CN103605377B - 全域天空云团实时动态监测装置 - Google Patents

Abstract

全域天空云团实时动态监测装置，包括机械跟踪模块、成像模块、镜头保护模块和控制模块，机械跟踪模块包括竖直方向转动自由度机构和水平方向转动自由度机构，竖直方向转动自由度机构的底座板固定在水平方向转动自由度机构的底座支架上，成像模块安装在竖直方向转动自由度机构的相机安装支架上，镜头保护模块包括遮光装置和保护壳体，遮光装置安装在所述的成像模块上；机械跟踪模块、成像模块均与所述的控制模块相连；机械跟踪模块、成像模块、镜头保护模块和控制模块均安装在保护壳体内；控制模块的单片机通过串口或者USB接口与配有数据库的计算机通信。本发明的有益效果是：采集的图像准确、实时性强、复原图像效果好、成像范围大、成本低。

Description

全域天空云团实时动态监测装置

技术领域

本发明涉及一种全域天空云团实时动态监测装置，尤其是面向光伏面板遮挡计算及超短期发电预测的全域天空云团实时动态监测装置。

背景技术

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，化石燃料燃烧产生了严重的环境污染、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，太阳能这种可再生能源越来越受到人们的瞩目。

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形式，利用光伏发电，具有明显的优点：结构简单，体积小重量轻，容易安装运输，建设周期短，维护方便，清洁，安全。2010年以前，我国的光伏发电多处于光伏发电阶段，2011～2020年，中国的太阳能发电市场将转向并网发电系统。

对光伏电站输出功率进行预测，有助于电力系统调度的统筹安排，有利于常规能源和光伏发电能源的协调，电力部门及时调整调度计划，合理安排电网运行方式。一方面有效降低光伏接入电网对原有电网的影响，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。

光伏发电系统的输出功率是随机的，受到太阳辐射、天气因素以及太阳能电池板本身的材料因素影响，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、云团迅速变化及移动时表现的尤其突出，这种发电方式在接入电网后会对电网原有的电能质量和安全带来影响。所以，有必要对天空云团的动态变化过程进行实时监测。目前用于天空云层监测的设备已有商品化的产品，如全域观天仪、鱼眼镜头等能够对当地视觉范围内的360度全域天空图像进行实时数据采集和分析，一般用于天文观测、气象预报、摄像等。近年来也有研究单位利用该类设备进行天空云层的动态特性分析，以用于太阳能发电的功率预测。全域观天仪的主要部件是一个半球形的反射镜，将360度范围内天空成像在反射镜表面，然后用CCD摄像头进行拍摄，获取数据信息，利用计算机软硬件程序对获取的半球形照片或视频进行展开和相应的感兴趣目标识别与定位处理；鱼眼镜头是一种半球形的透镜，将周围大视角范围内的物体通过半球形透镜折射投影到CCD模块成像，后续的处理与全域观天仪基本一致。

上述设备虽然能够对较大范围视角内的天空云层图像进行采集和后续处理，但是采用球形反射镜或透镜成像使得外界物体在图像中都存在非常大的形状和位置畸变，即使能够采用相应的算法对畸变的物像进行一定程度的展开复原，但是其与实际物体的特征依然存在较大的差异，并且物像精度和准确度较低，距离成像中心越远，这种问题越严重。所以类似全域观天仪和鱼眼镜头这样的设备在太阳能发电预测中进行云层监测时存在以下主要问题：1、图像畸变严重，复原精度和准确性差；2、图像畸变校正和复原算法复杂，实时性不能满足太阳能发电短期/超短期预测的需求；3、球形的镜面或透镜加工难度大，成本较高。

当然，如果用CCD摄像机直接拍摄天空，也可以得到一定范围内的天空图像。但是CCD是精密电子元器件，长期曝光于太阳直射的强光下时会迅速老化甚至损坏。

针对以上问题，实用新型专利“一种地基全天空成像装置(专利号：ZL201020508374.1)”提出了一种新的天空成像装置，将数字相机固定在一种特殊设计的机构上，该机构可以带动数字相机进行水平面内360度、俯仰180度旋转，实现数字相机对整个天空的扫描拍摄。该实用新型专利克服了全域观天仪、鱼眼镜头等天空成像设备所存在的图像畸变与失真严重等问题，但是其中的数字相机必须对整个天空进行逐区域拍摄，不可避免会被太阳强光直接照射，这对数字相机的CCD元件的损伤较大；并且，该实用新型专利所提出的装置必须顺序拍摄12张天空局部图片，然后再用软件对12张天空局部图片进行拼接才能得到整个天空的图像，顺序拍摄12张天空局部图片过程中需要不断调整数字相机的方位，这样获得一幅完整的天空图像所需要的时间较长，难以满足太阳能发电系统短期/超短期发电功率预测的需要；另外，由于12张天空局部图片拍摄时间不同，存在时间差，而天空云层(尤其是高层云)的变化非常迅速，所以由12张天空局部图片所拼接得到的天空图像不是同一时刻的天空云层状态，并不能真实地反映天空云层的动态状况。

也有“用于太阳能发电预测的高层云动态特征实时监测装置”(专利号：201210390205)，但是该装置只是对局部天空范围内的高层云平面成像的观测，得出的光伏发电的预测信息不够全面。

发明内容

为了克服现有设备存在的图像畸变严重、复原算法复杂而实时性差、复原图像相对较低、实时性低、成像范围小、设备成本昂贵等问题，本发明提供一种用于光伏面板遮挡计算及超短期发电预测的全域天空云团实时动态监测装置。

本发明所述的全域天空云团实时动态监测装置，其特征在于：包括机械跟踪模块、成像模块、镜头保护模块和控制模块，所述的机械跟踪模块包括用于对镜头高度角进行调整的竖直方向转动自由度机构和用于对方位角进行调整的水平方向转动自由度机构，所述的竖直方向转动自由度机构的底座板固定在水平方向转动自由度机构的底座支架上，所述的成像模块安装在所述的竖直方向转动自由度机构的相机安装支架上，所述的镜头保护模块包括遮光装置和保护壳体，所述的遮光装置安装在所述的成像模块上；所述的机械跟踪模块、成像模块均与所述的控制模块相连；所述的机械跟踪模块、成像模块、镜头保护模块和控制模块均安装在所述的镜头保护模块的保护壳体的内部；所述的控制模块的单片机通过串口或者USB接口与配有数据库和全域天空云团控制程序的计算机通信；

所述的竖直方向转动自由度机构包括底座板、第一步进电机、第一蜗杆安装座、第一蜗杆、第一蜗轮、第一蜗轮支撑架、相机安装支架、电机支撑座，所述的竖直方向转动自由度机构通过底座板安装在水平方向转动自由度机构的法兰盘上；所述的第一蜗杆的一端通过第一联轴器与第一步进电机输出轴连接、另一端通过轴承与安装在底座板上的第一蜗杆安装座相连；所述的第一蜗轮通过第一蜗轮轴与第一蜗轮支撑架轴接，所述的第一蜗轮支撑架安装在底座板上；所述的第一步进电机安装在电机支撑座上；所述的相机安装支架安装在第一蜗轮两侧的蜗轮轴上；所述的第一步进电机通过电机驱动电路与控制模块的单片机相连。

所述的水平方向转动自由度机构包括轴承安装座、底座支架、第二蜗轮轴、电机安装座、第二步进电机、第二蜗杆安装座、第二蜗杆、第二蜗轮、用于安装竖直方向转动自由度机构的法兰盘，所述的轴承安装座通过螺栓与底座支架固定；所述的第二步进电机安装在电机安装座上；所述的第二蜗杆一端通过第二联轴器与第二步进电机的输出轴连接、另一端通过轴承安装在固定于底座基板上的第二蜗杆安装座上；所述的第二蜗轮通过第二蜗轮轴安装在底座支架上，并且所述的第二蜗轮与所述的第二蜗杆啮合；所述的第二步进电机通过电机驱动电路与控制模块的单片机相连。

所述的第二蜗轮轴下端通过圆锥滚子轴承安装在位于底部的轴承安装座上、上端通过深沟球轴承安装在底座支架上，并且穿过底座支架与所述的法兰盘连接；所述的第二蜗轮安装在圆锥滚子轴承与深沟球轴承之间的第二蜗轮轴上，并用大螺母实现轴向固定与调节。

位于第一蜗轮两侧的所述的第一蜗轮轴上各安装一个相机安装支架，两个相机安装支架与第一蜗轮是通过两侧的圆螺母固定在第一蜗轮两侧。

所述的第一蜗杆的轴线与所述的第一蜗轮的轴线处于水平方向，并且所述的第一蜗杆的轴线与第一蜗轮的轴线所处的平面为竖直平面。

所述的第二蜗杆的轴线与所述的第二蜗轮的轴线处于水平方向，并且所述的第二蜗杆的轴线与第二蜗轮的轴线所处的平面为水平平面。

所述的成像模块采用CCD相机。

所述的单片机包括用于对采集到的图像进行去噪和伪彩处理的图像预处理模块、通过阈值法进行云点识别后得到图像进行处理的图像处理模块、对处理后的图像进行分析的数据处理模块、对光伏发电功率进行超短期功率预测的神经网络；所述的图像预处理模块、图像处理模块、数据处理模块、神经网络分别与所述的计算机内的数据库和全域天空云团控制程序通信。

所述的数据处理模块分别通过定位模型、灰度法、二值法、云体简化与轨迹模拟得到定位信息Po、厚度信息Th、面积信息S和轨迹信息V。

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第一步进电机和第二步进电机工作，再由第一步进电机和第二步进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等预处理，然后通过阈值法进行云点识别，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、灰度法、二值法、云体简化与轨迹模拟得到定位信息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。

本发明的有益效果是：采用本装置采集的图像准确、实时性强、复原图像效果好、成像范围大、设备成本低。

附图说明

图1是本发明的整体结构图。

图2是本发明的工作流程图。

图3是本发明的机械跟踪模块的结构图。

图4是本发明的竖直方向转动自由度机构的结构图。

图5是水平方向转动自由度机构的结构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1本发明所述的全域天空云团实时动态监测装置，包括机械跟踪模块1、成像模块2、镜头保护模块3和控制模块4，所述的机械跟踪模块1包括用于对镜头高度角进行调整的竖直方向转动自由度机构11和用于对方位角进行调整的水平方向转动自由度机构12，所述的竖直方向转动自由度机构11的底座板111固定在水平方向转动自由度机构12的底座支架122上，所述的成像模块2安装在所述的竖直方向转动自由度机构11的相机安装支架117上，所述的镜头保护模块3包括遮光装置31和保护壳体32，所述的遮光装置31安装在所述的成像模块2上；所述的机械跟踪模块1、成像模块2均与所述的控制模块4相连；所述的机械跟踪模块1、成像模块2、镜头保护模块3和控制模块4均安装在所述的镜头保护模块3的保护壳体32的内部；所述的控制模块4的单片机通过串口或者USB接口与配有数据库的计算机通信。

所述的竖直方向转动自由度机构11包括底座板111、第一步进电机112、第一蜗杆安装座113、第一蜗杆114、第一蜗轮115、第一蜗轮支撑架116、相机安装支架117、电机支撑座118，所述的竖直方向转动自由度机构11通过底座板111安装在水平方向转动自由度机构12的法兰盘上；所述的第一蜗杆114的一端通过第一联轴器1141与第一步进电机112输出轴连接、另一端通过轴承与安装在底座板111上的第一蜗杆安装座113相连；所述的第一蜗轮115通过第一蜗轮轴1151与第一蜗轮支撑架116轴接，所述的第一蜗轮支撑架116安装在底座板111上；所述的第一步进电机112安装在电机支撑座118上；所述的相机安装支架117安装在第一蜗轮115两侧的蜗轮轴1151上；所述的第一步进电机112通过电机驱动电路与控制模块4的单片机相连。

所述的水平方向转动自由度机构12包括轴承安装座121、底座支架122、第二蜗轮轴123、电机安装座124、第二步进电机125、第二蜗杆安装座126、第二蜗杆127、第二蜗轮128、用于安装竖直方向转动自由度机构的法兰盘129，所述的轴承安装座121通过螺栓与底座支架122固定；所述的第二步进电机125安装在电机安装座124上；所述的第二蜗杆123一端通过第二联轴器1231与第二步进电机125的输出轴连接、另一端通过轴承安装在固定于底座基板上的第二蜗杆安装座126上；所述的第二蜗轮128通过第二蜗轮轴123安装在底座支架上，并且所述的第二蜗轮128与所述的第二蜗杆127啮合；所述的第二步进电机125通过电机驱动电路与控制模块4的单片机相连。

所述的第二蜗轮轴123下端通过圆锥滚子轴承1211安装在位于底部的轴承安装座121上、上端通过深沟球轴承安装在底座支架122上，并且穿过底座支架122与所述的法兰盘129连接；所述的第二蜗轮128安装在圆锥滚子轴承1211与深沟球轴承之间的第二蜗轮轴123上，并用大螺母1232实现轴向固定与调节。

位于第一蜗轮11两侧的所述的第一蜗轮轴115上各安装一个相机安装支架117，两个相机安装支架117与第一蜗轮115是通过两侧的圆螺母固定在第一蜗轮115两侧。

所述的第一蜗杆114的轴线与所述的第一蜗轮115的轴线处于水平方向，并且所述的第一蜗杆114的轴线与第一蜗轮115的轴线所处的平面为竖直平面。

所述的第二蜗杆127的轴线与所述的第二蜗轮128的轴线处于水平方向，并且所述的第二蜗杆127的轴线与第二蜗轮128的轴线所处的平面为水平平面。

所述的成像模块3采用CCD相机。

所述的单片机包括用于对采集到的图像进行去噪和伪彩处理的图像预处理模块、通过阈值法进行云点识别后得到的图像进行处理的图像处理模块、对处理后的图像进行分析的数据处理模块、对光伏发电功率进行超短期功率预测的神经网络，所述的图像预处理模块、图像处理模块、数据处理模块、神经网络分别于所述的计算机内的数据库和全域天空云团控制程序通信。

所述的数据处理模块分别通过定位模型、灰度法、二值法、云体简化与轨迹模拟得到定位信息Po、厚度信息Th、面积信息S和轨迹信息V。

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第一步进电机和第二步进电机工作，再由第一步进电机和第二步进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等预处理，然后通过阈值法进行云点识别，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、灰度法、二值法、云体简化与轨迹模拟得到定位信息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。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.全域天空云团实时动态监测装置，其特征在于：包括机械跟踪模块、成像模块、镜头保护模块和控制模块，所述的机械跟踪模块包括用于对镜头高度角进行调整的竖直方向转动自由度机构和用于对方位角进行调整的水平方向转动自由度机构，所述的竖直方向转动自由度机构的底座板固定在水平方向转动自由度机构的底座支架上，所述的成像模块安装在所述的竖直方向转动自由度机构的相机安装支架上，所述的镜头保护模块包括遮光装置和保护壳体，所述的遮光装置安装在所述的成像模块上；所述的机械跟踪模块、成像模块均与所述的控制模块相连；所述的机械跟踪模块、成像模块、镜头保护模块和控制模块均安装在所述的镜头保护模块的保护壳体的内部；所述的控制模块的单片机通过串口或者USB接口与配有数据库的计算机通信；所述的竖直方向转动自由度机构包括底座板、第一步进电机、第一蜗杆安装座、第一蜗杆、第一蜗轮、第一蜗轮支撑架、相机安装支架、电机支撑座，所述的竖直方向转动自由度机构通过底座板安装在水平方向转动自由度机构的法兰盘上；所述的第一蜗杆的一端通过第一联轴器与第一步进电机输出轴连接、另一端通过轴承与安装在底座板上的第一蜗杆安装座相连；所述的第一蜗轮通过第一蜗轮轴与第一蜗轮支撑架轴接，所述的第一蜗轮支撑架安装在底座板上；所述的第一步进电机安装在电机支撑座上；所述的相机安装支架安装在第一蜗轮两侧的蜗轮轴上；所述的第一步进电机通过电机驱动电路与控制模块的单片机相连。

2.如权利要求1所述的全域天空云团实时动态监测装置，其特征在于：所述的水平方向转动自由度机构包括轴承安装座、底座支架、第二蜗轮轴、电机安装座、第二步进电机、第二蜗杆安装座、第二蜗杆、第二蜗轮、用于安装竖直方向转动自由度机构的法兰盘，所述的轴承安装座通过螺栓与底座支架固定；所述的第二步进电机安装在电机安装座上；所述的第二蜗杆一端通过第二联轴器与第二步进电机的输出轴连接、另一端通过轴承安装在固定于底座基板上的第二蜗杆安装座上；所述的第二蜗轮通过第二蜗轮轴安装在底座支架上，并且所述的第二蜗轮与所述的第二蜗杆啮合；所述的第二步进电机通过电机驱动电路与控制模块的单片机相连。

3.如权利要求2所述的全域天空云团实时动态监测装置，其特征在于：所述的第二蜗轮轴下端通过圆锥滚子轴承安装在位于底部的轴承安装座上、上端通过深沟球轴承安装在底座支架上，并且穿过底座支架与所述的法兰盘连接；所述的第二蜗轮安装在圆锥滚子轴承与深沟球轴承之间的第二蜗轮轴上，并用大螺母实现轴向固定与调节。

4.如权利要求3所述的全域天空云团实时动态监测装置，其特征在于：位于第一蜗轮两侧的所述的第一蜗轮轴上各安装一个相机安装支架，两个相机安装支架与第一蜗轮是通过两侧的圆螺母固定在第一蜗轮两侧。

5.如权利要求4所述的全域天空云团实时动态监测装置，其特征在于：所述的第一蜗杆的轴线与所述的第一蜗轮的轴线处于水平方向，并且所述的第一蜗杆的轴线与第一蜗轮的轴线所处的平面为竖直平面。

6.如权利要求1所述的全域天空云团实时动态监测装置，其特征在于：所述的成像模块采用CCD相机。

7.如权利要求1所述的全域天空云团实时动态监测装置，其特征在于：所述的单片机包括用于对采集到的图像进行去噪和伪彩处理的图像预处理模块、通过阈值法进行云点识别的图像处理模块、对处理后的图像进行分析的数据处理模块、对光伏发电功率进行超短期功率预测的神经网络；所述的图像预处理模块、图像处理模块、数据处理模块、神经网络分别与所述的计算机内的数据库和全域天空云团控制程序通信。

8.如权利要求7所述的全域天空云团实时动态监测装置，其特征在于：所述的数据处理模块分别通过定位模型、灰度法、二值法、云体简化与轨迹模拟得到定位信息Po、厚度信息Th、面积信息S和轨迹信息V。