【導讀】由于能源緊缺，太陽能光伏發(fā)電在全球范圍內(nèi)得到推廣應用。用戶和用電設備等，提供必不可少的數(shù)據(jù)。本文主要設計一種能實時監(jiān)測和預估?，F(xiàn)有的天空成像儀無法應用于光伏發(fā)電的超短期功率預測。天空云層監(jiān)測裝置，解決了這一問題。該裝置包括機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分，蹤模塊、成像模塊和鏡頭保護模塊?？刂葡到y(tǒng)以跟蹤算法設計為主，包括跟蹤算。法的計算分析和算法流程圖。方向轉動自由度。該機械結構的運動由兩個步進電機來驅(qū)動，完成對太陽高度角。本文采用視日運動軌跡跟蹤方案，控制器根據(jù)相關的公式和參。研究的目的和意義.......

　　

【正文】 物理量，可以由當?shù)氐恼嫣枙r st 求得。由于太陽在一年中的時角運動很復雜，日常生活中的鐘表時間采用平均太陽時（簡稱平太陽時 t ），即太陽沿著周年運動的平均速率，真太陽時 st 與 平太陽時 t 之差即稱為時差 E。如果在工程計算中采用平太陽時，就會存在時差問題。因此，必須采用真太陽時，以達到實際計算中的精度要求。為了得到準確的真太陽時，可以根據(jù)定時標準來校正時差值，我國區(qū)域的時差 E 確定如下： 60)15( ELLtt stlocs ???? （ ） st 為當?shù)卣嫣枙r，單位為小時； t 為當?shù)仄教枙r，即當?shù)貢r間，單位為小時； stL 為制定時區(qū)標準的經(jīng)度，對中國來說， stL =120(北京時間經(jīng)度 )； locL 為跟蹤裝置安裝地的經(jīng)度，式中“177?！碧枌|半球為正，西半球為負。 E 表示時差，可由下式求出： BBBE s o ??? （ ） 其中， 364 )81(360 ?? nB ， n 為積日。 由于太陽每小時經(jīng)過的經(jīng)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。因此，由式 ， 可由求得以當?shù)卣嫣枙r 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]。由于日出日落時，太陽高度角 ??0? 。因此，由式 可計算出： )ta nta na r c c o s ( ??? ?? （ ） 且根據(jù)時角 ? (上午時 ??0? ，下午時 ??0? )，得到日出和日落時角的表達式為： )t a nt a na rc c o s (1 ??? ??? （ ） )t a nt a na rc c o s (2 ??? ?? （ ） 計算出日出時角和日落時角后，由式 可得出日出時間 1T 和日落時間 2T ，即： 浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 20 1512 11 ???T （ ） 1512 22 ???T （ ） 算法流程圖 跟蹤主程序設計 跟蹤系統(tǒng)主流程如圖 所示。系統(tǒng)開始工作時，首先判斷跟蹤機構是否處于基準位置，若偏離基準位置，則驅(qū)動跟蹤機構返回基準位置?；鶞饰恢弥傅氖歉櫃C構的正前方正對當?shù)氐恼戏较?，即太陽方位角為零的方向；且相機為水平放置，即對應太陽高度角為零的方向。然后獲取系統(tǒng)當前的日期、時間信息，以及系統(tǒng)所在地的經(jīng)度和緯度值，計算出當天的日出和日落時間，并判斷當前時間是否為日出后、日落前。若不滿足條件，則系統(tǒng)待機延時一段時間；反之，由計算機驅(qū)動跟蹤機構轉自起始位置，使得跟蹤系統(tǒng)正常運行。起始位置指的是跟蹤機構第一次跟蹤應該轉到的位置，由開始跟蹤時的太陽高度角和方位角的理論值確定。若高度角和方位角分別為 ? 和 ? ，根據(jù)跟蹤機構所在的基準位置就可以確定轉動到起始位置的驅(qū)動角度，即跟蹤機構在水平面上向東旋轉 ?? （上午， ? 為負值）或向西旋轉?? （下午， ? 為正值）；在垂直方向上，向上旋轉 ? ，這樣跟蹤機構就轉至起始位置了。 跟蹤機構轉自起始位置后，系統(tǒng)才進入跟蹤循環(huán)。循環(huán)過程中，計算機對通過相機采樣到的圖像進行分析處理，并判斷出當前的天氣狀況。然后，分陰雨和晴朗或多云兩種情況， 當為晴朗或多云時，調(diào)用太陽運動軌跡跟蹤子程序；當陰雨天時直接跳過跟蹤子程序，不進行跟蹤，直到天氣好轉后再繼續(xù)跟蹤。 一次跟蹤完成后，程序延時等待一段時間，再進行下一次跟蹤。其中， 延時時間的范圍為 0 ~ 10min，可以根據(jù)用戶的要求來設定。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(qū)動跟蹤裝置返回基準位置，跟蹤系統(tǒng)停止工作。 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(jù)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。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。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。 程序開始執(zhí)行時，計算機首先計算出當前時刻太陽高度角和方位角的理論值，并與上一次跟蹤時的理論值作差，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和方位角電機需要轉動的脈沖數(shù)。然后，根據(jù)兩個電機反饋的當前位置信息，判斷跟蹤機構是否處于基準位置。如果是，說明跟蹤系統(tǒng)剛開始工作，需要驅(qū)動跟蹤機構轉至起始位置；反之，為普通的太陽運動軌跡跟蹤。 從流程圖中可以看出，普通的軌跡跟蹤和跟蹤機構 轉至起始位置的跟蹤是不一樣的。因浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 22 為，普通軌跡跟蹤時，太陽從早到晚是自東向西轉的，所以方位角電機總是正轉；而太陽在天空中的高度是先升后降的。故需要判斷太陽高度角變化值的符號，以確定高度角電機的旋轉方向。至于轉至起始位置的跟蹤，高度角電機總是反轉，即相對于基準位置處相機水平放置而向下轉；方位角電機的旋轉方向，則在正午前后有所不同。因此，有必要把這兩種情況下的電機驅(qū)動方式加以區(qū)分。 太 陽 運 動 軌 跡 跟 蹤子 程 序 開 始獲 取 當 前 的 時 間 、 日 期 值 ，以 及 當 地 的 經(jīng) 度 、 緯 度 值計 算 循 環(huán) 間 隔 內(nèi) 太 陽 角 度 的變 化 值計 算 跟 蹤 裝 置 中 兩 個 電 機 轉動 需 要 的 脈 沖 數(shù)跟 蹤 機 構 是 否 處 于 基 準 位 置高 度 角 變 化 值 0 ？驅(qū) 動 高 度 角電 機 正 轉驅(qū) 動 高 度 角電 機 反 轉驅(qū) 動 方 位 角 電 機 正 轉驅(qū) 動 方 位 角電 機 正 轉驅(qū) 動 方 位 角電 機 反 轉驅(qū) 動 高 度 角 電 機 正 轉軌 跡 跟 蹤 轉 至 起 始 位 置方 位 角 變 化 值 0 ？NNYNYY 圖 太陽運動軌跡跟蹤子程序流程圖 浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 23 第五章 成像與鏡頭保護模塊設計 成像模塊設計 本課題不同于氣象上的云層監(jiān)測，無 需獲得夜間的云層信息，也無需獲得全天空的云層信息，而只需獲得以太陽為中心的云團圖像。因此，本課題不必采用紅外測云技術，可以采用基于可見光的測量技術即可。同時成像系統(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]和機械機構復雜的旋轉掃描的機械伺服單元 [19]。采用基于可見光的測量技術，我們可以使用一個 CCD（或者 CMOS）相機來采集圖像，并采用一個適當增大視張角的光路系統(tǒng)即可。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。相關參數(shù)見表 。 表 相機參數(shù) 型號 接口 分辨率 幀數(shù) 傳感器類型 A/D 內(nèi)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。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。除此之外，本課題需要對太陽進行長時間的監(jiān)測，此時鏡頭長時間暴露在高強度光照下，容易出現(xiàn)損壞，所以還需要設 置一個對太陽的遮光裝置。 遮光裝置設計 對于這一問題的處理， WSC 采用覆蓋鏡頭視張角 ?180 的整條具有一定寬度的遮擋條帶，但不能自動遮光，只能采用手動進行（一般每周一次） [6]，這種方法較為原始。 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 ?180 的轉動軌道上自動對太陽和月亮進行遮擋 [24]。也可以選擇將轉動軌道改進成較細的支撐柱， 其長度可根據(jù)不同地區(qū)進行選擇，有的需要視張角 ?180 的遮光，有的只需要部分遮蓋。 ASI 采用的遮光方式與改進后的 WSI 的遮光方式較為類似，但采用的是類似機械手轉動裝置，可根據(jù)太陽位置的變化自動屈伸支撐臂以遮擋陽光 [25]。 TSI 的遮光設計比較巧妙，它根據(jù)太陽方位角的變化，通過旋轉機身并利用支架遮擋太陽。 借鑒現(xiàn)有遮光裝置的設計經(jīng)驗，設計了兩種方案的遮光裝置。 （ 1） 方案一 圖 遮光裝置（方案一） 方案一采用一個凸面鏡來采集圖像，此 時相機倒置，并在相機鏡頭前放置一個遮光塊。浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 24 此方案是借鑒了現(xiàn)有天空成像儀的經(jīng)驗，并將單獨的遮光塊運動機構整合到了二自由度的跟蹤機構中，同時使用凸面鏡采集圖像還能增大相機的視角。此方案具有一定的可行性。 但是在具體設計時，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。具體分析如下： 太陽本身是一個表面具有 6000K 左右的大火球，盡管太陽距離地球很遠，但對地球來說，太陽并非點光源，而是日輪。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。根據(jù)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。 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。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。但是這樣會增加裝置的總體尺寸，所以不合理。 （ 2） 方案二 鏡 頭濾 光 片（ 或 遮 光 片 ） 圖 濾光片（或遮光片）安裝示意圖 太 陽 張 角遮 光 片遮 光 點 圖 遮光片原理示意圖 從方案一中我們可以發(fā)現(xiàn)， 本裝置與現(xiàn)有天空成像儀的不同點是：不需要采集全天空的圖像，所以相機是跟蹤太陽的軌跡運動的。所以我們可以將遮光裝置和相機鏡頭進行整合。 本文選用的相機為 AVT_Manta_G201 相機，該相機還可提供模塊化選配件。我們在鏡頭前加裝濾光片，或者定做一個遮光片，如圖 。其中，濾光片可以過濾掉會對鏡頭造成損傷的太陽直射光。遮光片原理部分，因為太陽光線具有 23? 的張角，任何一個光學系統(tǒng)所產(chǎn)生的太陽像總是一個有限的尺寸，主要決定于光學系 統(tǒng)本身的幾何形狀和尺寸。因此，只要這個遮光片上有一個大小合適的、剛好能遮住太陽的像的遮光點就能滿足要求，如圖 。 綜上所述，采用方案二：加裝濾光片，或者定做一個遮光片。 外殼部分 光學器件若暴露在野外，易受灰塵、雨雪、露、霜的污染。所以可以借鑒 WSI 和 WSC，增加一個防護罩 [6]。本文采用一個高透光的塑料圓頂，圓頂?shù)那蛐呐c相機兩旋轉軸的交點重合。這樣既能保護鏡頭，又不影響透光效果。塑料圓頂?shù)牟牧线x用 PMMA，透光率可達90%~92%，具有優(yōu)良的耐氣候性。 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。本文采用鈑金件制作外殼，材料為 SECC。并制作了一個底座，用于裝置與地面的連接，該底座由槽鋼焊接而成。 以上零件的具體結構請見相關圖紙。 浙江工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 25 第六章 計算說明書 傳動比的確定及步進電機的選?。▽?） 傳動比的確定 在地平坐標系中，太陽高度角 ? 和太陽方位角 ? 是隨著一年四季和當?shù)氐木暥茸兓?。所以我們?nèi)√?陽高度角和太陽方位角的最大角度 ?90 和 ?180 ，晝夜時長平分為 12h 進行后面的相關計算。 豎直旋轉軸的角速度 1? 即太陽方位角的變化速率： s/ 6 0 012 180 31 ???? ?? ?? 水平旋轉軸的角 速度 2? 即太陽高度角的變化速率： s/ 6 0 06 90 32 ???? ?? ?? 從 1? 和 2? 可以看出豎直旋轉軸和水平旋轉軸的角速度相等。 我們?nèi)∠鄼C采樣的時間間隔為 30s，則豎直旋轉軸和水平 旋轉軸需要轉過相應的角度為： ????? ? 3? 綜合考慮機械傳動比和步進電機細分驅(qū)動器的影響，我們?nèi)≌焦?