天空云层监测装置设计.docx
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天空云层监测装置设计
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。
关键词:
光伏功率预测天空成像仪云层监测
Abstract
Duetotheshortageofenergy,photovoltaic(PV)powergenerationiswidelyusedintheworld.ThepredictionforthePVpower,especiallythesupershort-termpowerprediction,canprovidenecessarydatafortheelectricpowernetwork,usersconnectedtothePVpowergenerationsystem,electricequipment,etc.Inthispaper,wedesignanequipment,whichcanreal-timemonitorandforecastthecloudshavinganinfluenceonthePVpowergeneration.
Theexistingskyimagercannotbeusedinshort-termpowerforecasting.Inthispaper,wedesignaskycloudmonitoringdevicetosolvetheproblem.Thedeviceconsistsofamechanicalsystemandacontrolsystem.Themechanicalsystemisthemainpartofthedesign.Itmainlyconsistsofatwo-degreeoffreedommechanicaltrackingmodule,imagingmoduleandlensprotectionmodule.Thecontrolsystemisbasedonthedesignoftrackingalgorithm.Itincludesthecalculationanalysisandtheflowchartofthealgorithm.
Inthispaper,thedesignofmechanicaltrackingmodulehastwodegreesoffreedom,namely,horizontalandverticaldirectionofrotationaldegreesoffreedom.Themechanicalstructureoftheequipmentisdrivenbytwosteppermotorstotrackthesolarelevationangleandorientationangle.Byadoptingsunmotiontrajectorytrackingstrategy,thepositionofthesunindaytimeiscalculatedbycontrollerinaccordancewithrelatedformulaandparameters.Thentheelevationangleandorientationangleareconvertedintocorrespondingpulseswhichwillbesendingtoservodriver.Andtheservomotortracksthesuninrealtime.
Theskycloudmonitoringdevicecanreal-timemonitorofthecloudsandprovidesupportingdataforsupershort-termpowerprediction.
Keywords:
photovoltaicpowerprediction,theskyimager,thecloudmonitoring
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,2011~2020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。
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30min~6h,短期功率预测的时间尺度一般为1~2d[5]。
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:
(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
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