天空云层监测装置设计.doc

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1、 本科毕业设计(论文) 题目：天空云层监测装置设计 学 院： 机 械 工 程 学 院 专 业： 机械工程及自动化 班 级： 2009级 02 班 学 号： 200902070215 学生姓名： 李 理 指导老师： 鲍官军 提交日期： 2013年 6 月 8 日 摘要由于能源紧缺，太阳能光伏发电在全球范围内得到推广应用。光伏发电的功率预测，尤其是超短期的功率预测能够给与光伏发电系统相连的电力网络、用户和用电设备等，提供必不可少的数据。本文主要设计一种能实时监测和预估对光伏发电有遮挡影响的天空云层的装置。 现有的天空成像仪无法应用于光伏发电的超短期功率预测。本文设计了一种天空云层监测装置，解决了这

2、一问题。该装置包括机械系统和控制系统两部分，其中机械系统是设计的主要部分。机械系统主要包括一个双轴二自由度的机械跟踪模块、成像模块和镜头保护模块。控制系统以跟踪算法设计为主，包括跟踪算法的计算分析和算法流程图。本文设计的机械跟踪模块，具有两个自由度，即水平方向转动自由度和竖直方向转动自由度。该机械结构的运动由两个步进电机来驱动，完成对太阳高度角和方向角的跟踪。本文采用视日运动轨迹跟踪方案，控制器根据相关的公式和参数计算出白天太阳的位置，再将高度角和方位角转化成相应的脉冲发送给驱动器，驱动电机实时跟踪太阳。本文设计的天空云层监测装置能够对天空云团进行实时监测，为光伏发电超短期功率预测提供支持数据

3、。关键词：光伏功率预测 天空成像仪 云层监测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 short-term power prediction, can provide necessary data for the electric power network, users connected to the PV power g

4、eneration system, electric equipment, etc. In this paper, we design an equipment, which can real-time monitor and forecast the clouds having an influence on the PV power generation. The existing sky imager cannot be used in short-term power forecasting. In this paper, we design a sky cloud monitorin

5、g 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 two-degree of freedom mechanical tracking module, imaging module and lens protection module. The control system is based on th

6、e 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 freedom. The mechanical structure of the equ

7、ipment 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 orienta

8、tion 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 real-time monitor of the clouds and provide supporting data for super short-term power prediction.Keywords：photovoltaic power

9、 prediction, the sky imager, the cloud monitoring目录摘要IAbstractII第一章 绪论31.1 研究背景、目的和意义31.1.1 研究背景31.1.2 研究的目的和意义41.2 研究现状分析41.3 本文主要研究内容51.3.1 机械系统部分61.3.2 控制系统部分61.4 本文结构6第二章 总体方案设计72.1 设计需求分析72.2 总体设计思路72.2 系统工作原理7第三章 机械跟踪模块设计93.1 机械跟踪模块的功能93.2 方案比较93.3 二自由度机械跟踪机构设计113.3.1 方位角跟踪机构的结构123.3.2 高度角跟踪机构

10、的结构133.3.3 相关零件的选用与设计14第四章 跟踪算法设计154.1 跟踪方式确定154.2 设计中的重要参数及定义154.3 视日运动轨迹跟踪设计174.4 算法流程图204.4.1 跟踪主程序设计204.4.2 太阳运动轨迹跟踪子程序设计21第五章 成像与镜头保护模块设计235.1 成像模块设计235.2 镜头保护模块设计235.2.1 遮光装置设计235.2.2 外壳部分24第六章 计算说明书256.1 传动比的确定及步进电机的选取（对应3.3.3）256.1.1 传动比的确定256.1.2 步进电机选型256.2 高度角蜗轮蜗杆设计（对应3.3.2）266.2.1 高度角蜗轮转

11、矩T2的计算：266.2.2 高度角蜗轮蜗杆的设计过程266.3 方位角蜗轮蜗杆设计（对应3.3.1）286.3.1 方位角蜗轮转矩T2的计算：286.3.2 方位角蜗轮蜗杆的设计过程296.4 轴设计及校核306.4.1 高度角蜗轮轴设计（对应3.3.2）306.4.2 方位角蜗轮轴设计（对应3.3.3）306.5 步进电机的校核（对应3.3.3）316.5.1 高度角步进电机的校核316.5.2 方位角步进电机的校核31第七章 总结与展望33参考文献34致谢36第一章 绪论1.1 研究背景、目的和意义1.1.1 研究背景（1） 光伏发电及其特点随着社会经济的快速发展，能源消耗剧增，化石能源

12、日趋枯竭，加之与日俱增的化石燃料燃烧所造成的环境污染，给地球的生态平衡和人类的生活带来了严重的威胁。近年来，世界各国竞相实施可持续发展的能源政策。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是可利用的最直接的清洁能源之一，太阳能发电即光伏发电事业也备受瞩目1 。以光伏电池技术为核心的光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，利用光伏发电，具有明显的优点：结构简单，体积小且轻；容易安装运输，建设周期短；维护简单，使用方便；清洁、安全、无噪声；可靠性高，寿命长，并且应用范围广。基于以上优点，光伏发电产业在近几年得到迅速发展。2010年以前，我国的光伏发电多处于独立光伏发电阶段，20112020

13、年，中国太阳能发电市场将会由独立系统转向并网发电系统2。但是光伏发电系统的输出功率受到太阳辐射功率、天气因素以及太阳能电池板自身因素的影响，其发电量的变化是一个非平稳的随机过程，具有很强的非线性3，其发电量和输出电功率随机性强、波动大、不可控制，在天气突变时表现得尤为突出，这种发电方式在接入电网后必会对电网的安全和管理带来一系列的问题4 。（2） 光伏发电功率预测的重要性因为光伏发电具有波动性和间歇性5 ，大规模光伏电站并网运行可能对电力系统的安全稳定经济运行造成影响。对光伏电站的输出功率进行预测有助于电力系统调度部门统筹安排常规能源和光伏发电的协调配合，及时调整调度计划，合理安排电网运行方式

14、。一方面有效地降低光伏接入对电网的影响，提高电网运行的安全性和稳定性；另一方面减少电力系统的旋转备用和运行成本，以充分利用太阳能资源，获得更大的经济效益和社会效益。光伏功率预测从时间尺度上可以分为超短期功率预测和短期功率预测。超短期功率预测的时间尺度为30min6 h，短期功率预测的时间尺度一般为12d5。类比于风力发电，短期预测的时间分辨率为15分钟，超短期预测着重考虑云团的变化对太阳辐射的遮挡造成光伏发电输出功率的瞬间大幅度波动，15分钟的时间分辨率无法显示出这种波动，因此要进行超短期预测。目前，超短期功率预测的主要原则是根据地球同步卫星拍摄的卫星云图推测云层运动情况，对未来几小时内的云层

15、指数进行预测，然后通过云层指数与地面辐照强度的线性关系得到地面辐照强度的预测值，再通过效率模型得到光伏电站输出功率的预测值5。但是卫星云图更适合揭示大范围地区的云气候特征，对低云和区域性云信息的描述可能不太理想。（3） 天空云层监测装置的作用天空云层监测装置是超短期功率预测的重要一环，它不同于地球同步卫星拍摄的大范围卫星云图，而是以地面观测的方式，对当地会对光伏发电有遮挡影响的低空云层，进行更精确地实时监测和预估的装置，能为超短期功率预测提供决策支持数据。目前光伏发电功率预测的主要方法有多元线性回归、灰色理论和神经网络等4 。卢静等人采用BP神经网络模型，把测试数据预测结构的部分预测值和实际值

16、进行比较，并发现以数值天气预报作为输入气象数据的短期光伏发电功率预测只能跟踪光伏电站数据功率的趋势，捕捉不到短时的云层变化信息，因此不能跟踪光伏电站输出功率的短时波动5 。而天空云层监测装置很好地弥补了无法捕捉到短时的云层变化信息的缺点。天空云层监测装置通过对天空云层的实时监控得到云层的实时位置信息，并通过一定算法预测云层变化对地面辐照强度的影响，将其作为模型的输入变量，代替以天为单位的数值天气预报的信息，就可以跟踪光伏电站输出功率的短时波动。1.1.2 研究的目的和意义天空云层监测装置是超短期功率预测的重要一环，但现有的天空云层监测装置无法实现光伏发电的超短期功率预测。针对现有的天空成像仪应

17、用于一定范围内的天空图像采集时存在的不足，本课题将有针对性地对现有的天空成像仪进行改进。最后获得的装置能够对一定范围内的天空图像进行采集，获得太阳及其周边云层的精确定位信息。计算机对采集到的图像进行处理后，由神经网络对光伏发电功率进行超短期功率预测，得到功率预测信号，实现光伏发电的超短期功率预测。对光伏发电进行超短期功率预测有助于电力系统调度部门统筹安排常规能源和光伏发电的协调配合，及时调整调度计划，合理安排电网运行方式。一方面有效地降低光伏接入对电网的影响，提高电网运行的安全性和稳定性；另一方面减少电力系统的旋转备用和运行成本，以充分利用太阳能资源，获得更大的经济效益和社会效益。1.2 研究

18、现状分析云层的监测主要应用于气象学，云的观测是气象观测的重要内容，准确地获取云的信息，对于天气预报、气候研究以及国民经济和军事等诸多领域都有十分重要的意义。随着气象水文观测自动化的不断发展，很多云的自动探测识别仪器相继涌现。按工作平台不同主要分为卫星遥感和地基遥感两种方式。卫星遥感测云仪器如甚高分辨率辐射计(AVHRR)、多光谱扫描仪(LANDSATMSS)、中分辨率成像光谱仪(MODIS)等6。研究表明，卫星云图更适合揭示大范围地区的云气候特征，其代表地域广泛。但对低云和区域性云信息的描述可能不太理想7 。因此，地基遥感测云仪器的研究一直受到关注。地基遥感测云仪器根据测量技术主要分为以下几种

19、：（1） 微波气象雷达和遥感辐射测量这是两种比较传统的方法，可以做到云层的监测，但存在体积大、质量大、能耗高、成本高和灵敏度不够等缺点8。（2） 基于可见光或近红外的测量可见光波段测云法直接采用照相机对天空进行拍摄。Bradbury等人9 曾利用模拟式相机研究了云的观测问题，指出利用这样的系统可以确定云底高度和云底的运动，并用于对卫星反演的云参数进行验证；十几年前，欧洲的Gardiner等采用鱼眼照相机拍摄照片来测量云量10 ；美国Yankee环境系统公司(YES)研制出了总天空成像仪TSI11，其前身是半球天空成像仪HIS(hemispheric sky imager)。它将CCD相机安装在

20、顶部，向下对准底部有加热装置的曲面镜进行全天空镜像拍摄。新一代TSl880型采集的图像是分辨率为352288的24位JPEG彩图，采样最短间隔10 S，工作温度为-30C至44C。TSI给出白天半球天空的连续图像(视张角为160)，当太阳高度角大于10时可以反演出天空云的分布。位于西班牙南部城市格拉纳达的大气物理研究中心研制出全天空成像仪ASI(all sky imager)12，该仪器采用的是全彩色CCD相机，外加鱼眼透镜，能获取视张角为的全天空图像。国内方面，霍娟等研究开发了地基全天空可见光成像观测系统13。以上方法主要是对云量进行定量测量，并且可以同时实现对云层的定位，但是只能获得白天或

21、明夜的云层信息。（3） 激光雷达探测如王宏波等人利用改进的Klett反演算法对所测雷达回波信号反演获得大气消光系数分布，进一步求出云层高度、厚度及光学厚度，研究了云底高度和云层厚度在不同天气下的变化情况14；陈臻懿等人15采用改进后的微分法，着重分析了出现多个峰值信号时，如何有效判断单层云和多层云，得出了云底、云顶、云峰和云层光学厚度等重要信息。以上研究主要是对云高和云层厚度的研究，不能实现云层分布定位的测量。（4） 双（多）波段测云双（多）波段测云法通过测量两个或多个窄波段辐射值的方法来确定天空是否有云，从而确定云量。美国加利福尼亚大学研制成功了一种全天空成像仪WSI16。其光学部分采用51

22、2512分辨率的16位高质量的温控CCD相机，加装鱼眼镜头得到全天空图像（视张角为180）。另外还包括光谱过滤器、带加热设备的磨砂玻璃罩等装置。早期的全天空成像仪工作在中心波长为450 nm和650 nm的两个波段，分别是70 nm宽，后来增加了中心波长在800 m的波段。WSI根据太阳和月亮的位置、地月距离、以及照条件（阳光、月光和星光）等天空条件采用相应的中性滤光片获取图像。在进行云识别时，白天和夜间采用了不同的算法，白天依靠可见光波段获取图像的红蓝对比阈值确定有云点。夜间则将测得的星场图像与计算的星象图作比较，确定哪些已知的明亮的星星被云遮盖，从而识别云。由于其采用的光学部件较为昂贵，工

23、程设计又非常复杂，所以价格较高。（5） 红外测云利用大气红外辐射进行云层测量是地基云层遥感的发展趋势，如红外云分析仪( ICA)17和红外云成像仪18的应用。国内类似的技术方案有孙学金等人提出的基于非制冷红外焦平面阵列的全天空红外测云系统19。此系统由5个单元模块构成，采用旋转扫描的机械伺服单元，用非制冷红外焦平面阵列(UIRFPA) 和扫描方式实现天空区域全天空红外测云。此系统通过拼图、温度定标、大气修正、云识别等数据处理，实现全天候云层辐射测量，辐射定标处理以及云类型识别。此后，王昊京等人针对其机械结构复杂进行了改进，提出了一种大视场全天候云层分布定位光电测量系统20，采用了由扁椭球反射镜

24、和成像透镜组成的光学子系统，增大了视角，简化了机械结构，并提出了云层空间分布定位的标定方法，实现了大视场的云层分布定位。国外类似的技术方案是SLR2000激光测距系统。它是一个无人值守的自动观测网，其每个观测站都配备了全天时云量监视系统。此监视系统使用线阵长波红外探测器采集尺寸为120120像素的图像，采用串口传输图像数据；监测设备有4条机械支架，有较大面积的成像遮拦；另外云图只包含3种成分（晴朗、霾、云），可以给出天空辐射图21。红外测云技术不受时间的限制，可以获得白天和夜间全天的天空云层图像，是地基云层遥感的发展趋势。随着机械结构的不断改进、含有椭球反射镜的新的光学系统的出现和红外传感器分

25、辨率的提高，红外测云技术已经越来越完善。1.3 本文主要研究内容本文所研究设计的天空云层监测装置，包括机械系统和控制系统两部分，其中机械系统是设计的主要部分。机械系统主要是设计一个二双轴自由度的机械跟踪模块、成像模块和镜头保护模块。控制系统主要以跟踪算法设计为主，包括跟踪算法的计算分析和算法流程图。天空云层监测装置主要有以下内容：1.3.1 机械系统部分机械系统包括机械跟踪模块、成像模块和镜头保护模块。机械跟踪模块有两个自由度，即一个水平方向转动自由度方位角自由度和一个竖直方向转动自由度高度角自由度。由两个电机来分别驱动，调整相机的方向，使相机的主光轴对准太阳。成像模块的作用是能获取以太阳为中

26、心的云团图像。本课题不同于气象上的云层监测，无需获得夜间的云层信息，也无需获得全天空的云层信息，而只需获得以太阳为中心的云团图像。因此，本文不采用红外测云技术，而采用基于可见光的测量技术，使用一个CCD相机来采集图像。镜头保护模块包括遮光装置和外壳部分。光学器件若暴露在野外，易受灰尘、雨雪、露、霜的污染，所以需要一个外壳保护镜头和整个装置，本文设计了一个满足要求的钣金外壳。除此之外，装置需要对太阳进行长时间的监测，此时镜头长时间暴露在高强度光照下，容易出现损坏，所以还需要设置一个对太阳的遮光装置。本文采用滤光片和遮光片进行遮光。1.3.2 控制系统部分控制系统主要包括跟踪算法的计算分析和算法流

27、程图。本文采用矢量方法，分别建立太阳的运行轨迹的时角坐标系和地平坐标系，通过跟踪控制系统的运动规律的坐标系，对这些坐标系的变换来建立跟踪装置的运动方程。算法流程图包括跟踪主程序流程图和跟踪子程序流程图。本文通过流程图结合文字说明对跟踪系统的控制方案和控制步骤进行了详细说明。1.4 本文结构本文分为七章：第一章主要阐述了论文选题背景、目的及意义，介绍了超短期功率预测在光伏发电中的重要性、天空成像仪对超短期功率预测的作用和天空云层监测装置的发展研究现状。第二章主要介绍了天空云层监测装置的总体方案设计。第三章主要介绍了机械跟踪模块设计。确定以蜗轮蜗杆传动的二自由度机械跟踪机构。第四章阐述了自动跟踪算

28、法，主要内容有：确定了跟踪方式，对视日运动轨迹跟踪进行了详细的计算分析，设计了跟踪主程序和子程序。第五章主要对成像与镜头保护模块进行了设计。成像模块采用CCD相机，镜头保护模包括遮光装置和外壳部分。第六章是计算说明书，对主要的设计内容进行了详细的计算分析。第七章主要对本文设计的天空云层监测装置进行总结和对该装置的发展展望。第二章 总体方案设计2.1 设计需求分析设计指标和参数要求：（1） 时间分辨率T：即相邻两次观测的最小时间间隔。时间分辨率是超短期功率预测的重要参数，本装置需要较高的时间分辨率，取T=30s。（2） 跟踪精度：即机械结构的定位精度，由电机和机械结构的传动精度决定。本装置采集到

29、的图像要为云轨迹算法提供原始数据，有较高的精度要求，取跟踪精度。 （3） 成像模块的视场角：即以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。参考标准镜头的视场角，取。（4） 图像解析度：解析度过高，数据的处理速度会过慢；解析度过低，无法得到精确的云团信息。参考TSI的图像解析度，最低要求为352288色彩，24Bit，JPEG格式。（5） 太阳跟踪角度范围：太阳跟踪分为高度角跟踪和方位角跟踪，高度角跟踪范围为090，方位角跟踪范围为0180。（6） 速度响应：即机械结构的反应时间，与控制系统有关，主要由步进电机的频率决定，但必须小于时间分辨率T。（7） 供电

30、电压：外部供电为AC220V，内部根据供电需要采用相应的电源适配器。（8） 尺寸与重量：最大尺寸不超过404040(cm)，最大重量不超过15kg。2.2 总体设计思路根据自动化机械设计方法中的模块化设计理念，将整机按功能用途分模块进行模块化设计，即分为机械跟踪模块、成像模块、镜头保护模块和控制模块。图2.1 整机示意图2.2 系统工作原理先通过数据库查询法获得太阳位置信息的参数，把参数输入控制模块中的单片机，由单片机控制电机驱动电路使电机工作。再由电机带动二轴双自由度的机械跟踪模块旋转与当时当地的太阳高度角h和方位角A相对应的角度，使成像模块和遮光模块对准太阳，从而自动跟踪太阳的运动轨迹。实

31、现精确跟踪定位后，成像模块应用可见光测云技术对一定范围内的天空图像进行采集，获得太阳和云团的位置信息，然后通过串口或者USB接口将图像信息传给计算机。计算机首先通过图像预处理模块对采集到的图像进行去噪和伪彩处理20等预处理，然后通过阈值法13进行云点识别，得到处理后的图像。之后，算法程序将对处理后的图像进行分析，分别通过定位模型20、灰度法22、二值法22、云体简化与轨迹模拟23得到定位信息Po、厚度信息Th、面积信息S和轨迹信息V。最后，将得到的信息信号输入神经网络，由神经网络对光伏发电功率进行超短期功率预测，得到功率预测信号，最终实现光伏发电的超短期功率预测。以上过程的流程框图如图2.2所

32、示。图2.2 天空云层监测装置的流程框图第三章 机械跟踪模块设计3.1 机械跟踪模块的功能机械跟踪模块的功能是自动跟踪太阳运动轨迹。因为本课题不同于普通的气象云层监测系统，不是只需要取得云层的信息，而是需要同时获得云层和太阳的定位信息。为了获得太阳的定位信息，需要跟踪太阳的运动轨迹。根据太阳的运动特征，我们需要设计一个双轴二自由度的机械跟踪机构。所以这个机械跟踪机构要有两个自由度，即一个水平方向转动自由度方位角自由度和一个竖直方向转动自由度高度角自由度。由两个电机来分别驱动，调整相机的方向，使相机的主光轴对准太阳。3.2 方案比较本文的机械跟踪机构方案经过多次修改，主要有以下四种方案：（1）

33、方案一：四连杆传动和电机直接驱动图3.1 机械跟踪机构（方案一）该方案模仿了雷达的运动机构，采用了四连杆进行传动，结构新颖，拥有连杆机构的优点：连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小、承载能力大、耐冲击；运动副元素的几何形状为圆柱面，便于加工制造；通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律；连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求。但是四连杆机构也有一些缺点：本文中四连杆主要用于传动和定位，在定位精度上，四连杆机构收到加工精度和安装精度的影响很大；存在死点等问题。而且此方案的方位角机构采用电机直接驱动，电机轴受到其上部结构因倾覆力所产生的弯矩的影响，会对电机造成损伤并且降低了定位

34、精度。（2） 方案二：蜗轮蜗杆和齿轮传动图3.2 机械跟踪机构（方案二）该方案对方案一进行了改进，采用了蜗轮蜗杆和齿轮传动。高度角机构采用蜗轮蜗杆传动，具有传动比大、结构紧凑和能自锁等优点，并且解决了四连杆在定位精度上的问题。方位角机构采用齿轮传动，齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠和效率高等优点。但是在本装置中，单级齿轮传动的传动比不够大，无法和高度角机构中的蜗轮蜗杆传动同步（方位角机构和高度角机构的角速度相等）。（3） 方案三：两组蜗轮蜗杆传动图3.3 机械跟踪机构（方案三）该方案对方案二进行了改进，采用了两组蜗轮蜗杆传动，解决了方案二中方位角机构和高度角机构运动不同步的问题。此方案在结构

35、上对以上几个方案进行了细化，并且采用标准件外球面轴承，以解决轴承的安装问题。但是因为本装置结构过小，最小型号的外球面轴承在结构匹配上还是存在很多问题。（4） 方案四：两组蜗轮蜗杆传动图3.4 机械跟踪机构（方案四）该方案对以上三种方案进行了综合，并对结构进行了更具体的细化，最终采用两组蜗轮蜗杆传动，并设计了一种满足要求的轴承座，具体结构在3.3中进行论述。综上所述，采用方案四，由两组蜗轮蜗杆传动。3.3 二自由度机械跟踪机构设计图3.5所示为二自由度机械跟踪机构总体示意图，主要由底座支架、方位角跟踪机构、高度角跟踪机构和相机组成。方位角跟踪机构能实现水平方向的转动自由度，高度角跟踪机构能实现竖

36、直方向的转动自由度。机构的运动简图如图3.6所示。由两个步进电机分别驱动高度角跟踪机构和方位角跟踪机构，传动方案均采用蜗轮蜗杆机构。蜗轮蜗杆机构既能实现自锁，又有较大的传动比，能够实现更精确的定位。图3.5 二自由度机械跟踪机构总体示意图注：1.底座支架 2.方位角跟踪机构 3.高度角跟踪机构 4.相机图3.6 二自由度机械跟踪机构运动简图3.3.1 方位角跟踪机构的结构方位角跟踪机构主要由3个底座基板、1个步进电机、l组蜗轮蜗杆、1个蜗轮轴、2个蜗杆支承座、1个电机支承座、2个轴承、2个轴承座、1个支撑法兰、1个高度角基板以及1个螺母等组成，如图3.7所示。3个底座基板通过螺栓连接，组成机架

37、，固定不动。蜗轮轴一端通过键、支承法兰、平垫圈和螺母与高度角基板连接，可以驱动高度角跟踪机构，实现水平面内的360旋转。方位角跟踪机构通过1组蜗轮蜗杆实现相机在水平平面内的方向调整。蜗杆一端与电机输出轴通过联轴器连接，另一端通过轴承与蜗杆支承座相连，蜗杆支承座固定安装在底座基板上。蜗轮通过键安装在蜗轮轴上，并用圆螺母实现轴向固定与调节。蜗轮轴下端通过圆锥滚子轴承和轴承座安装在底座基板a上，承受上部机构的重力产生的轴向力和倾覆产生的径向力；蜗轮轴上端通过深沟球轴承和轴承座安装在底座基板c上，承受上部机构的倾覆产生的径向力。步进电机则安装在电机支承座上。详细计算与校核见6.3与6.4.2。图3.7

38、 方位角跟踪机构结构示意图注：1.电机支承座 2.底座基板a 3.步进电机 4.联轴器 5.蜗杆 6.蜗杆支承座 7.底座基板b 8.高度角基板 9.平垫圈 10.螺母 11.支承法兰 12.底座基板c 13.轴承座a 14.深沟球轴承 15.圆螺母 16.蜗轮 17. 蜗轮轴18.圆锥滚子轴承 19.轴承座b3.3.2 高度角跟踪机构的结构高度角跟踪机构主要由1个步进电机、l组蜗轮蜗杆、1个蜗轮轴、2个蜗杆支承座、1个电机支承座、2个蜗轮支承座2个圆螺母、以及4个轴承等组成，如图3.8所示。高度角跟踪机构通过支撑法兰安装在方位角跟踪机构上，并由方位角跟踪机构驱动，可实现水平面内的360旋转。

39、高度角跟踪机构通过1组蜗轮蜗杆实现相机在竖直平面内的倾角调整。蜗杆一端与电机输出轴通过联轴器连接，另一端通过轴承与蜗杆支承座相连，蜗杆支承座固定安装在高度角基板上。蜗轮通过键安装在蜗轮轴上，蜗轮轴两端通过轴承连接到蜗轮支承座上，蜗轮支承座同样固定安装在高度角基板上。步进电机则安装在电机支承座上。另外，在蜗轮轴上，蜗轮两侧安装有两个相机支撑架，这两个支撑架与蜗轮相对静止，通过两侧的圆螺母固定在蜗轮两侧。详细计算与校核见6.2与6.4.1。图3.8 高度角跟踪机构结构示意图注：1.电机支承座 2.步进电机 3.联轴器 4.蜗杆支承座 5.蜗杆 6.蜗轮 7.蜗轮支承座 8.相机 9.相机支架 10

40、.套筒 11.圆螺母 12.蜗轮轴 13.轴承蜗轮 14.轴承蜗杆 15.高度角基板3.3.3 相关零件的选用与设计（1） 垂直轴轴承的选用按轴承工作的摩擦性质不同可分为滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承两大类。滚动轴承中按轴承用于承受的外载荷不同分类，可以分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类。轴承所受的载荷大小、方向和性质是选择轴承类型的主要依据。 本课题中垂直轴主要承受轴向载荷，同时在工作中也要承受径向载荷。根据它在工作过程中可能出现的综合情况及受力情况，通过查滚动轴承的性能特点，采用一个圆锥滚子轴承和一个深沟球轴承，代号分别为30302和6002。轴承的相关校核计算见6.4。（2） 动力源

41、的选取在机械传动中，大多采用电动机作为动力源。电动机的使用和控制非常方便，能满足各种运行要求。电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。 根据太阳能自动跟踪的方式，同时考虑跟踪的需要，选择合适的电动机。实际跟踪中，对太阳的方位角和高度角的调整是需要一个很低的速度和较高的定位精度，可以选择使用直流减速电机和步进电机，其中直流减速电机还需要编码盘实现精确定位。 综合考虑速度控制和机械结构，本文选用步进电机作为动力源。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加

42、一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的相关校核计算见6.1与6.5。（3） 基板、支架和轴的材料选择由于本装置所受载荷较小，选用钢材已不再合适。综合考虑强度高、密度低的材料，可以选用铝合金材料。查阅铝合金的资料，选用牌号为4A01的铝合金。相关零件的加工可以选取对应尺寸的铝板、铝棒和角铝。第四章 跟踪算法设计4.1 跟踪方式确定太阳能光伏发电系统中，用于实现太阳跟踪的方法主要有光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪两种24。（1） 光电跟踪光电跟踪通过使用光敏二极管、光敏电

43、阻、硅光电池等光敏元件，来检测太阳的运动方向，并控制跟踪装置追踪太阳的运行。可见，该跟踪方式是一种基于闭环控制的跟踪方法。国内常用的光电跟踪机械装置形式，主要有电动式和电磁式。在安装使用过程中，通常将光敏元件安装在遮光挡板的旁边，并调整挡板的位置，使太阳垂直入射时，光敏元件的光敏面全部处于阴影区域。当太阳方位发生偏转时，光敏元件因受到阳光的照射，将产生并输出与光照强度和光照面积成正比的光电流。该光电流经运放转换放大后，作为偏差信号，用来控制跟踪机构做相应的调整，使太阳能电池板对准太阳垂直照射的方向。由于光电跟踪采用闭环控制形式，其跟踪灵敏度比较高。但本文中的装置不仅要跟踪太阳的运动，还要预测云

44、层对太阳的遮挡。如果采用光电跟踪，云层对太阳光产生遮挡时，跟踪精度将大大降低，此时无法得到有效的图像信息，以致于无法预测云层何时不再遮挡太阳光。所以不能采用光电跟踪。（2） 视日运动轨迹跟踪视日运动轨迹跟踪通过使用天文学公式，计算出太阳运动轨迹的理论值来控制跟踪装置进行太阳跟踪。该跟踪方式是一种基于开环控制的跟踪方法。根据跟踪系统使用的轴数，该跟踪方法可分为一维跟踪和二维跟踪两种。本装置需要采用二维跟踪。二维跟踪又称为全跟踪，能够在两个相互垂直的方向上跟踪太阳。该跟踪方式根据坐标系的不同，又可以分为极轴式和高度角方位角式全跟踪。极轴式全跟踪：竖直旋转轴与天球北极（即地轴）平行，另一轴与天球北极

45、垂直，即赤纬轴。跟踪控制器工作时，整个机构绕极轴旋转，根据地球自转设定不同的角速度，但跟踪方向相反。由于赤纬角随季节变化，应定期调整相机主光轴使其围绕赤纬轴俯仰转动。极轴式跟踪方式原理上相对简单，但因为结构上反射镜的重量不能通过极轴轴线，在设计极轴支承装置相对困难25。高度角方位角式全跟踪：此种方法又称地平坐标系双轴跟踪。跟踪机构的方位轴垂直于地平面，俯仰轴与方位轴垂直。跟踪系统工作时，此种跟踪控制系统跟踪精度高，而且跟踪装置的重量与垂直轴平行，设计支承结构就相对容易。综上所述，本装置采用视日运动轨迹跟踪中的高度角方位角式全跟踪。4.2 设计中的重要参数及定义本文主要涉及到太阳高度角和方位角的

46、计算，首先了解其中一些重要参数的含义和表达式2627。图4.1 各重要参数和定义的示意图（1） 地平坐标系：以跟踪装置所在地为原点建立的坐标系。（2） 时角坐标系：以地心为原点建立的坐标系。（3） 太阳高度角：指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，其值在到之间变化，日出日落时为，太阳在正天顶时为。（4） 太阳方位角：指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东为负，由南向西为正，如太阳在正东，方位角为，在正西时方位角为。（5） 太阳赤纬角：即日地中心的连线与赤道面间的夹角，每天都在变，在春分和

47、秋分时刻等于零，在夏至和冬至时刻分别为。（6） 时角：地面上任意一点与地心之间的连线在赤道面上的投影与当地正午时的日地中心连线在赤道面上投影之间的夹角。（7） 纬度角：是指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角，其数值在0至90度之间。（8） 太阳入射角：相机主光轴与太阳入射光的夹角。（9） 积日n：即日期在年内的顺序号，如1月1日取为1，12月31日取为365，闰年则为366。（10） 真太阳时与平太阳时：由于太阳在黄道上的运动速度并不均匀，而是时快时慢。因此，真太阳日的长短也就各不相同，但人们在实际生活需要一种均匀不变的时间单位，这就需要一个假想的太阳。假定它以匀速运行，这个假想的太阳就称为平太阳，其周日的持续时间称为平太阳日，相应的小时称为平太阳时（又称地方时）。由于平太阳时是假想的，无法实际观测，