)的運動規(guī)律的坐標系，對這些坐標系的變換來建立跟蹤裝置的運動方程。 紅外測云技術不受時間的限制，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。 其光學部分采用512512 分辨率的 16 位高質量的溫控 CCD 相機，加裝魚眼鏡頭得到全天空圖像（視張角為180176。 （ 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行拍攝。 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。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] 。光伏發(fā)電的功率預測，尤其是超短期的功率預測能夠給與光伏發(fā)電系統(tǒng)相連的電力網絡、用戶和用電設備等 ，提供 必不可少的數據。 20xx年以前，我國的光伏發(fā)電多處于獨立光伏發(fā)電階段， 20xx～ 2020年，中國太陽能發(fā)電市場將會由獨立系統(tǒng)轉向并網發(fā)電系統(tǒng) [2]。針對現(xiàn)有的天空成像儀應用于一定范圍內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)有的天空成像儀進行改進。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。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。機械系統(tǒng)主要是設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。 本文結構 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測在光伏發(fā)電中的重要性、天空成像 儀對超短期功率預測的作用和天空云層監(jiān)測裝置的發(fā)展研究現(xiàn)狀。參考 TSI 的圖像解析度，最低要求為 352288 色彩， 24Bit， JPEG 格式。為了獲得太陽的定位信息，需要跟蹤太陽的運動軌跡。 二自由度機械跟蹤機構設計 圖 所示為二自由度機械跟蹤機構總體示意圖，主要由底座支架、方位角跟蹤機構、高度角跟蹤機構和相機組成。 高度角跟蹤機構通過支撐法蘭安裝在方位角跟蹤機構上，并由方位角跟蹤機構驅動，可實現(xiàn)水平面內的 360176。電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。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。極軸式跟蹤方式原理上相對簡單，但因為結構上反射鏡的重量不能通過極軸軸線，在設計極軸支承裝置相對困難 [25]。 （ 10） 真太陽時 st 與平太陽時 t ：由于太陽在黃道上的運動速度并不均勻，而是時快時慢。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影響到實際計算。由于日出日落時，太陽高度角 ??0? 。其中，高度角電機帶動相機做俯仰運 動，以跟蹤太陽高度角的變化，向上轉為正；方位角電機帶動相機做水平旋轉運動，以跟蹤太陽方位角的變化，向西轉為正。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。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。本文采用鈑金件制作外殼，材料為 SECC。本文采用一個高透光的塑料圓頂，圓頂的球心與相機兩旋轉軸