【正文】 的交點(diǎn)重合。具體分析如下： 太陽本身是一個(gè)表面具有 6000K 左右的大火球，盡管太陽距離地球很遠(yuǎn)，但對地球來說，太陽并非點(diǎn)光源，而是日輪。采用基于可見光的測量技術(shù)，我們可以使用一個(gè) CCD（或者 CMOS）相機(jī)來采集圖像，并采用一個(gè)適當(dāng)增大視張角的光路系統(tǒng)即可。其中， 延時(shí)時(shí)間的范圍為 0 ~ 10min，可以根據(jù)用戶的要求來設(shè)定?！碧枌|半球?yàn)檎?，西半球?yàn)樨?fù)。由公式 可以看出，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。 （ 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。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。 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第四章 跟蹤算法設(shè)計(jì) 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]。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，代號分別為 30302 和 6002。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。 此方案在結(jié)構(gòu)上對以上幾個(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。最后，將得到的信息信號輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對光伏發(fā)電功率進(jìn)行超短期功率預(yù)測，得到功率預(yù)測信號，最終實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的超短期功率預(yù)測。本裝置采集到的圖像要為云軌跡算法提供原始數(shù)據(jù)，有較高的精度要求，取跟蹤精度 ??? 1? 。 控制系統(tǒng)部分 控制系統(tǒng)主要包括跟蹤算法的計(jì)算分析和算法流程圖。此監(jiān)視系統(tǒng)使用線陣長波紅外探測器采集尺寸為120120 像素的圖像，采用串口傳輸圖像數(shù)據(jù)；監(jiān)測設(shè)備有 4 條機(jī)械支架，有較大面積的成像遮攔；另外云圖只包含 3 種成分（晴朗、霾、云），可以給出天空輻射圖 [21]。美國加利福尼亞大學(xué)研制成功了一種全天空成像儀 WSI[16]。地基遙感測云儀器根據(jù)測量技術(shù)主要分為以下幾種： （ 1） 微波氣象雷達(dá)和遙感輻射測量 這是兩種比較傳統(tǒng)的方法，可以做到云層的監(jiān)測，但存在體積大、質(zhì)量大、能耗高、成本高和靈敏度不夠等缺點(diǎn) [8]。盧靜等人采用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，把測試數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)構(gòu)的部分預(yù)測值和實(shí)際值進(jìn)行比較，并發(fā)現(xiàn)浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 以數(shù)值天氣預(yù)報(bào)作為 輸入氣象數(shù)據(jù)的短期光伏發(fā)電功率預(yù)測只能跟蹤光伏電站數(shù)據(jù)功率的趨勢，捕捉不到短時(shí)的云層變化信息，因此不能跟蹤光伏電站輸出功率的短時(shí)波動 [5] 。近年來，世界各國競相實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的能源政策。本文主要設(shè)計(jì)一種能實(shí)時(shí)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。 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(gè)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(shí)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] 。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。C 至 44176。 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?？刂葡到y(tǒng)主要以跟蹤算法設(shè)計(jì)為主，包括跟蹤算法的計(jì)算分析和算法流程圖。 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(jì)。 （ 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。根據(jù)太陽的運(yùn)動特征，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)雙軸二自由度的機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)。方位角跟蹤機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動自由度，高度角跟蹤機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)豎直方向的轉(zhuǎn)動自由度。旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)太陽能自動跟蹤的方式，同時(shí)考 慮跟蹤的需要，選擇合適的電動機(jī)。當(dāng)太陽方位發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件因受到陽光的照射，將產(chǎn)生并輸出與光照強(qiáng)度和光照面積成正比的光電流。 高度角 — 方位角式全跟蹤：此種方法又稱地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤。因此，真太陽日的長短也就各不相同，但人們在實(shí)際生活需要一種均勻不變的時(shí)間單位，這就需要一個(gè)假想的太陽。地平坐標(biāo)系和時(shí)角坐標(biāo) 系之間的變換關(guān)系如圖 所示： 圖 坐標(biāo)系變換關(guān)系 由圖 中可以看出： I? 與 j? 之間的夾角為跟蹤裝置所在地的緯度角 ? ， K? 與 k? 重合，I? 與 i? 的夾角為 ???90 。因此，由式 可計(jì)算出： )ta nta na r c c o s ( ??? ?? （ ） 且根據(jù)時(shí)角 ? (上午時(shí) ??0? ，下午時(shí) ??0? )，得到日出和日落時(shí)角的表達(dá)式為： )t a nt a na rc c o s (1 ??? ??? （ ） )t a nt a na rc c o s (2 ??? ?? （ ） 計(jì)算出日出時(shí)角和日落時(shí)角后，由式 可得出日出時(shí)間 1T 和日落時(shí)間 2T ，即： 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 1512 11 ???T （ ） 1512 22 ???T （ ） 算法流程圖 跟蹤主程序設(shè)計(jì) 跟蹤系統(tǒng)主流程如圖 所示。 程序開始執(zhí)行時(shí)，計(jì)算機(jī)首先計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻太陽高度角和方位角的理論值，并與上一次跟蹤時(shí)的理論值作差，得到跟蹤間隔內(nèi)太陽高度角和方位角的變化值，并推算出高度角電機(jī)和方位角電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)。除此之外，本課題需要對太陽進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測，此時(shí)鏡頭長時(shí)間暴露在高強(qiáng)度光照下，容易出現(xiàn)損壞，所以還需要設(shè) 置一個(gè)對太陽的遮光裝置。但是這樣會增加裝置的總體尺寸，所以不合理。并制作了一個(gè)底座，用于裝置與地面的連接，該底座由槽鋼焊接而成。所以可以借鑒 WSI 和 WSC，增加一個(gè)防護(hù)罩 [6]。 但是在具體設(shè)計(jì)時(shí)，從計(jì)算中發(fā)現(xiàn)太陽張角過小，造成遮光塊的大小無法匹配。同時(shí)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(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)掃描的機(jī)械伺服單元 [19]。 一次跟蹤完成后，程序延時(shí)等待一段時(shí)間，再進(jìn)行下一次跟蹤。為了得到準(zhǔn)確的真太陽時(shí)，可以根據(jù)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)來校正時(shí)差值，我國區(qū)域的時(shí)差 E 確定如下： 60)15( ELLtt stlocs ???? （ ） st 為當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)，單位為小時(shí)； t 為當(dāng)?shù)仄教枙r(shí)，即當(dāng)?shù)貢r(shí)間，單位為小時(shí)； stL 為制定時(shí)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)度，對中國來說， stL =120(北京時(shí)間經(jīng)度 )； locL 為跟蹤裝置安裝地的經(jīng)度，式中“177。因此，根據(jù)圖 所示，可以得到 S? 為： S? = KJI ??? ????? ????? s inc o sc o sc o ss in () 其中： ? 表示太陽高度角； ? 表示太陽方位角，通常以正南方向?yàn)??0 ，向西為正，向東為負(fù)。 （ 5） 太陽赤緯角 ? ：即日地中心的連線與赤道面間的夾角，每天都在變，在春分和秋分時(shí)刻等于零，在夏至和冬至?xí)r刻分別為 ?? 。 二維跟蹤又稱為全跟蹤，能夠在兩個(gè) 相互垂直的方向上跟蹤太陽。相關(guān)零件的加工可以選取對應(yīng)尺寸的鋁板、鋁棒和角鋁。 本課題中垂直軸主要承受軸向載荷，同時(shí)在工作中也要承受徑向載荷。蝸輪通過鍵安裝在蝸輪軸上，并用圓螺母實(shí)現(xiàn)軸向固定與調(diào)節(jié)。 （ 3） 方案三：兩組蝸輪蝸桿傳動 圖 機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)（方案三） 該方案對方案二進(jìn)行了改進(jìn)，采用了兩組蝸輪蝸桿傳動，解決了方案二中方位角機(jī)構(gòu)和高度角機(jī)構(gòu)運(yùn)動不同步的問題。之后，算法程序?qū)μ幚砗蟮膱D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。 （ 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)的傳動精度決定。本文采用濾光片和遮光片進(jìn)行遮光。它是一個(gè)無人值守的自動觀測 網(wǎng)，其每個(gè)觀測站都配備了全天時(shí)云量監(jiān)視系統(tǒng)。 （ 4） 雙（多）波段測云 雙（多）波段測云法通過測量兩個(gè)或多個(gè)窄波段輻 射值的方法來確定天空是否有云，從而確定云量。因此，地基遙感測云儀器的研究一直受到關(guān)注。 目前光伏發(fā)電功率預(yù)測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] 。 關(guān)鍵詞： 光伏 功率預(yù)測 天空成像儀 云層監(jiān)測 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II 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 work, 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 freedo m. 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 monitoring 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 目錄 摘要 .........................................